CN105734671A - 一种高质量碳化硅晶体生长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高质量碳化硅晶体生长的方法，其包括位于高温区的碳化硅原料，位于温度低于原料区的籽晶，以及覆盖于原料之上的一层耐高温化学性能稳定的碳化物粉末层。相比于常规的气相传输法生长碳化硅晶体，本发明不同之处在于碳化硅原料表面上增加了一层耐高温化学性能稳定的碳化物粉末层，其优点是：耐高温化学性能稳定碳化物粉末层能够显著减少晶体中的包裹物缺陷，获得高质量的碳化硅晶体，提高了碳化硅晶体生长的成品率。

Description

一种高质量碳化硅晶体生长的方法

技术领域

本发明涉及一种高质量碳化硅晶体生长的方法，可以显著减少碳化硅晶体包裹物缺陷的方法，涉及SiC晶体生长领域。

背景技术

碳化硅(SiC)材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用前景。与Si和GaAs传统半导体材料相比，SiC具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景。

目前生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法(Journalofcrystalgrowth43(1978)209‐212)，典型生长室的结构如图1所示。坩埚由上部的盖和下部的埚组成，上部的盖用于固定SiC籽晶，通常称之为籽晶托，下部的坩埚用于装SiC原料。

在物理气相传输法生长SiC晶体的过程中，原料在高温下蒸发所发生的基本反应包括：

SiC(s)→Si(g)+C(s)

2SiC(s)→Si(g)+SiC₂(g)

Si(g)+SiC(s)→Si₂C(g)式中s和g分别表示固相和气相。

由上述反应式可见生长室内形成的气相主要为Si、Si₂C和SiC₂。根据Drowar等人(J.Chem.Phys,29(1958):1015‐1021.)的研究，在晶体生长所需要的2000℃－2500℃温度范围内，Si蒸气的分压比Si₂C和SiC₂蒸气的分压高出很多。在晶体生长过程中，SiC原料的蒸发总是伴随着Si的丢失过程，蒸发剩余的固相总是富C。由于SiC原料自身高温蒸发特性，即体系所要求的气相分压组合，原料必然会发生石墨化，即在SiC原料中剩余碳颗粒。

在物理气相传输法生长过程中，随着晶体厚度增加，原料的边缘由于温度最高，最先发生石墨化，留下大量的碳颗粒，从而在原料的外侧产生一个环形的石墨化区域。该区域内的碳颗粒本身非常蓬松，密度较小，很容易被SiC原料升华形成的气相带动到晶体表面，从而被包裹到晶体中，形成包裹物缺陷，影响SiC晶体的质量和产率。

发明内容

针对常规气相传输法生长SiC晶体中的包裹物缺陷过多的问题，本发明提供了一种高质量碳化硅晶体生长的方法和装置，相比于常规的SiC晶体生长方法，其可以大幅度减少SiC晶体中包裹物缺陷的密度，获得高质量的SiC晶体，显著提高碳化硅晶体生长的合格率。

为实现上述目的，本发明的特征在于覆盖于原料之上的一层耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，碳化硅原料与碳化物粉末层之间直接接触，如图2所示。这样，升华的气相组分带起来的碳颗粒被耐高温化学性能稳定碳化物粉末层过滤掉，不会到达生长晶体表面形成包裹物。同时，碳化物粉末耐高温化学性能稳定，在1900℃到2500℃温度范围内其不会升华分解。即便升华分解，其生成气相的压力极小，不会在晶体中形成大剂量掺杂；而且碳化物粉末比重较大，也不可能被升华的气相组分带起来，不会输运到生长晶体表面形成包裹物。从而获得高质量包裹物缺陷少的SiC晶体。

具体来说，本发明方法包括：

将碳化硅原料装填到石墨坩埚中；然后在碳化硅原料之上再装填一层耐高温化学性能稳定的碳化物粉末层；随后在石墨坩埚上安装相应的碳化硅籽晶，将该坩埚放入SiC晶体生长炉；

碳化硅粉末原料温度设定在2000℃到2500℃范围，籽晶处温度设定在低于原料处温度50℃到350℃；高温区的碳化硅粉末原料升华成气相组分，随后气相组分通过耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，实现对包裹物的过滤，最后沉积到低温区的籽晶上生长成碳化硅晶体，从而获得高质量的SiC晶体。

其中，所述耐高温化学性能稳定碳化物为碳化钽。

进一步地，所述耐高温化学性能稳定碳化物粉末为碳化钽、碳化钨、碳化钼、碳化锇、碳化铱、碳化铼、碳化铌、碳化钛、碳化锆、碳化钇中的一种或多种组成。

其中，所述耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其面积等同于碳化硅原料上表面的面积，且完全覆盖住碳化硅原料上表面。

其中，所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其形状为环形，且能够完全覆盖住碳化硅原料在晶体生长结束后产生的环形石墨化表面。

进一步，所述的环形碳化物粉末层，其外径等同于原料块体的直径，其内径为原料块体直径的1/3到2/3，优选其内径为原料块体直径的1/3到1/2。

其中，所述耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其厚度能够实现滤掉升华的气相组分带起来的碳颗粒，厚度为1mm到30mm，优选厚度为5mm到20mm之间。

其中，所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末，其颗粒大小为10微米到10毫米，优选为300微米到5毫米，更优选为500微米‐2毫米。碳化物粉末的颗粒如果太大，则颗粒之间缝隙很大，不能起到过滤包裹物的效果。碳化物粉末的颗粒如果太小，则颗粒之间缝隙很小，虽然过滤包裹物的效果很好；但是也会影响升华气相传输到晶体表面的速率，影响晶体生长的气相原料供应。另外如果碳化物粉末的颗粒太小的话，碳化物本身也会被生长气流带到晶体中，形成包裹物，影响晶体质量。

其中，所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其堆积后的气孔率为20％‐80％；优选气孔率为40％‐60％。

采用本发明的方法后，升华的气相组分带起来的碳颗粒被表面一层耐高温化学性能稳定碳化物粉末层完全过滤掉，显著地降低了晶体中包裹物缺陷密度，获得了高质量的SiC晶体。

附图说明

图1是常规物理气相传输法生长SiC晶体的生长室结构示意图；

其中，1、石墨盖；2、石墨埚；3、SiC原料；4、粘合剂；5、籽晶；6、生长的晶体；

图2是本发明的物理气相传输法生长SiC晶体的坩埚结构示意图；

其中，7、耐高温化学性能稳定碳化物粉末层；8、碳化硅原料发生碳化形成固态碳颗粒；

图3是本发明的物理气相传输法生长SiC晶体的坩埚结构示意图；

其中，7、耐高温化学性能稳定碳化物粉末层；8、碳化硅原料发生碳化形成固态碳颗粒；碳化物粉末层7的环形区面积大于发生碳化的原料块8的环形区面积；

图4是本发明实施例1获得SiC晶片的光学显微镜透射模式典型图片；

图5是常规物理气相传输法生长获得的SiC晶片的光学显微镜透射模式典型图片，其中小黑点为包裹物

图6是常规物理气相传输法生长获得的SiC晶片的光学显微镜透射模式图片，其中小黑点为包裹物；

图7是本发明实施例2获得SiC晶片的光学显微镜透射模式典型图片；

具体实施方式

本发明的物理气相传输法生长SiC晶体的生长室结构示意图如图2、图3所示，与常规物理气相传输法生长SiC晶体的生长室结构图1对比，本发明特征在于覆盖于原料之上的一层耐高温化学性能稳定碳化物粉末层7，可以让升华的气相组分通过，同时可以过滤掉被升华的气相组分带起来的固态碳颗粒，从而大大降低了晶体中包裹物缺陷密度。

实施例1

直径为100mm的4H‐SiC籽晶一片，选择C面作为晶体生长面。装原料的石墨坩埚内径为110mm，首先在坩埚中装入足量的SiC粉末原料，然后在SiC原料表面装入一层颗粒状TaC粉末层，原料结构示意图如图2。其中TaC粉末层的直径等同于原料表面直径110mm，厚度为20mm，TaC颗粒的粒径分布在500um‐1mm之间。将装有上述SiC原料、SiC籽晶、TaC粉末层的坩埚结构装入到生长炉中，设定原料处温度在2200‐2300℃，籽晶处温度低于原料150℃，生长获得4H‐SiC晶体一根。将晶体切割、加工成400微米厚的4英寸SiC晶片，采用光学显微镜在50倍放大倍数下检测晶体中包裹物的数量，整个4英寸晶片中包裹物总数为10个，其中代表性的光学显微镜照片如图4所示，观察不到包裹物存在。4英寸晶片面积为78.5cm²，据此计算可得到每平方厘米的晶体中包裹物数量，晶体包裹物的平均密度为0.12个/cm²。同时采用SIMS测试SiC晶体中Ta含量为小于3E15cm^‐3，已经低于SIMS测试的检测下限，表明晶体中没有大量Ta杂质存在。

而采用常规物理气相传输法生长SiC晶体，将晶体切割、加工成330微米厚的SiC晶片，其中代表性的光学显微镜照片如图5,6所示，其中黑点为包裹物，可以看出包裹物密度很大，测试计算得到平均包裹物密度约为5000个/cm²，远高于本发明方法生长的晶体。

实施例2

直径为100mm的4H‐SiC籽晶一片，选择C面作为晶体生长面。装原料的石墨坩埚内径为110mm，首先在坩埚中装入足量的SiC粉末原料，然后在SiC原料表面装入一层环形颗粒状TaC粉末层，原料结构示意图如图3。其中TaC粉末层的直径等同于原料表面直径为110mm，厚度为10mm，TaC颗粒的粒径分布在100um‐500um之间。将装有上述SiC原料、SiC籽晶、TaC粉末层的坩埚结构装入到生长炉中，设定原料处温度在2200‐2300℃，籽晶处温度低于原料150℃，生长获得4H-SiC晶体一根。将晶体切割、加工成400微米厚的SiC晶片，采用光学显微镜在50倍放大倍数下检测晶体中包裹物的数量，其中包裹物密度最大处的光学显微镜照片如图7所示。经统计，整个晶片中包裹物数量为15个，换算成平均包裹物密度为0.19个/cm²。与采用常规物理气相传输法生长SiC晶体对比，极大降低了晶体的包裹物密度。同时采用SIMS测试SiC晶体中Ta含量为小于3E15cm^‐3，已经低于SIMS测试的检测下限，表明晶体中没有大量Ta杂质存在。

实施例3

直径为76.2mm的6H‐SiC籽晶一片，选择Si面作为晶体生长面。装原料的石墨坩埚内径为80mm，首先在坩埚中装入足量的SiC粉末原料，然后在SiC原料表面装入一层颗粒状TaC和WC均匀混合的粉末层，原料结构示意图如图2。其中TaC和WC粉末层的直径等同于原料表面直径为80mm，厚度为2mm，TaC颗粒的粒径分布在50um‐200um之间。将装有上述SiC原料、SiC籽晶、TaC和WC粉末层的坩埚结构装入到生长炉中，设定原料处温度在2300‐2400℃，籽晶处温度低于原料100℃，生长获得6H-SiC晶体一根。将晶体切割、加工成350微米厚度的SiC晶片，采用光学显微镜在50倍放大倍数下检测晶体中包裹物的数量，换算成平均包裹物密度为0.3个/cm²。与采用常规物理气相传输法生长SiC晶体对比，极大降低了晶体的包裹物密度。同时采用SIMS测试SiC晶体中Ta含量为小于3E15cm^‐3、W含量为3E15cm^‐3，均小于1.0E16cm^‐3，没有大量Ta、W杂质存在。

应该指出，上述的具体实施方式只是对本发明进行详细说明，它不应是对本发明的限制。对于本领域的技术人员而言，在不偏离权利要求的宗旨和范围时，可以有多种形式和细节的变化。

Claims (13)

1.一种高质量碳化硅晶体生长的方法，其包括

将碳化硅原料装入到石墨坩埚中；然后在碳化硅原料之上再装填一层耐高温化学性能稳定碳化物粉末层；随后在石墨坩埚上安装相应的碳化硅籽晶，将该坩埚放入SiC晶体生长炉；

碳化硅粉末原料温度设定在2000℃到2500℃范围，籽晶处温度设定在低于原料处温度50℃到350℃；高温区的碳化硅粉末原料升华成气相组分，随后气相组分经过耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，实现对包裹物的过滤，最后沉积到低温区的籽晶上生长成碳化硅晶体，从而获得高质量的SiC晶体。

2.如权利要求1所述，耐高温化学性能稳定碳化物为碳化钽。

3.如权利要求1所述，耐高温化学性能稳定碳化物为碳化钽、碳化钨、碳化钼、碳化锇、碳化铱、碳化铼、碳化铌、碳化钛、碳化锆、碳化钇中的一种或多种组成。

4.如权利要求1所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其面积等同于碳化硅原料上表面的面积，且完全覆盖住碳化硅原料的上表面。

5.如权利要求1所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其形状为环形，且能够完全覆盖住碳化硅原料在晶体生长结束后产生的环形石墨化表面。

6.如权利要求5所述的环形碳化物粉末层，其外径等同于碳化硅原料块体的直径，其内径为原料块体直径的1/3到2/3。

7.如权利要求6所述的环形碳化物粉末层，其内径为原料块体直径的1/3到1/2。

8.如权利要求1所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其厚度为1mm到30mm之间。

9.如权利要求8所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其厚度为5‐20mm。

10.如权利要求1所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末，其颗粒大小为10μm到10mm。

11.如权利要求10所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末，其其颗粒大小为300μm‐5mm。

12.如权利要求1所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其堆积后的气孔率为20％‐80％。

13.如权利要求12所述的耐高温化学性能稳定碳化物粉末层，其堆积后的气孔率为40％‐60％。