CN106012021A - 一种液相生长碳化硅的籽晶轴及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液相生长碳化硅的籽晶轴及方法，属于碳化硅生长技术领域。本发明所述的籽晶轴包括石墨轴，在石墨轴的下端连接有石墨轴帽；所述的石墨轴帽为中空结构。本发明解决了传统生长方法高速生长带来的多型、包裹体和应力等问题，可方便的调控温度梯度，使晶体既保证生长速度的同时，又能保证晶体质量。

Description

一种液相生长碳化硅的籽晶轴及方法
技术领域
本发明涉及一种液相生长碳化硅的籽晶轴及方法，属于碳化硅生长技术领域。
背景技术
碳化硅(SiC)单晶具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优点，是继第一代半导体材料硅(Si)和第二代半导体材料(GaAs)后发展起来的第三代半导体材料。SiC单晶禁带宽度是硅的3倍，热导率是硅的3.3倍，击穿场强是硅的13倍，饱和电子漂移速率是硅的2.7倍。所以与硅单晶相比，SiC单晶优异的性能更能满足现代电子技术对高温、高压、高频、高功率以及抗辐射的新要求。
一直以来，升华法生长高质量SiC单晶存在着微管、位错密度高等诸多问题，特别是随着市场的需求，高质量、大尺寸SiC单晶这一瓶颈问题愈发明显。目前国际上已经开始研发取代升华法的生长方法，来解决生长高质量、大尺寸SiC单晶的瓶颈问题，如液相法(LPE)、高温气相沉积法(HTCVD)等。其中液相法是目前发展最为成熟的一种方法，由于生长过程处于稳定的液相中，是一种近平衡的状态，具有先天生长高质量SiC单晶的优势。
现有的液相法生长碳化硅晶体，都是通过加热(感应或者电阻式)将硅在高纯石墨坩埚中融化，形成碳在硅中的溶液，再通过头部贴付有籽晶的石墨轴伸入到溶液中去，由于溶液中有一定的过饱和度，碳化硅在石墨轴头部的籽晶上结晶，形成碳化硅晶体。整个生长的驱动力为溶液中的温度梯度。不同的温度梯度对应着不同的饱和度，在溶液的表面，温度相对较低，碳的饱和度低，在溶液的底部温度相对较高，碳的饱和度高。这样溶质碳在低温度形成一定的过饱和度，经过一定的温度起伏和成分起伏，会在籽晶表面形核并长大。
目前通用的控制温度梯度的方法是调节坩埚相对加热器的位置。一般认为：从坩埚与加热器中心齐平开始，越往上温度梯度越大。当需要很快的晶体生长速度时，会采用很大的温度梯度。此时溶液中的温差过大，溶液的低温区随着温度和成分起伏，很容易自发形成一些杂晶，随着溶液的流动等，会混入晶体的生长界面，产生多型、包裹体等缺陷。所以要生长高质量的碳化硅晶体，必须采用较小的温度梯度，使溶液中的温差变小，避免杂晶的生成。但这种方案，生长速率低，使成本相对增高。而且一般石墨轴中间开测温孔，这样也会造成籽晶表面温度分布不均匀，造成晶体中应力过大，引发缺陷的产生。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提出了一种液相生长碳化硅的籽晶轴及方法，目的在于解决上述高速生长带来的多型、包裹体和应力等问题，使晶体既保证生长速度的同时又能保证晶体质量。
本发明主要采用以下技术方案：一种液相生长碳化硅的籽晶轴，包括石墨轴，在石墨轴的下端连接有石墨轴帽；所述的石墨轴帽为中空结构。
具体工作时，单晶炉的加热方式可以为电阻式加热，也可以为感应式加热。在真空炉中放入顶部开口的高纯石墨坩埚，石墨坩埚中放入高纯的多晶硅块体或粉体原料，纯度为6N以上。石墨坩埚周围包围着保温材料。碳化硅晶须合成所需要的硅由高纯的多晶硅块体或者粉体来提供，所需要的碳由石墨坩埚来提供。生长腔室内通有惰性气体保护，如氦气或氖气或氩气。通过加热器对石墨坩埚进行加热，融化坩埚中的高纯硅料，融化后，调节坩埚相对加热中心在一个合适的位置，保证溶液中的温度梯度很小，避免有杂晶的生成。将籽晶粘在石墨轴帽上的石墨轴伸入融化的硅料中，进行生长。
石墨轴与籽晶之间设有中空结构的石墨轴帽。晶体生长的驱动力，是籽晶和溶液之间的固液界面的温度梯度。在生长过程中，在生长腔室内充入惰性气体，由于石墨帽为多孔石墨材质，在温度梯度的驱动下，可以方便惰性气体的进出。因为这个中空结构的存在，籽晶表面的热量可以快速的被气体带走，从而在籽晶和溶液之间形成较大的温度梯度，使晶体的生长速度增大，同时又能避免了溶液中过大的温度梯度造成的杂晶影响。在籽晶和石墨轴之间引入中空的石墨轴帽，石墨轴上方为均匀的气氛，不存在石墨轴中间有测温孔导致的径向温度分布不均匀的问题，所以在增大了轴向温度梯度的同时，又能减小径向的温度梯度，这样可以使籽晶表面的温度分布更加均匀，避免了晶体中形成应力，保证了高质量碳化硅晶体的生长。
本发明中，温度梯度由石墨轴帽和石墨轴之间的间隙高度和惰性气体氛围来调节。所述的石墨轴帽与石墨轴通过螺纹或者卡扣形式连接，均为本领域常用的连接方式。所述的石墨轴帽的高度为1-10cm。氦气热导率大，导热相对较快，所以需要大的温度梯度时，在生长腔室内通入氦气，增加间隙的高度。这样可以在获得大的温度梯度保证大的生长速率的同时，避免杂晶和应力的产生。
本发明所述的石墨轴中间设有测温孔，可以实现温度的测定。
综上所述，本发明在石墨轴的下端设有高度可调的中空结构的石墨轴帽，实现了碳化硅生长过程中温度梯度的调节，解决了传统生长方法高速生长带来的多型、包裹体和应力等问题，使晶体既保证生长速度的同时又能保证晶体质量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明所述的螺纹连接结构示意图；
图3为本发明所述的卡扣连接结构示意图；
图中：1、石墨轴，2、石墨轴帽，3、测温孔，4、籽晶，5、保温层，6、坩埚，7、螺纹，8、卡扣。
具体实施方式
实施例1
一种液相生长碳化硅的籽晶轴，包括石墨轴1，在石墨轴1的下端连接有石墨轴帽2；所述的石墨轴帽2为中空结构；
所述的石墨轴帽2与石墨轴1通过螺纹形式连接。
利用上述的的籽晶轴液相生长碳化硅的方法，在碳化硅生长过程中，向生长腔室内通入惰性气体。
所述的惰性气体为氦气。
所述的石墨轴1中间设有测温孔3。
为进一步增加散热，石墨轴帽2的高度为10cm。
实施例2
一种液相生长碳化硅的籽晶轴，包括石墨轴1，在石墨轴1的下端连接有石墨轴帽2；所述的石墨轴帽2为中空结构；
所述的石墨轴帽2与石墨轴1通过卡扣形式连接。
利用上述的的籽晶轴液相生长碳化硅的方法，在碳化硅生长过程中，向生长腔室内通入惰性气体。
所述的惰性气体为氦气。
所述的石墨轴1中间设有测温孔3。
为进一步增加散热，石墨轴帽2的高度为5cm。
实施例3
一种液相生长碳化硅的籽晶轴，包括石墨轴1，在石墨轴1的下端连接有石墨轴帽2；所述的石墨轴帽2为中空结构；
所述的石墨轴帽2与石墨轴1通过螺纹形式连接。
所述的石墨轴1中间设有测温孔3。
利用上述的的籽晶轴液相生长碳化硅的方法，在碳化硅生长过程中，向生长腔室内通入惰性气体。
所述的惰性气体为氩气。
石墨轴帽2的高度为1cm。

Claims (6)

1.一种液相生长碳化硅的籽晶轴，包括石墨轴(1)，其特征在于：在石墨轴(1)的下端连接有石墨轴帽(2)；所述的石墨轴帽(2)为中空结构。
2.根据权利要求1所述的一种液相生长碳化硅的籽晶轴，其特征在于：所述的石墨轴帽(2)与石墨轴(1)通过螺纹或者卡扣形式连接。
3.根据权利要求1所述的一种液相生长碳化硅的籽晶轴，其特征在于：所述的石墨轴(1)中间设有测温孔(3)。
4.根据权利要求1所述的一种液相生长碳化硅的籽晶轴，其特征在于：所述的石墨轴帽(2)的高度为1-10cm。
5.一种液相生长碳化硅的方法，其特征在于：利用权利要求1所述的一种液相生长碳化硅的籽晶轴生长碳化硅，在碳化硅生长过程中，向生长腔室内通入惰性气体。
6.根据权利要求3所述的一种液相生长碳化硅的方法，其特征在于：所述的惰性气体为氦气或氖气或氩气。
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