CN108149315B - 晶体生长用坩埚以及释放碳化硅晶体热应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶体生长用坩埚以及释放碳化硅晶体热应力的方法，所述坩埚是与制备的晶体侧面相接触的坩埚，所述坩埚具有环式非闭合拼接结构。该晶体生长用坩埚具有环式非闭合拼接结构，因此可以避免紧箍晶体，从而使晶体生长过程中在晶体内聚集形成的热应力得到有效释放，降低晶体的开裂率，提高晶体的成品率。

Description

晶体生长用坩埚以及释放碳化硅晶体热应力的方法

技术领域

本发明属于晶体生长领域和碳化硅材料领域，具体涉及一种晶体生长用坩埚以及一种在物理气相传输法生长碳化硅晶体过程中释放晶体内热应力的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)单晶材料具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，与第一代半导体材料和第二代半导体材料相比有着明显的优越性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料，在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用。

目前生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输(PVT)法，整个生长室主要由碳化硅原料区、晶体生长区和籽晶区三部分组成。PVT法制备碳化硅晶体最主要问题是容易形成缺陷和应力聚集区，尤其随着SiC晶体的尺寸需求达到4英寸及以上，微小的热应力就容易导致晶体开裂，极大影响晶体的成品率。因此，如何降低碳化硅晶体生长过程中形成的热应力对于制备出碳化硅晶体成品是至关重要的。国内外专利(US 20160083865 A1、CN200910243520.4、CN 201510994404.1)通常采用随炉退火或者取出晶体后二次热退火的方式来降低晶体中的热应力，但晶体生长过程中生长区的闭合圆环式石墨坩埚仍然与晶体侧面紧密接触，其热膨胀系数差异在晶体生长过程中所形成的内热应力将无法得到有效释放，导致晶体出炉就容易开裂。PVT法生长碳化硅晶体所采用的石墨坩埚都是三高式石墨，价格比较昂贵，在专利(CN201521114037.3、CN 201706886 U、CN 202688507 U)中都提到采用上下拼接式的结构的石墨坩埚，就是为了实现部分结构组件重复使用从而降低成本，但上述坩埚生长区的石墨组件仍是闭合圆环式结构，在晶体生长过程中碳化硅晶体内聚集的热应力将无法充分有效释放。

发明内容

针对上述PVT法SiC晶体生长过程中生长区的坩埚内壁箍紧晶体导致聚集的热应力无法有效释放，影响晶体成品率的问题。本发明首次设计一种环式非闭合结构的坩埚组件，应用于碳化硅晶体生长区与晶体侧面直接接触的部位，不仅确保晶体生长时聚集在碳化硅晶体内的热应力得到有效释放，提高晶体成品率，同时实现坩埚组件更少部分更换进一步降低晶体的制备成本。

一方面，本发明提供一种晶体生长用坩埚，所述坩埚是与制备的晶体侧面相接触的坩埚，所述坩埚具有环式非闭合拼接结构。

该晶体生长用坩埚具有环式非闭合拼接结构，因此可以避免紧箍晶体，从而使晶体生长过程中在晶体内聚集形成的热应力得到有效释放，降低晶体的开裂率，提高晶体的成品率。

较佳地，所述坩埚为石墨坩埚、碳化硅坩埚、或碳化钛坩埚。

较佳地，所述坩埚中与制备的晶体侧面直接相接触的拼接组件的厚度为1mm以上，优选为1～10mm。

较佳地，所述坩埚为单层结构，且各拼接组件采用凹凸互卡式拼接。

较佳地，所述坩埚为多层嵌套结构，其中至少最内层为环式非闭合拼接结构，所述环式非闭合拼接结构为直接贴合式拼接和/或凹凸互卡式拼接。

较佳地，拼接处的缝隙或公差控制在3mm以内，优选为0.1～1mm。

另一方面，本发明提供一种碳化硅晶体生长过程中释放晶体热应力的方法，采用物理气相传输方法在籽晶表面沉积生长碳化硅单晶，其中在生长区腔室内与制备的晶体侧面相接触的坩埚采用上述任意一种晶体生长用坩埚。

本发明中，采用环式非闭合坩埚结构，可以避免紧箍晶体，从而使晶体生长过程中在碳化硅晶体内聚集形成的热应力得到有效释放，降低晶体的开裂率，提高碳化硅晶体的成品率。

较佳地，所述物理气相传输方法中，将晶体生长炉的真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充惰性气氛至生长压强6～40Torr，生长温度为2000～2400℃。

附图说明

图1是物理气相传输(PVT)法生长SiC晶体的生长室结构示意图；附图中，各标号所代表的部件列表如下，1、生长区腔室坩埚组件，虚线表示可以为多层或单层结构；2、原料区坩埚组件；3、籽晶区的粘接籽晶的盖组件；4、SiC原料；5、SiC籽晶；6、生长的晶体；

图2(1)是PVT法制备SiC晶体的生长腔室内壁坩埚组件的环形非闭合横竖拼接结构示意图；

图2(2)是图2(1)的拼接单一部件示意图；

图3是采用竖直型直接贴合式拼接的生长区石墨坩埚组件的俯视示意图；

图4是实施例和对比例制备的晶体：(上)实施例1制备的无裂纹晶体；(中)实施例2制备的无裂纹晶体；(下)对比例1制备的有裂纹晶体。

具体实施方式

以下通过下述实施方式和附图进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

图1示出物理气相传输(PVT)法生长SiC晶体的生长室结构示意图。如图1所示，该生长室结构主要由碳化硅原料区、晶体生长区和籽晶区三部分组成。具体而言，该生长室结构包括：原料区坩埚组件2，其为高温区，用于盛放晶体生长原料(例如SiC原料)4；位于原料区坩埚组件2上方的生长区腔室坩埚组件1；以及盖于原料区坩埚组件2上的盖组件3，在盖组件3的朝向晶体生长原料一侧粘结有籽晶5。在高温条件下晶体生长原料4蒸发，在坩埚内的温度梯度驱动下，自然传输到温度相对较低的籽晶5表面，并由于超饱和凝结结晶，最终在生长区腔室坩埚组件1内形成晶体6。在采用PVT法生长碳化硅晶体的一个示例中，将生长室的真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充惰性气体(例如氩气等)至生长压强6～40Torr，至生长温度2000～2400℃，在籽晶表面沉积生长碳化硅单晶。生长完成后降温取出碳化硅晶体。

生长区腔室坩埚组件1(亦称“晶体生长用坩埚”)是与制备的晶体侧面相接触的坩埚。本发明一实施方式中，生长区腔室坩埚组件1具有环式非闭合拼接结构。

“环式非闭合拼接结构”是指由多个拼接组件在周向上拼接而形成筒状结构。该环式非闭合拼接结构在受到来自晶体的作用力时可活动，因而不会紧箍晶体，从而使晶体生长过程中在晶体内聚集形成的热应力得到有效释放，降低晶体的开裂率，提高晶体的成品率。

另外，“生长区腔室坩埚组件1具有环式非闭合拼接结构”应理解为生长区腔室坩埚组件1至少部分为环式非闭合拼接结构。更具体而言，生长区腔室坩埚组件1的至少直接接触所制备的晶体的侧面(一般为内壁)为环式非闭合拼接结构。

同时，还应理解，生长区腔室坩埚组件1整体上仍形成为能够防止气相组分从侧面溢出的结构。

生长区腔室坩埚组件1可以是纵向型分体式、内外套式或横向型与纵向型组合式。

生长区腔室坩埚组件1可以采用纵向型拼接式(图3所示)、横向型与纵向型拼接式(图2(1)所示)或两者皆有。

生长区腔室坩埚组件1可为单层结构，也可为多层(2层及以上)嵌套结构。

生长区腔室坩埚组件1为单层结构时，生长区腔室坩埚组件1整体形成为环式非闭合拼接结构，各拼接组件采用凹凸互卡式拼接(例如如图2(1)所示)。这样可以防止气相组分从侧面溢出。

生长区腔室坩埚组件1为多层嵌套结构时，至少最内层为环式非闭合拼接结构。最内层的环式非闭合拼接结构的各拼接组件可采用直接贴合式拼接、凹凸互卡式拼接、或两种拼接方式相组合。直接贴合式拼接是指贴合面形成为平面(例如如图3所示)。

除最内层以外的其它层可以是环式非闭合拼接结构，也可以是环式闭合结构。当其它层也是环式非闭合拼接结构时，各拼接组件可采用直接贴合式拼接、凹凸互卡式拼接、或两种拼接方式相组合。在其它层的拼接方式中含有直接贴合式拼接时，应保证生长区腔室坩埚组件1整体上仍能够防止气相组分从侧面溢出。例如，可使其它层的各拼接组件间的贴合面与最内层的各拼接组件间的贴合面不在径向上连续。

环式非闭合拼接结构中，拼接组件的个数可为两个以上，优选为3～8个。

与制备的晶体侧面直接相接触的环式非闭合坩埚组件，厚度可为1mm以上，为了避免石墨坩埚被气相组分腐蚀破坏同时尽量降低石墨坩埚对晶体侧面形成过大的挤压应力，更优选为1～10mm。

生长区腔室坩埚组件1的各拼接组件的拼接处的缝隙或公差可控制在2mm以内，为了避免气相组分从组件拼接缝处溢出，优选为0.1～1mm。

生长区腔室坩埚组件1的上下端可为开口结构。生长区腔室坩埚组件1除具有环式非闭合拼接结构之外，还可以具有上下拼接结构等。

生长区腔室坩埚组件1的材质可为石墨，还可为碳化硅坩埚，碳化钛坩埚等。

原料区坩埚组件2、盖组件的材质可为石墨，还可为碳化硅坩埚，碳化钛坩埚等。

上述生长室结构的外部还可包围有保温毡，例如保温碳毡等。

与传统环式闭合坩埚组件箍紧制备的碳化硅晶体相比，本发明通过在晶体生长区腔室内壁采用环式非闭合拼接的坩埚组件，不仅使晶体生长过程中形成的热应力得到有效释放，大幅降低晶体的开裂率，提高晶体生长的成品率，同时实现拼接组件的部分更换，进一步降低晶体的制备成本。

上述以本发明的晶体生长用坩埚应用于PVT法生长碳化硅晶体为例，但应理解，本发明的晶体生长用坩埚不限于此，还可适用于生长其它晶体，只要生长该晶体时需要释放晶体热应力即可。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

如图1所示，首先将上部粘有籽晶的石墨盖，底部料区装有碳化硅原料的石墨坩埚置于保温碳毡中，其中生长区腔室石墨坩埚组件采用内外套2层坩埚结构，腔室内层与生长的晶体相接触的组件采用竖直型直接贴合式拼接，如图3所示由4小件拼接组合成环形非闭合坩埚内套，外层采用传统的环形侧面闭合坩埚结构，再放入晶体生长炉室中。真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气升温，至生长压强10Torr，生长温度2080℃的条件进行晶体生长，生长120h后，程序降温冷却至室温，开炉获得无裂纹的碳化硅单晶(图4(上))，其侧面光滑有烧蚀感，表明晶体内热应力得到有效释放。另外，无破坏的拼接组件可以重复使用，进一步降低了晶体的制备成本。

实施例2

如图1所示，首先将上部粘有籽晶的石墨盖，底部料区装有碳化硅原料的石墨坩埚置于保温碳毡中，其中生长区腔室石墨坩埚组件采用单层坩埚结构，为防止气相组分从侧面溢出坩埚，须采用横向型凹凸互卡式拼接，如图2(1)所示由若干小件(如图2(2)所示)拼接组合成环形非闭合坩埚组件，再放入晶体生长炉室中。真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气升温，至生长压强20Torr，生长温度2150℃的条件进行晶体生长，生长100h后，程序降温冷却至室温，开炉获得无裂纹的碳化硅单晶(图4(中))，其侧面光滑有烧蚀感，表明晶体内热应力得到有效释放。另外，无破坏的拼接小组件可以重复使用，这进一步降低了晶体的制备成本。

对比例1

与实施例1的不同之处仅在于采用生长区腔室石墨坩埚组件采用环形闭合坩埚组件即非拼接方式组合。具体而言，如图1所示，首先将上部粘有籽晶的石墨盖，底部料区装有碳化硅原料的石墨坩埚置于保温碳毡中，其中生长区腔室石墨坩埚组件采用环形闭合坩埚组件即非拼接方式组合，再放入晶体生长炉室中。真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气升温，至生长压强10Torr，生长温度2080℃的条件进行晶体生长，生长120h后，程序降温冷却至室温，开炉发现与晶体相接触的坩埚组件紧密箍紧碳化硅晶体，锯开坩埚组件后，晶体表面出现裂纹(图4(下))，其侧面比较粗糙表明晶体内热应力未完全释放。

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 (8)

1.一种晶体生长用坩埚，其特征在于，所述坩埚是用于物理气相传输法生长碳化硅晶体、在生长区腔室内与制备的晶体侧面相接触并使得生长的碳化硅晶体内的热应力有效释放的坩埚，所述坩埚具有环式非闭合拼接结构，其中，

所述坩埚为单层结构，且各拼接组件采用凹凸互卡式拼接；或者

所述坩埚为多层嵌套结构，其中至少最内层为环式非闭合拼接结构，除最内层以外的其它层为环式非闭合拼接结构或环式闭合结构；所述环式非闭合拼接结构为直接贴合式拼接和/或凹凸互卡式拼接；当除最内层以外的其它层的拼接方式中含有直接贴合式拼接时，所述其它层的各拼接组件间的贴合面与最内层的各拼接组件间的贴合面不在径向上连续。

2.根据权利要求1所述的晶体生长用坩埚，其特征在于，所述坩埚为石墨坩埚、碳化硅坩埚、或碳化钛坩埚。

3.根据权利要求1所述的晶体生长用坩埚，其特征在于，所述坩埚中与制备的晶体侧面直接相接触的拼接组件的厚度为1mm以上。

4.根据权利要求3所述的晶体生长用坩埚，其特征在于，所述坩埚中与制备的晶体侧面直接相接触的拼接组件的厚度为1～10mm。

5.根据权利要求1所述的晶体生长用坩埚，其特征在于，所述物理气相传输方法中在生长区腔室内与制备的晶体侧面相接触的坩埚在生长温度2000～2400℃的条件下拼接处的缝隙或公差控制在0.1～3mm。

6.根据权利要求5所述的晶体生长用坩埚，其特征在于，拼接处的缝隙或公差控制在0.1～1mm。

7.一种碳化硅晶体生长过程中释放晶体热应力的方法，其特征在于，采用物理气相传输方法在籽晶表面沉积生长碳化硅单晶，其中在生长区腔室内与制备的晶体侧面相接触的坩埚采用权利要求1至6中任一项所述的晶体生长用坩埚。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述物理气相传输方法中，将晶体生长炉的真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充惰性气氛至生长压强6～40Torr，生长温度为2000～2400℃。

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