CN109554759A - 一种碳化硅籽晶的粘接方法以及碳化硅单晶晶锭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅籽晶的粘接方法以及碳化硅单晶晶锭的制备方法。所述碳化硅籽晶的粘接方法为：将碳化硅粉末、碳粉、硅粉，并添加粘结剂混合均匀得到混合粉末，并将其覆于碳化硅晶片上，并在混合粉末上放置碳化硅籽晶，在高温1500℃至2000℃惰性气氛下，使得籽晶与碳化硅晶片粘结紧密，得到碳化硅粘接籽晶，且不引入任何杂质；利用该方法得到的碳化硅粘接籽晶在碳化硅晶体生长炉中，通过PVT法生长碳化硅单晶晶锭时，导热迅速、传热均匀，能够得到高质量的碳化硅单晶晶锭。该方法增加了原料投料空间和投料量，从而增大了单个晶锭的尺寸，增加了单个晶锭的晶片产出，减少了碳化硅晶体生长炉运行成本。

Description

一种碳化硅籽晶的粘接方法以及碳化硅单晶晶锭的制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种碳化硅籽晶的粘接方法以及碳化硅单晶晶锭的制备方法。

背景技术

碳化硅是一种新型的宽禁带半导体材料，近来受到越来越高的关注。在一些极端应用场景如在高温、高频率和高功率的应用上比传统的蓝宝石和硅更为优异，碳化硅的特性主要包含高熔点、高导电性、高导热性及耐高电压等，因此成为高频率和高功率器件的重要材料，广泛应用于航空、航天、火箭、地质钻探等重要领域。

目前在制备碳化硅单晶晶锭的过程中，碳化硅籽晶的粘接方法，常用的有将碳化硅籽晶通过粘结剂粘接在石墨板或是石墨坩埚盖上，或是在石墨板和坩埚盖之间填充石墨烯，并通过石墨感应环加热。虽然它们都可以实现碳化硅单晶晶锭的制备，但是得到的晶锭质量较差且成本较高。通常在碳化硅单晶晶锭生长过程中，热量传输模式有热传导和热辐射两种传热模式，以石墨板作为传热介质，其热传导没碳化硅单晶快，加上石墨板不透光，所以热辐射大部分的能量会在石墨板和加热体之间来回反射，消散，导致热利用效率低，进而影响了长晶的温度场，导致生长出来的单晶晶锭质量较差。另外，传统的籽晶粘接方法存在籽晶受热不均现象，也会影响晶体生长品质。

传统的碳化硅粘接籽晶方法是直接将籽晶和石墨坩埚盖粘接，其缺点是使用过的坩埚盖表面残留物较多，导致石墨坩埚盖表面凹凸不平整，无法多次使用。传统的石墨感应环的单晶晶锭制备方式，机械设计复杂，加工难度大，加上其中空结构的设计限制了原料投料量不利于量产大晶锭。对于一个固定的碳化硅晶体生长炉来讲，其外部磁感应线圈是固定的，坩埚高度也是一定的，在坩埚高度固定以及籽晶和原料距离固定的的情况下，籽晶位置相对原料投料区越近就意味着只能少原料投料量，这会限制单个晶锭的尺寸，导致单个晶锭的晶片产出减少，增加了碳化硅晶体生长炉运行成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅籽晶的粘接方法，该方法得到的碳化硅粘接籽晶，置于碳化硅晶体生长炉中，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。以碳化硅晶片作为传热板，该方法导热迅速、传热均匀，能够得到高质量的碳化硅单晶晶锭。

本发明的另一目的还在于提供一种碳化硅单晶晶锭的制备方法，利用碳化硅晶片粘结碳化硅籽晶，置于碳化硅晶体生长炉中，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭，该方法增加了原料投料空间和投料量，从而增大了单个晶锭的长度尺寸，增加了单个晶锭的晶片产出，减少了碳化硅晶体生长炉运行成本。

本发明采取的技术方案为：

一种碳化硅籽晶的粘接方法，包括以下步骤：

(1)将硅粉、碳粉以及碳化硅粉末混合，并加入粘结剂，混合均匀，得到混合粉末；

(2)将混合粉末覆于碳化硅晶片上；

(3)将碳化硅籽晶置于碳化硅晶片上的混合粉末上；

(4)将步骤(3)中的碳化硅晶片加热，可将碳化硅籽晶与碳化硅晶片紧密粘接，得到粘接碳化硅籽晶。

所述步骤(1)中，硅粉及碳粉可全部替换为碳化硅粉末。在硅粉、碳粉中加入一定质量的碳化硅粉末、或者将硅粉和碳粉全部替换为碳化硅粉末，可增大粘胶层的传热效率，并改善碳化硅单晶晶锭生长过程的受热均匀性，且不会引入杂质。

所述步骤(1)中，硅粉与碳粉质量比为7：3；碳化硅粉末占硅粉和碳粉总质量的4％-10％；粘结剂占硅粉和碳粉总质量的4％-10％。所述硅粉、碳粉、碳化硅粉末的粒径均在0.1mm以下。

所述步骤(1)中，所述粘结剂为淀粉、糊精中的一种或两种；所述步骤(1)中还可以加入乙二醇、丙二醇或N，N-二甲基乙酰胺作为有机溶剂。

所述步骤(1)中，加入粘结剂之后，按照2000rpm的转速混合1h以上，以使粘接层的原料完全混合均匀。

所述步骤(2)中，可利用筛网手工将混合粉末洒匀覆于碳化硅衬底片上，或者，如果步骤(1)中还加入了乙二醇、丙二醇或N，N-二甲基乙酰胺作为有机溶剂，则使用匀胶机将混合粉末在碳化硅衬底片上铺展均匀。

所述步骤(2)中，所述碳化硅晶片的厚度为100～500μm。

所述步骤(4)之后还包括检验的步骤，以筛选出高质量的碳化硅粘接籽晶。

所述检验步骤依次包括双面目检、背面强光透射目检、在光学显微镜上进行表面检测、PL气孔裂纹检测。

上述检验筛选步骤，大幅提升粘接粘晶的合格率，为后续高品质生长碳化硅单晶晶锭提供支持，避免使用不合格粘接籽晶导致的低品质晶体的问题，节约了巨大的成本，同时降低了单炉生产能耗。

所述步骤(4)中，在加热炉中进行加热，加热的温度控制在1500℃～2000℃，加热的时间为8～12h，且加热时充惰性气体保护。

所述步骤(4)中，如果步骤(1)中还加入了乙二醇、丙二醇或N，N-二甲基乙酰胺作为有机溶剂时，需先按照1000℃/h的升温速率从室温升温至1000℃保温1～2h，再升温至1500℃～2000℃加热8～12h。以使有机溶剂挥发完全，即使挥发不完全，有机粘合剂在高温下也会变成碳，最终也会使籽晶整个面与碳化硅晶片紧密相连，且不引入杂质。

本发明还提供了一种碳化硅单晶的制备方法，按照本发明的方法将碳化硅籽晶与碳化硅晶片紧密粘接后，将其置于热场中，通过PVT法生长得到碳化硅单晶。

本发明公开的碳化硅籽晶的粘接方法中，以碳化硅晶片作为传热介质，碳化硅晶片的热量传输模式有热传导和热辐射两种：从热传导的角度看，碳化硅晶片的传热系数是300-500w/mk，普通石墨材料的传热系数是50-150w/mk，碳化硅晶片的传热能力远超普通石墨材料，热传导模式传输能量时碳化硅比普通石墨材料要快很多；从热辐射的角度看，籽晶粘接程序在加热时石墨盖传递到碳化硅晶片的能量以可见光和红外光为主，因为碳化硅晶片具有很强的透光性，使用碳化硅晶片作为传热介质时，石墨盖传向碳化硅晶片的能量很大一部分直接就穿过碳化硅晶片传递到粘接层了，如图2中的箭头所示，而石墨板是不透明的，所以石墨盖传输过来的可见光和红外部分的能量会在石墨盖和石墨板之间来回反复，一部分被吸收，一部分被发散，如图3中的箭头所示；整个热辐射过程的效率显然只有透光材料才能做到最佳。还有一点值得注意：使用碳化硅晶片作为传热介质，碳化硅晶片本身比石墨传热板要薄很多，从结构上限制横向传热的热损耗，提高了挡板材料横向热效率；综上所述本发明公开的碳化硅籽晶的粘接方法，使用碳化硅晶片作为传热介质，利用热传导加热辐射两种热量传输模式提高了横向和纵向热效率，达到了快速且均匀传热的目的，最大程度避免了因为传热介质受热不均匀引起的籽晶和粘接层受热不均匀问题，从而改善孔隙率等粘合籽晶的品质。

本发明通过将硅粉、碳粉、碳化硅粉末与粘接剂混合均匀，或者直接将碳化硅粉末与粘结剂混合均匀，覆盖在碳化硅晶片上，并在最上面粘接碳化硅籽晶，在高温1500℃至2000℃惰性气氛下，硅粉、碳粉、碳化硅粉末与碳化硅籽晶和碳化硅晶片充分反应，均匀受热，减少了粘接层的孔隙率，使籽晶整个面与碳化硅晶片紧密相连，通过以上方法获得孔隙率低的合格粘合籽晶，为下一步PVT法生长碳化硅单晶晶锭奠定基础。

本发明使用筛选后的粘合籽晶，采用PVT法进行生长，在加温过程中，粘合籽晶结构给与了很好的传热。首先是碳化硅晶片的横向纵向的快速高效均匀传热，其次是粘接层的横向和纵向的快速高效均匀传热，通过两次二维度的快速高效均匀传热，确保籽晶面的温度均匀性，从而改进PVT法生长的碳化硅单晶晶锭品质。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)选用碳化硅晶片作为籽晶粘接的载体，并在粘接层中添加一定量的碳化硅粉末，或者全部使用碳化硅粉末，解决粘合籽晶受热均匀性问题，从而解决粘合籽晶孔隙率大的问题，提升了粘合籽晶的合格率，同时通过均匀受热，解决籽晶面内温度不均匀问题，提高了碳化硅单晶生长质量和合格率，有效节约制造成本；另外碳化硅晶片的厚度较薄，这样碳化硅籽晶粘接之后占用的高度较少，相对于石墨板而言，在同样热场中利用PVT法生长碳化硅单晶时，原料的投料量可相对增加，进而提升了碳化硅单晶的单位产出；

(2)在生长单晶之前，增加检验的步骤以筛选出高质量的粘接碳化硅籽晶，通过筛选，极大提升流入下一个工序的粘晶品质，为后续高品质长晶提供支持，也避免了不良粘接导致的低品质晶体生长过程，进而节约成本，降低能耗；

(3)在生长碳化硅单晶之后，可将生长的碳化硅单晶从作为传热板的碳化硅晶片上进行剥离，剥离后的碳化硅晶片可通过水洗、烘干和返抛后可再用于碳化硅单晶的生长，进而实现资源的重复利用，降低成本。

附图说明

图1为本发明制备粘接碳化硅籽晶的流程图；

图2为本发明制备碳化硅单晶晶锭的流程图；

图3为制备粘接碳化硅籽晶的装置图；

图4为实施例1中生长碳化硅单晶晶锭的装置图；

图5为比较例1中生长碳化硅单晶晶锭的装置图；

图3-5中，1-石墨盖；2-碳化硅晶片；3-粘结层；4-碳化硅籽晶；5-原料区；6-石墨板；7-石墨坩埚、8-加热台。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种碳化硅籽晶的粘接方法，包括以下步骤：

(1)将硅粉、碳粉以及碳化硅粉末混合，加入淀粉作为粘结剂，乙二醇作为有机溶剂，用混料机以2000rpm的转速混合1h，得到颜色均匀的混合物料；其中硅粉与碳粉质量比为7：3；碳化硅粉末占硅粉和碳粉总质量的5％；淀粉占硅粉和碳粉总质量的5％；

(2)将混合物料用匀胶机均匀铺展在厚度为300μm的碳化硅晶片上；

(3)将碳化硅籽晶置于碳化硅晶片上的混合物料上；

(4)将步骤(3)中的碳化硅晶片放入加热炉中，如图3所示，在惰性气体的保护下，按照1000℃/h的升温速率升温至1000℃保温1h，再升温至1650℃加热8h，即可将碳化硅籽晶与碳化硅晶片紧密粘接得到粘接碳化硅籽晶。并对此步骤的样品依次进行双面目检、背面强光透射目检、在光学显微镜上进行表面检测、PL气孔裂纹检测，筛选除去有大量裂纹、气孔、及粘晶缺陷的样品。

将本实施例得到的粘接碳化硅籽晶置于4英寸单晶的标准热场中，石墨坩埚的直径为150mm，如图4所示，在炉底放置3000g的原料，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。相对于比较例1而言，本实施例中的原料的投加量可以相对增加5mm厚度，相对于比较例1可多长出11.25mm的碳化硅单晶晶锭，按金刚线60um，金刚石粉末5um的粒径计算即可多产出30片的300μm厚度的碳化硅单晶片，实际比石墨板热场设计多产出10片。

实施例2

一种碳化硅籽晶的粘接方法，包括以下步骤：

(1)将硅粉、碳粉以及碳化硅粉末混合，并加入糊精作为粘结剂，用混料机以2000rpm的转速混合1h，得到颜色均匀的混合粉末；其中硅粉与碳粉质量比为7：3；碳化硅粉末占硅粉和碳粉总质量的10％；糊精占硅粉和碳粉总质量的5％；

(2)将混合粉末用筛网手工洒匀覆于厚度为300μm的碳化硅晶片上；

(3)将碳化硅籽晶置于碳化硅晶片上的混合粉末上；

(4)将步骤(3)中的碳化硅晶片放入加热炉中，在惰性气体的保护下，于1700℃加热8h，即可将碳化硅籽晶与碳化硅晶片紧密粘接得到粘接碳化硅籽晶。并对此步骤的样品依次进行双面目检、背面强光透射目检、在光学显微镜上进行表面检测、PL气孔裂纹检测，筛选除去有大量裂纹、气孔、及粘晶缺陷的样品。

将本实施例得到的粘接碳化硅籽晶置于4英寸单晶的标准热场中，在炉底放置3000g的原料，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。

实施例3

一种碳化硅籽晶的粘接方法，包括以下步骤：

(1)将碳化硅粉末和淀粉，用混料机以3000rpm的转速混合1h，得到颜色均匀的混合粉末；其中淀粉占碳化硅粉末质量的8％；

(2)将混合粉末用筛网手工洒匀覆于厚度为300μm的碳化硅晶片上；

(3)将碳化硅籽晶置于碳化硅晶片上的混合粉末上；

(4)将步骤(3)中的碳化硅晶片放入加热炉中，在惰性气体的保护下，于1800℃加热9h，即可将碳化硅籽晶与碳化硅晶片紧密粘接得到粘接碳化硅籽晶。并对此步骤的样品依次进行双面目检、背面强光透射目检、在光学显微镜上进行表面检测、PL气孔裂纹检测，筛选除去有大量裂纹、气孔、及粘晶缺陷的样品。

将本实施例得到的粘接碳化硅籽晶置于4英寸单晶的标准热场中，在炉底放置3000g的原料，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。

实施例4

一种碳化硅籽晶的粘接方法，包括以下步骤：

(1)向碳化硅粉末中加入淀粉作为粘结剂，丙二醇作为有机溶剂，用混料机以2500rpm的转速混合1h，得到颜色均匀的混合物料；其中淀粉占碳化硅粉末质量的10％；

(2)将混合物料用匀胶机均匀铺展在厚度为300μm的碳化硅晶片上；

(3)将碳化硅籽晶置于碳化硅晶片上的混合物料上；

(4)将步骤(3)中的碳化硅晶片放入加热炉中，在惰性气体的保护下，按照1000℃/h的升温速率升温至1000℃保温2h，再升温至1500℃加热12h，即可将碳化硅籽晶与碳化硅晶片紧密粘接得到粘接碳化硅籽晶。并对此步骤的样品依次进行双面目检、背面强光透射目检、在光学显微镜上进行表面检测、PL气孔裂纹检测，筛选除去有大量裂纹、气孔、及粘晶缺陷的样品。

将本实施例得到的粘接碳化硅籽晶置于4英寸单晶的标准热场中，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。

比较例1

一种碳化硅籽晶的粘接方法，步骤同实施例3，只是将其中步骤(2)中的碳化硅晶片替换为厚度为5mm的石墨板。

将本比较例得到的粘接碳化硅籽晶置于4英寸单晶的标准热场中，如图5所示，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。

比较例2

一种碳化硅籽晶的粘接方法，包括以下步骤：

(1)将硅粉、碳粉混合，并加入淀粉，用混料机以3000rpm的转速混合1h，得到混合粉末；其中混合粉末的配比情况如下，硅粉与碳粉质量比为7：3；淀粉占硅粉和碳粉总质量的8％；

(2)将混合粉末用筛网手工洒匀覆于碳化硅晶片上，控制其厚度在500um以下；

(3)将碳化硅籽晶置于碳化硅晶片上的混合粉末上；

(4)将步骤(3)中的碳化硅单晶片放入加热炉中，在惰性气体的保护下，于1900℃加热9h，即可将碳化硅籽晶与碳化硅晶片紧密粘接，得到粘接碳化硅籽晶。

将本比较例得到的粘接碳化硅籽晶置于4英寸单晶的标准热场中，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。

上述各实施例和比较例得到的碳化硅单晶的性能如表1所示：

表1

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

比较例1

比较例2

微管个/cm<sup>2</sup>

170

110

30

60

730

350

异质包裹物

0

0

0

0

3

1

多晶型界面

无

无

无

无

边缘少量

无

位错个/cm<sup>2</sup>

5.2*10<sup>8</sup>

1.2*10<sup>7</sup>

1.8*10<sup>6</sup>

4.2*10<sup>6</sup>

5.2*10<sup>9</sup>

5.2*10<sup>7</sup>

上述参照实施例对一种碳化硅籽晶的粘接方法以及碳化硅单晶晶锭的制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将硅粉、碳粉以及碳化硅粉末混合，并加入粘结剂，混合均匀，得到混合粉末；

(2)将混合粉末覆于碳化硅晶片上；

(3)将碳化硅籽晶置于碳化硅晶片上的混合粉末上；

(4)将步骤(3)中的碳化硅晶片加热，将碳化硅籽晶与碳化硅晶片粘接紧密，得到碳化硅粘接籽晶。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，硅粉及碳粉可全部替换为碳化硅粉末。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，硅粉与碳粉质量比为7：3；碳化硅粉末占硅粉和碳粉总质量的4％-10％；粘结剂占硅粉和碳粉总质量的4％-10％。

4.根据权利要求1或2所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述粘结剂为淀粉、糊精中的一种或两种；所述步骤(1)中还可以加入乙二醇、丙二醇或N，N-二甲基乙酰胺作为有机溶剂。

5.根据权利要求1或2所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述碳化硅晶片的厚度为100～500μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述步骤(4)之后还包括步骤(5)检验。

7.根据权利要求6所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述步骤(5)检验依次包括双面目检、背面强光透射目检、光学显微镜表面检测、PL气孔裂纹检测。

8.根据权利要求1或2所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述步骤(4)中，碳化硅晶片加热在加热炉中进行，加热的温度控制在1500℃～2000℃，加热的时间为8～12h，且在加热的过程中充惰性气体进行保护。

9.根据权利要求4所述的一种碳化硅籽晶的粘接方法，其特征在于，所述步骤(4)，需先按照1000℃/h的升温速率从室温升温至1000℃保温1～2h，然后再升温至1500℃～2000℃加热8～12h，且在加热的过程中充惰性气体进行保护。

10.一种碳化硅单晶晶锭的制备方法，其特征在于，根据权利要求1-9任意一项所述的方法得到碳化硅粘接籽晶，将其置于碳化硅晶体生长炉中，通过PVT法生长得到碳化硅单晶晶锭。