CN110129885B - 一种碳化硅晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种碳化硅晶体及其制备方法，属于晶体材料制备领域。该碳化硅晶体的制备方法包括：将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体。本申请的碳化硅晶体的制备方法改变了传统PVT法制备碳化单晶的气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，实现对晶体生长过程中大颗粒杂质的有效格挡，降低晶体中的缺陷密度，提高晶体质量；并且不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗；本申请可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率快、生长温度低，且气相可以有序向上传输，生长的晶体缺陷少，降本增效。

Description

一种碳化硅晶体及其制备方法

技术领域

本申请涉及一种碳化硅晶体及其制备方法，属于晶体材料制备领域。

背景技术

碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料代表之一。碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子迁移率等优异特性，成为制备高温、高频、高功率及抗辐射器件的热门材料之一。

目前碳化硅生长的方法主要有物理气相传输法(PVT)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积法(CVD)等，其中PVT法是应用最成熟的方法，也是目前唯一的一种可以提供商用碳化硅衬底需求的生长方法。PVT法生长碳化硅单晶的生长过程在密闭的石墨坩埚中进行，因此在高温下生长环境处于富碳气氛下。晶体生长初期，由于硅组分的蒸气分压较高，因此晶体生长界面处于硅组分和碳组分相平衡的状态。随着晶体生长的进行，碳化硅原料中的硅组分不断升华减少，导致生长腔室内的气相组分逐渐失衡成为富碳状态。在富碳的生长环境下，晶体生长的前沿界面会有碳的富集并形成大颗粒的碳包裹物缺陷。此外，碳化硅原料中的大颗粒金属杂质、硅包裹体等在传统的碳化硅气相由下向上传输过程中也会跟随气相进入到碳化硅单晶中进而形成大颗粒杂质缺陷。大颗粒缺陷会诱生微管、位错、层错等缺陷，严重影响到碳化硅衬底质量进而影响外延层质量和器件性能。

目前解决碳化硅单晶中大颗粒杂质缺陷的一大主流方向是在碳化硅气相传输路径上设置石墨滤网起到隔离大颗粒杂质向上传输的作用。中国专利申请CN 207498521 U公开了一种提升质量的碳化硅单晶生长装置，包括石墨坩埚、石墨盖和石墨软毡保温层，所述石墨盖位于石墨坩埚顶部封闭所述石墨坩埚，所述石墨盖内侧中心突出区域粘合有籽晶片，所述石墨软毡保温层包覆所述石墨坩埚的周围、顶部、底部，所述石墨坩埚内放置有碳化硅粉末，所述石墨坩埚内碳化硅粉末与籽晶片之间的区域架设石墨支撑环，所述石墨支撑环上安装有导流筒，所述导流筒内固定一层或多层的金属过滤片，所述金属过滤片内均匀分布有通孔。本实用新型在坩埚内原料与籽晶之间的空间装设耐高温的金属过滤片与导流筒，可以有效过滤碳杂质，避免在晶体生长过程中形成碳包裹物，进而引发微管、位错等缺陷的产生，生成高质量的碳化硅单晶。该专利申请方案可以有效控制碳化硅单晶中大颗粒杂质缺陷的密度，但是石墨滤网的存在往往会造成碳化硅气相向上传输的难度，需要提高温度才能实现气相向籽晶传输的稳定性，而温度的提高则会大大增加晶体中应力及其他缺陷的产出几率，碳化硅单晶的质量无法得到保证。并且在晶体生长过程中，传统的气相传输方式的真空生长下的气相无法得到有效控制，单晶生长速率极快且结晶质量极差，微管、多型、位错等缺陷明显增多。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种碳化硅晶体及其制备方法，本申请改变了传统的PVT法制备碳化硅单晶的气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，实现对晶体生长过程中大颗粒杂质的有效格挡，降低晶体中的缺陷密度，提高晶体质量；并且不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗；本申请可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率快、生长温度低，且气相可以有序向上传输，生长的晶体缺陷少，降本增效。

该碳化硅晶体的制备方法包括：将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体。该螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道可格挡升华原料中的大颗粒物质，降低晶体中的缺陷密度。

可选地，所述长晶的步骤包括：

第一长晶阶段：将包括坩埚主体、螺旋隔板组件和籽晶的坩埚组件静止，控制长晶条件将升华原料在第一温度和第一压力下长成稳定晶体生长界面；

第二长晶阶段：降低压力至第二压力下，转动坩埚组件，其转动方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，进行第二阶段长晶。长晶结束降温后，即制得所述的碳化硅晶体。该两阶段长晶可降低长晶温度，缩短长晶时间。

可选地，所述螺旋隔板组件包括设置在原料区的原料区螺旋隔板。原料区大致为坩埚主体内装载原料的区域。

优选地，所述原料区螺旋隔板的螺旋方向为顺时针或逆时针。

优选地，所述坩埚组件的转动方向与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反。

可选地，所述螺旋隔板组件还包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板。气相传输区的位置大致在坩埚主体内装载原料上表面和长晶结束后的晶体下表面之间的区域。

优选地，所述气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反。

优选地，所述螺旋隔板与所述坩埚主体充分接触和/或；所述坩埚组件还包括包围所述坩埚主体的绝热材料。

可选地，所述第一温度为1950-2150℃。

可选地，所述第一压力为10-100mbar。

可选地，所述第二压力不高于10^-4mbar。优选地，所述第二压力不高于10^-5mbar。更优选地，所述第二压力不高于10^-6mbar。

可选地，所述第一长晶阶段的时间为5-10h，所述第二长晶阶段的时间30-100h。

可选地，所述坩埚组件的转速至少为10转/h。优选地，所述坩埚组件的转速为10-200转/h。低于本申请的坩埚组件的转速范围则无法与螺旋隔板形成有效配合对气相进行过滤，且无法对真空下的气相加以有效控制；高于本申请的坩埚组件的转速范围，原料则会产生离心效果，改变原料分布，不利于高质量单晶生长。

可选地，所述长晶包括下述步骤：

(1)将填放碳化硅粉料、原料区螺旋隔板、传输区螺旋隔板及籽晶的高纯石墨坩埚组件置于单晶生长炉炉体内并密封，其中，原料高度略高于原料区螺旋隔板，使原料区螺旋隔板组件完全埋到原料中；

(2)将炉体内真空抽至10^-6mbar以下，然后通入高纯惰性气体至300-500mbar，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10^-6mbar以下；

(3)向炉体内通入高纯惰性气体，1-3h内将压力升至10-100mbar，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变；

(4)第一长晶阶段：在保持压力不变的情况下，3-5h内将炉体内温度升至单晶生长温度1950-2150℃，生长时间为5-10h；

(5)第二长晶阶段：保持生长温度不变，将炉体内压力在3-5h内降至真空10^-4mbar以下并保持不变，同时定向转动坩埚组件和绝热材料，旋转方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，转速为10-200转/h，同时坩埚垂直方向上位置不变，生长时间为30-100h；

(6)单晶生长结束，打开炉体，取出石墨坩埚组件，即制得低缺陷密度的碳化硅单晶。

可选地，所述的高纯惰性气体为He或Ar气，纯度＞99.99％。

可选地，坩埚组件和绝热材料设置在托盘上，托盘下方设置托盘杆，电机带动包裹波纹管的托盘杆转动。

可选地，所述碳化硅晶体的制备方法使用反应器进行制备碳化硅晶体，所述的反应器包括：坩埚组件，其包括：坩埚主体、坩埚盖和设置在坩埚主体内的螺旋隔板组件，装载在坩埚主体内的原料升华后至少部分经螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道后进行晶体生长；位于坩埚盖内侧并适于支撑生长晶体的支撑部件；以及适于将所述坩埚组件保持在生长晶体的温度的加热部件。

可选的，所述坩埚组件可转动。优选地，所述坩埚组件的转动速度为10-200转/h。

可选地，所述螺旋隔板组件的至少部分直径和其相同高度的坩埚主体内径相同。优选的，坩埚主体下部的直径小于上部。

优选地，所述螺旋隔板组件和坩埚主体内壁的构造包括形成单条螺旋气流通道。

优选地，所述单条螺旋气流通道为均匀通道。

可选地，所述螺旋隔板组件的轴线与所述坩埚主体的轴线平行。

可选地，所述螺旋隔板组件包括2-6个螺旋叶片。优选地，所述螺旋隔板组件包括4个螺旋叶片。本申请的螺旋隔板的螺旋叶片数量可以使得碳化硅气相得到有效过滤，且气相传输速率得到有效控制，实现高真空低温下生长低缺陷密度碳化硅单晶的目的。

可选地，所述螺旋隔板组件为包括螺旋叶片的螺旋轴，螺旋隔板组件包括具有一定厚度的螺旋叶片，螺旋叶片直径与螺旋轴的轴部直径比大于2：1。

优选地，所述螺旋叶片的间距相同。

可选地，所述螺旋隔板组件包括设置在原料区的原料区螺旋隔板。

可选地，所述原料区螺旋隔板的螺旋角为60°-90°。该角度配合坩埚旋转可以实现碳化硅气相的螺旋上升，且不会对气相传输造成太大阻碍。

可选地，所述原料区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度为90°-360°。

可选地，所述螺旋隔板组件还包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板。

可选地，所述气相传输区螺旋隔板的螺旋角为60°-90°。该角度可以更好的格挡大颗粒杂质，并且不需要提高长晶温度。

可选地，所述气相传输区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度为60°-180°。

可选地，所述原料区螺旋隔板与所述气相传输区螺旋隔板的高度比为：48-180:12-45。

可选地，所述原料区螺旋隔板包括2-6个螺旋叶片，所述气相传输区螺旋隔板包括2-6个螺旋叶片。

可选地，所述气相传输区螺旋隔距离原料的距离、气相传输区螺旋隔板长度和气相传输区螺旋隔板距离籽晶的距离的比值为：20-80:12-45:68-245。

可选地，所述气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋方向不同。优选地，坩埚组件的转动方向与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反，与气相传输区螺旋隔板的螺旋方向相同。优选地，气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋角一致。

可选地，所述坩埚组件还包括绝热材料，所述绝热材料包围在坩埚主体和坩埚，所述坩埚组件被插入适应容器内，所述加热部件为感应型，所述坩埚组件的材料包括石墨。优选所述加热部件为感应线圈。

优选地，所述坩埚组件可转动。通过原料区螺旋隔板以及坩埚组件的定向旋转，将原料区碳化硅气相向上传输的路径由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，结合气相传输区螺旋隔板对向上传输的气相进行格挡过滤，阻止大颗粒杂质向晶体方向传输进入晶体，降低碳化硅单晶的缺陷密度。优选为原料区螺旋隔板和气相传输区螺旋隔板的螺旋方向不同。

根据本申请的另一方面，提供了一种碳化硅晶体，所述的碳化硅晶体选自上述任一项所述的方法制备的碳化硅晶体。优选地，所述碳化硅晶体为碳化硅单晶。本申请中，所述的稳定晶体生长界面是指晶体生长的界面保持平整性时，具体可以从时间判断，第一长晶阶段的长晶时间至少3h，优选为至少5h，最优选为5-10h。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供碳化硅单晶的制备方法，通过将升华后的原料经过螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，改变了传统的PVT法制备碳化硅单晶的气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，螺旋隔板组件对向上传输的气相进行格挡过滤，阻止大颗粒杂质向晶体方向传输进入晶体，降低碳化硅等单晶的缺陷密度；既可以对大颗粒杂质进行有效的格挡，并且不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗。

2.传统PVT法的气相传输方式下，真空生长下的气相无法得到有效控制，单晶生长速率极快且结晶质量极差，微管、多型、位错等缺陷明显增多，本申请所述提供的碳化硅单晶的制备方法，采用两步长晶法，第一长晶阶段正常生长形成稳定生长界面，第二长晶阶段采取高真空低温快速生长，结合螺旋隔板组件设计及坩埚定向旋转对碳化硅气相的阻挡作用，改变气相传输路径的同时可实现对气相传输速率的抑制调控，可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率快、生长温度低，且气相可以有序向上传输，生长的晶体的缺陷较少，实现真空低温快速生长，降低生长温度、减少生长时间，节能降本增效。本申请的长晶方法比常规的长晶方法的生长温度降低了50-100℃，长晶所需要的生长时间减半。

3.本申请所提供碳化硅晶体的制备方法，该方法中使用的螺旋隔板组件与坩埚主体内壁充分接触，使坩埚主体内热传导更加均匀、温场更加稳定，提高晶体质量；原料区螺旋隔板与原料充分接触，且外壁与坩埚内壁充分接触向内传导热，使碳化硅原料受热更加均匀，减少原料边缘碳化，气相传导更加均匀有序。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例涉及的一种实施方式的用于晶体生长的反应器的示意图。

图2为本申请实施例涉及的一种实施方式的坩埚组件剖视示意图。

图3为图2中的气相传输区螺旋隔板的俯视示意图。

图4为图2中的气相传输区螺旋隔板的一种立体示意图。

图5为图2中的气相传输区螺旋隔板的一种立体示意图。

图6为图2中的气相传输区螺旋隔板的正视示意图。

图7为图2中的原料区螺旋隔板的一种立体示意图。

图8为图2中的原料区螺旋隔板的一种立体示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本申请的实施例中分析方法如下：

1、微观测试采用OLYMPUS公司的BX51型显微镜。

2、多型测试采用HORIBA公司的HR800型拉曼光谱仪。

3、位错测试是经氢氧化钾腐蚀后采用采用OLYMPUS公司的BX51型显微镜。

4、包裹体测试采用OLYMPUS公司的BX51型显微镜。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料、催化剂和气体均通过商业途径购买，其中，碳化硅原料的纯度为99.99％，高纯惰性气体(Ar或He)的纯度大于99.99％。

参考图1，本申请的反应器可用于制备碳化硅单晶或三族元素氮化物如氮化镓或氮化铝的晶体生长的概略性剖视图，特别适用于物理气相传输法(简称PVT法)生长碳化硅单晶。

晶体生长用反应器包括坩埚组件，在坩埚组件中发生晶体生长。图1中的反应器包括坩埚组件；位于坩埚盖3内侧并适于支撑生长晶体的支撑部件；以及适于将坩埚组件保持在生长晶体的温度的加热部件。

一个实施例中的一种坩埚组件，参考图2，该坩埚组件包括坩埚主体2、坩埚盖3和螺旋隔板组件4，坩埚盖3的内侧的支撑部件可设置籽晶31，螺旋隔板组件4设置在坩埚主体2内，螺旋隔板组件4的构造可形成螺旋气流通道。螺旋隔板组件4的数量至少为一个，图2所示的坩埚组件的实施方式中的螺旋隔板组件4的数量为2个。螺旋隔板组件4在坩埚主体2内上端面至少不高于原料长晶结束后的晶面的位置。

螺旋隔板组件4可以通过设置在坩埚主体2内侧壁的卡台与坩埚主体2固定，或者可放置在坩埚主体2内。螺旋隔板组件4的上部与籽晶31不接触。优选的，螺旋隔板组件4的长度方向平行于坩埚主体2的长度。

图2所示的实施方式中的螺旋隔板组件4直径和其相同高度的坩埚主体2内径相同。在没有示出的实施方式中，螺旋隔板组件4直径和其相同高度的坩埚主体2内径可以不同，或者部分螺旋隔板组件4直径与其相同高度的坩埚主体2内径不同。螺旋隔板组件4与坩埚主体充分接触使得坩埚内传热更加均匀，提高晶体质量。

作为一种优选的实施方式，螺旋隔板组件4和坩埚主体2内壁的构造包括形成单条螺旋气流通道。参考图2，螺旋隔板组件4为2个，则螺旋隔板组件4和坩埚主体2内壁的构造包括形成2个单条螺旋气流通道，以此类推。优选的单条螺旋气流通道为均匀通道，即单条螺旋通道的内径均匀。

进一步的，螺旋隔板组件4可以为中空的螺旋叶片或者为包括螺旋叶片43的螺旋轴，优选为螺旋轴，如图3，螺旋隔板组件4包括2-6个螺旋叶片43，螺旋叶片43的间距可以不同，优选的螺旋叶片43的间距相同。

参考图1、2，螺旋隔板组件4包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板41和，设置在原料区的原料区螺旋隔板42。参考图3-6，气相传输区螺旋隔板41的螺旋角α为60°-90°，该角度可以更好的格挡大颗粒杂质，并且不需要提高长晶温度。气相传输区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度β为60°-180°，进一步优化了气相传输区螺旋隔板格挡大颗粒杂质的效率。参考图7、8，原料区螺旋隔板42的螺旋角α为60°-90°，该角度配合坩埚旋转可以实现碳化硅气相的螺旋上升，且不会对气相传输造成太大阻碍。原料区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度β为90°-360°，进一步优化了气相传输路径。气相传输区螺旋隔板41与原料区螺旋隔板42的螺旋方向不同，可以使得对气相传输中的大颗粒杂质进行更有效的格挡过滤。

为了有效格挡大颗粒且不会对气相传输造成大的阻碍，将原料区螺旋隔板42与气相传输区螺旋隔板41的高度设比为：48-180:12-45，原料区螺旋隔板42包括2-6个螺旋叶片，气相传输区螺旋隔板41包括2-6个螺旋叶片。气相传输区螺旋隔板41距离原料的距离、气相传输区螺旋隔板41长度和气相传输区螺旋隔板41距离籽晶31的距离的比值为：20-80:12-45:68-245。优选的实施方式中，原料的高度约为坩埚高度的1/3，气相传输区螺旋隔41的底度固定在坩埚主体2的约1/2处，气相传输区螺旋隔板41的高度约为坩埚高度的1/10，原料区螺旋隔板42的高度略低于原料的高度，原料区螺旋隔板42刚好埋没在原料中。优选的，原料的高度与原料区螺旋隔板42的高度的比例为1:0.7-0.98。原料区螺旋隔板42与坩埚主体2内壁充分接触时，原料区螺旋隔板42与原料充分接触，原料区螺旋隔板42与坩埚主体2内壁充分接触向内传导热，使原料受热更加均匀，减少原料边缘碳化，提高晶体质量，例如原料可以为碳化硅粉料。

坩埚组件被绝热材料5所包围，绝热材料优选为石墨纤维如石墨毡；坩埚组件被插入石英容器6内；加热部件7为感应型，如加热线圈；坩埚组件的材质包括石墨。

作为一种优选的实施方式，坩埚组件和绝热材料5可转动的设置在石英容器6内。可选的，将包围保温材料5的坩埚组件设置在托盘8上，托盘8通过穿过石英容器6的托盘杆81固定，托盘杆81的底端通过电机9带动旋转从而转动托盘8而带动坩埚组件和保温材料5。反应器通过支撑板82和托板83固定放置。为了增强反应器内的保温效果，将石英容器6的外部的托盘杆8上设置螺纹管。

优选为原料区螺旋隔板42和气相传输区螺旋隔板41的螺旋方向不同。原料区螺旋隔板42的螺旋方向与坩埚组件的旋转方向相同，将原料区原料如碳化硅气相向上传输的路径由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，气相传输区螺旋隔板41的螺旋方向与原料区螺旋隔板42的螺旋方向不同，使得气相传输区螺旋隔板41对向上传输的气相进行格挡过滤，阻止大颗粒杂质向晶体方向传输进入晶体，降低生长的晶体如碳化硅单晶的缺陷密度。

传统PVT法长晶的气相传输方式下，真空生长下的气相无法得到有效控制，单晶生长速率极快且结晶质量极差，微管、多型、位错等缺陷明显增多。本申请通过在坩埚主体内设置气相传输区螺旋隔板和原料区螺旋隔板，以及坩埚组件的定向旋转，改变气相传输路径的同时对气相传输速率起到明显抑制调控作用，可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率较快且气相可以有序向上传输，缺陷较少，实现真空低温快速生长，降低生长温度、减少生长时间，降本增效。

一种制备碳化硅单晶的制备方法，包括将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体。本申请的制备方法可使用上述任一种反应器实现本申请的目的，即包括坩埚主体内设置螺旋隔板即可实现对气相传输中的大颗粒格挡的作用，即可降低缺陷密度，提高制备的碳化硅晶体的质量。

优选的，一种制备碳化硅单晶的制备方法，包括下述步骤：

(1)将填放碳化硅粉料、原料区螺旋隔板、传输区螺旋隔板及籽晶的高纯石墨坩埚置于单晶生长炉体内并密封，其中，原料高度略高于原料区螺旋隔板，使原料区螺旋隔板完全埋到原料中；

(2)将炉体内真空抽至10^-6mbar以下，然后通入高纯惰性气体至300-500mbar，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10^-6mbar以下；

(3)向炉体内通入高纯惰性气体，1-3h内将压力升至10-100mbar，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变；

(4)第一长晶阶段：在保持压力不变的情况下，3-5h内将炉体内温度升至单晶生长温度1950-2150℃，生长时间为5-10h；

(5)第二长晶阶段：保持生长温度不变，将炉体内压力在3-5h内降至真空10^-4mbar以下并保持不变，同时定向转动坩埚组件，其旋转方向与原料区螺旋隔板螺旋方向一致，转速为10-200转/h，同时坩埚垂直方向上位置不变，生长时间为30-100h；

(6)单晶生长结束，打开炉体，取出石墨坩埚即可得到低缺陷密度的碳化硅单晶。

该制备方法中使用的反应器参考图1，为本申请的实施方式中的优选的实施方式。

按照上述方法制备碳化硅单晶1#-3#和对比碳化硅单晶D1#-D4#，具体的制备方法与上述方法不同之处如表1所示。

表1

对制备的碳化硅单晶1#-3#和对比碳化硅单晶D1#-D4#的微管、多型、位错、包裹体等结构性缺陷进行检测，检测结果如表2所示。

表2

由表1和表2的结果可知：

1、碳化硅单晶1#为一组长晶参数优化组合后生长得到的碳化硅单晶，未出现微管、多型及包裹体等缺陷，位错密度也维持在1000个/cm²以内；

2、碳化硅单晶2#在碳化硅单晶1#的基础上将坩埚组件转速从80转/h调整为30转/h，根据表2可知，相关缺陷并未出现明显增加，单晶质量较高；

3、碳化硅单晶3#在碳化硅单晶1#的基础上将原料区螺旋隔板螺旋方向与气相区螺旋隔板螺旋方向设为相同，产出单晶微管密度明显提高，且开始出现包裹体缺陷，表面两个螺旋隔板螺旋方向相同不利于微管及包裹体缺陷的控制；

4、对比碳化硅单晶D1#在碳化硅单晶1#的基础上将坩埚组件转速从80转/h调整为0转/h，根据表2可知，产出单晶微管密度与碳化硅单晶3#基本相同，但包裹体缺陷明显加重，坩埚组件定向旋转与两个螺旋隔板的结合可以显著抑制包裹体缺陷的产出；

5、对比碳化硅单晶D2#未使用两步长晶法生长碳化硅单晶，单晶生长时间翻倍、生长温度提高50℃，各缺陷指标均出现大幅增长，表明在更多耗时、更高能耗的情况下生长的碳化硅单晶，其单晶质量大幅下降；

6、对比碳化硅单晶D3#、D4#在对比碳化硅单晶D2#的基础上进一步去除原料区螺旋隔板、气相传输区螺旋隔板，各项缺陷指标继续明显增长，表明没有螺旋隔板对气相的阻隔过滤作用，单晶质量无法得到控制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (15)

1.一种碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，包括：

将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体；

所述长晶的步骤包括：

第一长晶阶段：将包括坩埚主体、螺旋隔板组件和籽晶的坩埚组件静止，控制长晶条件将升华原料在第一温度和第一压力下长成稳定晶体生长界面；

第二长晶阶段：降低压力至第二压力下，转动坩埚组件，其转动方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，长晶结束后，即制得所述的碳化硅晶体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述螺旋隔板组件包括设置在原料区的原料区螺旋隔板。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述原料区螺旋隔板的螺旋方向为顺时针或逆时针。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述坩埚组件的转动方向与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述螺旋隔板组件还包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反和/或；

所述螺旋隔板与所述坩埚主体充分接触和/或；

所述坩埚组件还包括包围所述坩埚主体的绝热材料。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一温度为1950-2150℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一压力为10-100mbar。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二压力不高于10^-4mbar。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第二压力不高于10^-5mbar。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述第二压力不高于10^-6mbar。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一长晶阶段的时间为5-10h，所述第二长晶阶段的时间为30-100h。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述坩埚组件的转速为10-200转/h。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述长晶包括下述步骤：

(1)将填放碳化硅粉料、原料区螺旋隔板、传输区螺旋隔板及籽晶的高纯石墨坩埚组件置于单晶生长炉体内并密封，其中，原料高度略高于原料区螺旋隔板；

(2)将炉体内真空抽至10^-6mbar以下，然后通入高纯惰性气体至300-500mbar，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10^-6mbar以下；

(3)向炉体内通入高纯惰性气体，1-3h内将压力升至10-100mbar，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变；

(4)第一长晶阶段：在保持压力不变的情况下，3-5h内将炉体内温度升至单晶生长温度1950-2150℃，生长时间为5-10h；

(5)第二长晶阶段：保持生长温度不变，将炉体内压力在3-5h内降至真空10^-4mbar以下并保持不变，同时定向转动坩埚组件，旋转方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，转速为10-200转/h，同时坩埚垂直方向上位置不变，生长时间为30-100h；

(6)单晶生长结束，打开炉体，取出石墨坩埚组件，即制得低缺陷密度的碳化硅单晶。

15.一种碳化硅晶体，其特征在于，所述碳化硅晶体选自权利要求1-14中任一项所述的方法制备的碳化硅晶体。

Images