CN110396717A - 高质量高纯半绝缘碳化硅单晶、衬底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高质量高纯半绝缘碳化硅单晶、衬底及其制备方法，属于半导体材料领域。该高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法将碳化硅原料置于坩埚内升华为升华原料，所述升华原料利用坩埚内的轴向温度梯度气相传输至一级籽晶进行一级长晶，即制得所述高纯半绝缘碳化硅单晶；其中，所述碳化硅原料与所述一级籽晶之间至少设置一个过渡籽晶，所述过渡籽晶使得至少部分升华原料进行一次长单晶‑再升华过程。本申请的制备方法可以使用低纯度的碳化硅原料制得极高纯度的半绝缘碳化硅单晶，同时能兼顾提升高纯半绝缘碳化硅单晶的生长质量，制备成本低；且本申请制得的高纯半绝缘碳化硅单晶及其衬底无或少量缺陷、纯度高、质量高和均匀性好。

Description

高质量高纯半绝缘碳化硅单晶、衬底及其制备方法

技术领域

本申请涉及一种高质量高纯半绝缘碳化硅单晶、衬底及其制备方法，属于半导体材料领域。

背景技术

碳化硅单晶具有禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高等优异的物理性能。特别的，高纯半绝缘碳化硅单晶衬底具有纯度高、电阻率高等特点，在高频下能够有效降低器件的介质损耗并减少寄生效应，因而成为高频、微波器件的优选材料。

高纯半绝缘碳化硅单晶制备的技术难点在于纯度和质量的控制。生长高纯度的碳化硅单晶首要需要高纯度的碳化硅粉料，而碳化硅粉料中的氮、硼、铝等杂质不易去除。其次，碳化硅粉料随着碳化硅单晶生长而不断损耗，造成碳化硅单晶生长过程中的碳化硅结晶质量变化，影响碳化硅单晶质量的一致性和稳定性。

目前，高纯度碳化硅粉料的制备技术仍是难点，碳化硅粉料中的杂质仍会在升华过程中释放并引入到碳化硅单晶中，影响到碳化硅单晶的纯度及电阻率等关键性能指标。已有的技术无法完全满足现有高纯半绝缘碳化硅单晶对粉料纯度的要求，且高纯度碳化硅粉料制备成本颇高。

此外，碳化硅粉料纯度提高的同时，对碳化硅粉料粒度的控制减弱，同时兼顾碳化硅粉料的粒度、晶型等指标，从而影响到碳化硅单晶的质量；这会影响到碳化硅单晶生长质量，也即目前的技术尚无法很好的同时兼顾高纯半绝缘碳化硅单晶的纯度和质量要求。

高纯度碳化硅单晶生长过程中，碳化硅粉料不断升华损耗、碳化硅晶体不断生长延伸至高温区，导致碳化硅晶体轴向的结晶质量和纯度呈不均匀不稳定状态，造成碳化硅衬底均匀性和一致性较差等问题。

随着5G通讯对射频微波器件的需求不断增加，下游射频器件对上游的高纯半绝缘碳化硅衬底纯度和质量要求不断提升。因此，如何同时解决上述碳化硅单晶的纯度和质量两方面的问题，获得具有高度一致和稳定质量的高纯半绝缘碳化硅单晶衬底，成为学术界和产业界共同关注的话题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种高纯半绝缘碳化硅单晶及其制备方法。该制备方法既能解决高纯半绝缘碳化硅单晶生长的纯度问题，同时能兼顾提升高纯半绝缘碳化硅单晶的生长质量；并且该方法制得的高纯半绝缘碳化硅单晶及其衬底无或少量缺陷、纯度高、质量高和均匀性好。

该高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法包括：将碳化硅原料置于坩埚内升华为升华原料，所述坩埚内的轴向温度梯度使得所述升华原料气相传输至一级籽晶进行一级长晶，即制得所述高纯半绝缘碳化硅单晶；

其中，所述碳化硅原料与所述一级籽晶之间至少设置一个过渡籽晶，所述过渡籽晶使得至少部分升华原料进行长单晶-再升华过程。

可选地，所述碳化硅原料与所述一级籽晶之间至少设置一个过渡籽晶，即所述坩埚内的升华原料气相传输至一级籽晶的路径中至少设置一个过渡籽晶。

可选地，所述过渡籽晶为沿所述坩埚的径向延伸的片状结构。

进一步地，所述过渡籽晶至少将所述坩埚形成的长晶腔分隔为原料腔和一级长晶腔。

可选地，所述长单晶-再升华过程包括步骤：

长单晶：所述升华原料在所述过渡籽晶的靠近碳化硅原料的第一面长单晶，即生成第一碳化硅单晶；和再升华：从所述过渡籽晶靠近一级籽晶的第二面开始将过渡籽晶和第一碳化硅单晶再升华。

进一步地，所述长单晶步骤包括：全部所述升华原料在所述过渡籽晶的靠近碳化硅原料的第一面长单晶，即生成第一碳化硅单晶。

可选地，所述一级籽晶的纯度不低于所述过渡籽晶的纯度；所述一级籽晶的缺陷数量不低于所述过渡籽晶的缺陷数量；所述一级籽晶的缺陷尺寸不低于所述过渡籽晶的缺陷尺寸；和所述过渡籽晶无尺寸大于20μm的贯穿型缺陷。

可选地，碳化硅原料的纯度范围为＜10ppm，为了降低成本碳化硅原料的纯度范围为大于5ppm。

可选地，所述缺陷包括位错、多晶、微管、孔洞、碳包裹体和凹坑；所述的缺陷尺寸是指微管、孔洞、碳包裹体或凹坑等的尺寸。本申请的所述的高纯碳化硅单晶的质量高的质量主要是指缺陷、导电率等方面性能优良。

可选地，所述一级籽晶作为生长最终产品高纯碳化硅单晶的一级长晶籽晶，其质量和纯度不低于最终产品的高纯碳化硅单晶。为了降低制备成本，过渡籽晶的纯度不高于5ppm，但是质量要求其无尺寸大于20μm的贯穿型缺陷即可实现本申请的目的。

可选地，所述坩埚为石墨坩埚，所述籽晶支架为石墨支架。

可选地，所述过渡籽晶的厚度为500-1000μm，所述过渡籽晶的厚度大于所述一级籽晶的厚度。可选地，所述过渡籽晶的厚度范围的下限选自550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm或950μm，上限选自550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm或950μm。进一步地，所述过渡籽晶的厚度为650-850μm。

优选地，所述一级籽晶的厚度为200-600μm。进一步地，所述一级籽晶的厚度范围的下限选自250μm、300μm、450μm、500μm或550μm，上限选自250μm、300μm、450μm、500μm或550μm。进一步地，所述一级籽晶的厚度为300-500μm。。所述过渡籽晶和一级籽晶的厚度的设置方式可以有效控制晶体生长过程。

一级籽晶与相邻的所述过渡籽晶的第一距离H1、相邻的多个过渡籽晶之间的第二距离H2，根据需要长晶的高纯碳化硅单晶的厚度决定。优选地，所述一级籽晶与相邻的所述过渡籽晶的第一距离为H1，所述高纯碳化硅单晶的厚度为D，所述D/H1的比值为1:1-5。优选地，所述D/H1的比值为1：2-5。

优选地，所述第一距离H1为30-60mm。进一步地，所述第一距离H1的下限选自20mm、40mm或50mm，所述第一距离H1的上限选自20mm、40mm或50mm。

可选地，所述坩埚内的气相传输路径中设置多个过渡籽晶，所述相邻的过渡籽晶之间的第二距离为H2，所述D/H2的比值为1:1-3。

优选地，所述第二距离H2为30-60mm。进一步地，所述第二距离H2的下限选自20mm、40mm或50mm，所述第二距离H2的上限选自20mm、40mm或50mm。

更优选地，所述第一距离H1与第二距离H2相等。该第一距离H1、第二距离H2和高纯碳化硅单晶的厚度D的设置方式制得的高纯碳化硅单晶的质量最优。

可选地，所述碳化硅原料为碳化硅粉料或碳化硅多晶锭。优选地，所述碳化硅原料为碳化硅粉料。更优选地，所述碳化硅粉料的粒度为0.5-5mm，所述碳化硅粉料的晶型为4H或6H。

可选地，所述碳化硅粉料的纯度范围为＜10ppm，为了降低成本碳化硅粉料的纯度范围为大于5ppm。

可选地，所述长晶过程中的坩埚内保持惰性气体压力为10-60mbar。

作为一种实施方式，所述高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法包括下述步骤：

1、将纯度5ppm以上的SiC粉料置于坩埚底部，碳化硅粉料上部的坩埚内沿坩埚轴向固定至少一个过渡籽晶，坩埚盖底面固定一级籽晶；

2、将步骤1组装的坩埚置于长晶炉膛内并密封，进行长晶，制得所述高纯碳化硅单晶。

作为一种实施方式，以坩埚内置一个过渡籽晶为例说明高纯碳化硅单晶的具体制备方法，其包括下述步骤：

1)前处理：将长晶炉膛抽高真空处理，将长晶炉膛内的多余杂质排出；其中，所述高真空处理的温度为800-1500℃，时间2-8h，真空度不低于10^-3Pa；

2)第一长晶阶段：所述前处理结束后，向长晶炉膛内通入惰性气体(优选Ar和He)并控制生长压力升至10-60mbar，之后以5-10℃/min的第一升温速率升温至2000-2100℃并恒温保持5-15h；

3)第二长晶阶段：随着过渡籽晶开始结晶生成厚度约为10-30mm的第一碳化硅单晶时，结束恒温过程以2-5℃/min的第二升温速率提升长晶炉温至2100-2300℃，至长晶结束后降温，即制得所述的高纯碳化硅单晶。

其中，所述第一长晶阶段，置于坩埚底部的高纯SiC粉料处于高温区而优先分解升华并随轴向温度梯度传输至过渡籽晶处结晶。由于SiC粉料升华及传输过程中的杂质一部分会逸散至坩埚外部，SiC粉料中的杂质仅有10％左右会生长进入第一碳化硅单晶中，因此过渡籽晶生长的第一碳化硅单晶纯度远高于SiC粉料的纯度。

其中，所述步第二长晶阶段，由于过渡籽晶生长界面处的硅气氛来源于碳化硅粉料，而过渡籽晶背部气氛中无气氛来源，因此其背部硅、碳蒸汽分压(P_b)远高于其生长界面处的硅、碳蒸汽分压(P_i)，因此，过渡籽晶背部随着温度升高开始逐步升华，升华后的气相组分随着轴向温度梯度向一级籽晶传输并在一级籽晶处结晶。由于过渡籽晶处生长的晶体纯度已较高，在过渡籽晶生长晶体升华并传输至一级籽晶过程中，杂质进一步逸散，因此一级籽晶处结晶纯度将会更高，从而可以得到纯度更高的高纯碳化硅单晶。此外，由过渡籽晶生长晶体释放出的Si及SiC气相组分比例即C/Si比由于直接由单晶升华而成，因此C/Si比例更适合结晶为高质量的SiC单晶，从而提高了一级籽晶出生长SiC单晶的纯度和结晶质量。

根据本申请的另一个方面，提供了一种上述任一所述的高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法中使用的坩埚，其包括坩埚主体和坩埚盖；所述坩埚主体内侧壁设置至少一个籽晶支架，所述籽晶支架用于支撑所述过渡籽晶；所述坩埚盖内侧面设置所述一级籽晶固定部。

进一步地，所述籽晶支架为设置在所述坩埚内侧壁的向坩埚内凸起的环状凸台。

优选地，所述坩埚内设置的一级籽晶与相邻的所述过渡籽晶的第一距离为H1，所述高纯碳化硅单晶的厚度为D，所述D/H1的比值为1：2-3。

优选地，所述第一距离H1为30-60mm。进一步地，所述第一距离H1的下限选自20mm、40mm或50mm，所述第一距离H1的上限选自20mm、40mm或50mm。

可选地，所述坩埚内的气相传输路径中设置多个过渡籽晶，所述相邻的过渡籽晶之间的第二距离为H2，所述D/H2的比值为1：1-3。

优选地，所述第二距离H2为30-60mm。进一步地，所述第二距离H2的下限选自20mm、40mm或50mm，所述第二距离H2的上限选自20mm、40mm或50mm。

更优选地，所述第一距离H1与第二距离H2相等。

根据本申请的另一个方面，提供了一种高纯半绝缘碳化硅单晶，其由上述任一所述的高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法制备得到或，其使用上述的坩埚制备得到。

根据本申请的又一个方面，提供了一种高纯半绝缘碳化硅单晶衬底，其由所述高纯半绝缘碳化硅单晶进行切割、研磨和抛光制备得到。

本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶的多级籽晶(一级籽晶和至少一个过渡籽晶)的生长极高纯度碳化硅单晶的制备方法，该方法通过在同一坩埚形成的长晶腔室内的轴向温度梯度的自低温至高温的方向设置第N(N≥1)级过渡籽晶至第一级过渡籽晶和一级籽晶，第N级过渡籽晶生长的第N碳化硅单晶和第N级过渡籽晶作为第N-1级过渡籽晶生长第N-1碳化硅单晶时的原料，依次进行多次长单晶-再升华过程，通过多级籽晶不断纯化制得的碳化硅单晶，使得一级籽晶制备的高纯碳化硅单晶达到极高的纯度。

本申请中，所述轴向温度梯度为：碳化硅原料至一级籽晶的路径的温度降低。

本申请的有益效果包括但不限于：

1、根据本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其长单晶-再升华过程中以单晶为原料，由于单晶为相同取向的晶粒则具有相同的升华速率，故制得的高纯半绝缘碳化硅单晶的质量高，避免了以多晶为原料包含不同晶粒取向的单晶升华速率不同，而降低制得的高纯半绝缘碳化硅单晶的质量。

2、根据本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其长单晶-再升华相比于长多晶-再升华，多晶实现的条件是背部使用非碳化硅材料作为多晶生长的依托，如石墨板材；这类材料本身不能升华，会阻止多晶部分的升华；进一步，即使实现多晶升华，非碳化硅材料也易引入污染，影响后续单晶质量。

3、根据本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其过渡籽晶使得升华碳化硅原料气至少经过一次长单晶-再升华的过程，由于一级长晶步骤的原料是相邻的过渡籽晶和第一碳化硅单晶，其释放出的Si及SiC气相组成比例即C/Si比更适合结晶为高质量、均匀性好的碳化硅(SiC)单晶。

4、根据本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其过渡籽晶使得升华碳化硅原料至少经过一次长单晶-再升华的过程，由于长单晶步骤会排除部分杂质，而且再升华步骤中升华气沿着轴向温度梯度的传输过程中，杂质会进一步逸散，经过一次长单晶-再升华过程会排出碳化硅原料中杂质的约90％，从而制得纯度极高的碳化硅单晶。

5、根据本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其可以使用较低纯度的碳化硅原料制得极高纯度的半绝缘碳化硅单晶；同时其使用低纯度的碳化硅粉料的粒度、晶型容易控制，能提升高纯半绝缘碳化硅单晶的生长质量，制备成本低。

6、根据本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶，其纯度高、缺陷少、质量高和均匀性好。

7、根据本申请的高纯半绝缘碳化硅单晶衬底，其纯度高、缺陷少、质量高和均匀性好。

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长晶前的坩埚截面示意意图。

图2为本申请实施例涉及的第一长晶阶段的坩埚截面示意图。

图3为本申请实施例涉及的第二长晶阶段的坩埚截面示意图。

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。

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。

本申请的实施例中分析方法如下：

1、微管测试采用OLYMPUS公司的BX51型显微镜。

2、利用Thermo Fisher公司Element GD-PLUS型双聚焦辉光放电质谱仪仪器行总杂质含量分析，Al元素、Fe元素、Ni元素、B元素、P元素、S元素、Cl元素含量分析。

参考图1，本申请公开了一种制备高质量高纯碳化硅单晶的方法中使用的坩埚，坩埚包括坩埚主体1和坩埚盖2，坩埚主体1内用于放置碳化硅原料6，坩埚主体1内侧壁设置至少一个籽晶支架3，籽晶支架3用于支撑过渡籽晶4，坩埚盖2内侧面设置一级籽晶5固定部，或一级籽晶5用固定在坩埚主体1内侧壁的一级籽晶支架支撑固定。图1所示的坩埚中设置的籽晶支架3为1个，在未展示出的实施方式中坩埚形成的长晶腔内沿轴向方向设置的籽晶支架3数量大于1个。

图1为长晶前的坩埚截面示意图，坩埚内的籽晶支架3上固定过渡籽晶4，坩埚盖2内侧面固定一级籽晶5。优选的，过渡籽晶4与一级籽晶5都为片状结构。更优选的，过渡籽晶4将坩埚形成的长晶腔分隔成原料腔和一级长晶腔。

进一步地，籽晶支架3为设置在坩埚主体1内侧壁的向坩埚内凸起的环状凸台，过渡籽晶4放置在环状凸台的顶面。

作为一种实施方式，坩埚内设置的一级籽晶5与相邻的过渡籽晶4的第一距离为H1，高纯碳化硅单晶的厚度为D，所述D/H1的比值为1：1-5。优选地，第一距离H1为30-60mm。更优选地，第一距离H1为40-50mm。

在未展示出的实施方式中，坩埚内的气相传输路径中设置多个过渡籽晶4，相邻的过渡籽晶4之间的第二距离为H2，H2/D的比值为1：1-3。优选地，第二距离H2为30-60mm。更进一步地，第二距离为40-50mm。最优选地，所述第一距离H1与第二距离H2相等。

将上述的坩埚用于制备高纯半绝缘碳化硅单晶，其制备方法包括下述步骤：

1、将5ppm<纯度≤10ppm的SiC粉料置于坩埚主体底部，碳化硅原料6上部的坩埚主体1内沿坩埚轴向固定至少一个过渡籽晶4，坩埚盖2底面固定一级籽晶5，优选碳化硅原料6为碳化硅粉料；

2、将步骤1组装的坩埚置于长晶炉膛内密封，进行长晶，制得高纯碳化硅单晶。

作为一种实施方式，以坩埚内固定一个过渡籽晶为例说明高纯碳化硅单晶的制备方法，其包括下述步骤：

1)前处理：将长晶炉膛抽高真空处理，将长晶炉膛内的多余杂质排出；其中，所述高真空处理的温度为800-1500℃，时间2-8h，真空度不低于10^-3Pa；

2)第一长晶阶段：所述前处理结束后，向长晶炉膛内通入惰性气体(优选Ar和He)并控制生长压力升至10-60mbar，之后以5-10℃/min的第一升温速率升温至2000-2100℃并恒温保持5-15h；

3)第二长晶阶段：随着过渡籽晶开始结晶生成厚度约为10-30mm的第一碳化硅单晶时，结束恒温过程以2-5℃/min的第二升温速率提升长晶炉温至2100-2300℃，至长晶结束后，降温，即制得高纯碳化硅单晶。

参考图2，作为第一长晶阶段的坩埚截面示意图，在第一长晶阶段的过渡籽晶4上生长第一碳化硅单晶7，但一级籽晶5未生长高纯碳化硅单晶。置于坩埚底部的高纯SiC粉料处于高温区而优先分解升华并随轴向温度梯度传输至过渡籽晶4处结晶。由于SiC粉料升华及传输过程中的杂质一部分会逸散至坩埚外部，SiC粉料中的杂质仅有10％左右会生长进入第一碳化硅单晶7中，因此过渡籽晶4生长的第一碳化硅单晶7纯度远高于SiC粉料的纯度。

参考图3，作为第二长晶阶段的坩埚截面示意图，在第二长晶阶段的过渡籽晶4上已经生长第一碳化硅单晶7，并且从过渡籽晶4的顶面开始升华碳化硅至一级籽晶5进行高纯碳化硅单晶8的生长。其中，在第二长晶阶段，由于过渡籽晶4生长界面处的硅气氛来源于碳化硅原料6，而过渡籽晶4背部(靠近一级籽晶的面)气氛中无气氛来源，因此其背部气氛中硅、碳分压(P_b)远高于其生长界面处的硅、碳蒸汽分压(P_i)，因此，过渡籽晶4背部随着温度升高开始逐步升华为升华气A，升华后的气相组分随着轴向温度梯度向一级籽晶5传输并在一级籽晶5处结晶。由于过渡籽晶4处生长的晶体纯度已较高，在过渡籽晶4生长晶体升华并传输至一级籽晶5过程中，杂质进一步逸散，因此一级籽晶5处结晶纯度将会更高，从而可以得到纯度更高的高纯碳化硅单晶8。此外，由过渡籽晶4生长晶体释放出升华气A的Si及SiC气相组分比例即C/Si比由于直接由单晶升华而成，因此C/Si比例更适合结晶为高质量的高纯碳化硅单晶8，从而提高了一级籽晶5出生长高纯碳化硅单晶8的纯度和结晶质量。

按照上述的坩埚内固定一个过渡籽晶的制备方法制备高纯碳化硅单晶，具体制备参数与上述方法不同之处如表1所示，分别制得高纯半绝缘碳化硅单晶1#-9#、对比高纯半绝缘碳化硅单晶D1#。

表1

根据表1的结果可知：本申请制得的高纯半绝缘碳化硅单晶纯度高、缺陷少、质量高和均匀性好。其过渡籽晶使得升华碳化硅原料至少经过一次长单晶-再升华的过程，由于长单晶步骤会排除部分杂质，而且再升华步骤中升华气沿着轴向温度梯度的传输过程中，杂质会进一步逸散，经过一次长单晶-再升华过程会排出碳化硅原料中杂质的约90％，从而制得纯度极高的碳化硅单晶。由于一级长晶步骤的原料是相邻的过渡籽晶和第一碳化硅单晶，其释放出的Si及SiC气相组成比例即C/Si比更适合结晶为高质量、均匀性好的碳化硅(SiC)单晶。

对比高纯碳化硅单晶D1#，多晶实现的条件是背部使用非碳化硅材料作为多晶生长的依托，如石墨板材。这类材料本身不能升华，会阻止多晶部分的升华；此外，即使能实现多晶升华，非碳化硅材料也易引入污染，影响后续单晶质量；多晶即使能够升华生长，不同晶粒取向的单晶升华速率不同，直接影响到后续单晶的生长质量。单晶生长则不存在此问题，能够保证后续单晶生长质量。

将制得的制得高纯半绝缘碳化硅单晶1#-9#、对比高纯半绝缘碳化硅单晶D1#，分别进行同样的切割、研磨和抛光方法，分别制得高纯半绝缘碳化硅单晶衬底1#-9#、对比高纯半绝缘碳化硅单晶衬底D1#，其纯度高、缺陷少、质量高和均匀性好。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想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保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将碳化硅原料置于坩埚内升华为升华原料，所述坩埚内的轴向温度梯度使得所述升华原料气相传输至一级籽晶进行一级长晶，即制得所述高纯半绝缘碳化硅单晶；

其中，所述碳化硅原料与所述一级籽晶之间至少设置一个过渡籽晶，所述过渡籽晶使得至少部分升华原料进行长单晶-再升华过程。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡籽晶为沿所述坩埚的径向延伸的片状结构；

优选地，所述过渡籽晶至少将所述坩埚形成的长晶腔分隔为原料腔和一级长晶腔。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述长单晶-再升华过程包括下述步骤：

长单晶：所述升华原料在所述过渡籽晶的靠近碳化硅原料的第一面长单晶，即生成第一碳化硅单晶；和

再升华：从所述过渡籽晶靠近一级籽晶的第二面开始将过渡籽晶和第一碳化硅单晶再升华。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一级籽晶的纯度不低于所述过渡籽晶的纯度；

所述一级籽晶的缺陷数量不低于所述过渡籽晶的缺陷数量；

所述一级籽晶的缺陷尺寸不低于所述过渡籽晶的缺陷尺寸；和

所述过渡籽晶无尺寸大于20μm的贯穿型缺陷。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡籽晶的厚度为500-1000μm，所述过渡籽晶的厚度大于所述一级籽晶的厚度；

优选地，所述一级籽晶的厚度为200-600μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一级籽晶与相邻的所述过渡籽晶的第一距离为H1，所述高纯碳化硅单晶的厚度为D，所述D/H1的比值为1：1-5；

优选地，所述第一距离H1为30-60mm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅原料为碳化硅粉料或碳化硅多晶锭；

优选地，所述碳化硅原料为碳化硅粉料；

更优选地，所述碳化硅粉料的粒度为0.5-5mm，所述碳化硅粉料的晶型为4H或6H。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的制备方法中使用的坩埚，其特征在于，包括坩埚主体和坩埚盖，

所述坩埚主体内侧壁设置至少一个籽晶支架，所述籽晶支架用于支撑所述过渡籽晶；

所述坩埚盖内侧面设置所述一级籽晶的固定部。

9.一种高纯半绝缘碳化硅单晶，其特征在于，其由权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备得到或，其使用权利要求8所述的坩埚制备得到。

10.一种高纯半绝缘碳化硅单晶衬底，其特征在于，其由权利要求9所述的半绝缘碳化硅单晶进行切割、研磨和抛光制得。