CN111455457A - 碳化硅晶体的生长装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化硅晶体的生长装置及其制备方法，其中生长装置包括坩埚、安装有籽晶的籽晶座、石墨过滤板、搅拌装置、顶部加热器和底部加热器，籽晶座、石墨过滤板和搅拌装置均位于坩埚内，其中籽晶座固定于坩埚的顶部，且籽晶向下设置，石墨过滤板位于坩埚的中间位置，并将坩埚分为上半部和下半部，搅拌装置位于下半部，顶部加热器和底部加热器均设置于坩埚外；制备方法包括利用该生长装置进行碳化硅晶体生长的步骤。本发明的生长装置及其制备方法制备的碳化硅杂质少、纯度高、不存在包裹物缺陷，且原料利用率高，节约成本。

Description

碳化硅晶体的生长装置及其制备方法

技术领域

本发明属于晶体生长领域，特别涉及一种碳化硅晶体的生长装置及其制备方法。

背景技术

作为第三代半导体材料的代表，碳化硅具有能带宽、热导率高、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高，以及介电常数低、化学稳定性好等特点，成为制作高温、高频、大功率、抗辐照、短波长发光及光电整合元件的理想材料，在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体元件及紫外探测器等方面，都具有广泛的应用前景。

目前物理气相输运(PVT)法是生产碳化硅单晶的主要生长技术，碳化硅原料在高温下升华所产生的气相物因温度梯度输运至籽晶处结晶而成。随着生长的进行，晶体表面会出现被碳颗粒包裹的现象，形成包裹物缺陷，影响碳化硅晶体的品质，并且，整个过程的原料利用率不高，存在资源浪费的现象。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题的至少一个，本发明提供一种碳化硅晶体的生长装置及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种碳化硅晶体的生长装置，包括坩埚、安装有籽晶的籽晶座、石墨过滤板、搅拌装置、顶部加热器和底部加热器，籽晶座、石墨过滤板和搅拌装置均位于坩埚内，其中籽晶座固定于坩埚的顶部，且籽晶向下设置，石墨过滤板位于坩埚的中间位置，并将坩埚分为上半部和下半部，搅拌装置位于下半部，顶部加热器和底部加热器均设置于坩埚外。

其中，石墨过滤板设有多个通气孔，通气孔的孔径为200μm～800μm，通气孔密度为20～120ea/cm²。

其中，搅拌装置包括转轴、截面为“冂”形的转盘和叶片，转轴与转盘的内顶壁固定，叶片设置于转盘的外侧的底部，并与坩埚的底部平行，叶片为耙齿形或扇形。

其中，坩埚的内壁、搅拌装置和石墨过滤板的表面均附有不与碳化硅气相物反应的涂层。

根据本发明的另一方面，提供一种碳化硅晶体的制备方法，该制备方法使用该生长装置生长碳化硅，且包括以下步骤：在坩埚内设置碳化硅粉末；控制坩埚的腔内的压力以及顶部和底部的温度条件，同时利用搅拌装置对碳化硅原料进行间歇性搅拌，使碳化硅的组分气化，并穿过石墨过滤板在籽晶表面重新长晶。

其中，长晶的步骤包括：控制腔内压力至0.1-80Torr，提升底部加热器至1900-2400℃，并调整顶部加热器较底部加热器的温度低100-300℃，形成气相物输送所需的温度梯度，搅拌装置的转速为3-15rpm，搅拌的间隔时间为2-20min。

其中，设置碳化硅粉末的步骤包括；向坩埚内加入高纯度硅粉和碳粉，形成混合原料粉；对混合原料粉进行除杂；利用除杂后的混合原料粉合成碳化硅粉末。

其中，对混合原料粉除杂的步骤包括：对坩埚抽真空，使其保持4.5×10^-2-5.5×10^-2mTorr的真空度1-2小时；然后通入惰性气体使坩埚内的压力达到500～1000Torr，且温度升至1300-1400℃，同时对混合原料粉进行搅拌，以去除杂质，搅拌转速为5-20rpm，搅拌时间为5-20min。

其中，合成碳化硅粉末的步骤包括：再次抽真空，使坩埚内的真空度达到4.5×10^-2-5.5×10^-2mTorr以下，然后通入惰性气体使坩埚内的压力达到300～800Torr，且温度升至1600-1800℃，保持3-8小时。

其中，加入高纯度硅粉和碳粉的步骤中，高纯度硅粉和碳粉的放入比例为0.9:1～1.3:1。

本发明中，发明人在实践中发现，在碳化硅晶体生长的后期，由于原料蒸发的Si蒸气的分压比SiC₂和Si₂C蒸气分压高很多，因此随着生长的进行，剩余原料中的硅组份流失较多，碳组份占比逐渐升高，使碳化硅原料石墨化，尤其在靠近坩埚壁一端，这一现象更为明显，而这是形成包裹物缺陷和影响原料的利用率的主要原因。

本发明通过优化碳化硅晶体的生长设备和制备方法，解决上述问题，本发明的技术方案具备以下技术优势：

1、本发明生产的碳化硅纯度高，所生产晶圆片电阻率≥2×10⁷Ω·cm，平均微管密度(MPD)≤1cm^-2，且不存在包裹物缺陷。

2、本发明的制备方法，原料的利用率更高，较传统生长方法可提升10％以上。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了传统的碳化硅晶体生长的装置示意图；

图2为本发明一种具体实施方式的碳化硅晶体的生长装置的示意图；

图3为本发明另一种具体实施方式的碳化硅晶体的生长装置的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为达到需求功能，本发明提供一种碳化硅晶体的生长装置及其制备方法。

传统的物理气相输运(PVT)法生长碳化硅晶体通过具体的制备装置实现，如图1所示，制备装置包括坩埚100，对坩埚100加热后，碳化硅原料200所蒸发的气相物在温度梯度的趋使下，到达固定在籽晶座400的籽晶500上，逐渐生成碳化硅晶体600。该装置中，由于原料蒸发的Si蒸气的分压比SiC₂和Si₂C蒸气分压高很多，因此随着生长的进行，剩余原料中的碳组份占比逐渐升高，使原料发生石墨化，在温度较高的坩埚壁一端，石墨化物300会更多。

图2为本发明的碳化硅晶体的生长装置的典型示意图。如图2所示，一种碳化硅晶体的生长装置，包括坩埚、安装有籽晶的籽晶座1、石墨过滤板2、搅拌装置3、顶部加热器4和底部加热器5，其中籽晶座1、石墨过滤板2和搅拌装置3均位于坩埚内，籽晶座1固定于坩埚的顶部，且籽晶向下设置，石墨过滤板2位于坩埚的中间位置，并将坩埚分为上半部和下半部，搅拌装置3位于坩埚的下半部，顶部加热器4和底部加热器5均设置于所述坩埚外。搅拌装置3的底端穿过坩埚壁，并与动力源连接，顶部加热器4和底部加热器5均通过设置不同温度实现坩埚由下之上的温度梯度。

坩埚的材质为石墨，在内侧中部位置设有凸梢，用于安放石墨过滤板2，以阻挡颗粒物随着气相输运的带动下到达晶体表面。过滤板有许多个通气孔，通气孔孔径优选的在200μm～800μm，气孔设置密度优选的在20～120ea/cm²。坩埚的内壁、搅拌叶片和石墨过滤板的表面附有不与气相物反应的碳化物涂层，以防止制作过程中引入杂质，该涂层的材质优选的为碳化钽(TaC)或碳化铌(NbC)。

搅拌装置3包括转轴、截面为“冂”形的转盘310和叶片，转轴与转盘310的内顶壁固定，叶片设置于转盘310的外侧的底部，并与坩埚的底部平行，在一个具体的实施例中，该叶片为如图2所示的耙齿形，在另一个具体的实施例中，该叶片为如图3所示的扇形。需要说明的是，上述两种叶片仅为示例性地表现叶片的可能形式，其他能够实现相同作用效果的叶片也在本申请的保护范围内。

本发明还涉及保护利用该生长装置进行碳化硅晶体制备的方法，该方法的技术方案为：将配置比例为0.9:1～1.3:1的高纯度硅粉和碳粉原料放入坩埚内，经过抽真空后通入一定压力的惰性气体并升温，利用搅拌装置3对原料进行慢速搅拌几分钟，再次抽真空，以去除坩埚及原料中的杂质。当达到高真空后通入惰性气体，在特定的压力的情况下升温并保持一段时间以合成碳化硅原料。尔后将坩埚升至更高温度开始长晶。在长晶过程中以一定的时间间隔慢速搅拌原料，Si_mC_n组份的气相物经一石墨过滤板2升华至籽晶表面，逐渐生长成碳化硅晶体。

其中，对原料粉除杂的步骤具体包括：对坩埚的内腔抽真空，使真空度达到4.5×10^-2-5.5×10^-2mTorr以下，保持1-2小时，然后通入惰性气体使压力达到500～1000Torr，同时温度升至1300-1400℃。对原料进行慢速搅拌，搅拌叶片转速优选的为5-20rpm，搅拌时间优选的为5-20min。惰性气体优选的为氦气或氩气。

碳化硅原料的合成具体包括：再次抽真空后使真空度达到4.5×10^-2-5.5×10^{- 2}mTorr以下，通入惰性气体氦气或氩气使压力达到300-800Torr，温度升至1600-1800℃，保持时间3-8小时。

完成上述碳化硅原料合成步骤之后，进入了长晶步骤。控制坩埚腔内压力至0.1-80Torr，提升坩埚底部加热器温度至1900-2400℃，并调整顶部加热器温度较底部的低100-300℃，形成生长气体升华所需的温度梯度。在长晶过程中以一定的时间间隔慢速搅拌原料，搅拌叶片转速优选的为3-15rpm，搅拌时间间隔优选的为2-20min。

此外，本发明的制备方法还包括利用该生长装置，直接使用高纯碳化硅原料生长晶体的技术方案。具体步骤包括：在坩埚内加入粉末状的碳化硅原料，通入惰性气体使压力达到500～1000Torr，并加热至1300-1400℃。对原料进行慢速搅拌，搅拌叶片转速优选的为5-20rpm，搅拌时间优选的为5-20min。然后再次抽真空后使真空度达到4.5×10^-2-5.5×10^-2mTorr以下，通入惰性气体使坩埚腔内压力至0.1-80Torr，再执行同样的上述长晶步骤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，包括坩埚、安装有籽晶的籽晶座(1)、石墨过滤板(2)、搅拌装置(3)、顶部加热器(4)和底部加热器(5)，所述籽晶座(1)、所述石墨过滤板(2)和所述搅拌装置(3)均位于所述坩埚内，其中所述籽晶座(1)固定于所述坩埚的顶部，且籽晶向下设置，所述石墨过滤板(2)位于所述坩埚的中间位置，并将所述坩埚分为上半部和下半部，所述搅拌装置(3)位于所述下半部，所述顶部加热器(4)和所述底部加热器(5)均设置于所述坩埚外。

2.如权利要求1所述的生长装置，其特征在于，

所述石墨过滤板(2)设有多个通气孔，所述通气孔的孔径为200μm～800μm，所述通气孔密度为20～120ea/cm²。

3.如权利要求1所述的生长装置，其特征在于，

所述搅拌装置(3)包括转轴、截面为“冂”形的转盘(310)和叶片，所述转轴与所述转盘(310)的内顶壁固定，所述叶片设置于所述转盘(310)的外侧的底部，并与所述坩埚的底部平行，所述叶片为耙齿形或扇形。

4.如权利要求1所述的生长装置，其特征在于，

所述坩埚的内壁、所述搅拌装置(3)和所述石墨过滤板(2)的表面均附有不与碳化硅气相物反应的涂层。

5.一种碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述制备方法使用如权利要求1-4任一所述的生长装置生长碳化硅，且包括以下步骤：

在所述坩埚内设置碳化硅粉末；

控制所述坩埚的腔内的压力以及顶部和底部的温度条件，同时利用所述搅拌装置(3)对碳化硅粉末进行间歇性搅拌，使碳化硅粉末的组分气化，并穿过所述石墨过滤板(2)在籽晶表面重新长晶。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，长晶的步骤包括：

控制腔内压力至0.1-80Torr，提升底部加热器至1900-2400℃，并调整顶部加热器较底部加热器的温度低100-300℃，形成气相物输送所需的温度梯度，搅拌装置的转速为3-15rpm，搅拌的间隔时间为2-20min。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，设置碳化硅粉末的步骤包括；

向所述坩埚内加入高纯度硅粉和碳粉，形成混合原料粉；

对混合原料粉进行除杂；

利用除杂后的混合原料粉合成碳化硅粉末。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，对混合原料粉除杂的步骤包括：

对所述坩埚抽真空，使其保持4.5×10^-2-5.5×10^-2mTorr的真空度1-2小时；然后通入惰性气体使坩埚内的压力达到500～1000Torr，且温度升至1300-1400℃，同时对混合原料粉进行搅拌，以去除杂质，搅拌转速为5-20rpm，搅拌时间为5-20min。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，合成碳化硅粉末的步骤包括：

再次抽真空，使坩埚内的真空度达到4.5×10^-2-5.5×10^-2mTorr以下，然后通入惰性气体使坩埚内的压力达到300～800Torr，且温度升至1600-1800℃，保持3-8小时。

10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，加入高纯度硅粉和碳粉的步骤中，高纯度硅粉和碳粉的放入比例为0.9:1～1.3:1。

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