CN112744816B - 用于碳化硅单晶生长的碳化硅粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于碳化硅单晶生长的碳化硅粉体的制备方法，其针对市面可采购的高纯度β碳化硅粉体通过进一步的热处理，经过热处理工序的高纯度β碳化硅粉末有效的转化为α碳化硅粉末，而α‑碳化硅具有合适的计量成分，适合作为晶体生长原料，以最大限度地减少多孔粉末的影响，并最大限度地提高晶体粉末在生长晶体的效果。本发明的优化热处理最佳温度曲线，时间不足或温度太低不能完金消除原粉体中的自由金属硅和粉末中的多孔粉末；反之时间太长或太高会造成粉末石墨化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种用于碳化硅单晶生长的碳化硅粉体的制备方法。
背景技术
碳化硅晶体具有优异的化学、物理和机械性能，被公认为适用于高温、高频、高功率器件的宽频带半导体材料，并作为光电子和电子通讯器件（如用于蓝色/白色发光二极体、和碳化硅上生长氮化镓微波器件SiC）的基板材料。对于这些器件应用，低缺陷密度的大尺寸碳化硅晶体的生长技术已经有很成熟的发展。然而，尽管有了许多研究和开发工作完成与公开，但晶体生长引起的缺陷，如微管，平面缺陷，错位和多型内含物的发生仍然在讨论之中，目前尚未完全理解整个发生的机理。特别是，公开研究证实晶体生长过程中形成的多型态受到碳化硅生长源内的化学物种显着的影响。
最近有公开文献报道，具有不同硅/碳比，和原料的粉末相态（α和β）是多型晶态发生的主要原因。在β碳化硅的情况下，各种多型晶态的发生是由于硅原子在晶种面上具方向是随机的，初始生长时由较高的Si部分压力形成，因为β碳化硅粉末具有较高的硅/碳比和更多的金属硅。多型晶态发生与相对较高的多余自由金属Si有关。另一方面，众所周知，α碳化硅具有合适的计量成分，但目前没有高纯度α碳化硅的商业供应商。另据模拟结果报道，生长源的孔隙度和粒度大小与石墨熔炉中的热场分布有关，但针对个别粉末孔隙度对生长特性的影响尚未有研究报道。
有鉴于此，本发明人针对上述碳化硅粉体存在的问题进行深入构思，遂产生本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于碳化硅单晶生长的碳化硅粉体的制备方法，以提高采用该碳化硅粉体制备出的晶体质量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于碳化硅单晶生长的碳化硅粉体的制备方法，其包括
步骤1、将β-碳化硅粉末置放在石墨坩埚，并将石墨坩埚置于真空高温炉内；然后，将真空高温炉抽真空至1torr 以下；
步骤2、对真空高温炉腔体内通氩气，把压力升至500±50torr；
步聚3、加热真空高温炉的腔体，并分为三个阶段进行加热，三个阶段的升温速率不同：第一阶段，以第一升温速率升温至800℃；第二阶段，以第二升温速率升温至1800℃；第三阶段，在30分钟内将腔体温度升高至2100℃±63℃，并在该温度下维持6±0.3小时。
步骤4、开始降温，在10±1小时将真空高温炉的腔体温度降至室温，即得到适用于碳化硅单晶生长用的粉体源料。
所述步骤1中，β-碳化硅粉末纯度为5N以上，由2μm-3μm的颗粒聚集成多孔隙球状体，球状体的尺寸为300μm-500μm。
所述步骤3中，第一升温速率为（100℃±20℃）/小时，第二升温速率为（200℃±20℃）/小时。
采用上述方案后，本发明针对市面可采购的高纯度β碳化硅粉体通过进一步的热处理，经过热处理工序的高纯度β碳化硅粉末有效的转化为α碳化硅粉末，而α-碳化硅具有合适的计量成分，适合作为晶体生长原料，以最大限度地减少多孔粉末的影响，并最大限度地提高晶体粉末在生长晶体的效果。本发明的优化热处理最佳温度曲线，时间不足或温度太低不能完金消除原粉体中的自由金属硅和粉末中的多孔粉末；反之时间太长或太高会造成粉末石墨化。
本发明制备得到的碳化硅粉末应用在晶体生长，其晶体具有相对较低的微管道密度、平面孔洞等缺陷；同时在制备氮掺杂n型碳化硅单晶体，提高晶体的掺杂浓度。本发明热处理后的碳化硅粉末适用各晶态的碳化硅单晶体与外延片生长。
附图说明
图1为本发明的热处理温度曲线图；
图2为各实施例中β-碳化硅转化为α-碳化硅的面积比图；
图3为各实施例得到的碳化硅粉体制备的碳化硅晶体的横切照片；
图4为各实施例得到的碳化硅粉体制备的碳化硅晶体的半宽高@平面光学模与微管道密度；
图5为各实施例得到的碳化硅粉体制备的碳化硅晶体的半宽高与波强度峰值图。
具体实施方式
本发明揭示了一种用于碳化硅单晶生长的碳化硅粉体的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1、将β-碳化硅粉末置放在石墨坩埚，并将石墨坩埚置于真空高温炉内；然后，将真空高温炉抽真空至1torr 以下。
本实施例中，β-碳化硅粉末纯度为5N以上，由2μm-3μm的颗粒聚集成多孔隙球状体，球状体的尺寸为300μm-500μm。
本发明中的真空高温炉也可以是碳化硅PVT长晶妒或者其他可以进行抽真空和高温加热的容器。利用PVT长晶炉完成可以简化对设备的要求与降低投资成本。
步骤2、对真空高温炉腔体内通氩气，把压力升至500±50torr。
步聚3、加热真空高温炉的腔体，并分为三个阶段进行加热：第一阶段，升温速率为（100℃±20℃）/小时，升温至800℃；第二阶段，升温速率为（200℃±20℃）/小时，升温至1800℃；第三阶段，在30分钟内将腔体温度升高至2100℃±63℃，并在该温度下维持6±0.3小时。
上述三个阶段的升温速率不同，（100℃±20℃）/小时为第一升温速率，（200℃±20℃）/小时为第二升温速率。
步骤4、开始降温，在10±1小时将真空高温炉的腔体温度降至室温，即得到适用于碳化硅单晶生长用的粉体源料。
本发明的热处理由步骤3和步骤4构成，其温度曲线如图1所示。
为详尽本发明技术方案以及其所达到的技术效果，以下将列举具体实施例进行详细说明。以下各实施例所采用的β-碳化硅粉末的纯度及相关尺寸、以及所采用的真空高温炉均相同，不同的是热处理时间和处理温度，具体如表1所示。
表1.β-碳化硅粉末热处理条件
各实施例中β-碳化硅转化为α-碳化硅的面积比如图2所示。从图2可以看出，从β-碳化硅转化为α-碳化硅的转换率随热处理时间增加而增加，但在热处理时间超过6小时后趋稳，实施例3与实施例4的结果相差不大。
采用上述实施例制备得到的碳化硅粉体制备碳化硅晶体，得到的碳化硅晶体的横切照片如图3所示，其中，(a)为实施例1，(b)为实施例3，(c)为实施例4，(d)为实施例6。从图3中可以看出：实施例3、4的晶质量最好。
采用上述实施例制备得到的碳化硅粉体制备碳化硅晶体，得到的碳化硅晶体的半宽高@平面光学模与微管道密度如图4所示，从图4中可以看出：晶体的半宽高@平面光学模与平均微管道密度随热处理时间增加而减沙，但在热处理时间超过6小时后趋稳。
采用上述实施例制备得到的碳化硅粉体制备碳化硅晶体，得到的碳化硅晶体的半宽高与波强度峰值如图5所示。从图5中可以看出：在掺杂氮的n型碳化硅晶体时的表现，掺杂浓度随热处理时间增加而增加，但在热处理时间超过6小时后趋稳。
综上，本发明针对市面可采购的高纯度β碳化硅粉体通过进一步的热处理，经过热处理工序的高纯度β碳化硅粉末有效的转化为α碳化硅粉末，而α-碳化硅具有合适的计量成分，适合作为晶体生长原料，以最大限度地减少多孔粉末的影响，并最大限度地提高晶体粉末在生长晶体的效果。本发明的优化热处理最佳温度曲线，时间不足或温度太低不能完金消除原粉体中的自由金属硅和粉末中的多孔粉末；反之时间太长或太高会造成粉末石墨化。
本发明制备得到的碳化硅粉末应用在晶体生长，其晶体具有相对较低的微管道密度、平面孔洞等缺陷；同时在制备氮掺杂n型碳化硅单晶体，提高晶体的掺杂浓度。本发明热处理后的碳化硅粉末适用各晶态的碳化硅单晶体与外延片生长。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种用于碳化硅单晶生长的碳化硅粉体的制备方法，其特征在于：包括
步骤1、将β-碳化硅粉末置放在石墨坩埚，并将石墨坩埚置于真空高温炉内；然后，将真空高温炉抽真空至1torr 以下；
β-碳化硅粉末纯度为5N以上，由2μm-3μm的颗粒聚集成多孔隙球状体，球状体的尺寸为300μm-500μm；
步骤2、对真空高温炉腔体内通氩气，把压力升至500±50torr；
步骤3、加热真空高温炉的腔体，并分为三个阶段进行加热，三个阶段的升温速率不同：第一阶段，以第一升温速率升温至800℃；第二阶段，以第二升温速率升温至1800℃；第三阶段，在30分钟内将腔体温度升高至2100℃±63℃，并在该温度下维持6±0.3小时；
第一升温速率为（100℃±20℃）/小时，第二升温速率为（200℃±20℃）/小时；
步骤4、开始降温，在10±1小时将真空高温炉的腔体温度降至室温，即得到适用于碳化硅单晶生长用的粉体源料。
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