CN113151900A - 一种碳化硅晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种碳化硅晶体的制备方法，属于半导体材料制备领域。该方法包括：提供反应腔、长晶腔和除料机构，所述反应腔包括原料腔和废料腔，将碳化硅原料装入所述原料腔；长晶阶段：控制长晶条件，所述原料腔内的原料升华产生的原料气经气相传输通道传输至长晶腔进行长晶，当碳化硅原料升华率为第一升华率时，启动除料机构，所述除料机构将所述反应腔内原料升华后产生的废料转移至所述废料腔，所述原料腔内的剩余原料在该长晶条件下继续升华进行长晶，除料机构持续除料至长晶结束，即制得所述碳化硅晶体。本申请可以提高原料的升华速率和利用率，并且减少晶体的缺陷。

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，属于半导体材料制备领域。

背景技术

目前碳化硅晶体的制备中，主要使用物理气相传输(简称PVT法)技术，该技术通过将碳化硅原料升华分解成气相组分Si_mC_n后，在轴向温度梯度的驱动下，传输至籽晶处结晶生长为碳化硅晶体。PVT法是一个复杂过程，必须对许多参数综合加以控制，例如生长温度、温度梯度、籽晶与生长原料直接的距离、气体压强等，任何一个参数未能得到很好地控制，晶体生长的稳定性将会被破坏。

在碳化硅晶体的生长后期，碳化硅原料会发生非化学计量比分解，更多的硅原子以各种气相组分Si_mC_n的形式存在，当m＞n时，气相组分Si_mC_n为气态的富硅基团，就会导致碳化硅原料中碳过量，出现石墨化现象，形成废料。碳化硅原料的石墨化是常见的不稳定因素，它将增大晶体石墨化和形成其他缺陷的可能性，使得晶体生长速率在很大程度上受到限制。

目前的解决方法一是在石墨坩埚中加入额外的固态硅，可补偿生长原料中硅的缺失，在一定程度上阻止生长原料的石墨化，但是这将导致液态硅滴的形成与多型结构的转变；二是使用钽坩埚创造一个吸附碳的环境，可以显著抑制生长原料的石墨化，但钽坩埚价格过高，无法大规模化使用。

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的制备方法，该方法能够及时将原料腔内的废料移动至废料腔，废料不再继续受热参与长晶，使原料腔内的原料始终保持相同的碳化程度，从而使原料气中气相组分一致性提高，提高原料的升华速率和利用率，并且减少晶体的缺陷。

该碳化硅晶体的制备方法，包括：提供反应腔、长晶腔和除料机构，所述反应腔包括原料腔和废料腔，将碳化硅原料装入所述原料腔；

长晶阶段：控制长晶条件，所述原料腔内的原料升华产生的原料气经气相传输通道传输至长晶腔进行长晶，当碳化硅原料升华率为第一升华率时，启动除料机构，所述除料机构将所述反应腔内原料升华后产生的废料转移至所述废料腔，所述原料腔内的剩余原料在该长晶条件下继续升华进行长晶，除料机构持续除料至长晶结束，即制得所述碳化硅晶体。

可选地，所述原料腔内的原料通过送料机构向靠近所述气相传输通道方向移动，所述送料机构包括设置在所原料腔内并承载所述原料的承载台，所述送料机构能够控制所述承载台带动所述原料移动；

可选地，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动的速度为0.1-2cm/h；

优选的，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动的速度为0.1-1cm/h，更优选的，所述速度为0.2cm/h。

可选地，所述除料机构包括除料件和与所述除料件连接的连杆，所述除料件设置在所述气相传输通道内，通过所述连杆控制所述除料件将目标区域和厚度的原料表层废料推动至所述废料腔内；

可选地，所述碳化硅原料的升华率大于所述第一升华率后，所述除料机构匀速将所述目标区域和厚度的原料表层废料推动至所述废料腔内，所述除料机构的除料频率为10-300次/h；优选的，所述除料频率为10-100次/h,更优选的，所述除料频率为50-80次/h。

可选地，所述除料件为挡板，所述连杆旋转以带动所述挡板旋转，将所述原料表层废料至推动所述废料腔内；

可选地，所述连杆的旋转速度为10-300r/h，优选的，所述旋转速度为10-100r/h，更优选的，所述旋转速度为50r/h-70r/h。

可选地，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动0.1mm，所述连杆带动所述挡板旋转1-5次；

优选的，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动0.1mm，所述连杆带动所述挡板旋转1次。

可选地，所述第一升华率为0-5％，所述长晶条件中长晶温度为2300-2800K；长晶压力为5×10²Pa-2×10³Pa；

优选的，所述第一升华率为0-2％，所述长晶温度为2300K-2500K，所述长晶压力为5×10²Pa-1×10³Pa，更优选的，所述第一升华率为0％。所述长晶温度为2450K。

可选地，所述反应腔由反应腔内筒和反应腔外筒形成，所述反应腔外筒套设于所述反应腔内筒外侧；和

所述反应腔外筒与所述反应腔内筒之间形成所述原料腔，所述反应腔内筒形成所述废料腔；或所述反应腔外筒与所述反应腔内筒之间形成所述废料腔，所述反应腔内筒形成所述原料腔；

可选地，反应腔外筒11直径与反应腔内筒12直径的比值为1.5-3:1，优选为2:1。

可选地，所述反应腔内筒与所述反应腔外筒之间的距离D为20-200mm，优选的，所述D为50-100mm。

可选地，所述废料腔的底端低于所述原料腔的底端。

可选地，所述气相传输通道内设置多孔石墨板，所述原料气穿过所述多孔石墨板进入所述长晶腔。

可选地，所述长晶包括下述步骤：

(1)将装入碳化硅原料的原料腔、废料腔及长晶腔置于晶体生长炉中并密封，其中，所述碳化硅原料与所述原料腔齐平；

(2)将炉体内真空抽至10^-4Pa以下，然后通入高纯惰性气体至10⁴Pa，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10^-4Pa以下；

(3)向炉体内通入高纯惰性气体，2-3h内将压力升至10⁴Pa，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变，5-10h内将炉体温度升至2100K-2300K,生长时间为5h；

(4)长晶阶段：将炉体内压力降至5×10²Pa-2×10³Pa，5-10h内将炉体内温度升至长晶温度2300-2800K，生长时间为0-3h；当碳化硅原料的升华率不小于0-5％时，启动除料机构，通过除料机构将所述反应腔内原料升华后产生的废料转移至废料腔，所述原料腔内的剩余原料继续升华长晶，除料机构匀速除料，除料频率为1-100次/h，生长时间为50-150h；

(5)晶体生长结束，将炉体降温并向炉腔内充入高纯惰性气体至常压，打开炉体，取出长晶腔，即制得低缺陷密度的碳化硅晶体。

优选的，所述步骤(2)将炉体内真空抽至10^-5Pa以下，然后通入高纯惰性气体至10⁴Pa，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10^-5Pa以下；

可选地，所述高纯惰性气体为He或Ar气，纯度＞99.99％。

可选地，所述碳化硅晶体的制备方法使用反应器组件进行制备碳化硅晶体，所述反应器组件包括：

反应腔，所述反应腔包括原料腔和废料腔；

长晶腔，所述长晶腔与所述原料腔通过气相传输通道连通，所述原料腔内的原料升华产生的原料气通过气相传输通道传输至所述长晶腔内长晶；

除料机构，所述除料机构将所述原料腔内长晶过程中产生的废料转移至所述废料腔。

可选地，还包括加热机构，所述加热机构套设在所述原料腔外侧，用于加热所述原料腔。

可选地，长晶腔内设置有籽晶，反应腔内原料升华得到的原料气通过气相传输通道传输至籽晶处开始长晶。

可选地，所述原料腔的顶部开口与所述废料腔的顶部开口连通，所述除料机构将所述废料经过所述原料腔的顶部开口和所述废料腔的顶部开口转移至所述废料腔。

可选地，所述原料腔套设在所述废料腔的外围；或

所述废料腔套设在所述原料腔的外围。

可选地，所述反应腔由反应腔内筒和反应腔外筒形成，所述反应腔外筒套设于所述反应腔内筒外侧；和

所述反应腔外筒与所述反应腔内筒之间形成所述原料腔，所述反应腔内筒形成所述废料腔；或所述反应腔外筒与所述反应腔内筒之间形成所述废料腔，所述反应腔内筒形成所述原料腔。

可选地，所述反应腔内筒与所述反应腔外筒之间的距离D为20-200mm。

可选地，所述反应腔外筒高于所述反应腔内筒，所述反应腔外筒顶部与长晶腔连通。

可选地，所述反应腔内筒与所述反应腔外筒共中心轴线设置。

可选地，还包括送料机构，所述送料机构包括设置在所述原料腔内并承载所述原料的承料台，所述送料机构能够控制所述承料台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动；

可选地，所述除料机构包括除料件和与所述除料件连接的连杆，所述除料件设置在所述气相传输通道内，通过所述连杆控制所述除料件将目标区域和厚度的原料表层废料推动至所述废料腔内。

可选地，所述除料件为挡板，所述挡板设置在所述反应腔的顶部；

可选地，所述除料件距离所述原料腔底端的距离与所述除料件距离所述废料腔底端的距离的比值为3-5：7-10，优选的，所述除料件距离所述原料腔底端的距离与所述除料件距离所述废料腔底端的距离的比值为3:10。

可选地，所述除料件距离所述反应腔顶部的距离与所述除料件距离所述籽晶的距离为3-10：90-200，优选的，所述除料件距离所述反应腔顶部的距离与所述除料件距离所述籽晶的距离为3:200。

所述连杆能够旋转，以带动所述挡板旋转，将所述原料表层废料推动至所述废料腔内。

可选地，所述连杆为顺时针旋转或逆时针旋转。

可选地，所述挡板至少为两个，至少两个所述挡板均匀分布在连杆的周向上，相邻两个所述挡板之间的夹角为40-120°，优选的，相邻两个所述挡板之间的角度为60-90°。

可选地，所述挡板的宽度为50-100mm，所述挡板的高度为2-10mm，优选的，所述挡板的宽度为70-80mm，所述挡板的高度为3-5mm。

可选地，所述连杆能够伸缩，用于控制所述挡板沿所述原料腔至所述废料腔方向运动，以推动所述原料表层废料至所述废料腔内。

可选地，还包括控制所述连杆伸缩的第一控制机构或控制所述连杆旋转的第二控制机构。

可选地，所述废料腔底部开设有预留孔，所述连杆穿过所述预留孔与所述挡板连接，以控制所述挡板旋转。

可选地，所述预留孔设置于所述废料腔的中心位置，所述挡板与所述原料腔和所述废料腔的顶部开口处于同一平面上，所述挡板能够接触到所述反应腔外筒的内侧壁。

可选地，所述送料机构还包括推杆，所述推杆穿过所述原料腔底部与所述承料台相连，所述推杆用于推动所述承料台向靠近所述气相传输通道方向移动。

可选地，还包括控制所述推杆运动的第三控制机构。

可选地，所述废料腔的底端低于所述原料腔的底端。

可选地，所述气相传输通道内设置多孔石墨板，所述原料气穿过所述多孔石墨板进入所述长晶腔。

根据本申请的另一方面，提供了一种碳化硅晶体，所述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。优选的，所述碳化硅晶体为碳化硅单晶。本申请中，自长晶开始，通过原料的第一升华率判断启动除料机构，该第一升华速率为0-5％，优选的，第一升华率为0-2％，最优选为0％，当原料的第一升华率为0％时，即开始长晶就启动除料机构，并且在整个长晶过程中持续除料，得到的晶体质量最佳，缺陷最少。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供的碳化硅晶体的制备方法，能够及时将原料腔内的废料移动至废料腔，转移后的废料不再继续受热参与长晶，使原料腔内的原料始终保持相同的碳化程度，从而使原料气中气相组分一致性提高，提高原料的升华速率和利用率，并且减少晶体的缺陷。

2.本申请所提供的碳化硅晶体的制备方法，送料机构的承载台能够带动原料腔内的原料向靠近气相传输通道方向移动，使原料腔内的原料不断的推向高温区，使得原料腔内的原料碳化均匀，避免部分原料在原料中心上部重结晶，提高原料的利用率，有利于长出重量更重的晶体。

3.本申请所提供的碳化硅晶体的制备方法，控制原料的第一升华率小于5％时启动除料机构，并且在整个长晶中，除料机构持续均匀的去除废料，能有效控制原料的组分，保证原料腔内的原料分布均匀，进一步提高晶体的生长质产生的原料气气相稳定，减少晶体的缺陷。

4.本申请所提供的碳化硅晶体的制备方法，连杆和挡板能同时减少除料过程中对晶体环境的干扰，在将原料腔内的废料平稳去除干净的前提下，不会影响原料气的气相传输，稳定晶体的生长环境，进一步提高晶体的生长质量。

5.本申请所提供的碳化硅晶体的制备方法，原料气穿过多孔石墨板进入长晶腔，多孔石墨板能阻挡原料气中掺杂的细微颗粒，稳定晶体的生长环境，避免晶体生产过程中出现多型、位错、微管、包裹体等缺陷。

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1涉及的反应器组件的结构示意图；

图2为本申请实施例1涉及的反应器组件的结构示意图；

图3为图2中A部分的局部放大图；

图4为本申请实施例2涉及的反应器组件的结构示意图

部件和附图标记列表：

1、原料腔；11、反应腔外筒；12、反应腔内筒；2、废料腔；3、长晶腔；31、多孔石墨板；32、籽晶；41、除料件；42、连杆；43、预留孔；51、承载台；52、推杆。

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。

为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％。

本申请的用于长晶的反应器组件可用于碳化硅晶体的生长，但不限于生长碳化硅晶体，本申请以碳化硅晶体为例进行说明该反应器组件的结构和使用方法。

实施例1

参考图1-3，本申请的实施例公开了一种用于长晶的反应器组件，该反应器组件包括反应腔、长晶腔3和除料机构；反应腔包括原料腔1和废料腔2，长晶腔3与原料腔1通过气相传输通道连通，原料腔1内的原料升华产生的原料气通过气相传输通道传输至长晶腔3内长晶，除料机构将原料腔1内长晶过程中产生的废料转移至废料腔2。

具体的，原料腔1和废料腔2为单独的腔室，该单独的原料腔1和废料腔2可以相邻，可以为套设的形式，废料腔2的可以设置为固定不变，也可以设置为在反应腔内移动的腔室，只要能实现将原料腔1内的废料存放于废料腔2，并且废料不会在废料腔2内继续反应即可，对此不作限定。

具体的，长晶腔3与原料腔1连通，原料腔1内的原料受热升华产生原料气，该原料气气相传输至长晶腔3的籽晶32处进行长晶，长晶腔3和原料腔1可以为一个整体，也可以中间存在隔板，原料气自原料腔1向长晶腔3传输的路径即为气体传输通道，该气相传输通道的传输方式取决于原料腔1和长晶腔3的位置关系，可以为上下传输，可以左右传输，也可以按照特定的传输路径进行传输，因此对于长晶腔3和原料腔1的位置关系不作限定，只要能实现原料气传输到长晶腔3即可。

具体的，除料机构将原料腔1内的废料转移至废料腔2，除料机构采用抓手去除废料，抓手在长晶过程中及时将原料腔1内的废料抓取于废料腔2内；也可以采用推板去除废料，利用推板将原料腔1内的废料推至废料腔2内，反应结束后废料腔2再将废料转移至反应器组件外，对此并不限定除料机构的形式，只要能实现将原料腔1内产生的废料转移至废料腔2即可。

作为一种实施方式，还包括加热机构，该加热机构设置在原料腔1外侧，用于均匀加热该原料腔1，该加热机构的加热方式为感应加热，具体的利用加热线圈进行加热，因此可以方便控制原料腔1区域的加热温度，根据原料的位置，及时调整原料区域的加热温度，保证原料持续受热升华，进行长晶。

具体的，原料腔1中的原料在受热升华过程中，温度最高的中心料区首先分级升华，生成各种形式的Si_mC_n气相组分，随着反应的继续进行，部分原料出现石墨化现象，导致原料升华速率降低，容易出现多型、位错和微管道等晶体缺陷，并且部分原料发生迁移、粘结和烧结，最终在原料中心上部较冷区域重新结晶成未能炭化的碳化硅晶粒，即为废料。通过除料机构及时将原料腔1内的废料转移至废料腔2，转移至废料腔2内的废料远离高温区，故废料不再继续参与反应，从而保证长晶腔3内的原料分布均匀，提高原料的升华速率和晶体的生长速度，使长晶腔3内的原料气在生长过程中保持一致，减少晶体缺陷，有利于得到表面均匀且无小片多型的高质量碳化硅晶体。

作为一种实施方式，原料腔1的顶部开口与废料腔2的顶部开口连通，除料机构将废料经过原料腔1的顶部开口和废料腔2的顶部开口转移至废料腔2。原料腔1内的原料出现石墨化现象产生废料时，废料聚集在原料的顶部，因此除料机构可通过原料腔1顶部开口将废料直接转移至废料腔2的顶部开口处，减少除料机构的操作时间，提高废料的去除效率，进一步原料腔1的顶部开口与废料腔2的顶部开口连通，废料转移过程中始终处于反应腔内，减少废料转移过程对原料气的干扰，稳定晶体的生长环境，可产出质量更高的晶体。优选的，原料腔1的顶部开口与废料腔2的顶部开口处于一条直线上，更进一步提高废料的去除效率。

作为一种实施方式，原料腔1套设在废料腔2的外围，反应腔由反应腔内筒12和反应腔外筒11形成，反应腔外筒11套设于反应腔内筒12外侧，反应腔外筒11与反应腔内筒12之间形成原料腔1，反应腔内筒12形成废料腔2。晶体生长中，加热装置对该反应器组件加热，此时反应腔外筒11的外侧壁受热，反应腔内筒12设置于反应腔外筒11内，使得废料腔2远离高温区，除料机构将原料腔1内的废料转移至废料腔2，废料即停止反应，提高晶体的生长质量。

具体的，反应腔外筒11高于反应腔内筒12，反应腔外筒11顶部与长晶腔3连通。反应腔外筒11的顶部与长晶腔3连通，使原料腔1内产生的原料气直接进入到长晶腔3进行长晶，在反应腔内筒12的顶部开口处实现原料腔1与废料腔2的连通，有利于将废料自原料腔1直接转移中废料腔2，保证原料气平稳传输至长晶腔3，加速晶体的生长。

具体的，反应腔内筒12与所述反应腔外筒11共中心轴线设置，有利于加热装置均匀的对原料腔1进行加热，保证原料腔1内的原料一致受热，提高原料的升华速率，提升晶体的生长品质，原料腔1内原料的石墨化程度一致，除料机构可一致性将废料去除，减少除料机构的操作次数。

作为一种实施方式，反应腔外筒11直径与反应腔内筒12直径的比值为1.5-3:1，优选为2:1，反应腔外筒11的直径与反应腔内筒12的直径小于1.5:1时，反应腔外筒11与反应腔内筒12之间的距离过小，提高原料腔1内原料的碳化速度，容易导致原料碳化严重，影响晶体的质量；反应腔外筒11的直径与反应腔内筒12的直径大于3:1时，反应腔外筒11和反应腔内筒13之间的距离过大，使得原料腔1内的原料受热不均匀，则靠近原料腔1侧壁的原料碳化程度大于位于原料腔1中间的原料，从而导致原料的碳化程度不一致，使得晶体的缺陷增加。

作为一种实施方式，反应腔内筒12与反应腔外筒11之间的距离D为20-200mm，该设置方式有利于加热机构对原料腔1进行加热，保证原料腔1内的原料受热均匀，碳化程度一致，从而产生的废料的产生速率也比较均匀。

作为一种实施方式，还包括送料机构，送料机构包括设置在原料腔1内并承载原料的承料台51，送料机构能够控制承料台51带动原料向靠近气相传输通道方向移动。承料台51能够带动原料腔1内的原料向靠近气相传输通道方向移动，除料机构可在原料腔1与长晶腔3的连接处将废料转移至废料腔2。

作为一种实施方式，长晶腔3设置在反应腔上方，原料气自反应腔向上传输至长晶腔3进行长晶，此时原料腔1的顶部开口处为高温区，通过承料台51将原料腔1内的原料不断的推向高温区，位于高温区的原料升华进行长晶，并且除料机构不断将废料去除干净，使得原料腔1内的原料碳化均匀，避免部分原料在原料中心上部重结晶，提高原料的利用率，增加参与升华的原料量，有利于长出重量更重的晶体。具体的，该高温区是指反应器组件内温度最高的区域，采用感应线圈对反应腔外筒11进行加热。

作为一种实施方式，除料机构包括除料件41和与除料件41连接的连杆42，除料件41设置在气相传输通道内，通过连杆42控制除料件41将目标区域和厚度的原料表层废料推动至废料腔2内。承料台51带动原料向原料腔1的顶部开口处运动，将原料腔1内的废料移动至原料腔1外，移动至原料腔1外的废料即为原料表层废料，通过连杆42控制除料件41的移动，从而将目标区域和厚度的原料表层废料推动至废料腔2内。通过调整除料件41与原料腔1的相对位置，可控制所要去除的原料表层废料的厚度，从而控制对原料腔1内废料的去除量，确保将废料去除干净，并且避免去除分布均匀的原料，保证原料的气相组分均匀，提高晶体的生长质量。

作为一种实施方式，除料件41为挡板，挡板设置在长晶腔3的顶部，连杆42能够旋转，以带动挡板旋转，将原料表层废料推动至废料腔2内。具体的，挡板设置在反应腔内筒12的顶部开口处，通过第二控制机构控制连杆42的旋转，从而带动挡板旋转，以将原料腔1内的原料表层废料推动至废料腔2。根据不同尺寸的反应腔内筒12和反应腔外筒11，合理确定承料台51的运动速度和连杆42的旋转速度，以确保将原料腔1内的废料去除干净。连杆42带动挡板一直处于旋转状态，能够及时将原料腔1产生的废料去除干净，同时也能减少对原料气的干扰，避免影响原料气的气相传输，稳定晶体的生长环境，进一步提高晶体的质量。

作为一种实施方式，除料件41距离原料腔1底端的距离与除料件41距离废料腔2底端的距离的比值为3-5：7-10，除料件41将废料移动至废料腔2后，为了使废料远离高温区，不再继续受热升华，因此设置除料件41距离废料腔2底端的距离要大于除料件41距离原料腔1的距离，并且为了反应器组件的便捷性，该距离比值也不宜过大，该距离能保证废料转移至废料腔2后不会再继续受热升华，避免废料升华影响晶体的质量，若推料件41距离废料腔2的距离过长，废料腔2远离高温区，废料腔2底部温度降低，使得原料气随温度梯度下沉到废料腔2的底部，导致籽晶32处的原料气不足，影响晶体的长晶速度，还会导致晶体出现严重的位错、微管和多型。又能使反应器组件灵活方便，提高反应器组件的普适性。优选的，除料件41距离原料腔1底端的距离与除料件41距离废料腔2底端的距离的比值为3:10。

作为一种实施方式，除料件41距离反应腔顶部的距离与除料件41距离籽晶32的距离为3-10：90-200，优选的，除料件41距离反应腔顶部的距离与除料件41距离籽晶32的距离为3:200。除料件41距离籽晶32较远，能保证在去除废料过程中产生的细微颗粒不会直接传输至籽晶32处，从而影响晶体的质量，即使在去除废料的过程中产生了少量的细微颗粒，该细微颗粒掺杂在原料气中，通过在气相传输通道中进一步受热分解，很快以气相的形式传输至籽晶32处开始长晶。

具体的，该细微颗粒指的未碳化的均匀分布的原料，因为废料的粒径及重量都比较大，在去除废料的过程中会不可避免的接触到未碳化的原料，因此有可能会导致该未碳化的原料飞扬，变成细微颗粒掺杂在原料气中。

作为一种实施方式，挡板至少为两个，至少两个挡板均匀分布在连杆42的周向上，相邻两个挡板之间的夹角为40-120°，优选的，相邻两个挡板之间的角度为60-90°。若挡板过多，则相邻两个挡板之间的角度过小，容易在除料中造成废料的飞扬，也会造成原料气产生气体流动，影响长晶环境；若挡板过少，相邻两个所述挡板之间的角度过大，则除料效果不好，导致晶体缺陷增加。该角度既能保证将原料腔内的废料平稳去除干净，并且不会影响原料气的气相传输，稳定晶体的生长环境，进一步提高晶体的生长质量。

可选地，所述挡板的宽度为50-100mm，所述挡板的高度为2-10mm，挡板的宽度能在最大限度能保证将废料完全移动至废料腔，并且挡板不会剐蹭到反应腔外筒11的内侧壁，避免损伤反应器和稳定长晶环境；挡板的高度能保证将废料完全刮入到废料腔2，避免废料过多，去除不干净，挡板过高，则在除料过程中易造成原料气的波动，影响长晶环境。优选的，挡板的宽度为70-80mm，挡板的高度为3-5mm。

作为一种实施方式，废料腔2底部开设有预留孔43，连杆42穿过预留孔43与挡板连接，以控制挡板旋转。在反应腔内筒12的底部开设有供连杆42穿过的预留孔43，连杆42通过预留孔43与挡板连接，预留孔43的大小与连杆42的形状相适配，通过预留孔43能够限制连杆42的运动，避免连杆42出现带动挡板出现偏移，确保挡板在推动废料时仅推动目标区域和厚度的废料推动至废料腔2，避免原料的浪费，进一步节约生产成本。

作为一种实施方式，预留孔43设置于废料腔2的中心位置，挡板与原料腔1和废料腔2的顶部开口处于同一平面上，挡板能够接触到反应腔外筒11的内侧壁。预留孔43设置在反应腔内筒12的中心位置，并且挡板和废料腔2与原料腔1的顶部开口齐平，便于将原料腔1顶部的废料推动至废料腔2，挡板的长度自反应腔内筒12延伸至反应腔外筒11，能保证将废料完全去除。

具体的，挡板的数量可以为一个，可以为多个，为了提高除料机构的除料效率，挡板的数量优选设置为2-5个，连杆42旋转带动多个挡板旋转，可快速高效的将废料去除干净。

参考图2-3，作为一种实施方式，除料件41为挡板，挡板设置在反应腔的顶部，连杆42能够伸缩，用于控制挡板沿所述原料腔1至废料腔2方向运动，以推动原料表层废料至废料腔2内。具体的，挡板设置在反应腔外筒11的内侧壁上，并且位于原料腔1的顶部开口处，连杆42伸缩，带动挡板自反应腔外筒11的内侧壁向废料腔2运动，将原料腔1内的原料表层废料推动至废料腔2。根据承料台51的移动速度，确定连杆42的伸缩次数，以控制废料的去除速度。该设置方式下，承料台51带动原料腔1内的原料移动一定距离后，第一控制机构控制连杆42伸出，连杆42带动挡板将废料推至废料腔2，将废料去除完成后，第一控制机构控制连杆42回缩，带动挡板复位；待承料台51带动原料腔1内的原料继续移动至一定距离后，连杆42继续带动推板重复上述运动。

作为一种优选的实施方式，挡板的形状与反应腔外筒11的形状相适配，反应腔外筒11与反应腔内筒12的形状为圆形，挡板设置为弧形板状，该弧形板状的挡板与反应腔外筒11具有相同的弧度。为了保证将原料表层废料完全去除干净，挡板是数量设置为多个，连杆42的数量与挡板的数量相同，挡板推动废料至废料腔2时，多个挡板交叉推动，保证将原料腔1顶部的废料全部推送至废料腔2。

作为一种优选的实施方式，连杆42可水平转动，以带动挡板在水平方向上转动一定的角度，从而使挡板能推动更多的废料，并且能减少挡板的数量，此时多个挡板复位的情况下，挡板之间可存在缝隙，挡板也能同时推动废料至废料腔2。

作为一种实施方式，送料机构还包括推杆52，推杆52穿过原料腔1底部与承料台51相连，推杆52用于推动承料台51向靠近气相传输通道方向移动。推杆52设置于反应腔内筒12与反应腔外筒11之间，第三控制机构控制推杆52的运动，推杆52推动承料台51向靠近气相传输方向运动，有利于平稳的将原料进行推动。优选的，推杆52与反应腔内筒12或反应腔外筒11之间的距离相等，便于在推动过程中，维持承料台51的平衡，使原料分布均匀，提高晶体的质量。

作为一种实施方式，废料腔2的底端低于原料腔1的底端，该设置方式下，废料进入到废料腔2，原料腔1的顶部为高温区，在高温区原料受热升华进行长晶，废料腔2的底端要低于原料腔1的底端，使得废料远离高温区，不会再继续受热参与长晶反应，避免废料升华导致晶体出现缺陷，提高晶体的生长质量。

作为一种实施方式，气相传输通道内设置多孔石墨板31，原料气穿过多孔石墨板31进入长晶腔3，原料升华中，会有部分细微颗粒随原料气一起进入长晶腔3，该细微颗粒会导致晶体出现缺陷，除料机构在进行除料的过程中，多孔石墨板31的设置能避免废料中的细微颗粒被原料气带动至长晶腔3内的籽晶处进行长晶，稳定晶体的生长环境，避免晶体生产过程中出现多型、位错、微管、包裹体等缺陷，进一步提高晶体的质量。

实施例2

参考图4，本实施例与实施例1的区别在于，废料腔2套设在所述原料腔1的外围，反应腔外筒11与反应腔内筒12之间形成所述废料腔2，反应腔内筒12形成原料腔1。该设置方式下，原料腔1顶部为高温区，原料升华进行长晶，除料机构及时将原料腔1内的废料去除，使得废料落入废料腔2的底部，此时废料远离高温区，无法继续受热升华，避免废料造成晶体缺陷，进一步提高晶体的生长质量。

作为一种实施方式，承料台51将原料腔1内的原料向靠近气相传输通道方向推送，反应腔外筒11的高度高于反应腔内筒12，挡板及时将原料腔1中原料表层的废料推送至废料腔2。

具体的，连杆42也可以通过旋转或者伸缩带动挡板运动，当连杆42伸缩带动挡板运动时，挡板和连杆42的设置方式可以与实施例1相同。当连杆42旋转带动挡板运动时，连杆42可以设置在反应腔内筒12的顶部，此时挡板的长度至少自连杆42延伸至反应腔内筒12的外侧壁，优选的，挡板的长度自连杆42延伸至废料腔2的顶部开口处，能保证将废料完全推动到废料腔2；连杆42也可以设置在反应腔外筒11的底部，当连杆42和挡板的数量为一个时，挡板的长度应至少接触到整个反应腔内筒12的上端面，当连杆42和挡板的数量为多个时，挡板的长度应至少能自连杆42延伸至反应腔内筒12的中轴线，上述两种设置方式，有利于将反应腔顶部的废料去除干净，进一步提高晶体的生长质量。

实施例3

在未示出的实施方式中，反应腔外筒11与反应腔内筒12之间形成原料腔1，废料腔2设置于原料腔1底部、顶部或反应腔外筒11的外侧，反应腔内筒12表面的比反应腔外筒11表面的孔隙率高，籽晶以柱体的形式设置在反应腔内筒12内，籽晶与反应腔内筒12的中轴线的延伸方向大致相同，籽晶与反应腔内筒12的内侧壁之间形成长晶腔3，加热装置设置在反应腔外筒11的外侧，以使得原料腔1内的原料气穿过反应腔内筒12到达长晶腔3进行长晶。籽晶设置在反应腔内筒12内，有利于制得厚度更大的晶体，并且反应腔内的废料及时通过除料机构去除干净，有利于提高晶体的质量，减少碳化硅晶体的缺陷，有利于碳化硅晶体的大规模化生产。

实施例4

一种制备碳化硅晶体的制备方法，包括：

提供反应腔、长晶腔和除料机构，所述反应腔包括原料腔和废料腔，将碳化硅原料装入所述原料腔；

长晶阶段：控制长晶条件，所述原料腔内的原料升华产生的原料气经气相传输通道传输至长晶腔进行长晶，当碳化硅原料升华率为第一升华率时，启动除料机构，所述除料机构将所述反应腔内原料升华后产生的废料转移至所述废料腔，所述原料腔内的剩余原料在该长晶条件下继续升华进行长晶，除料机构持续除料至长晶结束，即制得所述碳化硅晶体。

优选的，一种制备碳化硅晶体的制备方法，包括下述步骤：

(1)使用实施例1的反应器组件进行晶体的制备，将装入碳化硅原料的原料腔、废料腔及长晶腔置于晶体生长炉中并密封，所述碳化硅原料与所述原料腔齐平；其中推料件距离原料腔底端的距离和距离废料腔底端的距离的比值为3:10，推料件距离反应腔顶部的距离和距离籽晶的距离的比值为3:200；反应腔外筒的直径与反应腔内筒的直径比为2:1，相邻两个挡板之间的角度为60°，挡板的宽度为75mm，挡板的高度为5mm。

(2)将炉体内真空抽至10^-4Pa以下，然后通入高纯惰性气体至10⁴Pa，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10^-4Pa以下；

(3)向炉体内通入高纯惰性气体，2-3h内将压力升至10⁴Pa，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变，5-10h内将炉体温度升至2100K-2300K，生长时间为5h；

(4)长晶阶段：将炉体内压力降至5×10²Pa-2×10³Pa，5-10h内将炉体内温度升至2300-2800K，生长时间为0-3h；当碳化硅原料的升华率不小于0-5％时，启动除料机构，通过除料机构将所述反应腔内原料升华后产生的废料转移至废料腔，所述原料腔内的剩余原料继续升华长晶，除料机构匀速除料，除料频率为1-100次/h，生长时间为50-150h；

(5)晶体生长结束，将炉体降温并向炉腔内充入高纯惰性气体至常压，打开炉体，取出长晶腔，即制得低缺陷密度的碳化硅晶体。

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#-#和对比碳化硅单晶D1#-D#,所用碳化硅原料为2200g具体的制备方法和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#-4#和对比碳化硅单晶D1#-D5#的晶体微管、多型、位错、包裹体等结构性缺陷进行检测，并对其重量进行称量，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#的制备条件为一组长晶参数优化组合后生长得到的碳化硅单晶，该单晶的质量最好，晶体的缺陷最少。

2、碳化硅单晶2#和3#和对比碳化硅单晶D1#，在碳化硅单晶1#的基础上提高了碳化硅原料的第一升华率，第一升华率越高，原料初始的碳化程度增加，因此一部分废料会对晶体产生影响，导致相关缺陷相应增加。

3、碳化硅单晶4#在碳化硅单晶1#的基础上，将承载台的移动速度从0.2cm/h调整到1cm/h，产出的晶体缺陷增大，晶体的重量下降，原因在于承载台带动原料的移动速度增加，因此除料机构去除的废料增多，导致一部分为碳化的原料被移动至废料腔，使得晶体的重量变小；同时去除废料增多，导致除料机构在除料过程中，气相传输通道中容易掺杂微小的废料颗粒，进而导致晶体的缺陷增多。

4、对比碳化硅单晶D2#在碳化硅单晶1#的基础上，未使用承载台带动原料移动，也未使用除料机构进行除料，因此生长出来的单晶质量明显变差，相应缺陷显著增加；对比碳化硅单晶D3#在碳化硅单晶1#的基础上，仅使用了承载台带动原料移动，未使用除料机构除料，原料在移动的过程中，会有部分废料自动落入废料腔，因此D3#的晶体质量比D2#略高，但是仍低于碳化硅单晶1#-4#的晶体质量。

5、对比碳化硅单晶D4#在碳化硅单晶1#的基础上，将连杆的旋转速度从50转/h调整至400转/h，增加了除料机构的除料频率，除料频率越快，气相传输通道中的废料颗粒增多，从而使晶体的长晶环境不稳定，导致晶体的缺陷增多。

6、对比碳化硅单晶D5#在碳化硅单晶1#的基础上，将晶体的生长温度从2450K调整至2300K，原料的移动速度和除料频率不变，会导致废料中还存在一部分原料，降低原料的利用率，使得晶体的重量下降；进一步地，废料颗粒的粒径一般比均匀的碳化硅原料的粒径要大，因此废料中存在原料情况下再进行除料，会导致部分原料以颗粒的形式掺杂在原料气中，从而导致晶体缺陷明显增加。

实施例5

按照上述制备碳化硅单晶1#方法，更换反应器组件的参数，进行碳化硅单晶的制备，所用碳化硅原料为2200g具体的反应器组件参数的不同之处如表3所示。

对制备的碳化硅单晶1#、5#、6#和对比碳化硅单晶D6#-D10#的晶体微管、多型、位错、包裹体等结构性缺陷进行检测，并对其重量进行称量，检测结果如表4所示。

表4

由表3和表4的结果可知：

1、碳化硅单晶1#的制备条件为一组长晶参数优化组合后生长得到的碳化硅单晶，该单晶的质量最好，晶体的缺陷最少。

2、推料件距离原料腔底端的距离和距离废料腔底端的距离的比值过小，当废料转移至废料腔后，其中的废料一部分仍会升华参与长晶，从而造成晶体的质量下降；该比值过大，导致籽晶处原料气的气氛不足，影响晶体的长晶速度，还会导致晶体出现缺陷。

3.推料件距离籽晶较近时，除料过程中一部分废料中的细微颗粒随原料气参与长晶，该细微颗粒由于随原料气的传输路径较短，还未进一步受热分解即参与长晶，导致晶体的质量下降。

4.反应腔外筒的直径和反应腔内筒的直径比值过大，导致原料腔的间距过大，导致原料腔内的原料碳化程度不一致，使得晶体的缺陷增多。

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 (10)

1.一种碳化硅晶体的制备方法，包括：

提供反应腔、长晶腔和除料机构，所述反应腔包括原料腔和废料腔，将碳化硅原料装入所述原料腔；

长晶阶段：控制长晶条件，所述原料腔内的原料升华产生的原料气经气相传输通道传输至长晶腔进行长晶，当碳化硅原料升华率为第一升华率时，启动除料机构，所述除料机构将所述反应腔内原料升华后产生的废料转移至所述废料腔，所述原料腔内的剩余原料在该长晶条件下继续升华进行长晶，除料机构持续除料至长晶结束，即制得所述碳化硅晶体。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述原料腔内的原料通过送料机构向靠近所述气相传输通道方向移动，所述送料机构包括设置在所原料腔内并承载所述原料的承载台，所述送料机构能够控制所述承载台带动所述原料移动；

优选的，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动的速度为0.1-2cm/h；

更优选的，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动的速度为0.1-1cm/h。

3.根据权利要求2所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述除料机构包括除料件和与所述除料件连接的连杆，所述除料件设置在所述气相传输通道内，通过所述连杆控制所述除料件将目标区域和厚度的原料表层废料推动至所述废料腔内；

优选的，所述碳化硅原料的升华率大于所述第一升华率后，所述除料机构匀速将所述目标区域和厚度的原料表层废料推动至所述废料腔内，所述除料机构的除料频率为10-300次/h。

4.根据权利要求3所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述除料件为挡板，所述连杆旋转以带动所述挡板旋转，将所述原料表层废料至推动所述废料腔内；

优选的，所述连杆的旋转速度为10-300r/h。

5.根据权利要求4所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动0.1mm，所述连杆带动所述挡板旋转1-5次；

优选的，所述承载台带动所述原料向靠近所述气相传输通道方向移动0.1mm，所述连杆带动所述挡板旋转1次。

6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述第一升华率为0-5％，所述长晶条件中长晶温度为2300-2800K，长晶压力为5×10²Pa-2×10³Pa；

优选的，所述第一升华率为0-2％，所述长晶温度为2300K-2500K，所述长晶压力为5×10²Pa-1×10³Pa。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述反应腔由反应腔内筒和反应腔外筒形成，所述反应腔外筒套设于所述反应腔内筒外侧；和

所述反应腔外筒与所述反应腔内筒之间形成所述原料腔，所述反应腔内筒形成所述废料腔；或所述反应腔外筒与所述反应腔内筒之间形成所述废料腔，所述反应腔内筒形成所述原料腔；

优选的，所述反应腔内筒与所述反应腔外筒之间的距离D为20-200mm。

8.根据权利要求1所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述废料腔的底端低于所述原料腔的底端；和/或

所述气相传输通道内设置多孔石墨板，所述原料气穿过所述多孔石墨板进入所述长晶腔。

9.根据权利要求1-8任一项所述的碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述长晶包括下述步骤：

(1)将装入碳化硅原料的原料腔、废料腔及长晶腔置于晶体生长炉中并密封，其中，所述碳化硅原料与所述原料腔齐平；

(2)将炉体内真空抽至10-⁴Pa以下，然后通入高纯惰性气体至10⁴Pa，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10-⁴Pa以下；

(3)向炉体内通入高纯惰性气体，2-3h内将压力升至10⁴Pa，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变，5-10h内将炉体温度升至2100K-2300K，生长时间为5h；

(4)长晶阶段：将炉体内压力降至5×10²Pa-2×10³Pa，5-10h内将炉体内温度升至2300-2800K，生长时间为0-3h；当碳化硅原料的升华率不小于0-5％时，启动除料机构，通过除料机构将所述反应腔内原料升华后产生的废料转移至废料腔，所述原料腔内的剩余原料继续升华长晶，除料机构均速除料，除料频率为1-100次/h，生长时间为50-150h；

(5)晶体生长结束，将炉体降温并向炉腔内充入高纯惰性气体至常压，打开炉体，取出长晶腔，即制得低缺陷密度的碳化硅晶体。

10.一种碳化硅晶体，其特征在于，所述碳化硅晶体选自权利要求1-9中任一项所述的方法制备的碳化硅晶体。

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