CN113174638B - 一种碳化硅晶体的高温二次退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳化硅单晶生长领域，具体公开一种碳化硅晶体的高温二次退火方法，包括以下步骤：装晶体，使用分段式加热程序升温，一阶段升温至1300‑1500℃，二阶段升温至2000℃，然后进行保温，保证温度波动范围在2000±1℃之内，降温：采用阶梯式的降温程序，以每小时降温200W的功率降温10小时，再以每小时降温400W的功率降温10小时；用10小时把功率降到0，晶体在晶炉中经24小时充分冷却后取出，该碳化硅高温二次退火的工艺采用升温、保温、降温的三段式，可更好的释放应力和避免应力进一步发展，而且控温能精确的把温度控制在保温所需的温度要求；在降温阶段通过分阶段冷却保证高温降温慢，低温降温快，减少用时的同时避免应力释放后又重新生成。

Description

一种碳化硅晶体的高温二次退火方法

技术领域

本发明属于碳化硅单晶生长领域，具体涉及一种碳化硅晶体的高温二次退火方法。

背景技术

碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、化学性能稳定、高硬度、抗磨损等的优点，碳化硅器件在航空、航天探测、核能开发、石油、地热钻井勘探、汽车发动机等的领域有着重要的应用。目前，关于碳化硅单晶生长的工艺主要是物理气相传输法（PVT），该法设备完备，技术成熟，但用物理气相传输法生长出来的碳化硅晶体，缺陷严重，残余应力多。晶体中的缺陷会对它的电导率，高强度等使用性能造成极大影响，残余应力则会在后处理工艺中造成晶锭的晶裂和衬底片的崩边。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种碳化硅高温二次退火的工艺，用来解决以下两个难题：（1）减少生长晶体中的缺陷提高碳化硅的性能；（2）释放残余应力，有效解决在后处理工艺中残余应力造成的晶裂和崩边。

为达到以上目的，本发明提供以下技术方案：

一种碳化硅高温二次退火的方法，包括以下步骤，

（1）装晶体：擦洗石墨坩埚和晶体，然后将晶体装入坩埚内，将坩埚装入晶炉；

（2）升温：使用分段式加热程序，采用控功率模式，以一个额定功率升温20小时，把温度从室温升到1300-1500℃，然后采用控温模式，经过10小时控温，把温度控温到2000℃；

（3）保温：保证温度波动范围在2000±1℃之内；

（4）降温：采用阶梯式的降温程序，以每小时降温200W的功率降温10小时，再以每小时降温400W的功率降温10小时；用10小时把功率降到0，晶体在晶炉中经24小时充分冷却后取出。

本发明进行高温二次退火，在高温退火过程中，硅原子和碳原子具有足够的活性，硅原子和碳原子的迁移能填充到原来的空位处，或者空位之间相互扩散及转换，从而减少有害的点缺陷，达到有效的改性效果，另外，高温退火时硅、碳原子的移动过程能很大程度的释放晶锭中的残余应力，减少残余应力对后处理工艺的影响。

进一步地，保温阶段还包括以下步骤：

S1：利用额定温度升温模式找出保温目标温度2000℃对应的功率，通过 1小时的稳定，减少保温过程中的温度波动；

S2：采用控功率模式，经过40小时的保温，充分在高温下进行退火。

进一步地，装晶体阶段还包括以下步骤：

S1：在石墨坩埚体底部铺碳化硅多晶料，使用压块把晶料摊平、压实；

S2：在摊平、压实的多晶料上放多片圆形石墨纸，然后把晶体放在石墨纸上，石墨纸的投影面积大于晶体的投影面积；

S3：采用一个外径与坩埚内径相同，内径与晶体外径相同的同心石墨纸环，套在晶体外缘；

S4：放置好晶体后，将坩埚盖与坩埚体结合，并放入晶炉中中进行二次退火。

本发明的优点

该碳化硅高温二次退火的工艺采用升温、保温、降温的三段式，在升温阶段采用控功率，控温度两种模式使得低温升温快，高温升温慢。既可以节省时间，同时还可以更好的释放应力和避免应力进一步发展，而且控温能精确的把温度控制在保温所需的温度要求；在降温阶段通过分阶段冷却保证高温降温慢，低温降温快，减少用时的同时避免应力释放后又重新生成。保温阶段严格控制温度的波动，可以使硅原子和碳原子的迁移能更稳定，有利于填充到原来的空位处，或者空位之间相互扩散及转换，从而减少有害的点缺陷，达到有效的改性效果。

在具体退火方法中，在坩埚底铺一层的碳化硅多晶料可以给体系提供一个气相，减少晶体在退火过程中的缺失。在晶体与多晶料之间放圆形石墨纸可以起到分隔作用，避免在高温退火晶体与底部多晶料粘接，退火后晶体容易取出。长晶炉是中频感应加热，它的径向有一个从由中心向边缘的温度梯度，用一个石墨纸环套在晶体边缘可以保证晶体放在坩埚的中心，同时起到固定晶体作用，避免后续操作造成晶体的偏移。这里采用石墨纸环可以节约成本，另外生长的晶体不完全是一个规格，石墨纸环可以灵活变化，更加方便。坩埚盖与坩埚体通过螺纹可以对整个体系进行密闭，锁住坩埚内的气分，避免晶体缺失过多，有效部分减少。

附图说明

图1 垫石墨纸层数不同的影响下晶锭显示图；

图2 降温方式不同的影响下的晶锭显示图（A图为一段降温显示，B图为分段降温显示）；

图3 升温方式不同的影响下的晶锭显示图（A图为控功率升温到1200-1300℃，B图为1300-1400℃，C图为1400-1500℃）；

图4碳化硅压块示意图；

图5 坩埚盖图；

图6 坩埚体结构图；

图7石墨纸环示意图；

图8 装料后的坩埚情况示意图；

1 、多晶料层（H表示多晶料层高度） ；2、 圆形石墨纸层 ；3 石墨纸环；4、退火晶锭 ；5 、坩埚。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

1.在要装晶体前一天，用99.9%的无水乙醇浸湿无尘布对石墨件和晶体进行擦洗，直到所用无尘布干净无污，擦洗完成的所有物品要放入湿度30%左右的洁净间内。

2.装晶体。

（1）如图4-8所示，在石墨坩埚5底部铺一层高度H为60-120mm的碳化硅多晶料1，优选70-90mm，底料高度主要受加热线圈高温线的影响。用如图4所示的碳化硅压块把它摊平、压实。

碳化硅压块的制备方法为：把一块长好的4寸碳化硅晶体，先利用滚圆设备把边缘的棱角滚圆，再利用线切割机去头去尾变成一个圆柱体状的晶块，然后在利用石蜡在晶块的一面粘接上一个石英柱体作为手柄，方便于进行摊平压实操作。

（2）在摊平、压实的多晶料1上放5-8片擦洗好的，与坩埚内径大小相同圆形石墨纸2，然后把一块要退火的晶锭4放在石墨纸2上。

圆形石墨纸2：利用一个磨具把买来的一卷的石墨纸裁剪成与坩埚内径一样的圆形，然后在利用重物把它压平。

（3）自制一个外径与坩埚内径相同，内径与晶体外径相同的同心石墨纸环3。每次退火用2-3个石墨纸环3套在晶锭4外缘。

石墨纸环3：把上面压平的圆形石墨纸，利用要退火的晶体作为模具同心地把它裁去一个和晶体一样的圆即可得到石墨纸环。

（4）放置好的晶体上不加任何东西，然后把坩埚盖和坩埚体用螺纹组合在一起。

3.二次退火

把装好晶体的坩埚放入长晶炉中按以下方法在780mbar的氩气压下进行高温二次退火。

升温阶段

在升温阶段，为避免应力发展扩大，采用分段式的加热程序，采用的具体步骤如下：

（1）采用控功率模式，固定升温时间20小时，以8-12KW之间的一个额定功率把温度从室温升到1300-1500℃，一般优选额定功率在9或10KW；

（2）采用控温模式，经过10小时控温，把温度从控功率的最终温度控温到2000℃，并利用该模式找出保温的功率。该控温的原理是：通过固定的时间把温度通过功率补偿的方式以一个均匀的梯度升到目标温度。即功率是通过控制系统自动补偿，温度高于系统所计算的温度时，会补偿降低功率，低于时会补偿提高功率，经过不断的补偿，最终功率它会趋于一个波动在0.7以内的值，这时取稳定波动段内最高值与最低值的平均值即为保温的功率。

保温阶段

对于保温阶段我们要保证温度的波动尽量小，最好保证温度波动范围在2000±1℃之内，采用以下步骤：

（1）利用升温阶段控温模式找出保温目标温度2000℃对应的功率，经过1小时的稳定，减少保温过程中的温度波动；

（2）采用控功率模式，经过40小时的保温，充分在高温下进行退火。

降温阶段

在降温阶段，为避免释放的残余应力在降温过程中再次形成，我们采用一个阶梯式的降温程序，具体步骤如下：

（1）以每小时降温200W的功率降温10小时；

（2）再以每小时降温400W的功率降温10小时；

（3）用10小时把功率降到0。

4.高温二次退火结束后，要让晶体在长晶炉中经24小时充分冷却后才能取出。

对比测试例

1、使用实施例1中的方案，只改变具体实施方式中的石墨纸层数，探究垫石墨纸对退火的影响的。

从图1可知，在用上述实施方式进行高温二次退火实验，在只改晶锭下面垫不同层数的石墨纸，其它条件不变时发现：垫1-2张石墨纸，坩埚底部的粉料与晶锭粘接严重，边缘已经长出一圈，背面透过石墨纸不能取下来；而增加到3-4张时，边缘没有出现长晶，背面有一部分透过石墨纸长在晶锭上不能去除；增加到5张时，边缘没有长晶，背面石墨纸也不会透，基本没有长晶，增加到6张时，边缘没有长晶，背面没有长晶。在具体实验中一般优选6张。

2、利用上述实施方式探究降温的影响

为了探究降温方式对碳化硅高温二次退火的影响，优选实施例1中的6层石墨纸，按上述具体实施方式进行实验时，其它条件不变，只改变升温阶段的降温方式，结果如图2（A图为从保温2000℃直接一次降到室温，B图为分段降温）。多次实验发现，一次降温会造成较多的应力纹，且十分明显，分段降温晶锭表面没有肉眼可见的应力纹，而且相较于升温阶段，降温阶段的影响更大。

3 、利用上述实施方式探究升温的影响

为了探究升温阶段，控功率所到温度对碳化硅高温二次退火的影响，优选实例1中的6层石墨纸，实施例2中的分段式降温，按所述具体实施方式进行实验时，其它条件不变，只改变升温阶段的升温，结果如图3所示。经过多次实验发现，控功率升温到1200-1300℃时，碳化硅晶锭表面会出现较多台阶状的应力纹，升温到1300-1400℃时，晶锭表面应力纹较少且光滑，升温到1400-1500℃时，晶锭整个表面除了生长存在的边缘缺陷外，整体光滑且无应力纹，但表面较1300-1400℃暗，这是退火过程中硅缺失造成，是正常现象。在这个过程中，1500-2000℃时碳、硅原子运动，释放应力，在保证能得到更好的效果和用时少的情况下，在升温阶段可以尽可能接近1500℃，但不能超过。

4、利用排水法对退火晶锭的密度进行测试，测试结果如下：

由上表可以看出，通过本才用本发明的技术方案改造下的碳化硅晶体密度均优于其对比产品。

Claims (4)

1.一种碳化硅高温二次退火的方法，其特征在于，包括以下步骤，

（1）装晶体：擦洗石墨坩埚和晶体，然后将晶体装入坩埚内，将坩埚装入晶炉；

（2）升温：使用分段式加热程序，采用控功率模式，以一个额定功率升温20小时，把温度从室温升到1300-1500℃，然后采用控温模式，经过10小时控温，把温度控温到2000℃；

（3）保温：保证温度波动范围在2000±1℃之内；

（4）降温：采用阶梯式的降温程序，以每小时降温200W的功率降温10小时，再以每小时降温400W的功率降温10小时；用10小时把功率降到0，晶体在晶炉中经24小时充分冷却后取出；

所述装晶体阶段还包括以下步骤：

S1：在石墨坩埚体底部铺碳化硅多晶料，使用压块把晶料摊平、压实；

S2：在摊平、压实的多晶料上放5-8片圆形石墨纸，然后把晶体放在石墨纸上，石墨纸的投影面积大于晶体的投影面积；

S3：采用多个外径与坩埚内径相同，内径与晶体外径相同的同心石墨纸环，套在晶体外缘；

S4：放置好晶体后，将坩埚盖与坩埚体结合，并放入晶炉中进行二次退火；

步骤（3）中的保温阶段还包括以下步骤：

S1：利用额定温度升温模式找出保温目标温度2000℃对应的功率，通过 1小时的稳定，减少保温过程中的温度波动；

S2：采用控功率模式，经过40小时的保温，充分在高温下进行退火。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅高温二次退火的方法，其特征在于，在石墨坩埚底部铺一层，高度H为60-120mm的碳化硅多晶料。

3.根据权利要求2所述的一种碳化硅高温二次退火的方法，其特征在于，在石墨坩埚底部铺一层，高度H为70-90mm碳化硅多晶料。

4.根据权利要求1所述的一种碳化硅高温二次退火的方法，其特征在于，所述压块为一块光滑的圆柱形碳化硅晶体，并垂直于碳化硅晶体顶部粘结有手柄，粘结剂为石蜡，所述手柄的材料为石英柱。

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