CN114045558B - 一种以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法，该方法所采用的设备包括依次通过气体管路连接的低温腔、高温腔、结晶腔；步骤为：(1)以硅烷衍生物气体或氯硅烷衍生物气体作为源气体，通入低温腔，使源气体裂解；(2)然后通过入口气体管路通入载流气体，将低温腔中裂解后的产物带入高温腔，在高温腔中，使CxHy或CmHnClo和Si进行反应，得到SiαCβ气体；(3)高温腔中的SiαCβ气体被载流气体带入结晶腔，SiαCβ气体分子在碳化硅籽晶表面上进行沉积并结晶，最终形成碳化硅晶体。本发明实现了只用单一气体生长碳化硅晶体，相比于比硅烷更加稳定，不会在空气中自燃，因此使用和维护成本、风险大大降低。

Description

一种以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法
技术领域
本发明属于碳化硅晶体技术领域，特别涉及一种使用硅烷衍生物气体作为单一源气体制备碳化硅晶体的方法。
背景技术
目前商业上所使用的碳化硅单晶生长方法主要分为物理气相传输法(PVT)和高温化学气相沉积法(HTCVD)两种。高温化学气相沉积法(HTCVD)采用两种或两种以上的气体作为原料，原料通过坩埚底部进气口进入，在生长温度和压强下，在籽晶表面沉积而进行晶体生长，残余气体通过坩埚顶部的孔隙流出。2020年07月17日公开的江苏超芯星半导体有限公司的专利申请“一种大尺寸公斤级碳化硅单晶的制备方法(公开号 CN111424319A)”中采用两种气体SiH4和CmHn作为原料，但是由于SiH4气体存在稳定性低、易在空气中自燃的问题；SiH4热分解温度相对较高；同时多路气体需要多条安全气路和分控流程，增加工艺难度和安全隐患。因此本发明进行了改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用甲基硅烷制备碳化硅晶体的生长方法，以解决现有技术中存在的需要两种组分的气体源，SiH4气体稳定性低易自燃、裂解温度高的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法，该方法所采用的设备包括依次通过气体管路连接的低温腔、高温腔、结晶腔，低温腔设置有入口气体管路，结晶腔设置有出口气体管路；
该方法包括以下步骤：
(1)以硅烷衍生物气体或氯硅烷衍生物气体作为源气体，通过入口气体管路通入低温腔，通过控制低温腔的温度，使源气体裂解，其中，硅烷衍生物气体裂解成CxHy和 Si；氯硅烷衍生物气体裂解为CmHnClo和Si；
(2)然后通过入口气体管路通入载流气体，将低温腔中裂解后的产物带入高温腔，在高温腔中，通过控制高温腔的温度，使CxHy或CmHnClo和Si进行反应，得到SiαCβ气体；
(3)高温腔中的SiαCβ气体被载流气体带入结晶腔，到达碳化硅籽晶表面，通过控制结晶腔的温度，使SiαCβ气体分子在碳化硅籽晶表面上进行沉积并结晶，最终形成碳化硅晶体。
进一步的，所述低温腔与高温腔、高温腔与结晶腔之间的气体管路上均设置有阀门，用于实现生长过程中的气体管路的打开和闭合。
进一步的，所述步骤(1)中，所述源气体为甲基硅烷、三甲基氯硅烷、六甲基二硅烷或甲基二氯硅烷的一种。
进一步的，所述步骤(1)中，裂解物CxHy和CmHnClo中，1≤x≥3，1≤y≥8，1≤m ≥3，1≤n≥8，1≤o≥4。
进一步的，所述步骤(2)中，载流气体为氢气H2、氮气N2、氩气Ar、氦气He的一种或者多种。
进一步的，所述载流气体的流量为1slm～50slm。
进一步的，所述步骤(2)中，反应所得产物SiαCβ为Si2C、SiC2、SiC中的一种或多种。
进一步的，所低温腔的温度为300℃～1500℃，高温腔的温度为2000℃～2500℃，结晶腔的温度为1500℃～2200℃，升温方式为斜率升温。
进一步的，通过控制控压蝶阀，保持设备内的压力为1mbar～700mbar。
进一步的，所述步骤(3)中，SiαCβ气体分子在碳化硅籽晶表面上进行沉积并结晶的过程中，通过控制反应气体阀门，调节反应气体的流速为10～1000sccm，晶体生长时间为10h～200h。
有益效果：本发明实现了只用单一气体生长碳化硅晶体。同时采用诸如甲基硅烷等作为源气体比硅烷更加稳定，不会在空气中自燃，因此使用和维护成本、风险大大降低。
附图说明
图1为本发明制备方法流程图。
具体实施方式
本发明的一种以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法，该方法所采用的设备包括依次通过气体管路连接的低温腔、高温腔、结晶腔，低温腔设置有入口气体管路，结晶腔设置有出口气体管路；低温腔与高温腔、高温腔与结晶腔之间的气体管路上均设置有阀门，用于实现生长过程中的气体管路的打开和闭合；
该方法包括以下步骤：
(1)以硅烷衍生物气体或氯硅烷衍生物气体作为源气体，通过入口气体管路通入低温腔，通过控制低温腔的温度为300℃～1500℃，使源气体裂解，其中，硅烷衍生物气体裂解成CxHy和Si；氯硅烷衍生物气体裂解为CmHnClo和Si；其中，1≤x≥3，1≤y≥8， 1≤m≥3，1≤n≥8，1≤o≥4。
(2)然后通过入口气体管路通入载流气体，将低温腔中裂解后的产物带入高温腔为2000℃～2500℃，在高温腔中，通过控制高温腔的温度，使CxHy或CmHnClo和Si进行反应，得到SiαCβ气体；其中，载流气体为氢气H2、氮气N2、氩气Ar、氦气He的一种或者多种，载流气体的流量为1slm～50slm；反应所得产物SiαCβ为Si2C、SiC2、SiC中的一种或多种；
(3)高温腔中的SiαCβ气体被载流气体带入结晶腔，到达碳化硅籽晶表面；控制结晶腔的温度为1500℃～2200℃，通过控制反应气体阀门，调节反应气体的流速为10～1000sccm，晶体生长时间为10h～200h，SiαCβ气体分子在碳化硅籽晶表面上进行沉积并结晶，最终形成碳化硅晶体。
源气体优选为甲基硅烷、三甲基氯硅烷、六甲基二硅烷或甲基二氯硅烷的一种。
通过斜率升温，将各腔的温度控制为设定值，即低温腔300℃～1500℃，高温腔2000℃～2500℃，结晶腔1500℃～2200℃。并通过控制控压蝶阀，保持设备内的压力为1mbar～700mbar。
下面结合实施例对本发明做更进一步的解释。
根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
本实施例选用甲基硅烷作为源气体，氦气为载流气体。
将配好的籽晶、坩埚、保温材料放置于炉腔内。开启晶体生长程序，洗炉、检漏，重复2次。将甲基硅烷通入炉内低温腔，流量设置为1slm，调节He的流量为6slm。打开控压蝶阀，保持设备内的压力为100mbar。通过斜率升温，使低温腔温度为550℃，高温腔温度为2250℃，结晶腔温度为2200℃。通过控制反应气体阀门，调节反应气体的流速为100sccm。在晶体生长过程中，维持此参数进行晶体生长50h。晶体生长程序执行完毕后启动降温程序，充气到大气压，出炉取下晶体。得到晶体最大直径为152mm、重量为1872g的碳化硅晶体。
实施例2
本实施例选用三甲基氯硅烷作为源气体，氩气为载流气体。
将配好的籽晶、坩埚、保温材料放置于炉腔内。开启晶体生长程序，洗炉、检漏，重复2次。将三甲基氯硅烷通入炉内低温腔，流量设置为10slm，调节Ar的流量为10slm。打开控压蝶阀，保持设备内的压力为500mbar。低温腔温度为620℃，高温腔温度为2450℃，结晶腔温度为2100℃。通过控制反应气体阀门，调节反应气体的流速为500sccm。在晶体生长过程中，维持此参数进行晶体生长20h。晶体生长程序执行完毕后启动降温程序，充气到大气压，出炉取下晶体。得到晶体最大直径为150mm、重量为1045g的碳化硅晶体。
实施例3
本实施例选用六甲基二硅烷作为源气体，氢气、氩气为载流气体。
将配好的籽晶、坩埚、保温材料放置于炉腔内。开启晶体生长程序，洗炉、检漏，重复3次。将六甲基二硅烷通入炉内低温腔，流量设置为35slm，调节Ar的流量为50slm。打开控压蝶阀，保持设备内的压力为1000mbar。低温腔温度为1000℃，高温腔温度为 2300℃，结晶腔温度为2000℃。通过控制反应气体阀门，调节反应气体的流速为10sccm。在晶体生长过程中，维持此参数进行晶体生长35h。晶体生长程序执行完毕后启动降温程序，充气到大气压，出炉取下晶体。得到晶体最大直径为155mm、重量为1955g的碳化硅晶体。
实施例4
本实施例选用甲基二氯硅烷作为源气体，氮气、氦气为载流气体。
将配好的籽晶、坩埚、保温材料放置于炉腔内。开启晶体生长程序，洗炉、检漏，重复2次。将甲基二氯硅烷通入炉内低温腔，流量设置为20slm，调节Ar的流量为25slm。打开控压蝶阀，保持设备内的压力为700mbar。低温腔温度为1100℃，高温腔温度为 2500℃，结晶腔温度为1800℃。通过控制反应气体阀门，调节反应气体的流速为1000sccm。在晶体生长过程中，维持此参数进行晶体生长100h。晶体生长程序执行完毕后启动降温程序，充气到大气压，出炉取下晶体。得到晶体最大直径为158mm、重量为4070g的碳化硅晶体。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法，其特征在于：该方法所采用的设备包括依次通过气体管路连接的低温腔、高温腔、结晶腔，低温腔设置有入口气体管路，结晶腔设置有出口气体管路；
该方法包括以下步骤：
(1)以硅烷衍生物气体或氯硅烷衍生物气体作为源气体，通过入口气体管路通入低温腔，通过控制低温腔的温度，使源气体裂解，其中，硅烷衍生物气体裂解成CxHy和Si；氯硅烷衍生物气体裂解为CmHnClo和Si；所述源气体为甲基硅烷、三甲基氯硅烷、六甲基二硅烷或甲基二氯硅烷的一种；
(2)然后通过入口气体管路通入载流气体，将低温腔中裂解后的产物带入高温腔，在高温腔中，通过控制高温腔的温度，使CxHy或CmHnClo和Si进行反应，得到SiαCβ气体；所述载流气体为氮气N2、氩气Ar、氦气He的一种或者多种；
(3)高温腔中的SiαCβ气体被载流气体带入结晶腔，到达碳化硅籽晶表面，通过控制结晶腔的温度，使SiαCβ气体分子在碳化硅籽晶表面上进行沉积并结晶，最终形成碳化硅晶体；
所述低温腔的温度为300℃～1500℃，高温腔的温度为2000℃～2500℃，结晶腔的温度为1500℃～2200℃，升温方式为斜率升温；
通过控制控压蝶阀，保持设备内的压力为1mbar～700mbar。
2.根据权利要求1所述的以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法，其特征在于：所述低温腔与高温腔、高温腔与结晶腔之间的气体管路上均设置有阀门，用于实现生长过程中的气体管路的打开和闭合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述载流气体的流量为1slm～50slm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，反应所得产物SiαCβ为Si2C、SiC2、SiC中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的以单一气体为源气体制备碳化硅晶体的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，SiαCβ气体分子在碳化硅籽晶表面上进行沉积并结晶的过程中，通过控制反应气体阀门，调节反应气体的流速为10～1000sccm，晶体生长时间为10h～200h。
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