CN114232097A - 一种制备碳化硅单晶的方法 - Google Patents

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黄晋强
权纪亮
郭勇文
金宁昌
刘军
张雅丽
刘纪岸
姚永红
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

本发明公开了一种制备碳化硅单晶的方法，包括将原料进行酸洗，去除原料中的外来氧化物；将去除外来氧化物后的原料用纯净水冲洗，去除残留酸和其他污物。然后风干；对风干后的原料经敲、凿，将其中的不合格碳化硅晶体从其中分离出来，成为块状碳化硅晶体；将分离出来的块状碳化硅晶体，破碎至最大截面尺寸不大于15mm的碳化硅晶体；将破碎后的碳化硅晶体再次酸洗，后用纯水清洗，再风干；将碳化硅晶体和助熔剂按比例放入坩埚；将坩埚放入中频加热炉加热，当坩埚内的碳化硅晶体已成熔体状态时，将碳化硅籽晶下降至与熔体液面接触，直至获得碳化硅单晶后结束。

Description

一种制备碳化硅单晶的方法
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种制备碳化硅单晶的方法。
背景技术
碳化硅单晶是新一代半导体材料。碳化硅器件比较常规的半导体器件如：硅器件和砷化镓器件等有许多优点，特别在耐高温、高压、高速、高功率方面，大有取代常规半导体器件的趋势。正持续吸引广泛高度的重视。
从碳化硅源材料到碳化硅器件的应用，是一条产业链：源材料→碳化硅单晶生长→晶片加工(切、磨、抛等)→晶片外延→器件制程→器件应用。
由此可见，从源材料到碳化硅单晶生长，是以上产业链的重要基础。因此碳化硅单晶的高效制备成为了研发热点。
目前碳化硅单晶的主要制备方法如下：
1、物理气相传输法(以下简称：PVT)。
预先在专用的石墨坩埚底部装入备好的碳化硅粉料；在石墨坩埚的盖子上贴上薄层碳化硅籽晶；将籽晶面向着石墨坩埚的内部盖在石墨坩埚上。
将石墨坩埚放入中频加热炉。按操作程序对石墨坩埚进行加热，使石墨坩埚内部的碳化硅粉料升华为气体。坩埚内的温度有温度梯度，而形成压力梯度便于气体上升至石墨坩埚上部的盖子，并在盖子的碳化硅籽晶面上降温沉积。经过长时间沉积之后，在籽晶面上就按照籽晶的原子排列方向生长出碳化硅单晶厚块。目前PVT制备的碳化硅单晶已经实现了商业化应用。
2、高温化学气相沉积法(以下简称：HTCVD)。
HTCVD是通过化学气体，将生长碳化硅晶体所需的源料带入到工作区，在工作区通过热分解和系列化学反应，最后在籽晶上形成薄层的碳化硅单晶。
3、顶部籽晶溶液生长法(以下简称：溶液法)。
预先在专用的石墨坩埚底部装入备好的硅粉和助熔剂。将石墨坩埚放入中频加热炉加热，使坩埚内的硅粉和助熔剂等材料成为熔体，同时熔体会从石墨坩埚的内壁熔出生长碳化硅单晶所需要的碳，使熔体中含有硅、碳和助熔剂。此时碳化硅籽晶从坩埚的上方下降至与熔体表面接触。籽晶的温度略低于熔体的温度，以此提供晶体生长的驱动力。籽晶按需要的速度旋转并向上提升，与籽晶接触的熔体中的硅、碳则会按籽晶中的原子排列方向在籽晶外围聚集析出，形成晶体，最后成为圆柱形碳化硅单晶。籽晶的旋转速度和向上提升速度可以决定碳化硅单晶的直径大小。
这种方法类似于许多人工晶体的制备方法(包括单晶硅的制备方法)，技术原理比较成熟。不同之处在于制备碳化硅单晶的部分源材料来自于盛放熔体的坩埚。这也导致出现系列需要研究和突破的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种制备碳化硅单晶的方法，具体的说，本发明采用在PVT制备碳化硅单晶过程中，产生的不合格碳化硅晶体(带有缺陷且遭弃用的碳化硅晶体)，作为溶液法研制碳化硅单晶的熔体源材料。保证源材料溶液中的碳、硅比例满足制备碳化硅单晶的基本要求；进一步的，在选择助熔剂时，只需考虑降低溶解温度一个方面，而无需考虑需要高温从石墨坩埚中溶出碳等其他方面。这样大大降低了助熔剂选择的困难，减少了溶液法研制碳化硅单晶进程中的不确定因数。有利于提高碳化硅单晶的研制和生产的效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备碳化硅单晶的方法，所方法包括以下步骤：
S1将原料进行酸洗，去除原料中的外来氧化物；
S2将去除外来氧化物后的原料用纯净水冲洗，去除残留酸和其他污物。然后风干；
S3对风干后的原料经敲、凿，将其中的不合格碳化硅晶体从其中分离出来，成为块状碳化硅晶体；
S4将分离出来的块状碳化硅晶体，破碎至最大截面尺寸不大于15mm的碳化硅晶体；
S5将破碎后的碳化硅晶体再次酸洗，后用纯水清洗，再风干；
S6将步骤S5风干后的碳化硅晶体和助熔剂按比例放入坩埚；
S7将坩埚放入中频加热炉加热，当坩埚内的碳化硅晶体已成熔体状态时，将碳化硅籽晶下降至与熔体液面接触，直至获得碳化硅单晶后结束。
需要说明的是，所述原料为一体的不合格碳化硅晶体、碳化硅籽晶与石墨坩埚的籽晶盖组成。
需要说明的是，所述助熔剂为金属助熔剂。
需要说明的是，所述金属为钛。
需要说明的是，所述步骤S6中，所述风干后的碳化硅晶体和所述助熔剂的比例为1:1。
需要说明的是，所述坩埚可为石墨坩埚或金属坩埚。
需要说明的是，所述不合格碳化硅晶体的直径为60mm-200mm。
本发明的有益效果在于，
1、本发明由于采用PVT制备的碳化硅单晶已经商品化，所以采用PVT制备碳化硅单晶的生产仍在继续，由此产生大量的不合格碳化硅晶体被废弃。采用本案技术手段，可以有效利用这些碳化硅晶体，减少生产的损耗，降低综合成本。
2、本发明为采用溶液法研制碳化硅单晶提供了新的源材料来源，用以上碳化硅晶体替代高纯硅粉作为源材料，节省源材料成本。
3、本发明采用碳化硅晶体替代高纯硅粉作为源材料，减少了要从石墨坩埚获取碳来源的依靠，使助熔剂的选择方向更明确地指向如何降低熔体温度的目标。为采用溶液法研制碳化硅单晶开辟了新的工艺技术路线。
4、本发明由于无需通过较高的熔体温度从石墨坩埚获取碳来源，就可以选择其他金属材料的坩埚，用到溶液法研制碳化硅单晶的工艺当中。据此可以设计更多高效的加热和保温、控温方法和技术，寻找提升研制效率的途径。
5、本发明由于降低了坩埚内熔体的温度，使用于溶液法研制碳化硅单晶的中频炉的加热功率和时间都大大减小，直接降低了能耗成本和时间成本。提升了研制效率。
具体实施方式
以下将对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本发明为一种制备碳化硅单晶的方法，所方法包括以下步骤：
S1将原料进行酸洗，去除原料中的外来氧化物；
S2将去除外来氧化物后的原料用纯净水冲洗，去除残留酸和其他污物。然后风干；
S3对风干后的原料经敲、凿，将其中的不合格碳化硅晶体从其中分离出来，成为块状碳化硅晶体；
S4将分离出来的块状碳化硅晶体，破碎至最大截面尺寸不大于15mm的碳化硅晶体；
S5将破碎后的碳化硅晶体再次酸洗，后用纯水清洗，再风干；
S6将步骤S5风干后的碳化硅晶体和助熔剂按比例放入坩埚；
S7将坩埚放入中频加热炉加热，当坩埚内的碳化硅晶体已成熔体状态时，将碳化硅籽晶下降至与熔体液面接触，直至获得碳化硅单晶后结束。
需要说明的是，所述原料为一体的不合格碳化硅晶体、碳化硅籽晶与石墨坩埚的籽晶盖组成。
需要说明的是，所述助熔剂为金属助熔剂。
需要说明的是，所述金属为钛。
需要说明的是，所述步骤S6中，所述风干后的碳化硅晶体和所述助熔剂的比例为1:1。
需要说明的是，所述坩埚可为石墨坩埚或金属坩埚。
需要说明的是，所述不合格碳化硅晶体的直径为60mm-200mm。
实施例
一种制备碳化硅单晶的方法：
S1将一体的不合格碳化硅晶体、碳化硅籽晶与石墨坩埚的籽晶盖的原料进行酸洗，去除外来氧化物；
S2去除外来氧化物后用纯净水冲洗，去除残留酸和其他污物。
然后风干；
S3对风干后的原料经敲、凿，将其中的不合格碳化硅晶体从其中分离出来，成为块状碳化硅晶体；
S4将分离出来的块状碳化硅晶体，破碎至最大截面尺寸不大于15mm的碳化硅晶体；
S5将破碎后的碳化硅晶体再次酸洗，后用纯水清洗，再风干；
S6将步骤S5风干后的碳化硅晶体和钛助熔剂按1:1的比例放入坩埚；
S7将坩埚放入中频加热炉加热，通过观察，在低于1600℃的温度下坩埚内的碳化硅晶体已成熔体状态时，将碳化硅籽晶下降至与熔体液面接触，直至获得碳化硅单晶后结束。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种制备碳化硅单晶的方法，其特征在于，所方法包括以下步骤：
S1将原料进行酸洗，去除原料中的外来氧化物；
S2将去除外来氧化物后的原料用纯净水冲洗，去除残留酸和其他污物。然后风干；
S3对风干后的原料经敲、凿，将其中的不合格碳化硅晶体从其中分离出来，成为块状碳化硅晶体；
S4将分离出来的块状碳化硅晶体，破碎至最大截面尺寸不大于15mm的碳化硅晶体；
S5将破碎后的碳化硅晶体再次酸洗，后用纯水清洗，再风干；
S6将步骤S5风干后的碳化硅晶体和助熔剂按比例放入坩埚；
S7将坩埚放入中频加热炉加热，当坩埚内的碳化硅晶体已成熔体状态时，将碳化硅籽晶下降至与熔体液面接触，直至获得碳化硅单晶后结束。
2.根据权利要求1所述的制备碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述原料为一体的不合格碳化硅晶体、碳化硅籽晶与石墨坩埚的籽晶盖组成。
3.根据权利要求1所述的制备碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述助熔剂为金属助熔剂。
4.根据权利要求1所述的制备碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述金属为钛。
5.根据权利要求1所述的制备碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述风干后的碳化硅晶体和所述助熔剂的比例为1:1。
6.根据权利要求1所述的制备碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述坩埚可为石墨坩埚或金属坩埚。
7.根据权利要求2所述的制备碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述不合格碳化硅晶体的直径为60mm-200mm。
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