CN114540943A - 一种大直径SiC单晶生长装置及生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径SiC单晶生长装置及生长方法，包括石墨保温毡、坩埚、感应线圈和电阻加热器，其中，所述坩埚置于石墨保温毡中，感应线圈位于石墨保温毡外侧，电阻加热器位于石墨保温毡内部，且位于坩埚的顶部或/和底部。采用感应加热及电阻加热相结合的加热方式，单晶生长系统的温度控制以感应电源加热为主，电阻加热为辅。在单晶生长过程和晶体高温退火过程中，通过调节感应加热和电阻加热器的功率比例，分别构建出近平微凸和平温场，获得大直径高质量SiC单晶。

Description

一种大直径SiC单晶生长装置及生长方法

技术领域

本发明属于晶体生长领域，具体涉及一种大直径SiC单晶生长装置及生长方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前制备SiC单晶的常用方法为物理气相传输法(PVT)，PVT法具有单晶生长速率快、成本低、技术成熟度高等特点，通过将SiC粉料进行加热至1111℃以上，粉料升华成Si、Si₂C、SiC₂等气相物种，然后在SiC籽晶上进行重结晶获得SiC单晶。该方法中需要在生长腔室内构造一个由SiC籽晶到SiC粉料为正向的轴向温度梯度保证单晶的生长速率，同时需要在SiC籽晶界面构造一个SiC籽晶中心到SiC籽晶边缘的正向径向温度梯度，使晶体生长界面为近平微凸状，保证晶体的质量。

目前，PVT法SiC单晶生长的加热装置分为两种，分别为感应加热法和电阻加热法。感应加热法是通过在铜线圈中输入中频或高频交流电产生交变磁场，由此在石墨坩埚表面产生同频率的感应电流，利用感应电流的“集肤效应”进行加热。其优点是：加热速度快，加热效率高、能耗低，缺点是感应加热方法中发热区与生长室中心距离较远，会在生长的晶体中产生过大的径向温度梯度，导致生长6英寸及以上尺寸的大直径晶体时，晶体中热应力大、开裂率高。此外感应加热的磁场受电源波动、线圈安装精度等因素的影响较大，较难实现精确的控制和稳定的输出，这将导致炉次之间生长稳定性差，不利于SiC单晶的量产及产业化推进。

电阻加热法是通过采用石墨加热器对SiC生长坩埚进行加热以获得径向温度梯度小的温场。该方法中通常石墨加热器位于生长炉膛内部，依靠电极通电使得电阻加热器发热进而实现对生长体系加热的目的。电阻加热法生长晶体所用的加热功率明显高，对冷却水的流量、压力等要求都明显提高，导致电阻加热炉生长的SiC单晶成本较高。同时由于SiC单晶生长温度需要在2111-2511℃，压力为51mbar以下，生长周期为7-11天，电阻加热器在高温低压状态下的长时间运行稳定性也存在巨大挑战。此外，电阻加热法中通常需要较厚的保温层以减少热量损失，导致电阻加热炉的生长腔室变大，造成设备抽真空、生长结束充气阶段时间长、效率低等问题；同时由于如此大的单晶生长腔室会导致设备的占地空间增大，不利于设备的推广使用。

发明内容

针对现有技术生长大尺寸SiC单晶存在晶体应力大、生长能耗高、生长稳定性差等技术难题，本发明提供一种大直径SiC单晶生长装置及生长方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种大直径SiC单晶生长装置，包括石墨保温毡、坩埚、感应线圈和电阻加热器，其中，

所述坩埚置于石墨保温毡中，感应线圈位于石墨保温毡外侧，电阻加热器位于石墨保温毡内部，且位于坩埚的顶部或/和底部。

第二方面，本发明提供一种大直径SiC单晶生长方法，包括如下步骤：

将SiC粉料置于坩埚内部，将籽晶置于生长坩埚顶部；

将单晶生长炉密封，抽真空；

向生长室内通入载气，开启感应线圈和电阻加热器对SiC粉料进行加热，生长SiC单晶，感应线圈和电阻加热器的功率比为2-11:1；

SiC单晶生长结束后，对晶体进行原位退火，降温，即可；

对晶体进行原位退火过程中，感应线圈和电阻加热器的功率比为1.5-1.5:1。

上述本发明的一个或多个实施例取得的有益效果如下：

采用感应加热及电阻加热相结合的加热方式，单晶生长系统的温度控制以感应电源加热为主，电阻加热为辅，能够充分利用感应加热电源长晶的高技术成熟度、低能耗特点以及电阻加热器构建平温场的优势，在保证达到单晶生长温度的条件下，规避电阻加热器在特定低压高温下电极容易放电打火的不足，通过巧妙地单独调节感应加热器和电阻加热器的功率比例，在直径6英寸及以上尺寸范围内构建出近平微凸温场，从而解决了大直径SiC晶体生长温场难以调控的问题。

采用感应加热及电阻加热相结合的加热方式，相比传统的感应加热，本发明中的方法有效解决了直径6英寸及以上的SiC晶体生长腔内轴向温度梯度及籽晶表面径向温度梯度无法单独调节的技术难题，使生长腔内轴向温度梯度和籽晶生长前沿的径向温度梯度两个参量独立出来。通过独立调节两个参量，能够在更大程度上增加单晶生长温场调节自由度，从而利于构建大直径SiC单晶生长需要的温场。

采用感应加热及电阻加热相结合的加热方式，相比传统的电阻加热，本发明中的方法使用感应加热作为主要加热方式，能够大幅度降低晶体生长能耗，降低单晶生长成本。此外，采用电阻辅助加热的方法，加热电阻位于生长坩埚顶部或者底部，无需放置在坩埚四周，能够大幅度降低单晶生长炉的尺寸，减少设备的占地面积，利于设备在产业化中的推广使用。

采用感应加热及电阻加热相结合的加热方式，单晶生长结束后，通过巧妙地设置中频感应电源和电阻加热电源的功率比例，构建出平温场对晶体进行原位高温退火，能够进一步降低晶体中的应力，提升晶体质量，减少了晶体后期加工过程开裂的几率，提高晶体合格率。

采用感应加热及电阻加热相结合的加热方式，生长出的大直径SiC单晶外形平整，单晶利用率高，且晶体中应力低，位错密度小，能够提高SiC长晶及SiC基器件制备的良率，降低SiC器件成本。制备出的SiC单晶可广泛应用于电动汽车、5G通讯、雷达通讯等电力电子、微波射频等领域。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1中SiC单晶生长装置的结构示意图；

图2为实施例1中SiC单晶生长温场模拟图；

图3为实施例1中SiC单晶应力σ_rz分布模拟图；

图4为实施例1中SiC单晶应力测试图；

图5为实施例1中SiC单晶X射线(114)面摇摆曲线mapping结果，其中图(a)为(114)面衍射峰位置变化，图(b)为(114)面摇摆曲线半峰宽变化；

图6为实施例1中SiC衬底位错分布结果。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1-SiC籽晶，2-生长坩埚，3-SiC粉料，4-电阻加热器，5-感应线圈，6-石墨毡，7-测温孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

第一方面，本发明提供一种大直径SiC单晶生长装置，包括石墨保温毡、坩埚、感应线圈和电阻加热器，其中，

所述坩埚置于石墨保温毡中，感应线圈位于石墨保温毡外侧，电阻加热器位于石墨保温毡内部，且位于坩埚的顶部或/和底部。

电阻加热器放置于生长坩埚的顶部，用于微调籽晶表面径向温度梯度，降低SiC单晶中的热应力；

电阻加热器放置于生长坩埚的底部，用于微调坩埚底部SiC粉料内的温度梯度，提高料内温度均匀性，减少SiC粉料内部结晶；

电阻加热器放置于生长坩埚的顶部和底部，用于微调籽晶表面径向温度梯度和坩埚底部SiC料内的温度梯度，降低SiC单晶中的热应力、提高料内温度均匀性。

在一些实施例中，还包括炉壳体，炉壳体顶部设置有炉盖，石墨保温毡、坩埚、感应线圈和电阻加热器均设置于炉壳体内部。

炉壳体和炉盖围成SiC单晶的生长腔。

优选的，感应线圈与石墨保温毡之间的间距为5-11mm。间距过大会造成能量损耗增大，间距过小，会导致保温装配困难。

在一些实施例中，所述感应线圈的匝数为5-15匝。线圈的中心轴与炉膛中心轴重合。

在一些实施例中，石墨保温毡的顶部设置有测温孔。通过测温孔向石墨保温毡内部伸入测温元件，对晶体生长环境进行测温。炉体内部还设置有测压装置。

在一些实施例中，电阻加热器的材质为等静压高纯石墨，纯度为99.9％以上。

电阻加热器的形状根据石墨加热器的功率进行设计，进一步优选的所述石墨加热器的形状包括不限于片状、盘状。采用片状或盘状的加热器时，石墨加热器修饰感应线圈温场的作用更加明显，更利于在生长界面构建出近平微凸温场。

第二方面，本发明提供一种大直径SiC单晶生长方法，包括如下步骤：

将SiC粉料置于坩埚内部，将SiC籽晶置于生长坩埚顶部；

将单晶生长炉密封，抽真空；

向生长室内通入载气，开启感应线圈和电阻加热器对SiC粉料进行加热，生长SiC单晶，感应线圈和电阻加热器的功率比为2-11:1；

SiC单晶生长结束后，对晶体进行原位退火，降温，即可；

对晶体进行原位退火过程中，感应线圈和电阻加热器的功率比为1.5-1.5:1。

抽真空的作用是除去生长室内的空气和水分。单晶生长过程中，感应加热作为主加热电源，用于达到生长温度，电阻加热作为辅助加热电源，微调温场。晶体退火阶段，感应加热电源与电阻加热的功率比值为(1.5-1.5):1，电阻加热构建出平温场，晶体在平温场中退火，降低应力。

在一些实施例中，感应线圈的电极与中频电源连接，中频电源额定功率为21-11kW，频率为2-11kHz。

优选的，电阻加热器额定功率为11-61kW。

电阻加热器在真空氛围中使用最高温度为2211℃，目的是防止加热电极在真空环境中打火，损坏电极。石墨加热器在惰性气体氛围中使用最高温度为3111℃，以满足SiC单晶生长需求。

在一些实施例中，还包括根据感应线圈、电阻加热器形状、保温结构等对SiC单晶生长温场、应力分布等进行计算，获得最优生长体系装配的步骤。

优选的，采用有限元算法，通过对生长体系进行建模，综合温场分布和晶体应力分布结果，获得适合单晶生长的保温装配结构。

在一些实施例中，向生长室中充入载气后的压力为1-51mbar。

优选的，所述载气为氩气、氦气或氮气，气体纯度不低于99.9％。

在一些实施例中，晶体生长的温度为2111-2511℃，时间为51-151h。

在一些实施例中，原位退火过程中，生长室内的压力为211-111mbar。

优选的，原位退火的温度为2111-2511℃，退火时间为21-51h。

对晶体进行退火，以降低晶体中的应力。

在一些实施例中，装炉阶段，SiC籽晶的尺寸大于2英寸，优选为不小于6英寸。

在一些实施例中，抽真空后，生长室内的真空度小于1.1Pa。目的是除去杂质，避免杂质对单晶生长和电阻加热器造成影响。

在一些实施例中，晶体开炉阶段，晶体降温速率为1.2-5℃/min。

采用游标卡尺测试晶体边缘厚度和中心厚度差，计算晶体凸度，评价晶体利用率；对加工得到的衬底进行XRD摇摆曲线测试评价结晶质量，采用偏光应力仪测试晶片应力分布，采用CS测试晶片中的位错密度，评价晶体质量。

该生长装置可以生长直径6英寸及以上尺寸的SiC单晶，晶型包括不限于4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC、15R-SiC等。生长的SiC单晶凸度小，利用率高；应力小、位错密度低，能够应用于电力电子、微波射频等领域，大幅度提高相关器件的良率、降低器件成本。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种大直径SiC单晶生长装置，包括：炉盖、炉筒、炉底板、感应线圈、电阻加热器。所述炉盖、炉筒和炉底板围成生长腔，为单晶生长装置的主体；所述感应线圈设置在炉筒内侧；所述电阻加热器位于生长腔底部或顶部；所述生长腔内放置保温毡和生长坩埚；所述单晶生长装置配备红外测温仪检测生长室内温度，压力薄膜规检测生长室内气体压力。感应线圈为螺旋状，线圈匝数为5匝，线圈的中心轴与炉膛中心轴重合。感应线圈的电极与中频电源连接，中频电源功率额定21kW，频率为2kHz；感应线圈与保温之间的间距为5mm；电阻加热器的材质为等静压高纯石墨，纯度为99.99％；电阻加热器额定功率为61kW；石墨加热器的形状为片状；电阻加热器放置于生长坩埚的顶部。

一种大直径SiC单晶生长装置使用方法，包括：

-理论模拟：根据感应线圈、电阻加热器形状、保温结构等对SiC单晶生长温场、应力分布等进行计算，获得最优生长体系装配；

-装炉：将SiC粉料放置于生长坩埚底部，将6英寸4H-SiC籽晶放置于生长坩埚顶部，将装配好的生长坩埚放置于单晶生长炉中；

-抽真空：将单晶生长炉进行密封，采用真空泵对生长室进行抽真空至1.15Pa，除去生长室内的空气和水分；

-单晶生长：向生长室内通入氩气作为载气，并在生长室内维持气体压力为1mbar。开启中频电源和电阻加热电源，并设置感应加热与电阻加热的功率比值分别为41kW、4kW，提高生长室内温度至2111℃。保持生长温度和生长压力稳定51h，进行晶体生长；

-晶体原位退火：晶体生长结束后，改变生长室内的压力值至111mbar，设置感应加热和电阻加热电源的功率分别为31kW、61kW，使生长室内温度保持恒定，保温21h，对晶体进行原位退火，降低晶体中的应力；

-开炉：晶体原位退火结束后，逐步降低感应加热和电阻加热电源的功率，晶体以5℃/min的降温速率降至室温；

-晶体测试表征：采用游标卡尺测试晶体边缘厚度和中心厚度差，计算晶体凸度为1.2mm，晶体利用率较高；对晶体进行加工，对加工得到的衬底进行XRD(114)面摇摆曲线测试，整个晶片范围内弯曲度小于1.12度，半峰宽平均值低于31弧秒；采用偏光应力仪测试衬底应力分布，测试结果表明晶体中无明显应力积聚区域；采用CS测试晶片中的位错密度，晶片中螺位错(TSD)密度为214个/cm²，刃位错(TED)密度为471个/cm²，基平面位错(BPD)密度为111个/cm²，总位错密度为111个/cm²，质量远优于市场6英寸产品级(P级)SiC衬底片。

以上结果可以看出，获得的6英寸4H-SiC单晶质量较高，与温场模拟和应力模拟结果相吻合，表明本发明中的6英寸4H-SiC单晶生长装置适合大直径单晶生长。

实施例2

与实施例1不同，一种大直径SiC单晶生长装置，感应线圈匝数为15匝，中频电源额定功率11kW，频率为11kHz；感应线圈与保温之间的间距为11mm；电阻加热器的材质为等静压高纯石墨，纯度为99.99％；电阻加热器额定功率为61kW；单晶生长装置配置2个电阻加热器，分别放置于生长坩埚的顶部和底部；顶部石墨加热器为盘状，底部石墨加热器为片状；

与实施例1不同之处，一种大直径SiC单晶生长装置使用方法，包括：

-装炉：采用1英寸4H-SiC衬底作为籽晶；

-抽真空：采用真空泵对生长室进行抽真空至1.11Pa；

-单晶生长：向生长室内通入氦气作为载气，并在生长室内维持气体压力为51mbar。设置感应加热与电阻加热的功率比值分别为11kW、41kW，提高生长室内温度至2511℃。保持生长温度和生长压力稳定151h，进行晶体生长；

-晶体原位退火：晶体生长结束后，改变生长室内的压力值至211mbar，设置感应加热和电阻加热电源的功率分别为75kW、51kW，使生长室内温度保持恒定，保温51h，对晶体进行原位退火，降低晶体中的应力；

-开炉：晶体原位退火结束后，逐步降低感应加热和电阻加热电源的功率，晶体以1.2℃/min的降温速率降至室温；

-晶体测试表征：采用游标卡尺测试晶体边缘厚度和中心厚度差，计算晶体凸度为6.2mm，晶体利用率较高；对晶体进行加工，对加工得到的衬底进行XRD(114)面摇摆曲线测试，整个晶片范围内弯曲度小于1.15度，半峰宽平均值低于35弧秒；采用偏光应力仪测试衬底应力分布，测试结果表明晶体中无明显应力积聚区域；采用CS测试晶片中的位错密度，晶片中螺位错(TSD)密度为421个/cm²，刃位错(TED)密度为3111个/cm²，基平面位错(BPD)密度为251个/cm²，总位错密度为3612个/cm²。

以上结果表明，获得的1英寸SiC单晶质量较高，本发明中的SiC单晶生长装置适合大直径单晶生长。

实施例3

与实施例1不同之处，一种大直径SiC单晶生长装置，感应线圈匝数为11匝，中频电源额定功率51kW，频率为6kHz；感应线圈与保温之间的间距为7mm；电阻加热器的材质为等静压高纯石墨，纯度为99.99％；电阻加热器额定功率为51kW；石墨加热器的形状为片状；单晶生长装置配置1个电阻加热器，放置于生长坩埚的底部。

与实施例1不同，一种大直径SiC单晶生长装置使用方法，包括：

-装炉：采用6英寸6H-SiC衬底作为籽晶；

-抽真空：采用真空泵对生长室进行抽真空至1.11Pa；

-单晶生长：生长室内维持气体压力为31mbar。设置感应加热与电阻加热的功率比值分别为61kW、15kW，提高生长室内温度至2311℃。保持生长温度和生长压力稳定111h，进行晶体生长；

-晶体原位退火：晶体生长结束后，改变生长室内的压力值至511mbar，设置感应加热和电阻加热电源的功率分别为51kW、51kW，使生长室内温度保持恒定，保温31h，对晶体进行原位退火，降低晶体中的应力；

-开炉：晶体原位退火结束后，逐步降低感应加热和电阻加热电源的功率，晶体以2.5℃/min的降温速率降至室温；

-晶体测试表征：生长的晶体凸度为2.4mm，晶体利用率较高；对晶体进行加工，对加工得到的衬底进行XRD(114)面摇摆曲线测试，整个晶片范围内弯曲度小于1.13度，半峰宽平均值低于21弧秒；采用偏光应力仪测试衬底应力分布，测试结果表明晶体中无明显应力积聚区域；采用CS测试晶片中的位错密度，晶片中螺位错(TSD)密度为221个/cm²，刃位错(TED)密度为1111个/cm²，基平面位错(BPD)密度为351个/cm²，总位错密度为1512个/cm²。

以上结果表明，获得的6英寸6H-SiC单晶质量较高，本发明中的SiC单晶生长装置适合大直径单晶生长。

对比例1

与实施例1不同，单晶生长装置中不包含电阻加热器，整个系统采用中频感应加热。在与实施例1相同的条件下生长6英寸4H-SiC单晶。对生长的晶体进行测试表征。晶体凸度为13.6mm，晶体利用率低；对晶体进行加工，对加工得到的衬底进行XRD(114)面摇摆曲线测试，整个晶片范围内弯曲度为1.1度，半峰宽平均值61弧秒；采用偏光应力仪测试衬底应力分布，测试结果表明晶体中存在明显的应力积聚区域；采用CS测试晶片中的位错密度，晶片中螺位错(TSD)密度为1291个/cm²，刃位错(TED)密度为3471个/cm²，基平面位错(BPD)密度为1311个/cm²，总位错密度为6117个/cm²。对比例1中获得的SiC衬底质量远低于实施例1中获得的SiC衬底质量。

对比例2

与实施例1不同，单晶生长装置中不包含感应线圈，整个系统采用电阻加热器加热，与实施例1对应部分的感应线圈在对比例2中未螺旋状的电阻加热器。在与实施例1相同的条件下生长6英寸4H-SiC单晶。对生长的晶体进行测试表征。单晶生长阶段的功率高达19kW，远高于实施例1中单晶生长功率44kW。获得的晶体凸度为-1.3mm，晶体边缘存在大量多晶，单晶直径不满足6英寸的指标，生长的晶体不合格。说明对比例2中制备的单晶质量差、能耗高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大直径SiC单晶生长装置，其特征在于：包括石墨保温毡、坩埚、感应线圈和电阻加热器，其中，

所述坩埚置于石墨保温毡中，感应线圈位于石墨保温毡外侧，电阻加热器位于石墨保温毡内部，且位于坩埚的顶部或/和底部。

2.根据权利要求1所述的大直径SiC单晶生长装置，其特征在于：还包括炉壳体，炉壳体顶部设置有炉盖，石墨保温毡、坩埚、感应线圈和电阻加热器均设置于炉壳体内部；

优选的，感应线圈与石墨保温毡之间的间距为5-10mm；

优选的，所述感应线圈的匝数为5-15匝。

3.根据权利要求1所述的大直径SiC单晶生长装置，其特征在于：电阻加热器的材质为等静压高纯石墨，纯度为99.9％以上。

4.一种大直径SiC单晶生长方法，其特征在于：包括如下步骤：

将SiC粉料置于坩埚内部，将SiC籽晶置于生长坩埚顶部；

将单晶生长炉密封，抽真空；

向生长室内通入载气，开启感应线圈和电阻加热器对SiC粉料进行加热，生长SiC单晶，感应线圈和电阻加热器的功率比为2-10:1；

SiC单晶生长结束后，对晶体进行原位退火，降温，即可；

对晶体进行原位退火过程中，感应线圈和电阻加热器的功率比为0.5-1.5:1。

5.根据权利要求4所述的大直径SiC单晶生长方法，其特征在于：感应线圈的电极与中频电源连接，中频电源额定功率为20-80kW，频率为2-10kHz；

优选的，电阻加热器额定功率为10-60kW。

6.根据权利要求4所述的大直径SiC单晶生长方法，其特征在于：还包括根据感应线圈、电阻加热器形状、保温结构等对SiC单晶生长温场、应力分布等进行计算，获得最优生长体系装配的步骤；

优选的，采用有限元算法，通过对生长体系进行建模，综合温场分布和晶体应力分布结果，获得适合单晶生长的保温装配结构。

7.根据权利要求4所述的大直径SiC单晶生长方法，其特征在于：向生长室中充入载气后的压力为1-50mbar；

优选的，所述载气为氩气、氦气或氮气，气体纯度不低于99.9％；

优选的，晶体生长的温度为2000-2500℃，时间为50-150h。

8.根据权利要求4所述的大直径SiC单晶生长方法，其特征在于：原位退火过程中，生长室内的压力为200-800mbar；

优选的，原位退火的温度为2000-2500℃，退火时间为20-50h。

9.根据权利要求4所述的大直径SiC单晶生长方法，其特征在于：装炉阶段，SiC籽晶的尺寸大于2英寸，优选为不低于6英寸。

10.根据权利要求4所述的大直径SiC单晶生长方法，其特征在于：抽真空后，生长室内的真空度小于1.1Pa；

优选的，晶体开炉阶段，晶体降温速率为0.2-5℃/min。

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