CN114775058B - 一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法，复合籽晶托的结构是由钨厚片、钨薄片和烧结固熔层组成，制备方法如下：将组成烧结固熔层的混合粉体添加到水溶性溶剂和分散剂中，搅拌配置成混合粉体悬浮液；然后在钨厚片上沉积一层厚度均匀的混合粉体悬浮液并固化；将钨薄片垂直放置在固化的混合粉体悬浮液上面，并用钨材质的重块压平；最后将复合籽晶托的结构放置在高温炉内进行保温、煅烧，使得结构中悬浮液分散剂和基础粉体氮化铝粉挥发完全，经过煅烧后的烧结固熔层形成仅由添加粉体构成的孔隙均匀分布的多孔结构层，最终获得完整一体的复合籽晶托。本发明可有效解决由热失配引起的晶体中裂纹或开裂现象，提升生长晶体的完整性。

Description

一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于半导体单晶生长领域中籽晶托的制备领域，特别涉及一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法。
背景技术
氮化铝单晶是已知禁带宽度最大的直接带隙半导体材料，具有极高的击穿场强，良好的热导率和物理、化学稳定性，在高温、高频、大功率器件和深紫外光电子器件领域具有十分广阔的应用前景。此外，氮化铝与氮化镓、铝镓氮外延材料的晶格失配和热失配较小，是高铝组分铝镓氮大功率微波器件和短波长铝镓氮基光电器件极为理想的衬底材料。目前，氮化铝单晶的主流制备技术是物理气相传输法。经过几十年的发展，逐渐形成了以下几种生长方法：
一种是以自发成核的氮化铝晶体为籽晶，经反复培育获得较大尺寸的氮化铝晶体，由于氮化铝扩展角小，反复扩径技术难度大，耗时长。
第二种是在碳化硅籽晶上生长氮化铝单晶，该方法可以在一个生长周期内获得大尺寸的氮化铝单晶，然而晶体中往往存在着大量的杂质，影响着晶体的结晶质量。
因此发展了第三种生长策略，氮化铝籽晶上生长氮化铝单晶。氮化铝籽晶同质生长技术是在纯钨材质的系统中进行的，不能有任何的含碳材料混入。因此，最常选用的籽晶托材质为钨材料。然而钨材料的硬度和强度大，与氮化铝晶体之间的热膨胀系数存在差异，因此，在两者之间存在着热失配，从而导致在降温过程中晶体受到拉应力，产生裂纹，如图3所示。
为了解决上述问题，发明专利申请号CN201910233626.X，一种钨铼合金及其应用中，选用了钨铼合金作为籽晶托，即通过选择与生长晶体材料热膨胀系数相匹配的方式来实现缓解应力的技术难题。然而，钨铼合金的制作成本高，其造价是相同规格尺寸钨材质的10倍，不适用于规模化生产。此外，在生长晶体和钨籽晶托之间设置一层缓冲层，如设置氮化铝陶瓷或氮化铝多晶外延层。然而，由于氮化铝陶瓷耐受性差、易分解且易引入杂质；氮化铝多晶外延层又由于现有技术的限制厚度只能在微米量级，对于缓解热失配的效果不明显。此外，技术人员选用厚度较小的钨圆片（钨薄片）作为籽晶托，钨薄片的形变及径向温度梯度均匀性控制仍是很大的难题，通常导致生长实验的失败。
发明内容
本发明的目的是，为了解决由热失配引起的晶体中裂纹或开裂现象，以及上述现有技术存在的弊端，提出了一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法，可有效缓解籽晶托与生长晶体之间的热膨胀失配，提升生长晶体的完整性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法，所述复合籽晶托的结构是由钨厚片、钨薄片和烧结固熔层组成，制备方法如下：
第一步，将基础粉体和添加粉体添加到水溶性溶剂和分散剂中，经充分搅拌配置成烧结固熔层的混合粉体悬浮液；
第二步，通过甩胶机、喷枪喷射工序在钨厚片上沉积一层厚度均匀的混合粉体悬浮液；
第三步，待混合粉体悬浮液固化后，将钨薄片垂直放置于固化后的混合粉体悬浮液的上面，构成复合籽晶托的结构；
第四步，在复合籽晶托的结构上面放置钨材质的重块压平，并一起放置在高温炉内，在300-500℃范围内保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中分散剂完全排尽，再在1900-2200℃范围内保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中的基础粉体挥发完全；
第五步，经过煅烧后的烧结固熔层形成仅由添加粉体构成的孔隙均匀分布的多孔结构层，最终获得完整一体的复合籽晶托。
所述钨厚片的厚度为钨薄片厚度的10～100倍。
所述基础粉体为高纯氮化铝粉，粒径为0.1～10μm，所述添加粉体的粒径为1～50μm；基础粉体和添加粉体的重量比为1：1～1：3。
所述水溶性溶剂、分散剂的比例为4：1，水溶性溶剂和分散剂的之和与混合粉体的质量比例为1：1～2：1。
所述添加粉体为钽粉、钨粉、铼粉的其中一种。
本发明所产生的有益效果是：
本发明中的烧结固熔层的存在，使得钨薄片和钨厚片整合成一体结构，有利于径向温度梯度的均匀分布。经过煅烧后的烧结固熔层为仅由添加粉体组成的孔隙均匀分布的多孔结构层，多孔结构使得钨薄片和钨厚片在垂直方向和径向方向产生的应力不会叠加，因此，可有效缓解热失配，生长完整晶体的几率提升至80%。本发明可有效解决由热失配引起的晶体中裂纹或开裂现象，提升了生长晶体的完整性。
附图说明
图1为本发明复合籽晶托的结构示意图；
图2为本发明复合籽晶托上生长氮化铝晶体的结果示意图；
图3为现有技术籽晶托上生长氮化铝晶体的结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法，复合籽晶托的结构是由钨厚片、钨薄片和烧结固熔层组成，烧结固熔层是由基础粉体和添加粉体组成的混合粉体经过煅烧形成的。
实施例1，氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法如下：
1）材料选用及规格尺寸；
钨厚片的厚度选用5mm，钨薄片的厚度选用0.1mm，钨厚片和钨薄片均为单面抛光；烧结固熔层由基础粉体和添加粉体组成混合粉体，高纯氮化铝粉，选用粒径1μm；添加粉体选用钨粉，粒径10μm；高纯氮化铝粉的重量为50g，高纯钨粉的重量为75g，即氮化铝粉和钨粉的质量比为1：1.5。
2）按照1）中的粉体种类、粒径和重量依次称取，称取完毕后添加到200ml的无水乙醇中，然后添加50ml的分散剂，经过充分搅拌后，配置成烧结固熔层的混合粉体悬浮液。
3）采用甩胶机将混合粉体悬浮液均匀分散在厚度为5mm的钨厚片的抛光面上，混合粉体悬浮液的厚度为50微米。
4）待混合粉体悬浮液固化后，将钨薄片垂直放置在固化后的混合粉体悬浮液上，构成复合籽晶托的结构，用钨材质的重块放置在钨薄片抛光面一面。
5）将上述结构放置在高温炉内，在350℃时保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中悬浮液分散剂完全排尽，在2100℃时保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中氮化铝粉挥发完全。
6）经过煅烧后的烧结固熔层形成仅由添加粉体构成的孔隙均匀分布的多孔结构层，最终获得完整一体的复合籽晶托。
实施例2，氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法如下：
1）材料选用及规格尺寸；
钨厚片的厚度选用6mm，钨薄片的厚度选用0.3mm，钨厚片和钨薄片均为单面抛光；烧结固熔层由基础粉体和添加粉体组成混合粉体，高纯氮化铝粉，选用粒径5 μm；添加粉体选用钨粉，粒径5μm；高纯氮化铝粉的重量为60g，高纯钨粉的重量为120g，即氮化铝粉和钨粉的质量比为1：2。
2）按照1）中的粉体种类、粒径和重量依次称取，称取完毕后添加到240ml的无水乙醇中，然后添加60ml的分散剂，经过充分搅拌后，配置成烧结固熔层的混合粉体悬浮液。
3）采用甩胶机将混合粉体悬浮液均匀分散在厚度为6mm的钨厚片的抛光面上，混合粉体悬浮液的厚度为60微米。
4）待混合粉体悬浮液固化后，将钨薄片垂直放置在固化后的混合粉体悬浮液上，构成复合籽晶托的结构，用钨材质的重块放置在钨薄片抛光面一面。
5）将上述结构放置在高温炉内进行不同温度下保温、煅烧，在400℃时保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中悬浮液分散剂完全排尽，在2200℃时保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中氮化铝粉挥发完全。
6）经过煅烧后的烧结固熔层形成仅由添加粉体构成的孔隙均匀分布的多孔结构层，最终获得完整一体的复合籽晶托。
实施例3，氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法如下：
1）材料选用及规格尺寸；
钨厚片的厚度选用10mm，钨薄片的厚度选用0.5mm，钨厚片和钨薄片均为单面抛光；烧结固熔层由基础粉体和添加粉体组成混合粉体，高纯氮化铝粉，选用粒径5 μm；添加粉体选用钨粉，粒径5μm；高纯氮化铝粉的重量为40g，高纯钨粉的重量为70g，即氮化铝粉和钨粉的质量比为1：1.75。
2）按照1）中的粉体种类、粒径和重量依次称取，称取完毕后添加到160ml的无水乙醇中，然后添加40ml的分散剂，经过充分搅拌后，配置成烧结固熔层的混合粉体悬浮液。
3）采用甩胶机将混合粉体悬浮液均匀分散在厚度为10mm的钨厚片的抛光面上，混合粉体悬浮液的厚度为80微米。
4）待混合粉体悬浮液固化后，将钨薄片垂直放置在固化后的混合粉体悬浮液上，构成复合籽晶托的结构，用钨材质的重块放置在钨薄片抛光面一面。
5）将上述结构放置在高温炉内进行不同温度下保温、煅烧，在450℃时保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中悬浮液分散剂完全排尽，在2150℃时保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中氮化铝粉挥发完全，最终获得完整一体的复合籽晶托。
6）经过煅烧后的烧结固熔层形成仅由添加粉体构成的孔隙均匀分布的多孔结构层，最终获得完整一体的复合籽晶托。
用本发明复合籽晶托作为氮化铝单晶生长的籽晶托，经过单晶生长实验后获得无裂纹的晶锭，通过线切割等加工工序后获得了无裂纹的晶片，如图2所示，提升了晶体的完整性。

Claims (2)

1.一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法，其特征在于，所述复合籽晶托的结构是由钨厚片、钨薄片和烧结固熔层组成，制备方法如下：
第一步，将基础粉体和添加粉体添加到水溶性溶剂和分散剂中，经充分搅拌配置成烧结固熔层的混合粉体悬浮液；
第二步，通过甩胶机、喷枪喷射工序在钨厚片上沉积一层厚度均匀的混合粉体悬浮液；
第三步，待混合粉体悬浮液固化后，将钨薄片垂直放置于固化后的混合粉体悬浮液的上面，构成复合籽晶托的结构；
第四步，在复合籽晶托的结构上面放置钨材质的重块压平，并一起放置在高温炉内，在300-500℃范围内保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中分散剂完全排尽，再在1900-2200℃范围内保温、煅烧，使得复合籽晶托的结构中的基础粉体挥发完全；
第五步，经过煅烧后的烧结固熔层形成仅由添加粉体构成的孔隙均匀分布的多孔结构层，最终获得完整一体的复合籽晶托；
所述钨厚片的厚度为钨薄片厚度的10～100倍；
所述基础粉体为高纯氮化铝粉，粒径为0.1～10μm，所述添加粉体的粒径为1～50μm；基础粉体和添加粉体的重量比为1：1～1：3；
所述添加粉体为钽粉、钨粉、铼粉的其中一种。
2.根据权利要求1所述的一种氮化铝单晶生长用复合籽晶托的制备方法，其特征在于，所述水溶性溶剂、分散剂的比例为4：1，水溶性溶剂和分散剂的之和与混合粉体的质量比例为1：1～2：1。
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