CN115467016B - 可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件、设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件、设备及方法。生长组件包括位于外侧的中空筒状石墨层及位于内侧的薄壁低抗折强度石墨筒，且在中空筒状石墨层和薄壁低抗折强度石墨筒之间留有间隙；碳化硅单晶生长过程中，籽晶固定于所述生长组件的内侧。本发明通过对生长组件的结构进行优化设计，改良了与晶体接触的热场部件，因此减少了晶体生长、退火和冷却过程中产生的热应力，解决了出炉时晶体可能开裂的问题，同时可以降低BPD等晶体缺陷，提升晶体质量。

Description

可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件、设备及方法

技术领域

本发明涉及碳化硅生长技术领域，特别是涉及一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件、设备及方法。

背景技术

以碳化硅(SiC)等宽禁带材料为代表的第三代半导体材料，因具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等优点而被认为是超越摩尔定律的重要内容。碳化硅晶体作为基础材料，其制造技术是实现第三代半导体应用的关键。

PVT法(Physical Vapor Transport，物理气相传输法)是碳化硅晶体生长的一种主流方法，其原理是采用感应或电阻加热的方式对密闭的坩埚系统加热，将作为生长源的固态混合物置于温度较高的坩埚底部，籽晶固定在温度较低的坩埚顶部，生长源在低压高温下升华分解产生气态物质，在由生长源与籽晶之间存在的温度梯度而形成的压力梯度的驱动下，这种气态物质自然输运到低温的籽晶位置，并由于超饱和度的产生而洁净生长。碳化硅晶体取出后进行机械切割、研磨和抛光。

在碳化硅的晶体生长过程中，晶体内部的应力是影响晶体质量的一个关键因素。晶体内部的应力主要来源于温度梯度和不同材料热膨胀系数不同导致的热应力。当晶体与不同热膨胀系数(CTE)的材料相接触时，在升温或冷却过程中，会对晶体造成挤压或拉伸。热应力则会以晶体开裂或者生成微观缺陷的方式表现出来。碳化硅晶体常见的基平面位错(BPD)缺陷通常被认为是热应力在晶格缺陷上的表现。而BPD缺陷密度大，使得碳化硅晶体作为功率半导体材料使用时会产生不良影响。例如将碳化硅材料加工成JBS二极管、MOSFET器件、双极器件后，高BPD值的碳化硅材料生产的器件，其浪涌及双极退化的问题就比较明显。

针对热应力问题，以往的处理方法是寻找热膨胀系数一致的材料与晶体相接触。比如特种石墨材料可以做到CTE值与碳化硅的CTE值在某一温度时等值。但是晶体生长过程经历了从室温到2300摄氏度的大范围温度变化，而石墨件的CTE随温度变化的趋势与碳化硅单晶的CTE随温度变化的趋势完全不同。因此，仍然不可避免地导致与晶体相接触的石墨件在温度变化时对晶体产生挤压或拉伸应力。为此，业内的工程技术人员会用另一种方法来缓减热应力。他们会把环状的石墨件切割成2～4片拼装的结构，这种结构给热场的安装带来麻烦，而且也不能从根本上解决CTE值与晶体不同导致的应力问题。

公开号为CN 203065640U的实用新型专利申请中公开了一种碳化硅晶体生长用的石墨籽晶坩埚盖，具体公开了一种用石墨纸缓冲晶体冷却过程中对晶体挤压的办法。但实验表明，当前市场上提供的石墨纸在碳化硅晶体生长的高温环境下对含硅气氛的耐腐蚀能力太差，无法使石墨纸在经高温后仍然保持完整。在多次实验后表明，在晶体冷却之前，石墨纸已经粉化或碎片化，无法达到降低晶体内部应力的效果。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件、设备及方法，用于解决现有的缓解碳化硅单晶生长应力的方法存在热场安装不便，且难以从根本上解决碳化硅晶体与石墨等材料因热膨胀系数不同而导致的应力等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件，所述生长组件包括位于外侧的中空筒状石墨层及位于内侧的薄壁低抗折强度石墨筒，且在中空筒状石墨层和薄壁低抗折强度石墨筒之间留有间隙；碳化硅单晶生长过程中，籽晶固定于所述生长组件的内侧。

可选地，所述间隙内填充有柔性填料。

可选地，所述柔性填料为以碳元素为主成分的填料。

更可选地，所述柔性填料包括石墨软毡、石墨纸、发泡石墨、碳纤维和含碳有机物中的一种或多种。

可选地，所述薄壁低抗折强度石墨筒厚度为0.5～4mm。

可选地，所述间隙宽度为0.15～15mm。

可选地，所述薄壁低抗折强度石墨筒的内表面涂布有耐高温腐蚀的涂层。

可选地，所述涂层的材质包括碳化钽，所述涂层的厚度为1-25μm。

可选地，籽晶经籽晶固定座与所述生长组件相固定，所述籽晶固定座固定于所述生长组件的上表面。

可选地，所述石墨层的横截面为L型。

本发明还提供一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长设备，所述生长设备包括坩埚、加热器及如上述任一方案中所述的生长组件，所述生长组件位于所述坩埚上方，所述加热器位于所述坩埚外侧。

可选地，所述生长设备还包括保温层，所述保温层位于所述生长组件及加热器的外侧。

本发明还提供一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：

提供如上述方案中所述的生长设备，将籽晶固定于所述生长组件的内侧，于所述坩埚内放置碳化硅原料；

开启加热器加热碳化硅原料，使其升华后在籽晶表面凝华而实现晶体的成核并不断生长；

完成晶体生长后，逐步降低加热器的加热功率，对晶体进行降温退火，待冷却至室温后取出晶体。

如上所述，本发明的可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件、设备及方法，具有以下有益效果：本发明通过对生长组件的结构进行优化设计，改良了与晶体接触的热场部件，因此减少了晶体生长、退火和冷却过程中产生的热应力，解决了出炉时晶体可能开裂的问题，同时可以降低BPD等晶体缺陷，提升晶体质量。

附图说明

图1显示为本发明提供的可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件的截面结构示意图。

图2显示为本发明提供的可释放碳化硅单晶生长应力的生长设备的例示性截面结构示意图。

元件标号说明

1-石墨层；2-柔性填料；3-薄壁低抗折强度石墨筒；4-涂层；5-加热器；6-坩埚；7-籽晶；8-晶体；

9-保温层；10-碳化硅原料；11-籽晶固定座

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

现有的碳化硅单晶PVT法生长设备在进行碳化硅晶体生长时，籽晶通常被固定在纯石墨的硬质石墨环的内侧。晶体长大后，受石墨环的限制而形成圆柱状晶体。碳化硅晶体在生长及退火过程中，由于温度的变化以及由于石墨环的热膨胀系数与晶体的热膨胀系数不同，导致晶体内部的热应力较大。发明人对现有的设备进行过多次重复实验，得到晶体开裂比例为25％，以及晶体内部的基平面缺陷(BPD)值为每平方厘米3526个。为解决此类问题，已有的常规做法是采用一些热膨胀系数一致的材料与晶体相接触。比如特种石墨材料可以做到CTE值与碳化硅的CTE值在某一温度时等值。但是晶体生长过程经历了从室温到2300摄氏度的大范围温度变化，而石墨件的CTE随温度变化的趋势与碳化硅单晶的CTE随温度变化的趋势完全不同。因此，仍然不可避免地导致与晶体相接触的石墨件在温度变化时对晶体产生挤压或拉伸应力。本申请的发明人在长期的工作中，基于发现的问题，并经大量研究而提出而了一种改善方案。

具体地，如图1所示，本发明提供一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件，所述生长组件包括位于外侧的中空筒状石墨层1及位于内侧的薄壁低抗折强度石墨筒3，生长组件整体为中空筒状结构，碳化硅单晶生长过程中，籽晶7固定于所述生长组件的内侧。即在碳化硅单晶生产过程中，籽晶7与薄壁低抗折强度石墨筒相接触。当晶体和薄壁低抗折强度石墨筒相互作用时，由于薄壁低抗折强度石墨筒的强度偏低，可使晶体受力不大时，薄壁低抗折强度石墨筒已经破裂，其塑性形变缓解了晶体应力，确保生长组件维持筒状结构而不变形，有助于避免薄壁低抗折强度石墨筒在塑性变形过大时产生损伤而导致晶体生长不良(比如避免因薄壁低抗折强度石墨筒3破损而导致与籽晶7的接触不良，使得籽晶7位置发生偏移)，并有助于改善热场分布。

采用薄壁低抗折强度石墨筒通常建议抗折强度不大于50Mpa(包括50Mpa)。采用薄壁低抗折强度石墨筒的目的在于，该石墨筒与晶体接触后，在晶体冷却过程中会开裂产生裂纹，从而释放晶体内部的应力。石墨筒越薄，且抗折强度越低，则在晶体冷却过程中越容易开裂，使晶体内部应力得到释放。而由于结构强度的需要，位于外侧的中空筒状石墨层需要由一定厚度且有一定强度的石墨材料加工而成。中空筒状石墨层与薄壁低抗折强度石墨筒之间存在热膨胀系数的差异。通过在中空筒状石墨层与薄壁低抗折强度石墨筒之间有足够的间隙，可以确保晶体在生长过程中的应力能顺利释放。

本发明经改善的结构设计，可以减少晶体生长、退火和冷却过程中产生的热应力，避免晶体出炉时开裂，同时可以降低BPD等晶体缺陷，提升晶体生长质量。

在进一步的示例中，所述间隙内填充有柔性填料2，即所述柔性填料2填充于石墨层1和薄壁低抗折强度石墨筒3之间。在石墨层与薄壁低抗折强度石墨筒之间的间隙用柔性填料填充的好处在于：首先，柔性填料由于可压缩性，使得不会增加太多额外的应力负载；其次，柔性填料起到了定位作用，保证中空筒状石墨层与薄壁低抗折强度石墨筒的同心度；第三，如果在中空筒状石墨层与薄壁低抗折强度石墨筒之间的间隙没有被柔性填料填充，则在间隙中会层积坚硬的碳化硅多晶，使所述的释放应力结构无法发挥作用；最后，柔性填料在低抗折强度石墨筒开裂的时候起到了缓冲作用，使得开裂的低抗折强度石墨筒虽然表面有多条裂纹但仍然可以保持基本的筒状，不致于碎片飞溅影响热场的其他结构。因而通过在间隙内填充柔性材料，可以进一步提高整个生长组件释放应力的能力。

作为示例，所述柔性填料2为以碳元素为主成分的填料。因为碳元素是碳化硅晶体的主要元素之一，采用以碳元素为主成分的填料，不会在晶体生长时引入新的杂质，同时确保柔性填料2具有高温稳定性。具体地，所述柔性填料2优选但不限于石墨软毡、发泡石墨、石墨纸、碳纤维和含碳有机物等容易变形的材料中的一种或多种，以和薄壁低抗折强度石墨筒良好匹配。所述间隙尺寸可以根据柔性填料的组分不同而进行调节，但不宜过大或过小，过小起不到较好的释放应力的作用，较大则容易导致生长组件在生长过程中变形过大而产生裂纹甚至碎裂。发明人经大量实验发现，较佳地，间隙宽度为0.15～15mm。比如如果柔性填料为石墨纸，那间隙宽度可为最小值0.15mm，而当柔性填料为石墨软毡时，考虑到市场上的石墨软毡材料普遍比较厚，则间隙宽度可为15mm。但柔性填料优选为两种以上材料，因而间隙宽度可以为0.15mm～15mm之间的任意值。

作为示例，所述薄壁低抗折强度石墨筒3厚度较佳地为0.5～4mm的石墨筒，因为发明人经大量实验发现，太厚的石墨筒难以起到较好的释放应力的作用，而太薄的石墨筒会导致石墨件加工困难，且容易被生长环境中的气氛腐蚀导致穿透，而采用该厚度范围内的石墨筒内则不存在这些问题。且较佳地，所述薄壁低抗折强度石墨筒3采用抗折强度为6～50MPa(包括端点值，本说明书中在涉及数值范围描述时，如无特殊说明，均包括端点值)的等静压、挤压、振动成型的石墨制备而成。

在一较佳的示例中，所述石墨层1的横截面为L型，薄壁低抗折强度石墨筒3和柔性填料2的下表面均与石墨层1的表面接触，有助于提高生长组件的稳定性，而三者的上表面可以相平齐，即所述薄壁低抗折强度石墨筒3和柔性填料2的上表面显露于生长组件的上表面，柔性填料2内存在的细小间隙不仅有助于改善应力，同时有助于改善晶体生长过程中的热场分布。

作为示例，所述薄壁低抗折强度石墨筒3的内表面涂布有耐高温且耐腐蚀的涂层4，由此可以提高薄壁低抗折强度石墨筒3在碳化硅晶体生长过程中的耐腐蚀性和高温稳定性。涂层4优选金属碳化物，且优选在碳化硅晶体生长时，分凝系数小的金属，这样金属杂质比较难以进入到晶体中形成杂质。从稳定性和对晶体质量影响的大小考虑，涂层4的最佳选择为碳化钽涂层4。涂层4的厚度需要精心设置，太薄起不到保护薄壁低抗折强度石墨筒3被腐蚀的作用，太厚则使得薄壁低抗折强度石墨筒3表面太硬，失去了形变的能力而起不到释放应力的作用了。发明人经大量实验发现，所述涂层4的厚度最好在1～25微米(包括端点值，本说明书中在涉及数值范围时，如无特殊说明，均包括端点值)，更优地为5～15微米。形成碳化钽涂层4的方法可于薄壁低抗折强度石墨筒3表面涂布含钽溶液后经烧结而成。

作为示例，籽晶7经籽晶固定座11与所述生长组件相固定，所述籽晶固定座11固定于所述生长组件的上表面(可参考图2)。具体地，所述籽晶固定座11可以为石墨环，石墨环的内径和生长组件的内径(确切地说是石墨层1下表面的内径)一致，石墨环可通过耐高温的粘胶固定于所述生长组件上，也可以采用其他机械方式固定于生长组件上，对此不做严格限制。由于所述生长组件采用了柔性填料2和薄壁低抗折强度石墨筒3这两种柔性材料，籽晶固定座11固定于生长组件时，表面部分与柔性材料接触，有助于避免因籽晶固定座11和生长组件之间的摩擦而产生的颗粒污染。当然，在其他示例中，籽晶固定座11也可以为圆盘状，籽晶7的上表面与籽晶固定座11相接触，对此不做严格限制。

本发明的生长组件可适用于多种类型的碳化硅单晶生长设备中，有助于降低晶体的内部应力，提高生长的晶体的品质。接下来提供的生长设备就是基于该生长组件的一种具体应用。

具体地，如图2所示，本发明提供的可释放碳化硅单晶生长应力的生长设备包括坩埚6、加热器5及如上述任一方案中所述的生长组件，所述生长组件位于所述坩埚6上方，所述加热器5位于所述坩埚6外侧，所述生长设备可以进一步包括保温层9，所述保温层9位于所述生长组件及加热器5的外侧且优选具有间距，该间距可填充有惰性气体。对所述生长组件的介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。所述加热器5可为单个中空筒状的电阻加热器5或由多个加热片组合而成，绕设在坩埚6的四周，所述加热器5可与生长组件在纵向上具有间距，或者说加热器5与生长组件不接触，保温层9可以包覆在生长组件和加热器5的外围而仅在顶部留有散热孔，保温层9包括但不限于石墨毡，该散热孔的中心对应生长设备的旋转轴(也同时为生长组件的中心)，即生长设备的热场结构为旋转轴对此结构。当然，在其他示例中，保温层9可以为多个部分组合而成，对此不做严格限制。除生长组件的结构差异外，本发明提供的生长设备的其他结构与现有技术基本相似，对此不再一一展开。

由于本发明的生长设备采用前述的生长组件，故采用本发明的生长设备进行碳化硅单晶生长时，可以有效降低碳化硅晶体中的内部应力及由于内部应力导致的缺陷，有助于提高单晶生长品质。

本发明还提供一种基于上述任一方案所述的生长设备进行的可释放碳化硅单晶生长应力的生长方法。本发明提供的生长方法除采用本发明提供的包含前述结构的生长组件的生长设备进行外，其他工艺均与现有的单晶生长方法基本相同。具体地，所述生长方法包括，

提供如上述任一方案中所述的生长设备(可参考图2)，将籽晶7固定于所述生长组件的内侧，于所述坩埚6内放置碳化硅原料10，在坩埚6周向表面设置好加热器5，并根据晶体生长的要求，在生长距、坩埚6和籽晶固定座11周围放置保温层9；

开启加热器5加热碳化硅原料10，使其升华后在籽晶7表面凝华而实现晶体的成核并不断生长，晶体长大后，受筒状的生长组件的限制，形成圆柱状晶体，生长过程中的热应力被生长组件中的薄壁低抗折强度石墨筒3和柔性填料2(比如石墨软毡填料)的形变消除；

完成晶体8生长后，逐步降低加热器5的加热功率，对晶体进行适当降温实现晶体退火，然后降温冷却后去除。比如待加热器5功率降为零并等待一段时间直至晶体温度接近室温，上述的退火和冷却过程的应力被生长组件中的薄壁低抗折强度石墨筒3和柔性填料2的形变消除，最后将生长组件破坏后，取出晶体8。

发明人采用本发明提供的生长设备进行单晶生长(也即采用前述的单晶生长方法)，得到的单晶生长结果与现有技术中采用硬质石墨环固定籽晶的单晶生长设备按类似的生长方法进行单晶生长的结果如下表所示。

表1本发明的单晶生长设备与现有技术的单晶生长设备生长的单晶比较

项目	现有技术	本发明
			实验炉次/获得晶体数	8次	8次
未开裂晶体数量	6个	8个
			完整晶体百分比	75％	100％
晶体内部BPD范围	2108～5417pcs/cm2	231～1215pcs/cm2
			晶体内部平均BPD值	3526pcs/cm2	553pcs/cm2

由上表可知，采用本发明的生长设备生长出的晶体经观察，没有发现有晶体开裂现象，同时对晶体的缺陷进行了分析，得到平均基平面缺陷(BPD)为每平方厘米553个，相较于采用现有设备而言，晶体质量有明显提升。

综上所述，本发明提供一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件、设备及方法。生长组件包括位于外侧的中空筒状石墨层及位于内侧的薄壁低抗折强度石墨筒，且石墨层和薄壁低抗折强度石墨筒之间留有间隙；碳化硅单晶生长过程中，籽晶固定于所述生长组件的内侧。本发明通过对生长组件的结构进行优化设计，改良了与晶体接触的热场部件，因此减少了晶体生长、退火和冷却过程中产生的热应力，解决了出炉时晶体可能开裂的问题，同时可以降低BPD等晶体缺陷，提升晶体质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长组件，其特征在于，所述生长组件包括位于外侧的中空筒状石墨层及位于内侧的薄壁低抗折强度石墨筒，且中空筒状石墨层和薄壁低抗折强度石墨筒之间留有间隙，所述间隙内填充有柔性填料；碳化硅单晶生长过程中，籽晶固定于所述生长组件的内侧。

2.根据权利要求1所述的生长组件，其特征在于，柔性填料为以碳元素为主成分的填料。

3.根据权利要求2所述的生长组件，其特征在于，所述柔性填料包括石墨软毡、发泡石墨、碳纤维、石墨纸和含碳有机物中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的生长组件，其特征在于，所述薄壁低抗折强度石墨筒厚度为0.5～4mm，间隙宽度为0.15～15mm。

5.根据权利要求1所述的生长组件，其特征在于，所述薄壁低抗折强度石墨筒的内表面涂布有耐高温腐蚀的涂层。

6.根据权利要求5所述的生长组件，其特征在于，所述涂层的材质包括碳化钽，所述涂层的厚度为1-25μm。

7.根据权利要求1所述的生长组件，其特征在于，籽晶经籽晶固定座与所述生长组件相固定，所述籽晶固定座固定于所述生长组件的上表面。

8.根据权利要求1-7任一项所述的生长组件，其特征在于，所述石墨层的横截面为L型。

9.一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长设备，其特征在于，所述生长设备包括坩埚、加热器及如权利要求1-8任一项所述的生长组件，所述生长组件位于所述坩埚上方，所述加热器位于所述坩埚外侧。

10.一种可释放碳化硅单晶生长应力的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括，

提供如权利要求9所述的生长设备，将籽晶固定于所述生长组件的内侧，于所述坩埚内放置碳化硅原料；

开启加热器加热碳化硅原料，使其升华后在籽晶表面凝华而实现晶体的成核并不断生长；

完成晶体生长后，逐步降低加热器的加热功率，对晶体进行降温退火，待冷却至室温后取出晶体。