CN116575122B - N型碳化硅晶体、制备方法及生长装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种N型碳化硅晶体、制备方法及其生长装置，制备方法首先在晶体生长坩埚内放置晶体生长原料，晶体生长原料包括碳化硅粉、氮化硅粉和硅粉，并在坩埚顶部设置碳化硅籽晶，将坩埚放置在用于晶体生长的热场中；第二步通入氩气维持坩埚内部气体压力，同时热场将温度升温，维持晶体生长温度和生长压力一定时间，得到N型碳化硅晶体。本申请的制备方法能够改善反应后期硅碳比失衡的现象，提升制得的晶体品质。

Description

N型碳化硅晶体、制备方法及生长装置

技术领域

本申请涉及晶体生长技术领域，具体地涉及一种N型碳化硅晶体、制备方法及生长装置。

背景技术

碳化硅（SiC）具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和迁移速度等特点，在高温、高频、大功率、微电子器件等方面具有巨大的应用潜力，当前第三代半导体材料中最有代表意义的一种单晶化合物。碳化硅晶体生长目前大多数采用PVT技术，即物理气相传输：固态的碳化硅粉放置在由石墨制成的坩埚中，坩埚的顶部粘贴有所需晶型的籽晶。整个坩埚由一定量的石墨毡包裹保温后通过感应线圈的电磁感应加热形成特定的温度场。当进行晶体生长时，作为生长原料的固态SiC粉体发生非化学计量比的分解升华并生成各种形式的气相组分。气相组分在轴向温度梯度的驱动下向温度相对较低的晶体生长界面输运，并在生长界面上重新结晶为SiC晶体。

由于碳化硅在器件设计中的要求不同，目前由生长的晶体制备出的衬底可分为半绝缘型和导电型。而导电型碳化硅衬底可根据使用的掺杂元素被分为N型和P型。其中N型碳化硅衬底常使用的掺杂元素为氮，其的掺杂方式一般为在晶体生长过程中气氛中加入一定分压的氮气，使得氮原子在晶体生长过程中进入到晶体中。

N型碳化硅在半导体照明与力电子器件方面主要作为衬底材料应用，衬底材料的电阻率大小以及均匀性对器件的性能有重要影响；其在晶体生长的过程中，需要在密闭高温腔体内进行SiC原子有序排列并完成晶体生长,同时要精确控制主动掺杂的N原子。

现有技术碳化硅的高温分解中，碳原子与硅原子并不是按照固相粉末1:1的比例进入气相中，硅原子更容易进入到气相，使得残留的粉料中更多的碳元素残留并逐渐石墨化，碳元素随着碳化硅的气流沉积到生长界面，产生“碳包裹”的缺陷；其次，由于氮气的分压是恒定的，而碳硅比逐渐升高，出现掺杂不均匀或掺杂失控的现象，制备的衬底材料电阻率偏差超标或电阻率超标。

发明内容

本申请的目的在于提供一种N型碳化硅的制备方法，能够改善晶体生长后期硅碳比失衡的现象，并提升氮掺杂的均匀性。

为达到以上目的，本申请采用的技术方案为：提供一种N型碳化硅晶体的制备方法，包括以下制备步骤，S1：在晶体生长坩埚内放置晶体生长原料，所述晶体生长原料包括碳化硅粉、氮化硅粉和硅粉，并在所述坩埚顶部设置碳化硅籽晶，将所述坩埚放置在用于晶体生长的热场中；S2：通入氩气维持所述坩埚内部气体压力，同时所述热场将温度升温，维持晶体生长温度和生长压力一定时间，得到N型碳化硅晶体。

作为一种优选，所述氮化硅粉的添加量为所述晶体生长原料总质量的0.2%~2%。

作为另一种优选，所述硅粉的添加量为所述晶体生长原料总质量的0.1%~3%。

作为另一种优选，所述氮化硅粉的中位粒径D50为0.3~0.7 µm，所述硅粉的中位粒径D50为0.3~0.7 µm。

作为另一种优选，所述氮化硅粉的纯度不低于99.99%，总氧含量不低于0.05%，含氮量不低于38%，α相含量>95%；所述硅粉的纯度不低于99.99%。

作为另一种优选，在S1步骤中，将所述氮化硅粉和硅粉放置于至少两个小坩埚内部，所述小坩埚四周填充所述碳化硅粉。

作为另一种优选，所述小坩埚沿水平方向至少设置两排，其中靠近所述籽晶托的一排所述小坩埚内放置所述氮化粉，靠近所述底部的所述小坩埚内放置所述氮化硅粉和硅粉。

进一步优选，所述小坩埚的材质为多孔碳化钽陶瓷。

本申请提供一种N型碳化硅晶体，由上述任一种制备方法制得。

本申请提供一种N型氮化硅晶体生长装置，包括生长炉、置于所述生长炉内部的坩埚，以及包覆在所述坩埚外侧的保温层，所述生长炉设置有载气进出口，所述载气流通于所述保温层及所述生长炉的内壁之间，所述坩埚包括设置在所述坩埚顶部的籽晶托，以及所述籽晶托下方的原料腔，所述原料腔内设置有至少两个小坩埚，所述小坩埚沿水平方向排列为至少两排，所述小坩埚的材质为多孔碳化钽陶瓷。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

（1）本申请通过添加氮化硅粉制备N型碳化硅晶体，能够使得氮元素的掺杂更均匀，实现氮原子的精准调控，同时降低工艺难度，提升了晶体的良品率；

（2）本申请向晶体生长原料中添加硅粉，减缓碳化硅原料的分解，并作为硅源补充到生长原料中，避免晶体生长“富碳化”；

（3）本申请的生长装置在原料腔中设置小坩埚，将氮化硅粉和硅粉放置在小坩埚中，有利于减缓分解速率，并使得各种气体原料更均匀地混合；

（4）本申请的生长装置在原料腔中设置小坩埚，小坩埚的材料选用多孔碳化钽陶瓷，能有效地阻止硅与小坩埚材料进行反应。

附图说明

图1为本申请一个实施例的晶体生长装置示意图。

图2为本申请另一个实施例的晶体生长装置示意图。

图3为本申请第三个实施例的晶体生长装置示意图。

图4为相变现象显示图。

图中：1、生长炉；11、载气进出口；12、热场支撑件；2、坩埚；21、原料腔；22、籽晶托；23、小坩埚；3、保温层。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请提供一种N型碳化硅的制备方法，包括以下步骤：

S1：在晶体生长坩埚内放置晶体生长原料，其中晶体生长原料包括碳化硅粉、氮化硅粉和硅粉，并在坩埚顶部放置碳化硅籽晶，将坩埚放置在晶体生长的热场中；

S2：使用加热装置将坩埚升温至晶体生长温度，同时通入氩气维持坩埚内气体压力至晶体生长压力，保持晶体生长温度与晶体生长压力一段时间，晶体生长结束后得到N型碳化硅晶体。

优选的，氮化硅粉添加量为晶体生长原料总质量的0.2%~2%；硅粉的添加量为晶体生长原料总质量的0.1%~3%。

在制备N型碳化硅晶体的过程中，传统的掺杂氮元素的方式是通入氮气，此制备工艺存在以下几个问题：首先，氮气作为气体分压并以扩散的方式通入晶体生长腔内，难以精确地调控添加比例，而氮气的通入量又会影响生长腔内的压力、温度梯度和晶体生长速率等，其中每个因素都会影响到氮化硅晶体的生长品质，出现掺杂不均匀或掺杂失控的现象，导致衬底电阻率偏差超标或衬底电阻率超标。

其次，氮化硅晶体原料的分解随着生长过程持续变化，且其分解并未按照原子计量比分解升华，若氮气始终保持同一速率输入生长腔内，氮气的输入速度与碳化硅的蒸发分解速度难以协同，容易造成氮掺杂的不均匀而出现良品损失率升高；氮气的调控通常依赖于工程师的经验，此方法同样导致氮化硅晶体品质参差不齐，造成了一定的损失和资源的浪费。

最后，由于碳化硅晶体生长特性，小平面生长中发生增强杂质掺杂，在PVT法生长SiC{0001}的小平面会出现在碳化硅晶锭的近中心处，并且在这个{0001}小面上发生快速的螺旋生长，但是沿<0001>晶向生长速度相对较低，气氛中又源源不断地供应掺杂的N原子，使得杂质掺杂在{0001}小面上含量上升，最终导致晶圆中心区（小面区）的掺杂浓度通常比晶圆的外围区域高出将近20%~50%。

综上，本发明使用氮化硅粉作为硅源，能够较好地解决上述氮气掺杂的问题。首先，氮化硅粉添加在生长原料中，与生长原料一起在一定的温度下分解升华，在升华的气体传输至籽晶的过程中混合均匀，减少了氮气扩散而使得掺杂难以控制的步骤；在晶体生长的厚度方向以及平面方向上，可以实现氮掺杂原子的精准调控，更有利于N型碳化硅晶体生长的均匀化。

其次，使用氮化硅粉作为硅源，通过向生长腔内通入单一的惰性气体控制晶体生长压强，有利于维持晶体生长环境的稳定，减少环境变量，从而生长出晶型更均匀的N型碳化硅晶体；同时该技术方案可减少设备流量计的设置，降低设备气路控制系统的控制难度。

第三，氮化硅粉比较容易量化氮元素的加入量，通过改变氮化硅的加入比例能够得到最优的氮源添加量，从而将依据工程师经验的调控转变为最优工艺条件的探寻，晶体的良品率不再依赖于工程师的经验，提升了N型碳化硅晶体的良品率，提升经济效益并减少资源的消耗。

最后，在碳化硅晶体沿<0001>晶向生长速度相对较低，但氮源自下方提供，并与氮化硅分解升华的气态硅和气态碳混合均匀，因此掺杂在{0001}小面区域内的氮元素明显得到抑制，从而减小小面的氮掺杂不均匀性，最终提升N型碳化硅的良品率。

在氮化硅原料中加入硅粉，同样的具有以下几个优势：首先，氮化硅粉在生长腔内会分解为气态硅和气态氮，而向氮化硅原料中加入硅粉，硅粉生化为气态硅，有利于促进反应的逆向进行，减缓氮化硅原料的分解，避免氮化硅粉在晶体生长初期大量分解导致的氮掺杂不均匀。

其次，添加的硅粉作为硅源补充到晶体生长腔内，弥补生长原料非计量比分解导致的富碳化，使得生长腔内部晶体生长后期的碳硅比更接近于1:1，延长晶体的生长时间，避免“碳包裹”现象的产生，使得N型晶体品质更稳定，降低次品率。

最后，固态氮化硅和硅粉的混合，能够减缓硅粉的熔化和挥发速度，更好地调控整个晶体生长周期的原料比例，避免晶体生长初期出现硅碳比大于1的情况。

优选的，氮化硅的添加量为碳化硅生长原料总质量的0.2%。

以下为计算过程，N型4H-SiC晶圆的典型原子密度范围为6×10¹⁸~1.5×10¹⁹atoms/cm³，相应的电阻率范围在0.015~0.025 Ω·cm；

原子密度取1.0×10¹⁹atoms/cm³，碳化硅晶体的生长速度取10 g/h，碳化硅晶体的密度为3.22 g/cm³，计算碳化硅晶体的体积V，V=10÷3.22=3.11cm³；

N原子掺杂在碳化硅晶体中，置换SiC中的C，掺杂前后对晶体体积的影响可忽略不计，由此估计N原子数量为：1.0×10¹⁹×3.11=3.11×10¹⁹atoms；

假设Si₃N₄原料分解的氮原子全部进入SiC晶体中，则每小时SiC生长需要的Si₃N₄摩尔量计算为：(3.11×10¹⁹)÷(6.022×10²³)÷4=5.16×10^-5mol；

则每小时SiC生长需要的Si₃N₄质量为：5.16×10^-5×140=7.22 mg；

采用氮气掺杂的技术方案，通常氮气仅有0.2%的原子利用率，而本申请的技术方案采用Si₃N₄作为氮源，Si₃N₄粉与SiC生长原料混合，由制备得到的N型碳化硅晶体反推计算，Si₃N₄粉氮原子的利用率在10%左右，SiC生长原料的利用率达到30%左右。本申请的技术方案在获得均匀掺杂的N型碳化硅的同时提升了原料的利用率。

因此，Si₃N₄粉的添加量不少于SiC生长原料质量的0.2%即可获得较好的氮掺杂效果。

优选的，Si₃N₄粉纯度不低于99.99%，其中总氧含量不低于0.05%，含氮量不低于38%，α相含量>95%。

优选的，Si₃N₄粉中位粒径D50为0.3~0.7 µm。

优选的，硅粉的纯度不低于99.99%，硅粉的中位粒径为0.3~0.7 µm。

优选的，在S1步骤中，将氮化硅粉与硅粉放置于至少两个小坩埚内，且小坩埚被碳化硅生长原料包裹。

优选的，小坩埚的尺寸为：外径30~34 mm，高度34~38 mm，壁厚1~3 mm。

小坩埚的设置有利于氮化硅受热分解后气态产物均匀地排出，一个目的是减缓坩埚内部氮化硅和硅粉的分解速率，避免在生长晶体的初期氮化硅和硅粉就进行分解，造成初期硅碳比的失衡；第二个目的是使得氮原子更均匀地掺杂在碳化硅晶体中，生长出晶体更好、直径更大的N型碳化硅晶体。

优选的，小坩埚的材质为石墨或多孔碳化钽陶瓷。在一个更优选的方案中，小坩埚的材质选择多孔碳化钽陶瓷，体积密度为3.0~3.5 g/cc，孔隙率为50%~70%，平均孔径为100~200µm，抗压强度为 7~7.5 MPa。

小坩埚采用碳化钽材质可以有效地阻止分解出的气态硅与石墨材质的坩埚反应，重新生成大量的碳化硅，而造成硅碳比失衡进而使得添加的硅粉失效。

优选的，S2步骤中向装置内通入氩气，氩气的流量为120~180 sccm。

优选的，S2步骤中晶体生长温度为2000~2600 ℃，晶体生长压力为200~400 Pa。

本申请还提供一种N型碳化硅晶体的生长装置。如图1所示，生长装置包括生长炉1、置于生长炉1内部的坩埚2，以及包覆在坩埚2外侧的保温层3。

生长炉1设置有载气进出口11，载气在保温层3外侧与生长炉1内壁之间流通，维持稳定的晶体生长压力。生长炉1侧壁为双层石英管，石英管的环绕感应线圈，通过感应线圈对内部的坩埚2进行加热，维持碳化硅晶体生长的温度。

在一些实施例中，生长炉1内侧的底部设置有热场支撑件12，保温层3及其内部的坩埚2放置在热场支撑件12上方。

坩埚2包括内侧用于放置晶体生长原料的原料腔21，以及设置在顶部的籽晶托22，碳化硅籽晶粘黏在籽晶托22下方，坩埚整体置于发热的生长炉1内部，通过调节坩埚2外侧保温层3的保温，使得原料腔21处于高温区而籽晶托22处于低温区，高温区的SiC原料分解升华，Si、Si₂C、SiC₂等气相组分在温度梯度的驱动下向籽晶托22的低温区输送，在碳化硅籽晶C面上形核结晶，生长得到碳化硅单晶。

如图1所示，在一些实施例中，原料腔21内部放置有氮化硅粉、硅粉及碳化硅粉三种混合的生长原料，在共同热场环境下分解升华，在向低温区输送过程中混合均匀。硅粉的添加有利于减缓Si₃N₄的分解，并且弥补长晶后期硅碳比失衡造成的富碳现象，减少生长末期因碳硅比失衡导致的相变。

在另一些实施例中，原料腔21内设置有若干小坩埚23，小坩埚23距离坩埚2的底部至少20 mm。Si₃N₄粉及Si粉放置在小坩埚23内部，小坩埚23外部被SiC生长原料包覆。

如图2所示，原料腔21的中心沿竖直方向设置两个小坩埚23，位于下方的小坩埚23距离坩埚2底部20 mm，位于上方的小坩埚23距离原料腔21的原料顶部20 mm。

将放置Si₃N₄粉及Si粉的小坩埚23在竖直方向上设置多个，有利于减缓Si₃N₄粉及Si粉的挥发，同时设置多个小坩埚23，有利于分解后的气体原料充分地混合均匀，从而掺入的N原子更均匀地混合至碳化硅生长原料中，有利于提高N型碳化硅晶体的良品率。

如图3所示，在另一些实施例中，原料腔21的内部设置有5个小坩埚23，沿水平方向分别排列为两排，上排设置2个小坩埚23，下排设置3个小坩埚23。下排小坩埚23距离坩埚2底部20 mm，上排小坩埚23距离原料腔21的原料顶部20 mm。

优选的，上排小坩埚23沿竖直方向上的投影位于下排两相邻小坩埚23之间，同时，两排小坩埚23在竖直方向上的投影之间的距离相同。

将5个小坩埚23上下错落间隔的设置，有利于进一步使得分解后的气体原料更均匀地混合，提高N型碳化硅晶体的良品率。

优选的方案中，氮化硅粉及硅粉分层铺放，仅在靠近原料腔21的底面部分放置硅粉，在靠近籽晶面的原料上部不添加硅粉，避免硅粉在接触空气的原料表面形成结晶体，结晶体会阻挡一部分的原料分解。

此外，通常是在N型碳化硅晶体生长后期会出现硅碳比失衡的现象，即额外补充的硅源应当在晶体生长的后期添加。将硅粉添加在下层的原料中，针对性地调节晶体生长后期的硅碳比，避免硅粉的添加影响前期晶体的生长。

【实施例1】

S1：如图1所示，将晶体生长原料放入原料腔21内，并在籽晶托22下方放置碳化硅籽晶，将坩埚2外侧包覆一层保温层3，随后放置于生长炉1内；

其中，将6.0 g的Si₃N₄粉、4.5 g的硅粉与2 Kg碳化硅生长原料混合均匀，填铺在原料腔21的下层；将3.6 g的Si₃N₄粉与2 Kg碳化硅生长原料混合均匀，填铺在上层；

S2：生长炉1内通过载气进出口11通入气体流量为150 sccm的氩气，并设置晶体生长环境温度为300 Pa、2150 ℃，晶体生长100 h，生长结束后得到N型碳化硅晶体。

【实施例2】

S1：如图2所示，将6.0 g的Si₃N₄粉、4.5 g的硅粉混合均匀并放置在第一个小坩埚23中；将2 Kg的碳化硅生长原料填铺在坩埚2底部，并在距离坩埚2底部20 mm处放置第一个小坩埚23；

将3.6 g的Si₃N₄粉放置在第二个小坩埚23中，在原料腔21上层填铺2 Kg的碳化硅生长原料，并在距离原料顶面20 mm的下方放置第二个小坩埚23。第一个小坩埚23及第二个小坩埚23呈竖直排列形式，并且两个小坩埚23的四周均匀地填充有碳化硅生长原料。

其他制备步骤与实施例1中的制备步骤一致。

【实施例3】

S1：如图3所示，设置5个小坩埚23，小坩埚23的材质为石墨，其中三个小坩埚23的内部放置混合均匀的2.0 g的Si₃N₄粉及1.5 g的硅粉，将2 Kg碳化硅生长原料填铺在坩埚2底部，并在距离坩埚2底部20 mm处横向设置三个小坩埚23；

余下两个小坩埚23的内部放置1.8 g的Si₃N₄粉，在上层填铺2 Kg碳化硅生长原料，并在距离原料顶面20 mm的下方横向放置两个小坩埚23，小坩埚23的四周填充碳化硅生长原料；

5个小坩埚23在竖直方向上的投影间隔相等，且依次间隔。

其他制备步骤与实施例1中的制备步骤一致。

【实施例4】

在S1步骤中按照相同的方式设置5个小坩埚23，小坩埚23的材质选用多孔碳化钽陶瓷，其余设置方式及制备步骤与实施例3中的一致。

【实施例5】

S1步骤中将晶体生长原料调整为：将6.0 g的Si₃N₄粉与2 Kg碳化硅生长原料混合均匀，填铺在原料腔21的下层；将3.6 g的Si₃N₄粉与2 Kg碳化硅生长原料混合均匀，填铺在原料腔21的上层；

其他制备步骤与实施例1中的制备步骤一致。

【对比例1】

使用N₂作为氮源，在原料腔21内装入4 Kg氮化硅生长原料，并通入氩气和氮气的混合气体，在晶体生长初期设置气体流量为10 sccm N₂/150 sccm Ar，在晶体生长后期设置气体流量为7 sccm N₂/150 sccm Ar。

其他制备步骤、晶体生长条件及装置与实施例1中的保持一致。

【对比例2】

使用N₂作为氮源，在原料腔21内装入4 Kg氮化硅生长原料以及4.5 g硅粉，并通入氩气和氮气的混合气体，在晶体生长初期设置气体流量为10 sccm N₂/150 sccm Ar，在晶体生长后期设置气体流量为7 sccm N₂/150 sccm Ar。

其他制备步骤、晶体生长条件及装置与实施例1中的保持一致。

【性能测试】

将各实施例与各对比例的晶体生长时间统一设置为120 h，分别重复进行10炉实验，所得的晶体加工成衬底片各组分别170片，晶体或衬底片进行如下性能测试分析，将测试结果的平均值记录在下表1中。

1、余料硅碳比的测试：

将N型碳化硅晶体生长完成后剩余的原料自原料腔中取出，在800 ℃管式炉内煅烧，通入压缩空气，碳被高温氧化而去除，根据煅烧前后的失重计算晶体生长余料的硅碳比。

2、N型碳化硅晶体电阻率的测试：

非接触涡流法测定碳化硅单晶片电阻率，将导电碳化硅单晶片试样插入一对共轴涡流探头（传感器）之间的固定间隙内，与振荡回路相连接的两个涡流探头之间的交变磁场在导电碳化硅单晶片上感应涡流。

3、晶体相变

如图4所示，N型碳化硅在加工成衬底后，在白光灯下观察，若出现“绿色”，则晶体发生了相变。

表1 各实施例与对比例的性能测试结果

分析实施例5和对比例1的实验数据，本申请制备N型碳化硅晶体使用氮化硅粉末作为氮源，在工艺简化、可控的同时，能够有效地改善晶体生长后期原料硅碳比失衡的现象，更有利于N型碳化硅晶体生长的均匀化，从而提高晶体品质，得到电阻率相对标准偏差和片间均匀性更好的晶体，最终制成的衬底相变率降低。

分析实施例1~实施例4和实施例5，区别在于实施例5中并未向生长原料中添加硅粉。硅粉是在晶体生长后期用于平衡硅碳比的作用，在实施例1~实施例4和实施例5的硅碳比数据对比得知，在N型碳化硅的生长原料中添加硅粉，能够较好地降低硅碳比，从而能够制得品质更优的N型碳化硅晶体，以及相变率更低的衬底材料。

同样的，分析对比例1和对比例2的性能测试结果，在现有技术使用氮气作为氮源时向生长原料中添加硅粉，也能够降低硅碳比失衡，但无论是N型碳化硅晶体的品质还是衬底均不如实施例1~实施例4的测试结果。也即，在相同添加硅粉降低硅碳比的情况下，使用氮化硅作为氮源仍具有明显优势，能够获得更优质的N型碳化硅晶体品质以及衬底品质。

分析实施例1~实施例4的实验结果，方案的区别在于小坩埚的设置、小坩埚的排列形式以及小坩埚的材料。由表1的测试数据可知，将氮化硅粉与硅粉放置在小坩埚内的方案优于未设置小坩埚的方案；而5个小坩埚设置成两排的方案效果优于竖直设置两个小坩埚的方案。

最后小坩埚的材料选择多孔氮化钽陶瓷，能够更进一步地降低晶体生长原料中的硅碳比，获得一种相变率小、电阻率符合标准、晶体品质均匀性较好的N型碳化硅晶体。

本申请在制备N型碳化硅工艺中添加氮化硅粉末，能够实现氮掺杂原子更精准的调控，更有利于提升N型碳化硅晶体的良品率。

本申请在制备N型碳化硅工艺中添加硅粉，减弱晶体生长后期硅碳比失衡的现象，减少后期因硅碳比失衡导致的相变。

本申请通过将氮化硅粉和硅粉放置在小坩埚中，小坩埚设置成两排并在四周填充碳化硅生长原料，小坩埚的材料优选为多孔的碳化钽陶瓷，能够在使得各种原料分解后混合均匀的同时，减弱硅碳比的失衡。

本申请制备得到的N型碳化硅晶体，电阻率符合使用标准，且单晶片的片内均匀性相对标准偏差和片间均匀性相对标准偏差值较低，单晶片前期后期均获得较好的生长品质，170片单晶片中仅有5片相变，相变率较低，提高了晶体品质，降低了次品造成的经济损失，具有一定的实际应用意义。

以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种N型碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤，

S1：在晶体生长坩埚内放置晶体生长原料，所述晶体生长原料包括碳化硅粉、氮化硅粉和硅粉，并在所述坩埚顶部设置碳化硅籽晶，将所述坩埚放置在用于晶体生长的热场中；

在S1步骤中，将所述氮化硅粉和硅粉放置于至少两个小坩埚内部，所述小坩埚四周填充所述碳化硅粉；

所述小坩埚沿水平方向至少设置两排，其中靠近籽晶托的一排所述小坩埚内放置所述氮化硅粉，靠近所述坩埚底部的所述小坩埚内放置所述氮化硅粉和硅粉；

S2：通入氩气维持所述坩埚内部气体压力，同时所述热场将温度升温，设置晶体生长温度为2000~2600 ℃和生长压力200~400 Pa，维持一定时间，得到N型碳化硅晶体；

所述氮化硅粉的添加量为所述晶体生长原料总质量的0.2%~2%；所述硅粉的添加量为所述晶体生长原料总质量的0.1%~3%；所述小坩埚的材质为多孔碳化钽陶瓷。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硅粉的中位粒径D50为0.3~0.7µm，所述硅粉的中位粒径D50为0.3~0.7 µm。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硅粉的纯度不低于99.99%，总氧含量不低于0.05%，含氮量不低于38%，α相含量>95%；所述硅粉的纯度不低于99.99%。

4.一种N型碳化硅晶体，其特征在于，采用上述权利要求1~3任一所述的制备方法制得。