CN117265664B - 一种碳化硅晶体的生长方法和碳化硅晶体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化硅晶体的生长方法和碳化硅晶体，所述生长方法包括：(1)在坩埚的内腔底部装入原料B，然后在坩埚的内腔中安装支撑板，再在支撑板远离原料B的一侧表面装上原料A，之后将坩埚密封；(2)对密封后的坩埚进行抽真空，然后充入保护性气体；(3)对原料A所处的区域进行加热，在第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体；(4)对原料B所处的区域进行加热，在第二温度和第二压力下生长碳化硅晶体。采用本发明的生长方法能够大幅提升原料利用率，并能够增加晶体的有效厚度。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅生长技术领域，涉及一种碳化硅晶体的生长方法和碳化硅晶体。
背景技术
碳化硅(SiC)单晶是目前电力电子、射频器件和光电子器件等领域应用最广泛的第三代半导体材料之一，其主要生长方法为物理气相输运法(PVT法)。该方法使用高纯碳化硅粉料作为原料，在特定条件下使原料升华并输运至籽晶面结晶。由于碳化硅粉料中硅组分熔点低，升华过程容易形成富硅气氛，而未升华的原料则变得越来越富碳。随着原料消耗，一方面生长原料的碳硅比越来越高，直至偏离生长条件，造成晶体出现碳包裹，影响了有效厚度；另一方面，碳化硅粉料的升华气压变小，产生的气氛不足以输运至生长界面，使得生长速度逐渐降低直至停止，因此限制了晶体的厚度提升，目前国内晶体厚度一般在15-30mm，且原料利用率一般<40％。
针对此现象，业内有通过在坩埚内部增加碳化钽涂层或一些多孔类过滤装置抑制包裹产生，但此方法所用的材质价格昂贵，生产成本压力巨大；也有一些通过通入富硅类气体抑制后期富碳，但通入气体比例难以控制，有造成生长面硅聚集的风险，且废气处理代价较大；还有一些通过增大坩埚结构提升原料投入或降低生长速度的方式，但此方法原料利用率及生产效率较低。
因此，亟需一种方法，来有效解决PVT方法因碳硅比失衡和升华气压减小而导致的晶体有效厚度低以及原料利用率低的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种碳化硅晶体的生长方法和碳化硅晶体。本发明分别在坩埚内设置原料A和原料B，并先对原料A所处的区域进行加热，原料A优先升华，产生的气氛输运至生长面进行生长，而原料B所处的区域温度相对较低，原料B可优先进行晶型转变，不产生富硅气体，在第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体一段时间后，原料A的底部逐渐富碳；此时可对原料B所处的区域进行加热，原料B开始升华，升华初期释放出的富硅气氛可弥补原料A的富碳气氛，从而可以使得生长继续高效进行。从而能够大幅提升原料利用率，并能够增加晶体的有效厚度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种碳化硅晶体的生长方法，所述生长方法包括：
(1)在坩埚的内腔底部装入原料B，然后在坩埚的内腔中安装支撑板，再在支撑板远离原料B的一侧表面装上原料A，之后将坩埚密封；
(2)对密封后的坩埚进行抽真空，然后充入保护性气体；
(3)对原料A所处的区域进行加热，在第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体；
(4)对原料B所处的区域进行加热，在第二温度和第二压力下生长碳化硅晶体。
本发明提供了一种碳化硅晶体的生长方法，分别在坩埚内设置原料A和原料B，并先对原料A所处的区域进行加热，原料A优先升华，产生的气氛输运至生长面进行生长，而原料B所处的区域温度相对较低，原料B可优先进行晶型转变，不产生富硅气体，在第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体一段时间后，原料A的底部逐渐富碳；此时可对原料B所处的区域进行加热，原料B开始升华，升华初期释放出的富硅气氛可弥补原料A的富碳气氛，从而可以使得生长继续高效进行。因此，采用本发明的生长方法，能够大幅提升原料利用率，并能够增加晶体的有效厚度，且成本增加小，可操作性强，适合产业化生产。
本发明中，对原料A所处的区域进行加热时，原料B所处的区域也会受到影响，温度有所上升；对原料B所处的区域进行加热时，原料A所处的区域的温度也会受到影响。
优选地，所述原料B包括硅粉与碳粉的混合物、掺硅的α型碳化硅粉或β型碳化硅粉中的任意一种，优选为β型碳化硅粉。
优选地，所述硅粉与碳粉的混合物中，硅粉与碳粉的摩尔比为(1-1.05):1，例如可以是1:1、1.01:1、1.02:1、1.03:1、1.04:1或1.05:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述掺硅的α型碳化硅粉中，硅与α型碳化硅粉的摩尔比1:(10-30)，例如可以是1:10、1:15、1:20、1:25或1:30等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述原料A包括α型碳化硅粉。
本发明中，当原料B优选为β型碳化硅粉时，在对原料A所处的区域进行加热时，β型碳化硅粉优先转化为α型碳化硅粉，而不进行升华；当在第一温度和第一压力下生长一段时间后，原料A下部逐渐富碳，原料B已转化为α型碳化硅，此时可对原料B所处区域进行加热；在对原料B所处的区域进行加热时，原料B开始升华，升华初期释放出的富硅气氛可弥补原料A的富碳气氛，并且此时的原料B和原料A为同种晶型，升华速率及升华的气氛相近，原料B硅组分补偿速率与原料A损失速率相当，碳硅比波动小，可稳定生长环境，能够避免碳硅比出现波动而影响晶体品质。因此，本发明的整个生长过程不会出现碳硅比失衡现象，晶体质量高。
优选地，所述原料A的目数为5-60目，例如可以是5-10目、8-15目、10-20目、8-30目、10-25目、15-60目或20-60目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。进一步优选地，所述原料A为8-40目混合粉料。
优选地，所述原料B和原料A的质量比为1:(1-20)，例如可以是1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:12、1:15、1:17或1:20等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为1:(1-10)。
优选地，所述支撑板平行于所述坩埚的内腔底面，且所述支撑板的侧面与坩埚的内壁紧密接触。
优选地，所述支撑板和原料B的料面之间的距离为0-50mm，例如可以是0mm、1mm、5mm、10mm、15mm、20mm、30mm、40mm或50mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述支撑板的材质包括石墨，所述石墨包括多孔石墨。
优选地，步骤(2)所述抽真空之后，坩埚内的压力小于10-2Pa，例如可以是0.1×10-2Pa、0.2×10-2Pa、0.5×10-2Pa或0.7×10-2Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述充入保护性气体之后，坩埚内的压力为10-800mbar，例如可以是10mbar、20mbar、50mbar、100mbar、150mbar、200mbar、500mbar、600mbar、700mbar或800mbar等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为200-700mbar。
优选地，步骤(3)所述第一温度为1800-2100℃，例如可以是1800℃、1850℃、1900℃、2000℃、2050℃或2100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，当原料B优选为β型碳化硅粉时，其在1800-2100℃范围优先进行α型转变，不会产生富硅气体。
优选地，升温至所述第一温度的升温速率为1-5℃/min，例如可以是1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min或5℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一压力为1-50mbar，例如可以是1mbar、2mbar、5mbar、10mbar、20mbar、30mbar、40mbar或50mbar等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为1-20mbar。
优选地，在所述第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体的时间为50-200h，例如可以是50h、70h、100h、150h或200h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为60-150h。
优选地，步骤(4)所述第二温度高于第一温度。
优选地，所述第二温度为2000-2300℃，例如可以是2000℃、2050℃、2100℃、2150℃、2200℃、2250℃或2300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，升温至所述第二温度的升温速率为0.1-3℃/min，例如可以是0.1℃/min、0.5℃/min、1℃/min、2℃/min或3℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(4)所述第二压力低于第一压力。
优选地，所述第二压力为1-10mbar，例如可以是1mbar、2mbar、3mbar、4mbar、5mbar、6mbar、7mbar、8mbar、9mbar或10mbar等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，在生长碳化硅晶体的过程中，第二压力随时间的延长逐渐减小。
优选地，第二压力随时间呈线性或指数变化。
优选地，在第二温度和第二压力下生长碳化硅晶体的时间为10-100h，例如可以是10h、20h、30h、50h、60h、70h、80h、90h或100h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为30-100h。
优选地，所述坩埚的外周环绕设置有感应线圈，用于对原料A和原料B所处的区域进行加热。
感应线圈在对坩埚进行加热时，线圈中间位置加热效果好，上部和下部加热效果差；对原料A所处的区域加热时，线圈中间位置位于原料A区域外周，此时原料A区域温度高，原料B区域温度相对低；对原料B所处的区域加热与此同理。优选地，所述坩埚和/或感应线圈连接有升降机构，用于带动坩埚和/或感应线圈进行移动。
本发明中，对原料A所处的区域加热之后，可移动坩埚和/或感应线圈，以对原料B所处的区域进行升温。
优选地，所述坩埚或感应线圈的移动速率为0.1-2mm/h，例如可以是0.1mm/h、0.2mm/h、0.3mm/h、0.5mm/h、0.6mm/h、0.8mm/h、1mm/h、1.5mm/h或2mm/h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述生长方法具体包括：
(Ⅰ)在坩埚的内腔底部装入原料B并铺平压实，然后在坩埚的内腔中平行安装支撑板，再在支撑板远离原料B的一侧表面装上原料A并铺平压实，之后将坩埚密封；
(Ⅱ)对密封后的坩埚进行抽真空，然后充入保护性气体；
(Ⅲ)所述坩埚的外周环绕设置有感应线圈，用于对原料A所处的区域进行加热，在1800-2100℃和1-50mbar下生长碳化硅晶体50-200h；
(Ⅳ)移动坩埚或感应线圈，以对原料B所处的区域进行升温，在2000-2300℃和1-10mbar下生长碳化硅晶体10-100h。
第二方面，本发明提供了一种碳化硅晶体，所述碳化硅晶体由第一方面所述的生长方法制备得到。
本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种碳化硅晶体的生长方法，分别在坩埚内设置原料A和原料B，并先对原料A所处的区域进行加热，原料A优先升华，产生的气氛输运至生长面进行生长，而原料B所处的区域温度相对较低，原料B可优先进行晶型转变，不产生富硅气体，在第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体一段时间后，原料A的底部逐渐富碳；此时可对原料B所处的区域进行加热，原料B开始升华，升华初期释放出的富硅气氛可弥补原料A的富碳气氛，从而可以使得生长继续高效进行。因此，采用本发明的生长方法，能够大幅提升原料利用率，并能够增加晶体的有效厚度，且成本增加小，可操作性强，适合产业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的碳化硅晶体生长装置的结构示意图；
其中，1-坩埚盖；2-碳化硅籽晶；3-坩埚；4-原料A；5-支撑板；6-原料B；7-感应线圈。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置，如图1所示，所述碳化硅晶体生长装置包括坩埚3和设置在所述坩埚3顶部开口处的坩埚盖1；
所述坩埚3的内腔底部用于盛放原料B6，坩埚3内原料B6料面上方设置有支撑板5，所述支撑板5平行于坩埚3的内腔底面，所述支撑板5远离原料B6的一侧表面上用于盛放原料A4；
所述坩埚盖1连接有碳化硅籽晶2，且所述碳化硅籽晶2位于坩埚3和坩埚盖1形成的密闭空间内；
所述坩埚3的外周环绕设置有感应线圈7，所述感应线圈7连接有升降机构，用于带动感应线圈7进行上下移动。
实施例2
本实施例提供了一种采用实施例1的生长装置生长碳化硅晶体的方法，所述方法包括：
(1)在坩埚内腔底部装入质量为850g的原料B(即β型碳化硅粉)，铺平压实，在原料B料面上方15mm位置安装支撑板，并在支撑板上装入质量为3400g的原料A(即8-40目混合的α型碳化硅粉)，铺平压实，将固定好籽晶的坩埚盖与坩埚扣合密封；
(2)放入生长炉，抽真空至＜10-2Pa，然后充入保护性气体至700mbar；
(3)利用感应线圈对原料A所处的区域进行加热，以3℃/min速率升至2100℃，在10mbar压力下生长80h碳化硅晶体；
(4)以0.5mm/h速度向原料B方向移动感应线圈，同时以1℃/min速率升温至2200℃，以0.1mbar/min的速率将压力降至5mbar，生长80h碳化硅晶体；
(5)充入保护性气体，冷却，得到碳化硅晶体。
碳化硅晶体的厚度为35.1mm，粉料利用率达52.9％。
实施例3
本实施例提供了一种采用实施例1的生长装置生长碳化硅晶体的方法，所述方法包括：
(1)在坩埚内腔底部装入质量为850g的原料B(即摩尔比为1.02:1的硅粉与碳粉混合物)，铺平压实，在原料B料面上方35mm位置安装支撑板，并在支撑板上装入质量为3900g的原料A(即8-40目混合的α型碳化硅粉)，铺平压实，将固定好籽晶的坩埚盖与坩埚扣合密封；
(2)放入生长炉，抽真空至＜10-2Pa，然后充入保护性气体至500mbar；
(3)利用感应线圈对原料A所处的区域进行加热，以3℃/min速率升至2050℃，在20mbar压力下生长50h碳化硅晶体；
(4)以1mm/h速度向原料B方向移动感应线圈，同时以1℃/min速率升温至2150℃，以0.15mbar/min的速率将压力降至10mbar，生长60h碳化硅晶体；
(5)充入保护性气体，冷却，得到碳化硅晶体。
碳化硅晶体的厚度为34.6mm，粉料利用率达52.5％。
实施例4
本实施例提供了一种采用实施例1的生长装置生长碳化硅晶体的方法，所述方法包括：
(1)在坩埚内腔底部装入质量为800g的原料B(即硅掺杂含量为5％的α型碳化硅粉)，铺平压实，在原料B料面上方50mm位置安装支撑板，并在支撑板上装入质量为4000g的原料A(即8-40目混合的α型碳化硅粉)，铺平压实，将固定好籽晶的坩埚盖与坩埚扣合密封；
(2)放入生长炉，抽真空至＜10-2Pa，然后充入保护性气体至200mbar；
(3)利用感应线圈对原料A所处的区域进行加热，以3℃/min速率升至2000℃，在40mbar压力下生长100h碳化硅晶体；
(4)以2mm/h速度向原料B方向移动感应线圈，同时以1℃/min速率升温至2250℃，以0.2mbar/min的速率将压力降至10mbar，生长60h碳化硅晶体；
(5)充入保护性气体，冷却，得到碳化硅晶体。
碳化硅晶体的厚度为33.7mm，粉料利用率达50.6％。
实施例5
本实施例与实施例2的区别在于，将原料B和原料A的质量比调整为1:0.5。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为26mm，粉料利用率为37.5％，晶型异常。
实施例6
本实施例与实施例2的区别在于，将原料B和原料A的质量比调整为1:21。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为22.5mm，粉料利用率为36.1％，晶表可见发散状包裹。
实施例7
本实施例与实施例2的区别在于，将步骤(3)中的温度调整为1700℃。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为17.6mm，粉料利用率为30.6％，晶表可见微管聚集缺陷。
实施例8
本实施例与实施例2的区别在于，将步骤(3)中的温度调整为2400℃。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为40.2mm，粉料利用率为73.5％，晶体表面出现微管团簇和多晶。
实施例9
本实施例与实施例2的区别在于，将步骤(4)中的温度调整为1950℃。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为17.2mm，粉料利用率为25.8％。
对比例1
本对比例与实施例2的区别在于，将原料B等质量替换为α型碳化硅粉。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为22.5mm，粉料利用率为33.5％，晶表出现轻微颗粒和发散状包裹。
对比例2
本对比例与实施例2的区别在于，将原料A等质量替换为β型碳化硅粉。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为25.6mm，粉料利用率为40.7％，晶表出现微管团簇缺陷。
对比例3
本对比例与实施例2的区别在于，步骤(3)中，同时对原料A和原料B所处的区域进行加热，先以3℃/min速率升至2100℃，在10mbar压力下生长80h碳化硅晶体，再以1℃/min速率升温至2200℃，以0.1mbar/min的速率将压力降至5mbar，生长80h碳化硅晶体，同时省去步骤(4)。其余参数与实施例2完全相同。
碳化硅晶体的厚度为25.4mm，粉料利用率为40.4％，晶表有颗粒状包裹和发散状包裹。
对比例4
本对比例提供了一种生长碳化硅晶体的方法，包括：
(1)在坩埚内腔底部装入质量为4250g的原料A，原料A与实施例2的相同，铺平压实，将固定好籽晶的坩埚盖与坩埚扣合密封；
(2)放入生长炉，抽真空至＜10-2Pa，然后充入保护性气体至700mbar；
(3)利用感应线圈对原料A所处的区域进行加热，以3℃/min速率升至2100℃，在10mbar压力下生长150h碳化硅晶体；
(4)充入保护性气体，冷却，得到碳化硅晶体。
碳化硅晶体的厚度为24.8mm，粉料利用率为40.3％，晶表出现颗粒状包裹。
分析：
由实施例2-4的结果可知，采用本发明的生长方法，分别在坩埚内设置原料A和原料B，并先对原料A所处的区域进行加热，原料A优先升华，产生的气氛输运至生长面进行生长，而原料B所处的区域温度相对较低，原料B可优先进行晶型转变，不产生富硅气体，在第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体一段时间后，原料A的底部逐渐富碳；此时可对原料B所处的区域进行加热，原料B开始升华，升华初期释放出的富硅气氛可弥补原料A的富碳气氛，从而可以使得生长继续高效进行。因此能够大幅提升原料利用率，并能够增加晶体的有效厚度。
由实施例2和实施例5-6的结果可知，若原料B和原料A的质量比过小，对原料B所处的区域进行加热时，原料B升华初期释放出的硅含量低，不足以弥补原料A的富碳气氛，会导致生长原料的碳硅比越来越高，直至偏离生长条件，造成晶体出现碳包裹，影响了有效厚度和原料利用率；若原料B和原料A的质量比过大，对原料B所处的区域进行加热时，原料B升华初期释放出的硅含量过高，过分弥补原料A的富碳气氛，会导致生长碳硅比波动过大，造成晶体出现微管缺陷，影响晶体质量。
由实施例2和实施例7-8的结果可知，步骤(3)中对原料A所处的区域进行加热时，若温度过低，原料A无法正常升华，仅产生富硅气体，容易在籽晶表面聚集，诱发微管缺陷产生，待原料B正常升温升华时，产生的生长气体覆盖其上，导致晶体产生微管缺陷；另外由于高温生长时间减短，原料利用率下降；若温度过高，原料A升华速度过快，原料B未进行升温升华时所产生的气氛已经碳硅比失衡，晶体表面出现反向升华现象，产生碳质包裹甚至多晶，待原料B升温升华时，晶体继续生长，导致晶体产生大量微管和多晶缺陷。同时由于原料A升华速度快，粉料利用率过高。
由实施例2和实施例9的结果可知，若步骤(4)中的温度低于步骤(3)中的温度，原料B无法正常向α晶型转变和升华，不能起到弥补原料A富碳的作用，另外由于步骤(4)生长温度低，晶体生长速率下降，导致晶体厚度偏薄、原料利用率低。
由实施例2和对比例1-3的结果可知，若仅采用一种原料，或同时对原料A和B所处的区域进行加热，则原料B不能起到在生长中后期补偿富硅气氛的作用，生长过程原料A的碳硅比逐渐升高而偏离正常生长条件，造成晶体出现碳包裹并影响了有效厚度；另一方面，如果原料A和原料B均为β型碳化硅粉，在正常升温生长初期容易出现富硅现象，从而导致微管缺陷产生，而生长中后期依然出现了碳硅比失衡现象，造成晶体出现碳包裹并影响了有效厚度。
由实施例2和对比例4的结果可知，与常规的生长方法相比，本发明的方法能够大幅提升原料利用率，并能够增加晶体的有效厚度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (29)
1.一种碳化硅晶体的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
（1）在坩埚的内腔底部装入原料B，然后在坩埚的内腔中安装支撑板，再在支撑板远离原料B的一侧表面装上原料A，之后将坩埚密封；
（2）对密封后的坩埚进行抽真空，然后充入保护性气体；
（3）对原料A所处的区域进行加热，在第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体；
（4）对原料B所处的区域进行加热，在第二温度和第二压力下生长碳化硅晶体；
所述原料A包括α型碳化硅粉；
所述原料B包括硅粉与碳粉的混合物、掺硅的α型碳化硅粉或β型碳化硅粉中的任意一种；
步骤（4）所述第二温度高于第一温度。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述原料B为β型碳化硅粉。
3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述硅粉与碳粉的混合物中，硅粉与碳粉的摩尔比为(1-1.05):1。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述掺硅的α型碳化硅粉中，硅与α型碳化硅粉的摩尔比1:(10-30)。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述原料A的目数为5-60目。
6.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述原料B和原料A的质量比为1:(1-20)。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述原料B和原料A的质量比为1:(1-10)。
8.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述支撑板平行于所述坩埚的内腔底面，且所述支撑板的侧面与坩埚的内壁紧密接触。
9.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述支撑板和原料B的料面之间的距离为0-50mm。
10.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述支撑板的材质包括石墨，所述石墨包括多孔石墨。
11.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（2）所述抽真空之后，坩埚内的压力小于10-2Pa。
12.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（2）所述充入保护性气体之后，坩埚内的压力为10-800mbar。
13.根据权利要求12所述的生长方法，其特征在于，步骤（2）所述充入保护性气体之后，坩埚内的压力为200-700mbar。
14.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（3）所述第一温度为1800-2100℃。
15.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（3）升温至所述第一温度的升温速率为1-5℃/min。
16.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（3）所述第一压力为1-50mbar。
17.根据权利要求16所述的生长方法，其特征在于，步骤（3）所述第一压力为1-20mbar。
18.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（3）在所述第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体的时间为50-200h。
19.根据权利要求18所述的生长方法，其特征在于，步骤（3）在所述第一温度和第一压力下生长碳化硅晶体的时间为60-150h。
20.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（4）所述第二温度为2000-2300℃。
21.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（4）升温至所述第二温度的升温速率为0.1-3℃/min。
22.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（4）所述第二压力低于第一压力。
23.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（4）所述第二压力为1-10mbar。
24.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（4）在生长碳化硅晶体的过程中，第二压力随时间的延长逐渐减小。
25.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤（4）在第二温度和第二压力下生长碳化硅晶体的时间为10-100h。
26.根据权利要求25所述的生长方法，其特征在于，步骤（4）在第二温度和第二压力下生长碳化硅晶体的时间为30-100h。
27.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述坩埚的外周环绕设置有感应线圈，用于对原料A和原料B所处的区域进行加热。
28.根据权利要求27所述的生长方法，其特征在于，所述坩埚或感应线圈的移动速率为0.1-2mm/h。
29.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述生长方法具体包括：
（Ⅰ）在坩埚的内腔底部装入原料B并铺平压实，然后在坩埚的内腔中平行安装支撑板，再在支撑板远离原料B的一侧表面装上原料A并铺平压实，之后将坩埚密封；
（Ⅱ）对密封后的坩埚进行抽真空，然后充入保护性气体；
（Ⅲ）所述坩埚的外周环绕设置有感应线圈，用于对原料A所处的区域进行加热，在1800-2100℃和1-50mbar下生长碳化硅晶体50-200h；
（Ⅳ）移动坩埚或感应线圈，以对原料B所处的区域进行升温，在2000-2300℃和1-10mbar下生长碳化硅晶体10-100h；
所述原料A包括α型碳化硅粉；
所述原料B包括硅粉与碳粉的混合物、掺硅的α型碳化硅粉或β型碳化硅粉中的任意一种；
所述步骤（Ⅳ）中的温度高于所述步骤（Ⅲ）中的温度。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109355705A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-02-19 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种制备高质量单晶碳化硅的装置及其应用 |
| CN109518276A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-26 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种高品质碳化硅晶体的制备方法及其装置 |
| CN110592673A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-12-20 | 北京天科合达半导体股份有限公司 | 一种高品质的大尺寸碳化硅晶体生长方法 |
| CN112481699A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-12 | 山东天岳先进科技股份有限公司 | 一种高质量碳化硅单晶的制备方法及碳化硅单晶 |
| CN114574969A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-06-03 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 一种生长高质量碳化硅晶体的装置与方法 |
| KR20220089732A (ko) * | 2020-12-21 | 2022-06-29 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 반절연 탄화규소 단결정 성장 방법 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4903946B2 (ja) * | 2000-12-28 | 2012-03-28 | 株式会社ブリヂストン | 炭化ケイ素単結晶の製造方法及び製造装置 |
| WO2004027122A1 (en) * | 2002-09-19 | 2004-04-01 | Showa Denko K.K. | Silicon carbide single crystal and method and apparatus for producing the same |
-
2023
- 2023-09-26 CN CN202311247168.8A patent/CN117265664B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109355705A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-02-19 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种制备高质量单晶碳化硅的装置及其应用 |
| CN109518276A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-26 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种高品质碳化硅晶体的制备方法及其装置 |
| CN110592673A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-12-20 | 北京天科合达半导体股份有限公司 | 一种高品质的大尺寸碳化硅晶体生长方法 |
| CN112481699A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-12 | 山东天岳先进科技股份有限公司 | 一种高质量碳化硅单晶的制备方法及碳化硅单晶 |
| KR20220089732A (ko) * | 2020-12-21 | 2022-06-29 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 반절연 탄화규소 단결정 성장 방법 |
| CN114574969A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-06-03 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 一种生长高质量碳化硅晶体的装置与方法 |
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