CN117568932A - 一种碳化硅晶体生长结构以及生长方法 - Google Patents
一种碳化硅晶体生长结构以及生长方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117568932A CN117568932A CN202311789003.3A CN202311789003A CN117568932A CN 117568932 A CN117568932 A CN 117568932A CN 202311789003 A CN202311789003 A CN 202311789003A CN 117568932 A CN117568932 A CN 117568932A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crucible
- silicon carbide
- solution
- rotating assembly
- growth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 84
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 77
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 24
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910018540 Si C Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000002109 crystal growth method Methods 0.000 claims description 7
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 abstract description 4
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 abstract description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000010583 slow cooling Methods 0.000 description 2
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 2
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 2
- 238000005092 sublimation method Methods 0.000 description 2
- 238000006424 Flood reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005130 seeded sublimation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/36—Carbides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开一种碳化硅晶体生长结构，包括生长炉；坩埚；所述坩埚的顶部开口，所述坩埚设置在生长炉内；第一旋转组件；所述第一旋转组件设置在生长炉的底部，所述坩埚安装在第一旋转组件上且第一旋转组件可以驱动坩埚转动；加热组件；所述加热组件套在坩埚的外围四周且加热组件的内壁与坩埚的外壁之间留有间距；第二旋转组件。本发明的有益效果是：本技术方案通过使用以碳化硅衬底，Si‑C溶液的组成变动减少，在坩埚内壁析出的多晶、添加金属元素M与碳C结合而形成的金属碳化物的产生也得到抑制；结果，与使用石墨坩埚的现有方法相比，可得到低缺陷且高品质的单晶碳化硅。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅生长技术领域，尤其涉及一种碳化硅晶体生长结构以及生长方法。
背景技术
碳化硅(SiC)为宽禁带半导体材料，导热性及化学稳定性优良，从绝缘击穿特性及饱和漂移速度等晶体管特性的观点出发，也具有作为功率器件的优良的基本物理特性。出于这样的原因，SiC作为新一代用于功率器件的材料的期待增高，并且也报道了SiC功率器件的产品化。
然而，SiC基板与Si基板相比价格更高，并且存在单晶基板的低缺陷化、高品质化不充分的问题。
难以制造低缺陷且高品质的SiC单晶基板的主要理由在于，在常压下不发生熔化。在作为半导体器件用基板而广泛使用的Si的情况下，常压下的熔点为1414℃，能够从该Si熔体通过CZ法(直拉单晶制造法)、FZ法(悬浮区熔法)得到低缺陷、高品质且大口径的单晶。
与此相对，在SiC的情况下，在常压下加热时，其在2000℃左右的温度下升华，因此无法采用利用CZ法、FZ法的晶体生长方法。因此，目前对于SiC单晶而言，主要通过以改良Lely法为代表的升华法来进行制造。
但是，即使使用通过升华法得到的SiC单晶来制作功率器件，其特性也未必充分。其原因在于SiC单晶的低缺陷化不容易。利用升华法的晶体生长为自气相的析出现象，生长速度慢、且反应空间内的温度控制也难。近年来，经各种研究开发机构全力改良、改善，结果处于如下的状况：虽然微管的位错密度降低，但仍以高密度内含贯通螺旋位错、刃型位错、基底面位错等对器件的电特性造成影响的晶格缺陷。
因此，最近，利用溶液法的碳化硅的晶体生长方法受到关注。如上所述，SiC本身在常压下不发生熔化。因此，在利用溶液法的SiC单晶的制造方法中，使C从坩埚(200)下方的高温部溶解到石墨坩埚(200)内的Si熔体中，使SiC籽晶与该Si-C熔体接触，在SiC籽晶上进行外延生长从而得到SiC单晶。这样的溶液法中，在极其接近热平衡的状态下进行SiC的晶体生长，因此与通过升华法得到的SiC单晶相比可得到低缺陷的SiC晶体。
用于得到SiC单晶的溶液法有各种方法，非专利文献1(SiCパワーデバイス最新技術(Si C功率器件最新技术))中大致分为如下四种：(a)溶剂移动晶体生长法(TSMTraveling Solvent Method)、(b)缓慢冷却法(SCT：Slow Cooling Technique)、(c)蒸气气相固相法(VLS：VaporLiquid Solid)、(d)顶部籽晶溶液生长法(TSSG：Top SeededSolution Growth)。本说明书中使用的术语“溶液法”是指顶部籽晶溶液生长法(TSSG：TopSeeded Solution Growth)。
利用溶液法的SiC单晶的制造方法中，结构和方法繁多，因此，就必须研制出一种生长结构简单、生长步骤简化的碳化硅晶体生长结构以及生长方法，经检索，未发现与本发明相同的技术方案。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种生长结构简单、生长步骤简化的碳化硅晶体生长结构以及生长方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种碳化硅晶体生长结构，其创新点在于：包括
生长炉；
坩埚；所述坩埚的顶部开口，所述坩埚设置在生长炉内；
第一旋转组件；所述第一旋转组件设置在生长炉的底部，所述坩埚安装在第一旋转组件上且第一旋转组件可以驱动坩埚转动；
加热组件；所述加热组件套在坩埚的外围四周且加热组件的内壁与坩埚的外壁之间留有间距；
第二旋转组件；所述第二旋转组件设置在生长炉的顶部且位于坩埚开口的正上方，所述第二旋转组件的底部设有放置籽晶的晶托；
碳化硅衬底；所述碳化硅衬底粘结在坩埚的内壁上；
碳硅溶液；所述碳硅溶液注入在坩埚内且碳硅溶液将碳化硅衬底淹没。
一种碳化硅晶体生长方法，包括如下步骤：
1)将碳硅溶液注入坩埚内；
2)将碳化硅籽晶放置在晶托的底部，碳化硅籽晶没入碳硅溶液中；
3)启动加热组件，对坩埚进行加热，使碳化硅衬底的主要成分的SiC的Si和C从与所述Si-C溶液接触的坩埚表面的高温区域向所述Si-C溶液内溶出，抑制在与所述Si-C溶液接触的坩埚表面的SiC多晶的析出，从所述坩埚的上部使SiC籽晶与所述Si-C溶液接触；
4)启动第一旋转组件和第二旋转组件；
5)碳化硅晶体开始生长。
在一些实施方式中，碳硅溶液中含有金属元素X。
在一些实施方式中，金属元素X为选自以下三组的至少一组中的至少一种金属元素：第一组由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu组成，第二组由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu组成，第三组由Al、Ga、Ge、Sn、Pb、Zn组成。
在一些实施方式中，步骤3)中加热组件对坩埚进行加热，将坩埚的上半部形成高温区，坩埚的下半部形成低温区。
本发明的有益效果是：本技术方案通过使用以碳化硅衬底，Si-C溶液的组成变动减少，在坩埚内壁析出的多晶、添加金属元素M与碳C结合而形成的金属碳化物的产生也得到抑制；结果，与使用石墨坩埚的现有方法相比，可得到低缺陷且高品质的单晶碳化硅。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明一种碳化硅晶体生长结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例包括：
一种碳化硅晶体生长结构，包括生长炉100；坩埚200；所述坩埚200的顶部开口，所述坩埚200设置在生长炉100内；第一旋转组件300；所述第一旋转组件300设置在生长炉100的底部，所述坩埚200安装在第一旋转组件300上且第一旋转组件300可以驱动坩埚200转动；加热组件400；所述加热组件400套在坩埚200的外围四周且加热组件400的内壁与坩埚200的外壁之间留有间距；第二旋转组件500；所述第二旋转组件500设置在生长炉100的顶部且位于坩埚200开口的正上方，所述第二旋转组件500的底部设有放置籽晶的晶托600；碳化硅衬底210；所述碳化硅衬底210粘结在坩埚200的内壁上；碳硅溶液220；所述碳硅溶液220注入在坩埚200内且碳硅溶液220将碳化硅衬底210淹没。
一种碳化硅晶体生长方法，包括如下步骤：
1)将碳硅溶液220注入坩埚200内；
2)将碳化硅籽晶放置在晶托600的底部，碳化硅籽晶没入碳硅溶液220中；
3)启动加热组件400，对坩埚200进行加热，使碳化硅衬底210的主要成分的SiC的Si和C从与所述Si-C溶液接触的坩埚200表面的高温区域向所述Si-C溶液内溶出，抑制在与所述Si-C溶液接触的坩埚200表面的SiC多晶的析出，从所述坩埚200的上部使SiC籽晶与所述Si-C溶液接触；
4)启动第一旋转组件300和第二旋转组件500；
5)碳化硅晶体开始生长。
在此实施例中，碳硅溶液220中含有金属元素X。
在一些实施方式中，金属元素X为选自以下三组的至少一组中的至少一种金属元素：第一组由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu组成，第二组由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu组成，第三组由Al、Ga、Ge、Sn、Pb、Zn组成。
在此实施例中，步骤3)中加热组件400对坩埚200进行加热，将坩埚200的上半部形成高温区，坩埚200的下半部形成低温区。
本技术方案通过使用以碳化硅衬底210，Si-C溶液的组成变动减少，在坩埚200内壁析出的多晶、添加金属元素M与碳C结合而形成的金属碳化物的产生也得到抑制；结果，与使用石墨坩埚200的现有方法相比，可得到低缺陷且高品质的单晶碳化硅。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种碳化硅晶体生长结构，其特征在于：包括
生长炉(100)；
坩埚(200)；所述坩埚(200)的顶部开口，所述坩埚(200)设置在生长炉(100)内；
第一旋转组件(300)；所述第一旋转组件(300)设置在生长炉(100)的底部，所述坩埚(200)安装在第一旋转组件(300)上且第一旋转组件(300)可以驱动坩埚(200)转动；
加热组件(400)；所述加热组件(400)套在坩埚(200)的外围四周且加热组件(400)的内壁与坩埚(200)的外壁之间留有间距；
第二旋转组件(500)；所述第二旋转组件(500)设置在生长炉(100)的顶部且位于坩埚(200)开口的正上方，所述第二旋转组件(500)的底部设有放置籽晶的晶托(600)；
碳化硅衬底(210)；所述碳化硅衬底(210)粘结在坩埚(200)的内壁上；
碳硅溶液(220)；所述碳硅溶液(220)注入在坩埚(200)内且碳硅溶液(220)将碳化硅衬底(210)淹没。
2.一种碳化硅晶体生长方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将碳硅溶液(220)注入坩埚(200)内；
2)将碳化硅籽晶放置在晶托(600)的底部，碳化硅籽晶没入碳硅溶液(220)中；
3)启动加热组件(400)，对坩埚(200)进行加热，使碳化硅衬底(210)的主要成分的SiC的Si和C从与所述Si-C溶液接触的坩埚(200)表面的高温区域向所述Si-C溶液内溶出，抑制在与所述Si-C溶液接触的坩埚(200)
表面的SiC多晶的析出，从所述坩埚(200)的上部使SiC籽晶与所述Si-C溶液接触；
4)启动第一旋转组件(300)和第二旋转组件(500)；
5)碳化硅晶体开始生长。
3.根据权利要求2所述的一种碳化硅晶体生长方法，其特征在于：所述碳硅溶液(220)中含有金属元素X。
4.根据权利要求3所述的一种碳化硅晶体生长方法，其特征在于：所述金属元素X为选自以下三组的至少一组中的至少一种金属元素：第一组由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu组成，第二组由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu组成，第三组由Al、Ga、Ge、Sn、Pb、Zn组成。
5.根据权利要求2所述的一种碳化硅晶体生长方法，其特征在于：步骤3)中加热组件(400)对坩埚(200)进行加热，将坩埚(200)的上半部形成高温区，坩埚(200)的下半部形成低温区。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311789003.3A CN117568932A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种碳化硅晶体生长结构以及生长方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311789003.3A CN117568932A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种碳化硅晶体生长结构以及生长方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117568932A true CN117568932A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89894022
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311789003.3A Pending CN117568932A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种碳化硅晶体生长结构以及生长方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117568932A (zh) |
-
2023
- 2023-12-22 CN CN202311789003.3A patent/CN117568932A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9951439B2 (en) | Method for growing silicon carbide crystal | |
| KR101666596B1 (ko) | ＳｉＣ 단결정 및 그 제조 방법 | |
| KR101310546B1 (ko) | 탄화규소 단결정의 제조 방법 | |
| CN101910476B (zh) | 用于生长碳化硅单晶的方法 | |
| JP2000264790A (ja) | 炭化珪素単結晶の製造方法 | |
| WO2017022535A1 (ja) | ＳｉＣ単結晶の製造方法 | |
| JP6181534B2 (ja) | 炭化珪素の結晶成長方法 | |
| JP6129064B2 (ja) | 炭化珪素の結晶成長方法 | |
| JP6129065B2 (ja) | 炭化珪素の結晶成長方法 | |
| JP2015110498A (ja) | 炭化珪素の結晶成長方法 | |
| JP6178227B2 (ja) | 炭化珪素の結晶成長方法 | |
| JP3087065B1 (ja) | 単結晶ＳｉＣの液相育成方法 | |
| JP6180910B2 (ja) | 炭化珪素の結晶成長方法 | |
| CN117568932A (zh) | 一种碳化硅晶体生长结构以及生长方法 | |
| JP3719341B2 (ja) | ＳｉＣ結晶の液相エピタキシャル成長方法 | |
| KR20230021599A (ko) | SiC 단결정의 제조 방법 | |
| JP2024090247A (ja) | 炭化ケイ素単結晶の製造方法 | |
| JP2024090246A (ja) | 炭化ケイ素単結晶の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |