CN1224084A - 用硅衬底β碳化硅晶体薄膜生长碳化硅单晶体 - Google Patents

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本发明利用硅衬底上异质外延的β碳化硅晶体薄膜生长碳化硅单晶体,属于晶体制备技术领域,是针对碳化硅这种难熔、难制晶体提出的一种特殊方法。这种方法把3C－SiC异质外延单晶薄层及其硅衬底作为一体化的液相外延衬底和源,利用硅衬底熔化后溶解石墨坩埚壁形成的碳饱和溶液,实现以β－SiC外延薄膜为籽晶进行的碳化硅晶体单面抛光的低温、低成本生长。由于生长过程只涉及高纯石墨和硅片,可避免升华法生长碳化硅的高度杂质补偿。

Description

用硅衬底β碳化硅晶体薄膜生长碳化硅单晶体
本发明涉及一种碳化硅晶体的制备方法，特别是利用硅衬底上生长的β碳化硅晶体薄膜制备碳化硅晶体的方法。
由于碳化硅在常压下不能以熔体存在，在本发明完成之前的各种碳化硅晶体的生成皆以升华法为基础，即利用结构完美的小块碳化硅晶体作为籽晶，在碳化硅的升华气氛中成长为尺寸较大的晶体。其局限是制备温度很高(～2400℃)，温度场很难控制，而且先要有籽晶体。由于用这类方法目前只能生长出α型(主要是其中的6H型)的碳化硅，还没发现有直接用β型碳化硅籽晶制备碳化硅单晶的先例报道。
对上述背景情况的详细了解，可以参考英国电气工程师协会(IEE)出版的电子材料数据评论丛书第13卷《碳化硅特性》(“Properties of Silicon Carbide”,Cary L.Harris主编，EMIS Series No.13,IESPIE出版社1995年出版)一书的第8章第1节“碳化硅体单晶生长(Bulk Growth of SiC)”(p.163)。该书是目前有关碳化硅的最新出版物中对碳化硅晶体制备方法最全面的评论，并提供了涉及碳化硅晶体制备各方面工作的最重要文献的目录，对全面了解碳化硅晶体生长研究史和研究现状非常有用。
本发明的目的在于，提供一种利用硅衬底上生长的β碳化硅晶体薄膜制备碳化硅晶体的方法。采用此法，可在2000℃以下的温度范围内，用价廉易得的单晶硅片做原材料，用比较简单的方法和设备，生长高纯度的碳化硅单晶体。
本发明的目的是通过以下方法来实现的：
其方法是：将利用常规方法制备的硅衬底β碳化硅晶体薄膜，放在石墨坩埚中使硅衬底熔化，碳化硅晶体薄膜不熔化也不升华，形成使固体碳化硅薄膜反过来成为衬底并浸润于碳饱和硅溶液中的碳化硅液相外延系统，藉以生长碳化硅单晶体。当硅溶液耗尽时，即得到厚度大约为原硅片厚度2倍的碳化硅。如果在坩埚中另外加有硅原料，也可生长更厚的碳化硅晶体。
其步骤如下：
1、用常规气相异质外延法在硅衬底上制备均匀性好的β-SiC外延薄膜；
2、将带有β-SiC薄膜的硅衬底置于电子纯石墨坩埚中，坩埚置于10-4Pa高真空室内；
3、在上述高真空或高真空后的充氩气氛保护下，用高频加热或电阻加热方式将硅衬底加热到其熔点1410℃令其熔化；
4、继续升高硅溶液的温度，在1600～1900℃范围内根据生长速率的需要确定生长温度，保持恒温，使碳化硅液相外延在准静态条件下进行，生长速率在0.1-10μm/min之间由生长温度调节。
本发明的技术依据及其有益效果是：
利用饱和溶液生长半导体薄层的液相外延是一种行之有效的晶体生长方法，在碳化硅晶体薄膜的制备中也有采用(见前述参考文献)，但都是用6H-SiC晶片作衬底外延数微米厚的碳化硅薄膜，包括β-SiC薄膜。这种常规方法需要以一块已经具有一定厚度的成品碳化硅晶片作衬底，用另外的的硅作为原料，熔化后生成碳饱和溶液。本发明把β-SiC晶体薄层与硅晶片合而为一的气相外延产品作为一体化的液相外延衬底和源，解决了缺乏β-SiC衬底的问题。
由于β-SiC向α碳化硅转变的温度很高(超过2000℃)，更不会熔化或升华(升华温度为2400℃)，所以在硅衬底熔化并形成碳饱和溶液之后，原始的β-SiC薄膜能稳定存在并充当籽晶作用。
由于硅的熔点比碳化硅的升华温度低出1000℃，所以用这种方法要比用升华法温度低得多；由于升华法使用的原料是工业产品级的碳化硅(目前还没有电子级的碳化硅可以用作晶体生长的原料)，尽管可采用多孔石墨过滤一些杂质，但效果并不十分明显，因而制成的晶体杂质补偿很严重。本方法只使用电子级的高纯硅片和高纯石墨为原料，制备装置中的污染源也较少，原则上硅片有多纯，长成的碳化硅片就有多纯。而且，只要温度控制得好，β-SiC薄层本身的均匀性好，原则上有多大直径的硅衬底就能长出多大直径的碳化硅晶片。
附图是用硅衬底上的β碳化硅晶体薄膜生长碳化硅单晶体的装置的结构示意图。其中1为不锈钢炉体，2为隔热石英套，3为高频感应加热线圈，4为石墨坩埚，5为由熔硅形成的碳饱和溶液，6为石墨保温材料，7为石英盖板，8为生长中的碳化硅单晶薄片。
本发明的具体实施方案结合附图叙述如下：
实施例1
1、用常规热丝CVD法在厚度0.4mm的n型(100)单面抛光硅衬底上外延生长厚1μm的β碳化硅单晶薄膜，硅衬底的电阻率为10Ωcm，直径30mm；
2、将上述试样以硅衬底朝下的方式置于石墨坩埚4(坩埚外直径50mm，内直径30mm，长50mm，锅深10mm)中，盖上石英盖板7，置于不锈钢炉体1内，抽真空；
3、在炉室压力小于10-4帕后，通过高频感应加热线圈3对石墨坩埚4耦合频率为2.5kHz的高频电场。高频电源采用温度闭环控制方式，分步式加热。第一步将温度设定为1410℃，使硅衬底熔化，利用熔体硅对坩埚壁的溶解作用形成碳饱和溶液。
4、重新将温度设定为1800℃，保持恒温，使碳化硅薄膜与碳饱和硅溶液的界面逐渐向熔体中延伸，薄膜逐渐变厚，至熔体耗尽时，晶体生长过程结束，生成浅黄色碳化硅晶片。全过程耗时约20小时。
实施例2
1、改用n型单面抛光(111)硅衬底，衬底电阻率10Ωcm，直径30mm，厚0.4mm；用常规热丝CVD法在其上外延生长厚1μm的β碳化硅单晶薄膜；
2、将上述试样以硅衬底朝下的方式置于石墨坩埚4(坩埚外直径50mm，内直径30mm，长50mm，锅深10mm)中，盖上石英盖板7，置于不锈钢炉体1内，抽真空；
3、在炉室压力小于10-4帕后，通过高频感应加热线圈3对石墨坩埚4耦合频率为2.5kHz的高频电场。高频电源采用温度闭环控制方式，分步式加热。第一步将温度设定为1410℃，使硅衬底熔化，利用熔体硅对坩埚壁的溶解作用形成碳饱和溶液。
4、重新将温度设定为1800℃，保持恒温，使碳化硅薄膜与碳饱和硅溶液的界面逐渐向熔体中延伸，薄膜逐渐变厚，至熔体耗尽时，晶体生长过程结束，生成浅黄色碳化硅晶片。全过程耗时约20小时。

Claims (4)

  1. 一种利用硅衬底上的β碳化硅晶体薄膜生长碳化硅单晶体的方法，通过下述方法和步骤实现：
    本发明提供的方法是，利用以常规方法制备的硅衬底β碳化硅晶体薄膜，在石墨坩埚中将其硅衬底熔化，形成使固体碳化硅薄膜反过来成为衬底并浸润于碳饱和硅溶液中的碳化硅液相外延系统，藉以生长碳化硅单晶体。
    其具体步骤如下：
    1、用常规气相异质外延法在硅衬底上制备均匀性好的β-SiC外延薄膜；
  2. 2、将带有β-SiC薄膜的硅衬底置于电子纯石墨坩埚中，坩埚置于10-4Pa高真空室内；
  3. 3、在上述高真空或高真空后的充氩气氛保护下，用高频加热或电阻加热方式将硅衬底加热到其熔点1410℃令其熔化；
  4. 4、继续升高硅溶液的温度，在1600-1900℃范围内根据生长速率的需要确定生长温度，保持恒温，使碳化硅液相外延在准静态条件下进行，生长速率在0.1-10μm/min之间由生长温度调节。
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