用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法

摘要

本发明公开了一种用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法，具体步骤包括：制作石墨柱；将碳化硅粉源装入坩埚中，然后将石墨柱插入碳化硅粉源中，再将坩埚工装后置入生长设备中；进行碳化硅粉源烧结并除杂；从坩埚中取出石墨柱；进行晶体生长操作。本发明解决了现有技术中碳化硅粉源利用率不高、晶体平均生长速率低的问题。

说明书

技术领域

本发明属于人工晶体生长技术领域，具体涉及一种用于提高晶体生长速 率的碳化硅晶体生长方法。

背景技术

第三代半导体材料碳化硅（SiC）具有禁带宽、临界雪崩击穿电场强度 高、电子饱和漂移速度高、热导率高以及耐高温、抗辐照和耐腐蚀等特点， 是制造高性能电力电子器件、大功率固体微波器件和固体传感器等新型器件 以及耐高温集成电路的优选材料，从而广泛应用于石油、化学、汽车、航空、 航天、通信、武器等行业。

碳化硅在正常的工程条件下无液相存在，低压下1800℃左右开始升华 为气体，因而不能象锗、硅、砷化镓那样用籽晶从熔体中生长，也不能用区 熔法进行提纯，并且存在一定条件下极易相互转变的不同结晶形态（即同质 异晶型或同质多型体，Polytype），故碳化硅是当今世界人工晶体生长的难 点之一。

目前主要有两种碳化硅晶体制备方法：以体单晶为目标的物理气相输 运法（即籽晶升华法）和以薄膜制备为目标的外延法。现有技术中物理气 相输运法将作为生长源的碳化硅粉（或硅、碳固态混合物）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，这些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 而结晶生长，形成晶态的碳化硅。

在升华法制备碳化硅晶体过程中，因温场分布问题，碳化硅粉源内部存 在轴向和径向温度梯度，而粉源之间也有空隙。生长初期，靠近坩埚壁的系 统高温区分解产生的反应气体不仅从坩埚壁与粉源之间输运至晶体生长面， 而且同时也向粉源的内部和下部输运。输运至粉源中的气相物质一方面通过 粉源之间的空隙继续传输至晶体生长面，另一方面还会在温度相对较低的粉 源内部和下部以原有的碳化硅颗粒为晶核结晶生长，使得粉源中结晶生长处 的碳化硅粉的粒径增大，密度增加，空隙率减小，影响了粉源中的气相物质 输运至晶体生长面。进一步，随着晶体生长的持续，碳化硅粉源将出现分层 现象，其中粉源中致密区的出现使得原来松散的相互独立的SiC颗粒紧密连 接在一起，相对成为一个整体，粉源颗粒之间的空隙基本消失。此后，升华、 分解产生的气相物质仅能从坩埚壁与粉源之间输运至晶体生长面，从而影响 了升华产生的气相物质的有效输运，降低了晶体生长速率。

另外，碳化硅粉源升华、分解时，单个碳化硅颗粒并不是一次全部分解、 消失，而是从外向内逐步完成的。颗粒表面分解产生的碳将形成一个碳壳层， 完全包裹住未分解的颗粒里层（以下简称为碳化硅核），而碳壳层的形成降 低了粉源的有效热导率，并对碳化硅核分解产生的气态物质输运形成阻力， 致使碳化硅核的分解速度降低。此外，靠近坩埚壁的碳化硅粉由于温度相对 较高先升华、分解，然后随着晶体生长的持续，升华区域逐步向温度相对较 低的粉源中心扩展，而粉源边缘升华、分解产生的碳以碳化硅赝型存在，降 低了热量从坩埚壁向粉源中心传递的效率，致使粉源中心区域的碳化硅颗粒 在生长结束时仍未完全升华分解。

由于温场分布导致的碳化硅粉源致密化、分层和单个碳化硅颗粒的逐步 分解（指非一次性分解）使升华法制备碳化硅晶体过程中，随着晶体生长的 持续，气相物质向晶体生长面的有效输运效率降低，同时粉源的升华分解率 逐步降低，从而导致晶体生长速率逐步降低，甚至停顿。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方 法，解决了现有技术中晶体平均生长速率低以及碳化硅粉源利用率不高的问 题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体 生长方法，其特征在于，依次进行如下步骤：

步骤1、将碳化硅粉源和石墨柱装入坩埚中，再将坩埚工装后置入生长 设备中；

步骤2、按照现有常规工艺方法进行碳化硅粉源烧结并除杂；

步骤3、从坩埚中取出石墨柱；

步骤4、按照现有常规工艺方法进行晶体生长操作。

其中，步骤1中，先在坩埚内装入碳化硅粉源，再插入石墨柱。

或者，步骤1中，石墨柱底部表面设置有外螺纹，坩埚的底部设置有螺 纹孔，石墨柱通过螺纹连接在坩埚上；先将石墨柱以螺纹方式固定在坩埚底， 再将碳化硅粉源装入坩埚中。

进一步地，石墨柱的直径为5～15mm，所使用石墨柱的底面积之和占 其所在坩埚内腔底面积的20%～40%。

石墨柱均伸入到坩埚底部，且石墨柱顶部高于碳化硅粉源表面10～ 20mm。

更进一步地，所使用坩埚的内腔在水平方向上均匀分成多个用于盛放碳 化硅粉源的分装区域，步骤2中将碳化硅粉源分别装入坩埚的各个分装区域 中，并在各分装区域中均插入石墨柱。

其中，坩埚的各分装区域的横截面均为圆形且呈蜂窝状排列。

坩埚的各分装区域的横截面均为扇形且沿坩埚的中心周向分布。

坩埚为一体式结构。

本发明的有益效果是：在装填碳化硅粉源时，在碳化硅粉源中置入一定 数量和尺寸的石墨柱，粉源烧结后取出石墨柱，从而在粉源中形成了升华产 生的气相物质的输运通道，进而增加了气相物质输运至晶体生长面的途径， 减弱了粉源中的结晶现象，降低了粉源的致密化程度，增大了生长所需气相 物质的供应量，提高了晶体生长速率，解决了现有技术中晶体平均生长速率 低的问题。另外，本发明方法将碳化硅粉源分别盛放在坩埚的各分装区域中， 能减少粉源中的径向温度梯度，增大粉源与高温区的接触面积，提高坩埚中 心的粉源温度，增加粉源的升华、分解率，减弱粉源中的结晶现象，抑制粉 源的分层，也可进一步提高晶体平均生长速率。

附图说明

图1是碳化硅晶体生长坩埚工装示意图；

图2是本发明中的坩埚的结构示意图之一；

图3是本发明中的坩埚的结构示意图之二；

其中，1.上测温孔，2.绝热套，3.籽晶，4.线圈，5.现有坩埚，6.碳化硅 粉源，7.下测温孔，8.坩埚，81.圆形分装区域，82.扇形分装区域。

具体实施方式

实施例1

本发明用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法，依次进行如下步 骤：

步骤1、如图2所示，本发明中使用的坩埚8外部形状为圆柱形、且为 石墨材质，坩埚8内腔包括用于盛放碳化硅粉源的六个圆形分装区域81，该 六个圆形分装区域81的横截面均为圆形且在水平方向上呈蜂窝状均匀排列， 具体为：其中一个圆形分装区域81位于坩埚8的中心，另外五个周向均匀 分布在其外侧。坩埚8为一体式结构，即五个分装区域81之间的间隔为同 材质且一体式机构，有利于碳化硅份源在高温下反应的一致性。

将碳化硅粉源分别装入坩埚的六个圆形分装区域81中，并在各六个圆 形分装区域81中均插入石墨柱，再将坩埚8进行工装后置入碳化硅晶体生 长设备中。石墨柱的直径为5～15mm，所使用石墨柱的底面积之和占其所 在坩埚内腔底面积的20%～40%。石墨柱均伸入到坩埚底部，且石墨柱顶部 高于碳化硅粉源表面10～20mm。

步骤2、按照现有常规工艺方法进行碳化硅粉源烧结并除杂。

步骤3、从坩埚中取出石墨柱。

步骤4、按照现有常规工艺方法进行晶体生长操作。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤1中，所使用的坩埚8的结构 不同。如图3所示，本实施例中，坩埚8内腔包括用于盛放碳化硅粉源的四 个扇形分装区域82，该四个扇形分装区域82的横截面均为扇形且在水平方 向上沿坩埚的中心周向分布。坩埚8为一体式结构，即四个扇形分装区域82 之间的间隔为同材质且一体式机构，有利于碳化硅份源在高温下反应的一致 性。石墨柱底部表面设置有外螺纹，坩埚的底部设置有螺纹孔，石墨柱通过 螺纹连接在坩埚上。先将石墨柱以螺纹方式固定在坩埚底，然后再将定量的 碳化硅粉源分别装入坩埚。石墨柱的直径为5～15mm，所使用石墨柱的底 面积之和占其所在坩埚内腔底面积的20%～40%。石墨柱顶部高于碳化硅粉 源表面10～20mm。

本发明方法在装填碳化硅粉源时，可预先将石墨柱以螺纹方式固定在坩 埚底，然后再将定量的碳化硅粉源分别装入坩埚的分装区域中，或者也可先 在坩埚的分装区域中装入碳化硅粉源，然后在粉源中置入一定数量和尺寸的 石墨柱。粉源烧结后取出石墨柱，从而形成升华产生的气相物质输运通道， 气相物质输运通道有利于气相物质输运到晶体生长面，并减弱碳化硅粉源中 的结晶和分层现象，进而提高晶体平均生长速率和粉源的利用率。

本发明在满足计划填装粉源容量要求的基础上，以增大粉源与石墨壁的 接触面积、提高坩埚内部粉源填装部分温度分布的均匀性为目标，确定粉源 分装区的形状、大小、多少和具体分布。另外，本发明中根据需要选用的石 墨柱均伸入到坩埚底部，且石墨柱顶部高于碳化硅粉源表面10～20mm，以 便于操作。石墨柱的直径5～15mm，直径太小会强度不够，直径大则影响 添装的碳化硅粉源的数量。石墨柱的数量根据坩埚内径的大小确定，使用石 墨柱的底面积之和占其所在坩埚内腔底面积的20%～40%为宜，实验数据表 明，此时生长速率高，粉源利用率高。当其余生产工艺参数均相同时，与生 长时间60小时、且未采用石墨柱的晶体生长实验相比较，本发明石墨柱的 底面积之和占坩埚内粉源分装部分底面积之和的约23%时，粉源的利用率提 高了19%，晶体生长速率提高了32%；当本发明石墨柱的底面积之和占坩埚 内粉源分装部分底面积之和的约36%时，粉源的利用率提高了31%，晶体生 长速率提高了56%。

如图1所示，在物理气相输运法制备碳化硅晶体时，是将坩埚外部设置 绝热套2，绝热套2的上下两端中心开孔并分别形成上测温孔1和下测温孔 7，绝热套2的外侧设置有线圈4，在坩埚内盛放碳化硅粉源6，坩埚顶部盖 板下方放置籽晶3。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，这些气态物质自然输运到低温的籽晶位置，并由于超饱和度的 产生而结晶生长，形成晶态的碳化硅。现有坩埚5为普通石墨坩埚，其内腔 为圆柱形。

本发明在制备碳化硅晶体过程中，将碳化硅粉源分别盛放在各分装区域 中，能减少粉源中的径向温度梯度，增大粉源与高温区的接触面积，提高坩 埚中心的粉源温度，增加粉源的升华、分解率，减弱粉源中的二次结晶现象， 抑制粉源的分层，从而进一步提高粉源的利用率和晶体平均生长速率。本发 明中根据需要选用不通内腔分区形式的坩埚，坩埚内腔中分装区域的形状和 多少根据工况要求而定。如考虑计划填装粉源的质量、粉源中的温度分布、 坩埚内部粉源填装部分的温度分布，粉源与石墨壁的接触面积、晶体生长时 间等因素。