一种快速制备大尺寸SiC单晶晶棒的方法与流程

本发明涉及一种大尺寸SiC单晶晶棒的制备方法，属于晶体生长领域。

背景技术：

作为第三代宽带隙半导体材料的一员，相对于常见Si和GaAs等半导体材料，碳化硅材料具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高，热导率高、临界击穿场强高等诸多优异的性质。基于这些优良的特性，碳化硅材料是制备高温电子器件、高频大功率器件更为理想的材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。在光电子领域，相对传统晶片材料Si与蓝宝石，SiC与GaN材料晶格及热适配更小，用碳化硅晶片制作的LED性能远优于蓝宝石晶片。

籽晶升华法是目前制备SiC单晶晶锭的主要方法。在典型的籽晶升华法中，籽晶和源粉二者均被放置在石墨坩埚坩埚中，将坩埚加热至粉料能够升华的温度且在源粉和温度较低的籽晶之间产生温度梯度，这个温度梯度促进了物资从源粉到籽晶的气相移动，随后源粉升华的物质在籽晶上凝结从而导致晶体的生长。这种方法也被成为物理气相传输方法。目前已经使用升华法制备出的3-4英寸SiC晶片已经广泛用于制备各种器件。

大尺寸的SiC晶片能够有效提高SiC器件的制备效率，大幅降低SiC器件的成本。晶片的尺寸决定于SiC晶棒的直径，SiC晶棒通常由升华法制备的SiC单晶晶锭通过外形加工获得，但典型的籽晶升华法只能制备与籽晶尺寸相同或略大于籽晶的SiC单晶晶锭。通常的获取大尺寸单晶晶棒的方法是通过以下过程进行制备：1.使用籽晶升华法生长直径略大于籽晶籽晶的单晶晶锭；2.对所获单晶晶锭进行加工制备出直径略大于上炉次籽晶直径的籽晶，用于下轮次的单晶生长；3.多次重复上述1,2步骤，最终获取满足直径要求的SiC单晶晶锭，经外形加工获得SiC单晶晶棒；这种生长获取大尺寸单晶晶棒的方法由于需要重复进行多个轮次的生长，需要消耗大量的施加和物料，无法实现快速的大尺寸SiC单晶晶棒的制备，效率较为低下。

为克服上述方法存在问题，Tomohisa Kato等人在（Enlargement Growth of Large 4H-SiC Bulk Single Crystal[C]//Materials Science Forum. 2011, 679: 3-7.）一文中报道了使用LLG技术方法，实现碳化硅的快速扩径，获取大尺寸SiC单晶晶棒。但在该方法中为获取较大的单晶扩径驱动力，需引入了较大的径向温度梯度，这会在单晶内部引入较大的内应力甚至导致单晶开裂，并引入大量缺陷从而导致质量下降，该方法仍然无法快速获取高质量的大尺寸SiC单晶晶棒。

为此，如何提供一种快速制备大尺寸SiC单晶晶棒的方法，是本发明研究的目的。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于小直径SiC晶片快速实现大尺寸碳化硅单晶晶棒制备的方法，通过将多个小直径晶片，切割为多边形，将多边形SiC晶片进行组合拼接排列形成阵列并固定于涂覆有难熔金属碳化物的石墨籽晶托上，从而制备完整的大尺寸SiC籽晶进行籽晶升华法生长，获取大尺寸SiC单晶晶锭，单晶晶锭经外形加工最终获得大尺寸SiC单晶晶棒。

为解决现有技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种快速制备大尺寸SiC单晶晶棒的方法，主要包括小尺寸SiC晶片的切割和组合，大尺寸SiC籽晶的制备及大尺寸SiC单晶生长，步骤如下：

（1）选择若干个尺寸小于最终要制备单晶尺寸圆片状SiC晶片，进行切割加工，获得若干所需外形的SiC晶片；

（2）将步骤（1）中制备的SiC晶片，进行组合排列形成阵列，并固定带有涂覆层的石墨籽晶托上；

（3）将固定有小晶片阵列的籽晶托和SiC粉料置于籽晶升华法生长体系中，选择适宜晶体横向生长的生长条件，生长5-30小时，使横向生长出的SiC单晶完全填充小晶片阵列间的空隙，获得无缝隙的完整大尺寸SiC籽晶；

（4）使用步骤（3）制备出的完整大尺寸SiC籽晶进行籽晶升华法生长，获得大尺寸SiC单晶晶锭；

（5）使用步骤（4）制备的SiC单晶，进行外形加工，最终获得大尺寸SiC单晶晶棒。

进一步的，所述步骤（1）中选取的SiC晶片厚度在100-1000um之间，优选的在300-500um。

进一步的，所述步骤（1）中选取的SiC晶片厚度差在300um以内，优选的在50um以内。

进一步的，所述步骤（1）中选取的SiC晶片，其晶型结构一致。

进一步的，所述步骤（1）所选的SiC晶片，其表面结晶学取向差在0-8°之间，进一步优选的在0-4°之间，步骤（2）中制备的小晶片阵列中，各小晶片间<0001>及<11-20>晶向偏差在0-8°之间，进一步优选的在0-4°之间。

进一步的，所述步骤（2）中小晶片阵列所覆盖区域的最大内接圆直径Φ₁与计划制备单晶晶锭的直径Φ₂的差Φ₃（即Φ₃=Φ₁-Φ₂）在-15mm~15mm之间，进一步优选的在-5mm~10mm之间。

进一步的，所述步骤（2）中制备的小晶片阵列中的各个晶片的端面间的间隙0-2mm之间，优选的在0-0.5mm之间。

进一步的，所述步骤（2）中所使用的石墨籽晶托表面涂覆有难溶金属碳化物抑制多晶碳化硅的附着，金属碳化物包含但不限于 Ta_xC_y或Nb_xC_y，优选的表面涂覆材料为TaC。

进一步的，所述步骤（3）生长温度在1800-2100℃之间，优选的在1800-1900℃，纵向生长速率在20-150um/h之间，优选的在20-50um/h之间。

本发明的有益效果是：能够实现SiC单晶晶棒尺寸的快速增加，节省时间和资源；避免了传统扩径生长方法中径向温度梯度过大导致晶体缺陷增殖和开裂等问题。

附图说明

图1 为切割前小直径SiC晶片及切割线示意图。

图2 为切割后SiC晶片后形成的各个小晶片。

图3 为切割后各个晶片的阵列组合方式。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更加理解本发明技术方案，下面结合附图1-3和具体实施例对本发明做进一步分析。

一种快速制备大尺寸SiC单晶晶棒的方法，主要包括小尺寸SiC晶片的切割和组合，大尺寸SiC籽晶的制备及大尺寸SiC单晶生长，步骤如下：

（1）选择若干个尺寸小于最终要制备单晶尺寸圆片状SiC晶片，进行切割加工，获得若干所需外形的SiC晶片；

（2）将步骤（1）中制备的SiC晶片，进行组合排列形成阵列，并固定带有涂覆层的石墨籽晶托上；

（3）将固定有小晶片阵列的籽晶托和SiC粉料置于籽晶升华法生长体系中，选择适宜晶体横向生长的生长条件，生长5-30小时，使横向生长出的SiC单晶完全填充小晶片阵列间的空隙，获得无缝隙的完整大尺寸SiC籽晶；

（4）使用步骤（3）制备出的完整大尺寸SiC籽晶进行籽晶升华法生长，获得大尺寸SiC单晶晶锭；

（5）使用步骤（4）制备的SiC单晶，进行外形加工，最终获得大尺寸SiC单晶晶棒。

实施例1：本实施例目的为制备直径为150mm的4H-SiC晶棒。

使用四片厚度在430-450um、表面取向均为c轴正向、直径为100mm的4H-SiC晶片，晶片外形如图1所示，沿图1中所示曲线使用金刚石砂线对晶片进行切割。如图2所示，切割后每个晶片被切割为五个部分，分别被命名为a-e部分。

将4个晶片中切割下来的4片a部分、1片b部分、1片c部分、1片d部分，一片e部分，按照图3所示排列顺序构成小晶片阵列，并使用胶水将小晶片阵列固定在涂覆有TaC涂层的石墨籽晶托上。

将该籽晶托置于籽晶升华法生长体系中，生长温度1850℃，纵向生长速率约35um/h，生长20小时，小晶片间的缝隙得以完全填充，制备出完整籽晶。

使用该籽晶进行籽晶升华法生长，生长温度2150℃，生长压力1000Pa，生长时间80小时，制备出SiC单晶；单晶经外圆滚磨，最终制备出籽晶为150mm的4H-SiC晶棒。

本发明所述的大尺寸SiC单晶晶棒制备方法，相对现有技术简单易行相对现常用的重复生长方法能够实现SiC单晶晶棒尺寸的快速增加，节省时间和资源；采用本发明提供的大尺寸SiC单晶晶棒制备方法，相对于使用大径向梯度快速扩径的方法，可在较小的径向温度梯度下采用籽晶升华法制备单晶，避免了传统扩径生长方法中径向温度梯度过大导致晶体缺陷增殖和开裂等问题。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。