本发明属于碳化硅单晶生长领域，具体涉及一种优化碳化硅单晶生长的方法。
背景技术：
作为第三代半导体材料，碳化硅单晶具有禁带宽度大，抗辐射能力强，击穿电场高，介电常数小，热导率大，电子饱和漂移速度高，化学稳定性高等独特的特性，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料。在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用，尤其在国防军事上有着重要的战略地位，因此受到各国的高度重视。
目前，生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法（Physical Vapor Transport），且在升华系统中形成的晶体具有较低的缺陷水准，因此也是主要商业化量产的技术。在典型碳化硅生产技术中，整个生长系统包括生长室、感应加热系统及水冷系统，坩埚及保温材料（典型的生长系统结构如图1所示）。在石墨坩埚中生长SiC晶体时，经常观察到生长原料（SiC粉体）石墨化现象，即SiC粉体颗粒发生非化学计量比分解，更多的硅原子以各种气相组分SimCn，包括气态的富硅基团（当m>n时，气象组分SimCn就是气态的富硅基团）的形式进入气相，导致生长原料中碳过量。SiC粉体的石墨化将增大晶体石墨化和形成其他多型、位错与微管道的可能性，使得晶体生长速率在很大程度上受到限制。增大生长室内气体压强在一定程度上可以抑制SiC粉体的石墨化，但也会相应降低晶体的生长速度。因此，如何设计一种提高生长过程中的Si与C组分的比例来优化碳化硅单晶生长的方法成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提出了一种优化碳化硅单晶生长的方法，该方法通过设置石墨导管，在碳化硅单晶生长过程中通入硅烷气体，高温时气体分解，产生气态的Si组分，首先可以提高SiC籽晶或晶体附近的Si与C的组分比例，促进晶体稳定生长，降低多型、位错与微管道的形成；其次，气态Si组分可以与SiC原料升华后所产生的C反应，抑制SiC原料的石墨化，使升华的组分稳定地向生长区输运，优化生长过程，降低晶体中的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种优化碳化硅单晶生长的方法，根据本发明的实施例，包括以下步骤：（1）在石墨坩埚的侧壁上部钻取一个气孔，用于连接石墨导管；（2）将SiC原料置于所述石墨坩埚底部，将SiC籽晶置于与所述石墨坩埚上盖相连的石墨托盘上；（3）将所述石墨导管一端接入所述石墨坩埚侧壁上的气孔，另一端连接感应加热炉的硅烷管路，用于通过此导管向所述炉体生长室内通入硅烷气体；（4）在碳化硅晶体生长前先将所述石墨坩埚抽真空，当所述生长室内的真空度达到1×10-4Pa后，保持真空状态，向所述生长室内通入置换气体一段时间，再间隔10-40min后再次通入相同流量、相同时间的置换气体，周期性重复此过程，彻底置换出所述生长室内残留的空气，达到除氧的目的，用于防止所述生长室内残余的氧与后续生长过程中通过所述石墨导管所通入的硅烷气体发生反应；（5）对所述生长室加热，控制所述坩埚上盖处的温度T1为1800-2300℃，控制所述SiC原料升华的温度T2为2100-2700℃，生长压力P为0-10KPa；（6）通过所述感应加热炉的硅烷管路经所述石墨导管向生长室内通入硅烷气体，通入时间与晶体生长时间相同；（7）所示碳化硅晶体生长结束，逐渐降低生长室温度至室温。
发明人发现，根据本发明实施例的该方法通过设置石墨导管，在碳化硅单晶生长过程中通入硅烷气体，高温时气体分解，产生气态的Si组分，首先可以提高SiC籽晶或晶体附近的Si与C的组分比例，促进晶体稳定生长，降低多型、位错与微管道的形成；其次，气态Si组分可以与SiC原料升华后所产生的C反应，抑制SiC粉体的石墨化，使升华的组分稳定地向生长区输运，优化生长过程，降低晶体中的缺陷。
根据本发明的实施例，所述气孔的直径为4-8mm。
根据本发明的实施例，所述SiC籽晶的直径为2-8英寸。
根据本发明的实施例，步骤（4）中，通入所述置换气体流量为1-100mL/min，时间为3-60min，周期性重复次数大于5次；置换气体为H2、Ar、He中的一种或者这三种气体的任意组合气体。
根据本发明的实施例，步骤（6）中，通入硅烷气体的流量为1-50mL/min，通入时间与晶体生长时间均为20-200hr。
根据本发明的实施例，步骤（7）中，降温时间为10-50hr。
根据本发明的实施例，所述碳化硅单晶为2H、4H、6H、3C和15R或这五种晶型的任意组合晶型。
根据本发明的实施例，硅烷气体为甲硅烷。
根据本发明的实施例，所述石墨导管成反“Z”形。
本发明至少包括以下有益效果：本发明所述优化碳化硅单晶生长的方法通过设置石墨导管，在碳化硅单晶生长过程中通入硅烷气体，高温时气体分解，产生气态的Si组分，首先可以提高SiC籽晶或晶体附近的Si与C的组分比例，促进晶体稳定生长，降低多型、位错与微管道的形成；其次，气态Si组分可以与SiC原料升华后所产生的C反应，抑制SiC粉体的石墨化，使升华的组分稳定地向生长区输运，优化生长过程，降低晶体中的缺陷。
附图说明
图1为本发明优化碳化硅单晶生长方法的装置结构示意图。
其中，感应线圈1，石墨导管2，硅烷气体3，SiC籽晶4，石墨坩埚5，SiC原料6，石墨坩埚上盖7，石墨托盘8。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能让理解为对本发明的限制。
本发明提出了一种优化碳化硅单晶生长的方法，根据本发明的实施例，图1为本发明优化碳化硅单晶生长方法的装置结构示意图，参照图1所示，包括以下步骤：第一步：在石墨坩埚5的侧壁上部钻取一个直径为4-8mm的气孔，用于连接石墨导管2；第二步：将SiC原料6置于所述石墨坩埚底部，将直径为2-8英寸的SiC籽晶4置于与所述石墨坩埚上盖7相连的石墨托盘8上；第三步：将所述石墨导管一端接入所述石墨坩埚侧壁上的气孔，另一端连接感应加热炉的硅烷管路，用于通过此导管向所述炉体生长室内通入硅烷气体3；根据本发明的一些实施例，本发明所述气孔位于所述SiC原料的上方，所述石墨导管的具体形状不受限制，本发明优选为反“Z”形，硅烷气体的具体种类不受限制，可以为甲硅烷、乙硅烷或其他更高级的硅氢化合物，本发明优选为甲硅烷(SiH4)，其纯度为99.9999%以上。在碳化硅单晶生长过程中通入甲硅烷（SiH4）气体，高温时SiH4分解，产生气态的Si组分，首先可以提高SiC籽晶或晶体附近的Si与C的组分比例，促进晶体稳定生长，降低多型、位错与微管道的形成；其次，气态Si组分可以与SiC原料升华后所产生的C反应，抑制SiC粉体的石墨化，使升华的组分稳定地向生长区输运，优化生长过程，降低晶体中的缺陷。
根据本发明的实施例，第四步：在碳化硅晶体生长前先将所述石墨坩埚抽真空，当所述生长室内的真空度达到1×10-4Pa后，保持真空状态，向所述生长室内通入置换气体，气体流量为1-100mL/min，通入时间为3-60min，再间隔10-40min后再次通入相同流量、相同时间的置换气体，周期性重复此过程5次以上，彻底置换出所述生长室内残留的空气，达到除氧的目的，用于防止所述生长室内残余的氧与后续生长过程中通过所述石墨导管所通入的硅烷气体发生反应；根据本发明的一些实施例，本发明所述置换气体可以为H2、Ar、He中的一种或者这三种气体的任意组合气体。
根据本发明的实施例，第五步：对所述生长室加热，控制所述坩埚上盖处的温度T1为1800-2300℃，控制所述SiC原料升华的温度T2为2100-2700℃，生长压力P为0-10KPa；第六步：通过所述感应加热炉的硅烷管路经所述石墨导管向生长室内通入硅烷气体，流量为1-50mL/min，通入时间与晶体生长时间相同，均为20-200hr；通过感应加热炉的感应线圈1对所述坩埚加热，通过热传导作用，使SiC原料达到升华温度T2，控制石墨坩埚上盖处的温度T1低于SiC原料的温度，使得升华后的气象组分SimCn在籽晶处结晶生长，同时通入甲硅烷（SiH4）气体，使其在坩埚内部分解产生气态的Si组分，增加Si与C的组分比例，得到低缺陷的SiC晶体。根据本发明的一些实施例，在石墨坩埚中生长SiC晶体时，经常观察到生长原料（SiC粉体）石墨化现象，即SiC原料颗粒发生非化学计量比分解，更多的硅原子以各种气相组分SimCn，包括气态的富硅基团（当m>n时，气象组分SimCn就是气态的富硅基团）的形式进入气相，导致生长原料中碳过量。本发明通过导入甲硅烷（SiH4）气体很好地抑制了SiC粉体的石墨化。
根据本发明的实施例，第七步：所示碳化硅晶体生长结束，逐渐降低生长室温度至室温，降温时间为10-50hr，优选的，本发明所述碳化硅单晶为2H、4H、6H、3C和15R或这五种晶型的任意组合晶型。
实施例1：采用感应加热式PVT法单晶炉生长4H-SiC单晶，具体步骤如下：（1）在石墨坩埚的侧壁上部钻取一个直径为6mm的气孔；
（2）将SiC原料置于所述石墨坩埚底部，将直径为4英寸的SiC籽晶置于与所述石墨坩埚上盖相连的石墨托盘上，生长面为碳面，生长方向为轴向；
（3）将装配好的坩埚置于单晶炉生长室中，所述石墨导管一端接入所述石墨坩埚侧壁上的气孔，另一端连接感应加热炉的硅烷管路；
（4）在碳化硅晶体生长前先将所述石墨坩埚抽真空，使所述生长室内的真空度达到1×10-4Pa，保持真空状态，向所述生长室内通入氩气，气体流量为20mL/min，通入时间为10min，再间隔10min后再次通入相同流量、相同时间的置换气体，周期性重复此过程6次，彻底置换出所述生长室内残留的空气；
（5）对所述生长室加热，控制所述坩埚上盖处的温度T1为1900℃，控制所述SiC原料升华的温度T2为2300℃，生长压力P为5KPa；
（6）通过所述感应加热炉的硅烷管路经所述石墨导管向生长室内通入甲硅烷气体，流量为5mL/min，通入时间与晶体生长时间相同，均为100hr。
（7）所示碳化硅晶体生长结束，逐渐降低生长室温度至室温，降温时间25hr，得到厚度大于30mm，直径大于4英寸的4H-SiC单晶，生长速度大于6g/hr，微管密度低于5/cm2，无包裹物，无多型。
实施例2：采用感应加热式PVT法单晶炉生长6H-SiC单晶，具体步骤如下：（1）在石墨坩埚的侧壁上部钻取一个直径为6mm的气孔；
（2）将SiC原料置于所述石墨坩埚底部，将直径为4英寸的SiC籽晶置于与所述石墨坩埚上盖相连的石墨托盘上，生长面为碳面，生长方向为轴向；
（3）将装配好的坩埚置于单晶炉生长室中，所述石墨导管一端接入所述石墨坩埚侧壁上的气孔，另一端连接感应加热炉的硅烷管路；
（4）在碳化硅晶体生长前先将所述石墨坩埚抽真空，使所述生长室内的真空度达到1×10-4Pa，保持真空状态，向所述生长室内通入氩气，气体流量为20mL/min，通入时间为10min，再间隔10min后再次通入相同流量、相同时间的置换气体，周期性重复此过程6次，彻底置换出所述生长室内残留的空气；
（5）对所述生长室加热，控制所述坩埚上盖处的温度T1为2000℃，控制所述SiC原料升华的温度T2为2400℃，生长压力P为5KPa；
（6）通过所述感应加热炉的硅烷管路经所述石墨导管向生长室内通入甲硅烷气体，流量为5mL/min，通入时间与晶体生长时间相同，均为100hr。
（7）所示碳化硅晶体生长结束，逐渐降低生长室温度至室温，降温时间25hr，得到厚度大于30mm，直径大于4英寸的6H-SiC单晶，生长速度大于6g/hr，微管密度低于5/cm2，无包裹物，无多型。
发明人发现，根据本发明实施例的该方法通过设置石墨导管，在碳化硅单晶生长过程中通入硅烷气体，高温时气体分解，产生气态的Si组分，首先可以提高SiC籽晶或晶体附近的Si与C的组分比例，促进晶体稳定生长，降低多型、位错与微管道的形成；其次，气态Si组分可以与SiC原料升华后所产生的C反应，抑制SiC粉体的石墨化，使升华的组分稳定地向生长区输运，优化生长过程，降低晶体中的缺陷。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，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。