一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产装置的制作方法

本实用新型涉及一种高频器件应用领域，主要涉及一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产装置。

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。同时SiC另一种宽禁带半导体材料GaN 最好的衬底材料，使用SiC衬底制备的GaN基白光LED发光效率远高于传统的Si及蓝宝石衬底。除半导体应用领域外，SiC由于折射率高，色散系数大等优点，在珠宝装饰行业同样有着巨大的应用前景。

SiC单晶中的B杂质能够在SiC的多个上述应用领域带来负面影响：在高频器件应用领域，半绝缘SiC衬底能够有效降低器件的介电损耗和寄生效应，大幅降低开关损耗，因此更适宜用来制备微波器件。V族B是IV族化合物半导体SiC中的常见的受主杂质，其能够在SiC中引入空穴导致SiC衬底电阻率下降，增加半绝缘SiC衬底的制备难度和产率，降低器件效率；在大功率的电力电子器件领域，由于B在SiC中较大的扩散系数，其在器件制备 工艺过程中扩散至有源区内，降低器件效率，甚至导致器件失效；在珠宝装饰领域，B杂质的存在能够导致装饰品在可见光区发生光吸收，导致装饰品呈现灰色，降低装饰品品相。

物理气相传输方法（PVT）是目前制备SiC单晶最为常用的方法，专利CN1554808A公开了一种籽晶升华法的方法，粉料和籽晶分别置于石墨坩埚的顶部和底部，使用感应加热方法建立由籽晶指向粉料的正温度梯度；当温度达到粉料的升华温度，粉料分解为Si₂C，SiC₂和Si等气相生长组分以及固态的碳残留，气相生长组分在温度梯度的作用下向上输运至籽晶，沉积在籽晶上进而实现SiC单晶的生长。物理气相传输方法制备SiC单晶，B杂质主要来源为粉料及石墨热场，因此使用该方法制备低B杂质浓度的SiC单晶需要极高纯度的SiC粉料，而SiC粉料的制备成本及制备难度会伴随纯度要求迅速增加，因此这大大增加了低B杂质浓度的SiC单晶的制备成本及难度。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产装置，以实现低硼杂质浓度SiC单晶的制备。本实用新型主要是一种物理气相传输方法的改良生产装置，通过在物理气相传输方法的改良生产装置中，在粉料与籽晶间引入了节流装置，该节流装置能够使粉料升华的气相生长组分在输运至籽晶前经历若干次‘结晶-再升华’过程，在一次生长过程中做到原料提纯，进而降低单晶中B杂质。由此，降低了低B杂质浓度单晶制备对粉料纯度的依赖，降低生长成本；在生长过程中，对原料进行了提纯，提高了低B杂质浓度单晶的制备效率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供了一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的坩埚结构，其特征在于，包含石墨坩埚、籽晶、粉料和节流装置，其中，所述籽晶设置在所述石墨坩埚的顶部，所述粉料设置在所述石墨坩埚的底部，所述节流装置设置在所述粉料及所述籽晶之间，用于使粉料升华的气相生长组分在输运至籽晶前经历结晶-再升华过程，从而在一次生长过程中做到原料提纯，进而降低单晶中的硼杂质,其中,所述节流装置的孔隙率在30-60%,所述节流装置的气体透过率与坩埚侧壁的气体透过率比在10-1000之间。

进一步的，所述节流装置沿坩埚的高度方向设置为多个，并且在所述节流装置在数量大于1时，相邻两个节流装置间距不小于5mm。

进一步的，所述节流装置由能够耐受2500℃以上温度的多孔材料或复合材料构成，包含但不仅限于多孔石墨。

进一步的，所述粉料为SiC多晶粉料，其硼杂质浓度不大于0.5ppmw；所述籽晶的晶型为4H-SiC、6H-SiC或15R-SiC；所述石墨坩埚为等静压石墨构成，密度大于1.7g/cm3，所述石墨坩埚的B杂质浓度不大于1ppmw。

进一步的，所述粉料硼杂质浓度不大于0.2ppmw。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供了一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产装置，以实现低硼杂质浓度SiC单晶的制备。本实用新型主要是一种物理气相传输方法的改良生产装置，通过在物理气相传输方法的改良生产装置中，在粉料与籽晶间引入了节流装置，该节流装置能够使粉料升华的气相生长组分在输运至籽晶前经历若干次‘结晶-再升华’过程，在一次生长过程中做到原料提纯，进而降低单晶中B杂质。由此，降低了低B杂质浓度单晶制备对粉料纯度的依赖，降低生长成本；在生长过程中，对原料进行了提纯，提高了低B杂质浓度单晶的制备效率。

附图说明

图1为本实用新型的坩埚结构的结构示意图；

图2为本实用新型的一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的生长方法的工作原理图；

其中，1、籽晶，2、节流装置，3、石墨坩埚，4、粉料，5、多晶SiC。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产装置，以实现低硼杂质浓度SiC单晶的制备。本实用新型主要是一种物理气相传输方法的改良生产装置，通过在物理气相传输方法的改良生产装置中，在粉料与籽晶间引入了节流装置，该节流装置能够使粉料升华的气相生长组分在输运至籽晶前经历若干次‘结晶-再升华’过程，在一次生长过程中做到原料提纯，进而降低单晶中B杂质。由此，降低了低B杂质浓度单晶制备对粉料纯度的依赖，降低生长成本；在生长过程中，对原料进行了提纯，提高了低B杂质浓度单晶的制备效率。

本实用新型提供了一种制备低硼杂质浓度SiC单晶的坩埚结构，如图1所示，包含石墨坩埚、籽晶、粉料和节流装置，其中，所述籽晶设置在所述石墨坩埚的顶部，所述粉料设置在所述石墨坩埚的底部，所述节流装置设置在所述粉料及所述籽晶之间，所述节流装置的孔隙率在30-60%。根据本实用新型的实施例，所述节流装置设置为若干个，并且在所述节流装置在数量大于1时，相邻两个节流装置间距不小于5mm。根据本实用新型的实施例，所述节流装置的气体透过率与坩埚侧壁的气体透过率比在10-1000之间；所述节流装置由能够耐受2500℃以上温度的多孔材料或复合材料构成，包含但不仅限于多孔石墨。根据本实用新型的实施例，所述粉料为SiC多晶粉料，其B杂质浓度不大于0.5ppmw，优选的不大于0.2ppm；所述籽晶的晶型为4H-SiC、6H-SiC或15R-SiC；所述石墨坩埚为等静压石墨构成，密度大于1.7g/cm3，所述石墨坩埚的B杂质浓度不大于1ppmw。

本实用新型还提供了一种利用上述坩埚结构制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产方法，如图2所示，包括以下步骤：

（1）将粉料、若干个节流装置、籽晶按照由下至上的顺序，置于石墨坩埚中。

根据本实用新型的实施例，所述步骤（1）中的节流装置由能够耐受2500℃以上温度的多孔材料或复合材料构成，包含但不仅限于多孔石墨；节流装置的气体透过率与坩埚侧壁的气体透过率比在10-1000之间；节流装置的数量为1-5个，优选的为2-3个；所述节流装置在数量大于1时，相邻节流装置间距不小于5mm。所述步骤（1）中的所述粉料为SiC多晶粉料，其B杂质浓度不大于0.5ppmw，优选的不大于0.2ppm；所述籽晶的晶型为4H-SiC、6H-SiC或15R-SiC；所述石墨坩埚为等静压石墨构成，密度大于1.7g/cm3，所述石墨坩埚的B杂质浓度不大于1ppmw；所述石墨保温的B杂质浓度不大于5ppmw。

（2）将石墨坩埚、石墨保温置于单晶生长炉中进行SiC单晶生长，生长温度在1800-2400℃之间，生长压力在300-10000Pa之间，获取低B杂质浓度SiC单晶。所述步骤（2）中的所述低B杂质浓度SiC单晶的B杂质浓度不大于0.1ppm。

根据本实用新型的实施例，所述步骤（2）的生长过程包括以下步骤：（1）粉料首先升华，气相组分在温度梯度的作用下向上输运；（2）组分输运至节流装置处，由于节流装置的阻碍，在节流装置下形成过饱和，节流装置下部发生多晶沉积，同时由于节流装置仍具备较高的气体透过率沉积多晶上部会升华，升华组分透过节流装置继续向上输运；（3）粉料升华的气相生长组分经历若干次‘结晶-再升华’过程，最终输运至籽晶表面实现单晶生长；（4）SiC单晶生长的实际原料是最顶部节流装置下的附着多晶，同时由于结合B杂质化学分凝系数小于1，因此在一次生长过程中实现了原料提纯，最终获取低B杂质浓度的SiC单晶。

实施例1：

如附图1所示，本实用新型使用的坩埚结构包括如下结构：在坩埚内放置三个3mm厚度孔隙率为40%的多孔石墨构成的节流装置，其中粉料至籽晶表面60mm，最底部节流装置距离粉料表面15mm，底部节流装置与中部节流装置间距10mm，中部节流装置与顶部节流装置间距5mm。

本实用新型提供了一种利用上述坩埚结构制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产方法，如图2所示，包括以下步骤：

（1）将粉料、若干个节流装置、籽晶按照由下至上的顺序，置于石墨坩埚中。根据本实用新型的实施例，所述步骤（1）中的使用石墨坩埚、石墨保温、粉料的B杂质分别不大于0.4ppmw、0.7ppmw及0.3ppmw，籽晶为4H-SiC晶型。

（2）将石墨坩埚、石墨保温置于单晶生长炉中进行SiC单晶生长，使用2200℃的生长温度，2000Pa的生长压力进行单晶生长，生长60小时，获取低B杂质浓度SiC单晶。根据本实用新型的实施例，所述步骤（2）中的所述低B杂质浓度SiC单晶的B杂质浓度不大于0.1ppm。

根据本实用新型的实施例，所述步骤（2）的生长过程包括以下步骤：（1）粉料首先升华，气相组分在温度梯度的作用下向上输运；（2）组分输运至节流装置处，由于节流装置的阻碍，在节流装置下形成过饱和，节流装置下部发生多晶沉积，同时由于节流装置仍具备较高的气体透过率沉积多晶上部会升华，升华组分透过节流装置继续向上输运；（3）粉料升华的气相生长组分经历若干次‘结晶-再升华’过程，最终输运至籽晶表面实现单晶生长；（4）SiC单晶生长的实际原料是最顶部节流装置下的附着多晶，同时由于结合B杂质化学分凝系数小于1，因此在一次生长过程中实现了原料提纯，最终获取低B杂质浓度的SiC单晶。

实施例2：

如附图1所示，本实用新型使用的坩埚结构包括如下结构：在坩埚内放置两个4mm厚度孔隙率为30%的多孔石墨构成的节流装置，其中粉料至籽晶表面50mm，最底部节流装置距离粉料表面15mm，底部节流装置与顶部节流装置间距5mm。

本实用新型提供的一种利用上述坩埚结构制备低硼杂质浓度SiC单晶的生产方法，如图2所示，包括以下步骤：

（1）将粉料、若干个节流装置、籽晶按照由下至上的顺序，置于石墨坩埚中。根据本实用新型的实施例，所述步骤（1）中的使用石墨坩埚、石墨保温、粉料的B杂质分别为0.3ppmw、0.8ppmw及0.4ppmw，籽晶为6H-SiC晶型。

（2）将石墨坩埚、石墨保温置于单晶生长炉中进行SiC单晶生长，使用2250℃的生长温度，5000Pa的生长压力进行单晶生长，生长80小时，获取低B杂质浓度SiC单晶。根据本实用新型的实施例，所述步骤（2）中的所述低B杂质浓度SiC单晶的B杂质浓度不大于0.1ppm。

根据本实用新型的实施例，所述步骤（2）的生长过程包括以下步骤：（1）粉料首先升华，气相组分在温度梯度的作用下向上输运；（2）组分输运至节流装置处，由于节流装置的阻碍，在节流装置下形成过饱和，节流装置下部发生多晶沉积，同时由于节流装置仍具备较高的气体透过率沉积多晶上部会升华，升华组分透过节流装置继续向上输运；（3）粉料升华的气相生长组分经历若干次‘结晶-再升华’过程，最终输运至籽晶表面实现单晶生长；（4）SiC单晶生长的实际原料是最顶部节流装置下的附着多晶，同时由于结合B杂质化学分凝系数小于1，因此在一次生长过程中实现了原料提纯，最终获取低B杂质浓度的SiC单晶。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。