一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置及生长方法与流程

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种低碳包裹物密度碳化硅单晶的装置及生长方法。

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器件的性能远优于Si器件和GaAs器件。同时SiC还是另一种宽禁带半导体材料GaN当前能够量产的最好的衬底材料，SiC衬底GaN基LED发光效率远高于传统的Si及蓝宝石衬底GaN基LED。

SiC单晶中较高的缺陷密度是限制SiC基器件快速发展及制约SiC基器件性能的主要因素。碳包裹物是目前使用物理气相传输方法制备SiC单晶中的常见缺陷，其能够导致单晶中微管及位错等缺陷增殖。此外衬底中的碳包裹物能够在同质外延层中导致三角形缺陷等缺陷的产生，进而影响SiC基器件性能。

目前最为成熟的SiC单晶制备方法为物理气相传输方法，常规的物理气相传输方法生长碳化硅单晶通常在由双层石英管所构成的炉腔内进行，双层石英管之间通有冷却水。由等静压石墨构成的单晶生长坩埚及由石墨纤维构成的保温材料被置于炉腔内，其中保温材料包裹单晶生长坩埚。图1所示为常规的SiC单晶生长坩埚结构，碳化硅多晶原料被置于坩埚底部，籽晶置于坩埚顶部。坩埚被加热至超过2000℃，多晶原料分解升华，生成以Si、Si2C、SiC2三种组分为主的气相组分。在生长过程中多晶原料的温度保持高于籽晶温度，该温度差驱使上述气相组分向籽晶输运，并沉积在籽晶上实现SiC单晶的生长。由于多晶原料的分解升华并非化学计量比升华，分解升华所形成气相组分富硅，3种主要的气相产物中，Si组分分压显著高于另外两种含碳气相组分。同时由于单晶生长坩埚通常由多孔的等静压石墨构成，Si组分不可避免得由坩埚内部扩散至坩埚外部。Si组分的流失导致多晶原料发生石墨化，石墨化多晶原料内残余固态碳颗粒，固态碳颗粒被输运至生长面上，被后续生长单晶包裹，进而在碳化硅单晶内形成碳包裹物缺陷。

现有技术中解决上述问题的技术方案是生长开始前预先在多晶原料内混入单质硅，补偿生长过程中所流失Si组分，抑制多晶原料的石墨化，降低碳包裹物密度。但在相同温度下，由Si单质升华形成Si气相组分的分压显著高于SiC多晶原料升华形成Si气相组分分压。因此单质硅直接混入SiC多晶原料，会使得坩埚内Si组分分压过高导致碳化硅单晶出现硅滴、多型夹杂等缺陷。

技术实现要素：

针对直接在多晶原料内置入单质硅易导致单晶内出现硅滴、多型夹杂等问题，本发明提出一种低碳包裹物密度碳化硅单晶生长的装置及方法，能够相对可控得向生长腔内补偿气相Si组分，避免发生硅滴、多型夹杂等问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

技术方案一：

一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置，所述生长装置包括无下盖的单晶生长坩埚、硅料坩埚和分隔板；所述单晶生长坩埚位于所述硅料坩埚的上方，单晶生长坩埚与硅料坩埚之间形成腔体，二者密封连接，腔体相连，所述分隔板将所述单晶生长坩埚及所述硅料坩埚组合体的腔体分隔为两部分。所述分隔板以上腔体用于物理气相传输方法生长，硅单质置入硅料坩埚内。

作为本发明的进一步改进，所述分隔板是多孔石墨、带有微孔的难熔金属碳化物或带有难熔金属碳化物涂层的多孔石墨。所述分隔板允许气相Si组分透过，所述硅料坩埚内的Si组分可透过所述分隔板扩散至物理气相传输方法多晶原料内，补偿Si组分的流失，抑制多晶原料的石墨化，降低所生长SiC单晶内碳包裹物密度。

所述分隔板为多孔石墨、带有微孔的难熔金属碳化物或带有难熔金属碳化物涂层的多孔石墨中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述单晶生长坩埚为石墨材质。

作为本发明的进一步改进，所述多孔石墨的密度为0.8-1.5g/cm³。

作为本发明的进一步改进，所述难熔金属碳化物涂层为碳化钽涂层或碳化铌涂层。

作为本发明的进一步改进，所述带有微孔的难熔金属碳化物为碳化钽或碳化铌。

作为本发明的进一步改进，所述带有微孔的难熔金属碳化物的微孔直径在0.05mm-2mm之间。

作为本发明的进一步改进，所述带微孔的难熔金属碳化物分隔板的微孔面积占据分隔板表面积的10％-80％。

技术方案二：

一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置生长SiC单晶的方法，包括如下步骤：

步骤一、将单晶生长坩埚、硅料坩埚、分隔板进行组合，并分别将Si单质置于硅料坩埚内，籽晶置于单晶生长坩埚上盖中心，SiC多晶原料置于分隔板上方；

步骤二、利用加热装置将所述单晶生长坩埚上盖中心温度T1加热至1900-2300℃进行单晶生长；

步骤三、在加热所述石墨坩埚上盖中心的同时，使用独立的加热装置将所述硅料坩埚底部中心温度加热至T2，T2较T1低100-300℃；

在单晶生长过程中，硅料坩埚温度低于单晶生长温度，避免了过高的Si组分分压导致单晶出现硅滴、多型夹杂等缺陷，同时Si组分可透过分隔板不断扩散至SiC多晶原料内抑制其石墨化，有效降低了单晶内碳包裹物缺陷密度。

作为本发明的进一步改进，所述Si单质为粉状、颗粒状、片状或体块状的任意一种。

本发明提供了一种低碳包裹物密度碳化硅单晶的生长装置及生长方法，该装置包括硅料坩埚，以及位于硅料坩埚上方无下盖的单晶生长坩埚，二者腔体相连，使用分隔板将单晶生长坩埚及硅料坩埚组合体的腔体分隔为两部分。腔体上部用于物理气相传输方法制备SiC单晶，硅料坩埚内置入硅单质用于补偿单晶生长过程中Si组分流失。所述分隔板允许气相Si组分透过，本发明通过控制硅料坩埚温度低于单晶生长温度100-300℃，避免了将Si单质直接置入多晶原料内所存在的Si组分分压过高导致单晶出现硅滴、多型夹杂等缺陷的问题，同时Si组分可透过分隔板不断扩散至SiC多晶原料内抑制其石墨化，有效降低了单晶内碳包裹物缺陷密度。

硅料坩埚温度低于坩埚顶部中心温度，保证了所生长单晶不会由于硅料坩埚内所附加的硅源导致硅滴缺陷增殖，同时硅料坩埚内的附加硅源能够向SiC多晶原料缓释Si组分，延缓SiC多晶原料的石墨化，降低单晶碳包裹物密度。

附图说明

图1为物理气相传输方法制备SiC单晶的常规坩埚结构；

图2为本发明低碳包裹物密度碳化硅单晶的生长装置；

图3为实施例1第18片晶片在显微镜下晶片中心的包裹物分布情况；

图4为对比例第18片晶片在显微镜下晶片中心的包裹物分布情况；

图1标号说明：7-单晶生长坩埚；8-籽晶；9-SiC多晶原料；

图2标号说明：1-单晶生长坩埚；2-硅料坩埚；3-分隔板；4-籽晶；5-硅料；6-SiC多晶原料；

图3和图4中黑点为碳包裹物。

具体实施方式

实施例1

本实施方式所述分隔板3为多孔石墨。

步骤一、将4英寸4H-SiC籽晶置于所述单晶生长坩埚1上盖中心，SiC多晶原料置于分隔板3上方，粉状硅料5置于硅料坩埚2内，并将单晶生长坩埚1、分隔板3、硅料坩埚2进行组合安装，所述单晶生长坩埚1位于所述硅料坩埚2的上方，所述单晶生长坩埚1与所述硅料坩埚2之间形成腔体，所述单晶生长坩埚1与所述硅料坩埚2密封连接，腔体使用分隔板3间隔为上下两部分，将组合之后的生长装置置入单晶生长炉内；

步骤二、利用感应加热电源将所述单晶生长坩埚1上盖中心加热至2100℃进行SiC单晶生长，获取单晶一根；

步骤三、在加热所述单晶生长坩埚1上盖中心的同时，使用独立的电阻加热装置将所述硅料坩埚2进行加热，硅料坩埚2底部中心温度加热至1900℃。

实施例2

本实施方式所述分隔板3为带有微孔的难熔金属碳化物，分隔板密布直径为0.5mm的微孔，微孔面积占据分隔板表面积的50％；

步骤一、将3英寸6H-SiC籽晶置于所述单晶生长坩埚1上盖中心，SiC多晶原料置于分隔板3上方，将颗粒状Si单质的硅料5置于所述硅料坩埚2内部，并将单晶生长坩埚1、分隔3板、硅料坩埚2进行组合安装，所述单晶生长坩埚1位于所述硅料坩埚2的上方，所述单晶生长坩埚1与所述硅料坩埚2之间形成腔体，所述单晶生长坩埚1与所述硅料坩埚2密封连接，腔体使用分隔板3间隔为上下两部分；

步骤二、使用电阻加热方式将所述单晶生长坩埚1上盖中心加热至2050℃，获取单晶一根；

步骤三、在加热所述单晶生长坩埚1上盖中心的同时，使用独立的电阻加热装置将所述硅料坩埚2进行加热，加热温度为1800℃。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

对比例

使用常规的物理气相传输方法坩埚结构进行单晶生长，除坩埚结构不同及无附加硅单质外，其余生长条件及参数与实施例1一致。

将实施例1及对比例所制备单晶经过滚圆、磨平面、切割及抛光工序加工为晶片，并均选择第18片晶片在显微镜下观察晶片中心的包裹物分布情况(图中的黑点为碳包裹物)。实施例1及对比例第18片晶片在显微镜下晶片中心的包裹物分布情况如图3及图4所示，实施例1所制备晶片中碳包裹物密度显著低于对比例所制备晶片的碳包裹物密度。