一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法与流程

本发明属于碳化硅单晶制备技术领域，尤其涉及一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法。

背景技术：

碳化硅(sic)晶体是继第一代半导体硅和第二代半导体砷化镓之后的一种第三代半导体材料。碳化硅具有独特的原子堆垛晶体结构，使其具有优异的物理和化学性能。在物理性能上表现为高硬度、高热导率、高抗辐照、耐高温；在化学性能上表现为较强的化学稳定性，耐酸碱腐蚀以及低温下难以与其他物质发生反应。碳化硅作为一种新兴的半导体电子材料，在电学性能上更是表现为较大的禁带宽度、高耐压值和高迁移速率。这些优异的性能不仅使得其能够胜任国防军备领域中的应用，还能够满足大规模的民用装备。例如在航空、航天和航母中的相控阵雷达探测中的应用，以及在机车牵引、工业自动化、不间断电源、家电电器的应用。另外，随着碳化硅功率器件在特斯拉电动汽车的成熟应用，其节能减排效果突出。势必会引发一场电力电子功率器件领域的革命，碳化硅材料的应用也会出现井喷的现象。

现有方法制备碳化硅晶体时，以碳化硅粉体作为原料，碳化硅粉体在升华气化后容易引入杂质，形成缺陷晶体，影响碳化硅晶体的质量和性能。

技术实现要素：

为解决现有碳化硅晶体制备过程容易引入杂质形成缺陷晶体的问题，本发明提供了一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法。

本发明的技术方案：

一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法，步骤如下：

步骤一、将碳化硅籽晶柱置于坩埚盖上，在籽晶柱与坩埚盖之间均匀铺设碳化硅粉，将籽晶柱与坩埚盖放入高温反应炉中，1200～1800℃反应20～45min后，停止加热，降温至室温后取出，高温条件下碳化硅粉碳化使籽晶柱与坩埚盖粘接；

步骤二、将步骤一粘接好的籽晶柱与坩埚盖安装在坩埚体上，将碳化硅多晶体放置于坩埚底座上，将坩埚盖与坩埚体闭合形成密闭空间，通入惰性气体或氮气作为保护，升温至1850±2℃并保温一定时间，停止加热，降温至室温；

步骤三、取出步骤二坩埚盖和碳化硅晶体柱，利用常规切割工艺，将延长生长获得的碳化硅晶柱体切下，获得碳化硅单晶。

进一步的，还包括步骤四、步骤三切下延长生长获得的碳化硅晶体柱后，剩余的粘接在坩埚盖上的晶体柱经过研磨和抛光后，作为晶体生长的籽晶柱再次用于碳化硅单晶的制备。

进一步的，步骤一所述碳化硅籽晶柱的厚度为20～50mm，直径为50～100mm。

进一步的，步骤一所述碳化硅粉的纯度不低于99.999％，碳化硅粉的粒径为100～150μm，所述碳化硅粉铺设的厚度为1mm。

进一步的，步骤一所述高温反应炉中的反应温度为1500℃，反应时间为30min。

进一步的，步骤二所述碳化硅多晶体紧密贴合于坩埚底座上，高度为25±5cm，所述碳化硅多晶体的纯度为99.999％；所述粘接在坩埚盖上的籽晶柱与放置在坩埚底座上的碳化硅多晶体的距离为180～220mm。

进一步的，步骤二所述粘接在坩埚盖上的籽晶柱与放置在坩埚底座上的碳化硅多晶体的距离为200mm。

进一步的，步骤二所述惰性气体为氦气或氩气。

进一步的，步骤二所述保温时间为96～120h。

进一步的，步骤三切割碳化硅晶体柱时，保留5～8mm新生成的碳化硅晶体于籽晶柱上。

本发明的有益效果：

本发明提供的降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法采用碳化硅多晶体为碳化硅单晶的生长原料，固体碳化硅多晶体与碳化硅粉相比升华速度慢，不易引入杂质，能够减少缺陷晶体的产生。

本发明将籽晶柱粘接在坩埚盖上，可避免籽晶片作为支撑易碎的问题，通过碳化硅粉将籽晶柱粘接在坩埚盖上，避免引入外源物质，由籽晶柱生长碳化硅单晶可以有效避免晶体生长过程中应力的产生，有效降低位错和晶格等缺陷。

本发明提供的降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法中，剩余的带有新生成碳化硅单晶的籽晶柱还可以作为原料继续用于制备碳化硅单晶，节约了碳化硅单晶的制备成本。

附图说明

图1为实施例1制备的碳化硅单晶的照片；

图2为对比例1制备的碳化硅单晶的照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法，步骤如下：

步骤一、将厚度为30mm、直径为100mm的碳化硅籽晶柱置于石墨坩埚盖上，在籽晶柱与石墨坩埚盖之间均匀铺设厚度为1mm的碳化硅粉，碳化硅粉的纯度不低于99.999％，粒径为100～150μm；将籽晶柱与石墨坩埚盖放入高温反应炉中，1500℃反应30min后，停止加热，降温至室温后取出。高温条件下，通过碳化硅粉烧结碳化作用使籽晶柱与石墨坩埚盖粘贴结合，石墨坩埚与碳化硅粉、碳化硅粉与籽晶柱之间均属于c-c同质结合，可以有效地减少籽晶的应力。

步骤二、将步骤一粘接好的籽晶柱与石墨坩埚盖安装在石墨坩埚体上，将高度为25cm的碳化硅多晶体放置于石墨坩埚底座上，使碳化硅多晶体紧密贴合于坩埚底座上，粘接在石墨坩埚盖上的籽晶柱与放置在石墨坩埚底座上的碳化硅多晶体的距离为200mm，将石墨坩埚盖与石墨坩埚体闭合形成密闭空间，通入氮气作为保护，升温至1850±2℃并保温，碳化硅多晶体在高温下升华后，碳和硅凝华在籽晶柱上形成碳化硅单晶，保温100h后停止加热，降温至室温；

步骤三、取出步骤二石墨坩埚盖和碳化硅晶体柱，碳化硅晶体柱增长80mm，利用常规切割工艺，将延长生长获得的碳化硅晶柱体切下，获得碳化硅单晶。

步骤四、步骤三切下延长生长获得的碳化硅晶体柱，在籽晶柱上保留5～8mm新生成的碳化硅晶体，剩余的粘接在石墨坩埚盖上的晶体柱经过研磨和抛光后，作为晶体生长的籽晶柱再次用于碳化硅单晶的制备。

实施例2

一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法，步骤如下：

步骤一、将厚度为20mm、直径为50mm的碳化硅籽晶柱置于石墨坩埚盖上，在籽晶柱与石墨坩埚盖之间均匀铺设厚度为1mm的碳化硅粉，碳化硅粉的纯度不低于99.999％，粒径为100～150μm；将籽晶柱与石墨坩埚盖放入高温反应炉中，1200℃反应45min后，停止加热，降温至室温后取出，由于高温条件下碳化硅粉碳化使籽晶柱与石墨坩埚盖粘接；

步骤二、将步骤一粘接好的籽晶柱与石墨坩埚盖安装在石墨坩埚体上，将高度为25cm的碳化硅多晶体放置于石墨坩埚底座上，使碳化硅多晶体紧密贴合于坩埚底座上，粘接在石墨坩埚盖上的籽晶柱与放置在石墨坩埚底座上的碳化硅多晶体的距离为180mm，将石墨坩埚盖与石墨坩埚体闭合形成密闭空间，通入氮气作为保护，升温至1850±2℃并保温96h，停止加热，降温至室温；

步骤三、取出步骤二石墨坩埚盖和碳化硅晶体柱，碳化硅晶体柱增长64mm，利用常规切割工艺，将延长生长获得的碳化硅晶柱体切下，获得碳化硅单晶。

步骤四、步骤三切下延长生长获得的碳化硅晶体柱，在籽晶柱上保留5～8mm新生成的碳化硅晶体，剩余的粘接在石墨坩埚盖上的晶体柱经过研磨和抛光后，作为晶体生长的籽晶柱再次用于碳化硅单晶的制备。

实施例3

一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法，步骤如下：

步骤一、将厚度为30mm、直径为75mm的碳化硅籽晶柱置于石墨坩埚盖上，在籽晶柱与石墨坩埚盖之间均匀铺设厚度为1mm的碳化硅粉，碳化硅粉的纯度不低于99.999％，粒径为100～150μm；将籽晶柱与石墨坩埚盖放入高温反应炉中，1400℃反应40min后，停止加热，降温至室温后取出，由于高温条件下碳化硅粉碳化使籽晶柱与石墨坩埚盖粘接；

步骤二、将步骤一粘接好的籽晶柱与石墨坩埚盖安装在石墨坩埚体上，将高度为25cm的碳化硅多晶体放置于石墨坩埚底座上，使碳化硅多晶体紧密贴合于坩埚底座上，粘接在石墨坩埚盖上的籽晶柱与放置在石墨坩埚底座上的碳化硅多晶体的距离为190mm，将石墨坩埚盖与石墨坩埚体闭合形成密闭空间，通入氩气作为保护，升温至1850±2℃并保温100h，停止加热，降温至室温；

步骤三、取出步骤二石墨坩埚盖和碳化硅晶体柱，碳化硅晶体柱增长72mm，利用常规切割工艺，将延长生长获得的碳化硅晶柱体切下，获得碳化硅单晶。

步骤四、步骤三切下延长生长获得的碳化硅晶体柱，在籽晶柱上保留5～8mm新生成的碳化硅晶体，剩余的粘接在石墨坩埚盖上的晶体柱经过研磨和抛光后，作为晶体生长的籽晶柱再次用于碳化硅单晶的制备。

实施例4

一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法，步骤如下：

步骤一、将厚度为40mm、直径为100mm的碳化硅籽晶柱置于石墨坩埚盖上，在籽晶柱与石墨坩埚盖之间均匀铺设厚度为1mm的碳化硅粉，碳化硅粉的纯度不低于99.999％，粒径为100～150μm；将籽晶柱与石墨坩埚盖放入高温反应炉中，1600℃反应25min后，停止加热，降温至室温后取出，由于高温条件下碳化硅粉碳化使籽晶柱与石墨坩埚盖粘接；

步骤二、将步骤一粘接好的籽晶柱与石墨坩埚盖安装在石墨坩埚体上，将高度为25cm的碳化硅多晶体放置于石墨坩埚底座上，使碳化硅多晶体紧密贴合于坩埚底座上，粘接在石墨坩埚盖上的籽晶柱与放置在石墨坩埚底座上的碳化硅多晶体的距离为210mm，将石墨坩埚盖与石墨坩埚体闭合形成密闭空间，通入氩气作为保护，升温至1850±2℃并保温110h，停止加热，降温至室温；

步骤三、取出步骤二石墨坩埚盖和碳化硅晶体柱，碳化硅晶体柱增长58mm，利用常规切割工艺，将延长生长获得的碳化硅晶柱体切下，获得碳化硅单晶。

步骤四、步骤三切下延长生长获得的碳化硅晶体柱，在籽晶柱上保留5～8mm新生成的碳化硅晶体，剩余的粘接在石墨坩埚盖上的晶体柱经过研磨和抛光后，作为晶体生长的籽晶柱再次用于碳化硅单晶的制备。

实施例5

一种降低晶体缺陷的碳化硅单晶制备方法，步骤如下：

步骤一、将厚度为50mm、直径为75mm的碳化硅籽晶柱置于石墨坩埚盖上，在籽晶柱与石墨坩埚盖之间均匀铺设厚度为1mm的碳化硅粉，碳化硅粉的纯度不低于99.999％，粒径为100～150μm；将籽晶柱与石墨坩埚盖放入高温反应炉中，1800℃反应20min后，停止加热，降温至室温后取出，由于高温条件下碳化硅粉碳化使籽晶柱与石墨坩埚盖粘接；

步骤二、将步骤一粘接好的籽晶柱与石墨坩埚盖安装在石墨坩埚体上，将高度为25cm的碳化硅多晶体放置于石墨坩埚底座上，使碳化硅多晶体紧密贴合于坩埚底座上，粘接在石墨坩埚盖上的籽晶柱与放置在石墨坩埚底座上的碳化硅多晶体的距离为220mm，将石墨坩埚盖与石墨坩埚体闭合形成密闭空间，通入氦气作为保护，升温至1850±2℃并保温120h，停止加热，降温至室温；

步骤三、取出步骤二石墨坩埚盖和碳化硅晶体柱，碳化硅晶体柱增长72mm，利用常规切割工艺，将延长生长获得的碳化硅晶柱体切下，获得碳化硅单晶。

步骤四、步骤三切下延长生长获得的碳化硅晶体柱，在籽晶柱上保留5～8mm新生成的碳化硅晶体，剩余的粘接在石墨坩埚盖上的晶体柱经过研磨和抛光后，作为晶体生长的籽晶柱再次用于碳化硅单晶的制备。

对比例1

本对比例提供了一种以碳化硅粉体为生长原料的碳化硅单晶制备方法，步骤如下：

步骤一、将厚度为30mm、直径为100mm的碳化硅籽晶柱置于石墨坩埚盖上，在籽晶柱与石墨坩埚盖之间均匀铺设厚度为1mm的碳化硅粉，碳化硅粉的纯度不低于99.999％，粒径为100～150μm；将籽晶柱与石墨坩埚盖放入高温反应炉中，1500℃反应30min后，停止加热，降温至室温后取出，由于高温条件下碳化硅粉碳化使籽晶柱与石墨坩埚盖粘接；

步骤二、将步骤一粘接好的籽晶柱与石墨坩埚盖安装在石墨坩埚体上，将高度为25cm的碳化硅多晶体放置于石墨坩埚底座上，使碳化硅多晶体紧密贴合于坩埚底座上，粘接在石墨坩埚盖上的籽晶柱与放置在石墨坩埚底座上的碳化硅粉体的距离为200mm，将石墨坩埚盖与石墨坩埚体闭合形成密闭空间，通入氮气作为保护，升温至1850±2℃并保温100h，停止加热，降温至室温；

步骤三、取出步骤二石墨坩埚盖和碳化硅晶体柱，碳化硅晶体柱增长20mm，利用常规切割工艺，将延长生长获得的碳化硅晶柱体切下，获得碳化硅单晶。

图1为实施例1制备的碳化硅单晶的照片；图2为对比例1制备的碳化硅单晶的照片。由图1和图2对比可以看出，实施例1制备的碳化硅单晶表面光滑，没有晶体缺陷，而对比例1制备的碳化硅晶体存在较多晶体缺陷。