大尺寸碳化硅单晶板的制备方法与流程

本发明涉及半导体材料制备方法技术领域，尤其涉及一种大尺寸碳化硅单晶板的制备方法。

背景技术：

碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料，由于其热导率高，电子饱和迁移速率高，击穿电场高及禁带宽度大等特点，成为高压、高频制备大功率器件的优选材料之一，使其广泛应用于通信领域，弥补了传统半导体材料器件不足，成为下一代网络通信重点半导体材料，因此中国、美国、日本、欧洲先后制订了相应的研究规划，以促进其发展。另外碳化硅晶体还是优异的光学材料，是衡量一个国家光学系统研制水平的标志。碳化硅晶体的制备方法主要为物理气相沉积法和助溶剂法来制备，其中物理气相沉积法较为成熟，但是制造成本高，效率低。助溶剂法由于受到生长尺寸、缺陷及多晶化等原因的影响目前尚未形成成熟的技术途径。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种成本低、生长尺寸大的碳化硅单晶板的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种大尺寸碳化硅单晶板的制备方法，使用大尺寸碳化硅单晶板的制备装置，其特征在于，包括如下步骤：

按比例将si-cr-c放置到坩埚中，通过冷却板循环注水管及冷却板循环回水管向冷却板中通入循环水，给助熔金属迁移低温加热器和助熔金属迁移高温加热器通电加热；通过主加热器对坩埚内的si料、cr料及c粉料加热形成si-cr-c熔体，加热温度为2000k-2100k；

通过第一辅助加热电极和第二辅助加热电极给毛细方管结构中的si-cr-c熔体加热，熔体通过毛细方管结构的毛细作用传输至碳化硅单晶板的下表面，通过炉体外的提拉杆提拉驱动装置将碳化硅单晶板向上缓慢提拉，提拉时需保证碳化硅单晶板的下表面始终与所述si-cr-c熔体相接触；

随着碳化硅单晶板向上生长，当碳化硅单晶板运动到助熔金属迁移低温加热器与助熔金属迁移高温加热器之间后，夹杂在碳化硅单晶板内部的助熔金属cr将迁移至助熔金属迁移高温加热器侧，并从碳化硅单晶板中析出，形成助熔液态金属并流下，通过清理导向轮阻止熔液态金属滴落到冷却板或者sic/cr导电模具上，干扰碳化硅单晶板与si-cr-c熔体接触面的稳定性；滴下的助溶金属将经过清理导向轮与清理导向轮支撑板下端之间的间隙进入si-cr-c熔体中；

随着碳化硅单晶板的生长，所述sic/cr导模块、第一辅助加热电极和第二辅助加热电极会逐渐溶解并使得毛细方管结构尺寸变大；根据第一辅助加热电极与第二辅助加热电极之间的电阻值，通过程序控制系统控制第一辅助加热电极和第二辅助加热电极之间的距离，保障毛细方管结构尺寸不变；

随着所述sic/cr导模块的消耗，碳化硅单晶板将不断生长，当随着所述sic/cr导模块消耗接近完毕后，将第一辅助加热电极和第二辅助加热电极之间的距离变大，使得毛细方管结构尺寸变大，所述毛细方管结构中的si-cr-c熔体回流至坩埚中；提出第一辅助加热电极、第二辅助加热电极以及所述sic/cr导模块，停止主加热器加热，助熔金属迁移低温加热器以及助熔金属迁移高温加热器停止加热；更换第一辅助加热器电极、第二辅助加热器电极及所述sic/cr导模块，使之与所述导模夹块形成新的sic/cr导电模具，然后重复上述步骤，继续进行生长，完成大尺寸碳化硅单晶板的生长。

进一步的技术方案在于：按比例将si-cr-c放置到坩埚中，其中si：cr=1-x:x，y为c占si和cr的原子比，当x=0.2时，y=0.002-0.003；当x=0.3时，y=0.008-0.012；当x=0.4时，y=0.03-0.04；当x=0.5时，y=0.07-0.08；当x=0.6时，y=0.16-0.17。

进一步的技术方案在于：所述大尺寸碳化硅单晶板的制备装置包括炉体，所述炉体内的下侧设置有坩埚支撑，所述坩埚支撑内设置有坩埚，所述坩埚支撑的外侧设置有主加热器，所述坩埚内设置有sic/cr导电模具，所述sic/cr导电模具的上侧设置有冷却装置，所述冷却装置的上侧设置有碳化硅单晶板，所述碳化硅单晶板的上端设置有提拉杆，所述提拉杆的上端延伸至所述炉体外，所述冷却装置的上侧设置有助熔金属迁移低温加热器和助熔金属迁移高温加热器，所述冷却装置的中间以及所述低温加热器与所述高温加热器之间形成所述碳化硅单晶板的提拉通道，初始时，所述坩埚内的si-cr-c熔体通过所述sic/cr导电模具引入到所述碳化硅单晶板的下表面，使得所述si-cr-c熔体与所述碳化硅单晶板的下表面接触。

进一步的技术方案在于：所述sic/cr导电模具包括第一sic/cr导模块和第二sic/cr导模块，所述导模块上设置有连接螺钉安装槽，所述连接螺钉安装槽内设置有连接螺钉，第一辅助加热电极和第二辅助加热电极通过所述连接螺钉与所述导模块连接，所述第一sic/cr导模块与第二sic/cr导模块的中间具有间隔，该间隔形成毛细方管结构，所述第一sic/cr导模块与第二sic/cr导模块的前侧通过第一sic/cr导模夹块连接，所述第一sic/cr导模块与第二sic/cr导模块的后侧通过第二sic/cr导模夹块连接，所述辅助加热电极的外侧设置有辅助加热电极驱动装置，通过所述辅助加热电极驱动装置能够驱动所述第一sic/cr导模块和第二sic/cr导模块在所述导模夹块与所述导模夹块之间运动，所述导模夹块与所述导模块之间形成第一毛细方管结构，所述第一sic/cr导模块与第二sic/cr导模块之间形成第二毛细方管结构，所述坩埚内的si-cr-c熔体通过所述毛细方管结构引入到所述碳化硅单晶板的下表面，使得所述si-cr-c熔体与所述碳化硅单晶板的下表面接触。

进一步的技术方案在于：所述冷却装置包括相关连通的冷却板，其中的一个冷却板上设置有循环注水管，另一个冷却板上设置有循环回水管，所述注水管以及所述回水管的外侧端部延伸至所述炉体外。

进一步的技术方案在于：所述低温加热器以及所述高温加热器的外侧分别设置有清理导向轮支撑板，所述支撑板的下侧设置有清理导向轮，所述清理导向轮之间的距离与所述碳化硅单晶板的厚度相等。

进一步的技术方案在于：所述清理导向轮的材质为陶瓷或者氮化硼，并与碳化硅单晶板接触，所述清理导向轮的直径大于冷却装置中冷却板的厚度。

进一步的技术方案在于：所述第一sic/cr导模块与第二sic/cr导模块由sic粉与cr粉通过粉末冶金进行制备，或者通过sic粉与cr熔铸进行制备；第二sic/cr导模夹块和第一sic/cr导模夹块的制作材料为氮化硼或氮化硅。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述方法通过助溶剂导模法制备尺寸碳化硅单晶板，并设计了一种sic/cr导电模具，sic/cr导模模具将熔体以界面张力吸引至毛细方孔结构中，通过毛细方孔结构加热进一步提高碳的溶解度，碳化硅晶体在毛细方孔结构中的熔体中进行定向生长，同时sic/cr导模不断溶解向熔体中提供si原子及c原子，碳化硅晶体侧面有水冷装置用以提高碳化硅晶体的界面生长稳定性，在碳化硅晶体生长出部分通过温度梯度迁移消除夹杂缺陷，具有成本低，制备的碳化硅晶体尺寸大，且质量高等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述装置中sic/cr导模模具的结构示意图；

其中：1：炉体；2：清理导向轮支撑板；3：助熔金属迁移低温加热器；4：清理导向轮；5：循环注水管；6：第一辅助加热电极；7：冷却板；8：主加热器；9：si-cr-c熔体；10：坩埚；11：坩埚支撑；12：第一sic/cr导模块；13：连接螺钉；14：第二辅助加热电极；15：循环回水管；16：滴落的助熔金属；17：助熔金属迁移高温加热器；18：助熔液态金属；19：助熔固态金属；20：碳化硅单晶板；21：第二sic/cr导模夹块；22：第一sic/cr导模夹块23、第二sic/cr导模块；24、毛细方孔结构。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种大尺寸碳化硅单晶板的制备装置，包括炉体1，所述炉体1内的下侧设置有坩埚支撑11，所述坩埚支撑11内设置有坩埚10，所述坩埚支撑11的外侧设置有主加热器8，所述坩埚10内设置有sic/cr导电模具，所述sic/cr导电模具的上侧设置有冷却装置，所述冷却装置的上侧设置有碳化硅单晶板20，所述碳化硅单晶板20的上端设置有提拉杆，所述提拉杆的上端延伸至所述炉体1外，所述提拉杆的外侧端部设置有提拉杆驱动装置，所述提拉杆驱动装置用于驱动所述提拉杆上升或下降。所述冷却装置的上侧设置有助熔金属迁移低温加热器3和助熔金属迁移高温加热器19，所述冷却装置的中间以及所述低温加热器3与所述高温加热器19之间形成所述碳化硅单晶板20的提拉通道，初始时，所述坩埚1内的si-cr-c熔体9通过所述sic/cr导电模具引入到所述碳化硅单晶板20的下表面，使得所述si-cr-c熔体9与所述碳化硅单晶板20的下表面接触。

如图1和图2所示，所述sic/cr导电模具包括第一sic/cr导模块12和第二sic/cr导模块23，所述导模块上设置有连接螺钉安装槽，所述连接螺钉安装槽内设置有连接螺钉13，第一辅助加热电极6和第二辅助加热电极14通过所述连接螺钉13与所述导模块连接。所述第一sic/cr导模块12与第二sic/cr导模块23的中间具有间隔，所述第一sic/cr导模块12与第二sic/cr导模块23的前侧通过第一sic/cr导模夹块22连接，所述第一sic/cr导模块12与第二sic/cr导模块23的后侧通过第二sic/cr导模夹块21连接。所述辅助加热电极的外侧设置有辅助加热电极驱动装置，通过所述辅助加热电极驱动装置能够驱动所述第一sic/cr导模块12和第二sic/cr导模块23在所述导模夹块与所述导模夹块之间运动。所述第一sic/cr导模块12、第二sic/cr导模块23、第一sic/cr导模夹块22以及第二sic/cr导模夹块21之间围合成毛细方管结构24，所述坩埚1内的si-cr-c熔体9通过所述毛细方管结构引入到所述碳化硅单晶板20的下表面，使得所述si-cr-c熔体9与所述碳化硅单晶板20的下表面接触。进一步需要说明的是，为了使所述第一sic/cr导模夹块22以及第二sic/cr导模夹块21与所述导模块接触，所述炉体内还需要设置导模夹块支撑（图中未示出），用于支撑所述导模夹块，此外，所述炉体外还需要设置导模夹块支撑驱动装置，用于根据需要驱动所述导模夹块运动。用sic/cr来制备导模块，通过所述辅助加热电极与连接螺钉13一起发热，促进sic溶解，提供si原子和c原子至碳化硅单晶板20的生长界面。

进一步的，如图1所示，所述冷却装置包括相关连通的冷却板7，其中的一个冷却板7上设置有循环注水管5，另一个冷却板7上设置有循环回水管15，所述注水管以及所述回水管的外侧端部延伸至所述炉体1外，通过所述冷却装置与所述辅助加热器之间形成温度梯度，以提高碳化硅单晶板20的生长稳定性。

进一步的，所述低温加热器以及所述高温加热器的外侧分别设置有清理导向轮支撑板2，所述支撑板的下侧设置有清理导向轮4，所述清理导向轮4之间的距离与所述碳化硅单晶板20的厚度相等。所述清理导向轮4的材质为陶瓷或者氮化硼，并与碳化硅单晶板20接触，所述清理导向轮4的直径大于冷却装置中冷却板7的厚度。通过清理导向轮4阻止熔液态金属18滴落到冷却板16或者sic/cr导电模具上，干扰碳化硅单晶板20与si-cr-c熔体9接触面的稳定性。清理导向轮支撑板2同时起到给助熔金属迁移低温加热器3和助熔金属迁移高温加热器17保温的作用。

所述第一sic/cr导模块12与第二sic/cr导模块23可以由sic粉与cr粉通过粉末冶金进行制备，或者通过sic粉与cr熔铸进行制备，以便两者具有导电性且能够获得足够的强度；第二sic/cr导模夹块21和第一sic/cr导模夹块22的使用氮化硼或氮化硅等陶瓷材料进行制备，使其成为具有耐高温材质的绝缘材料。

本发明实施例还公开了一种大尺寸碳化硅单晶板的制备方法，所述方法使用所述制备装置，包括如下步骤：

按比例将si-cr-c放置到坩埚1中，通过冷却板循环注水管5及冷却板循环回水管15向冷却板7中通入循环水，给助熔金属迁移低温加热器3和助熔金属迁移高温加热器17通电加热；通过主加热器8对坩埚内的si料、cr料及c粉料加热形成si-cr-c熔体9，加热温度为2000k-2100k；

通过第一辅助加热电极6和第二辅助加热电极14给毛细方管结构中的si-cr-c熔体9加热，熔体通过毛细方管结构24的毛细作用传输至碳化硅单晶板20的下表面，通过炉体外的提拉杆提拉驱动装置将碳化硅单晶板20向上缓慢提拉，提拉时需保证碳化硅单晶板20的下表面始终与所述si-cr-c熔体9相接触；

随着碳化硅单晶板20向上生长，当碳化硅单晶板20运动到助熔金属迁移低温加热器3与助熔金属迁移高温加热器17之间后，夹杂在碳化硅单晶板20内部的助熔金属cr将迁移至助熔金属迁移高温加热器17侧，并从碳化硅单晶板20中析出，形成助熔液态金属18并流下，通过清理导向轮4阻止熔液态金属18滴落到冷却板16或者sic/cr导电模具上，干扰碳化硅单晶板20与si-cr-c熔体9接触面的稳定性；滴下的助溶金属16将经过清理导向轮4与清理导向轮支撑板2下端之间的间隙进入si-cr-c熔体9中；

随着碳化硅单晶板20的生长，所述sic/cr导模块12、第一辅助加热电极6和第二辅助加热电极14会逐渐溶解并使得毛细方管结构24尺寸变大；根据第一辅助加热电极6与第二辅助加热电极14之间的电阻值，通过程序控制系统控制第一辅助加热电极6和第二辅助加热电极14之间的距离，保障毛细方管结构24尺寸不变；

随着所述sic/cr导模块12的消耗，碳化硅单晶板20将不断生长，当随着所述sic/cr导模块12消耗接近完毕后，将第一辅助加热电极6和第二辅助加热电极14之间的距离变大，使得毛细方管结构24尺寸变大，所述毛细方管结构中的si-cr-c熔体9回流至坩埚10中；提出第一辅助加热电极6、第二辅助加热电极14以及所述sic/cr导模块12，停止主加热器8加热，助熔金属迁移低温加热器3以及助熔金属迁移高温加热器17停止加热；更换第一辅助加热器电极6、第二辅助加热器电极14及所述sic/cr导模块12，使之与所述导模夹块形成新的sic/cr导电模具，然后重复上述步骤，继续进行生长，完成大尺寸碳化硅单晶板的生长。

进一步的，按比例将si-cr-c放置到坩埚10中，其中si：cr=1-x:x，y为c占si和cr的原子比，当x=0.2时，y=0.002-0.003；当x=0.3时，y=0.008-0.012；当x=0.4时，y=0.03-0.04；当x=0.5时，y=0.07-0.08；当x=0.6时，y=0.16-0.17。过饱和的碳将漂浮在si-cr-c熔体9的表面，不能通过毛细方管结构24，而影响碳化硅单晶板20的生长，因此碳原子的含量不宜过高。

本发明所述装置和方法通过助溶剂导模法制备大尺寸碳化硅单晶板，并设计了一种sic/cr导电模具，sic/cr导模模具将熔体以界面张力吸引至毛细方孔结构中，通过毛细方孔结构加热进一步提高碳的溶解度，碳化硅晶体在毛细方孔结构中的熔体中进行定向生长，同时sic/cr导模不断溶解向熔体中提供si原子及c原子，碳化硅晶体侧面有水冷装置用以提高碳化硅晶体的界面生长稳定性，在碳化硅晶体生长出部分通过温度梯度迁移消除夹杂缺陷，具有成本低，制备的碳化硅晶体尺寸大，且质量高等优点。