一种用于降低氮化铝晶体中氧杂质含量的源粉预烧结方法

本专利涉及半导体制造工艺，氮化铝晶体中氧杂质含量控制的生长技术，具体涉及一种氮化铝晶体生长所用的氮化铝源粉预烧结方法。

背景技术：

1、氮化铝单晶衬底具有宽带隙、高热导率、与氮化物晶格和热失配小等优良特性，因其在激光器、传感器、led和电力电子器件等军事和民用领域的广泛应用而备受关注。因此，制备大尺寸、高质量的氮化铝单晶衬底一直是全球的研究热点，而物理气相传输(pvt)被认为是迄今为止最合适的方法，因为它的生长速度相当高，而且容易控制位错密度。但目前氮化铝单晶衬底的工业应用仍然非常困难，其中杂质及纯度控制是一个重要因素。在pvt生长氮化铝晶体过程中，由于坩埚、加热系统和源粉的存在，特别是氮化铝(aln)源粉中吸附的大量氧气，使得之后的单晶生长中氧杂质含量很难降低。氧杂质会导致生长中单晶率下降、晶体尺寸减小、产生位错等，并进一步影响aln晶体的紫外光电学性能，从而影响其做为衬底制备各种紫外及功率器件的性能。因此，在pvt生长氮化铝晶体过程中，氧杂质的控制受到广泛关注。

2、经过长期研究发现，pvt法生长的氮化铝晶体中氧杂质主要来自于aln源粉。所以，源粉在单晶生长前必须采用预烧结的方法去除主要氧杂质。目前，常规的aln源粉预烧结技术，主要采用分段控制烧结温度的方法去除氧杂质：如低温烧结去除源粉表面吸附的h2o分子，中温烧结去除源粉表面吸附的氧原子，高温烧结去除源粉内部的氧原子。这种方法可以有效将随后pvt生长aln晶体中，氧含量从1019cm-3降低到0.6-2x1018cm-3。但是，用这种方法进一步降低氧杂质含量，则遇到很大困难。分析发现，传统的分段烧结技术存在的主要问题是，预烧结后源粉粒径没有明显增加，预烧结完成后，打开坩埚放入籽晶的过程，源粉会重新吸附氧气，从而重新引入氧杂质。

3、由此可见，用于pvt生长氮化铝单晶的源粉预烧结技术存在诸多问题，所以迫切需要一种减少预烧结后源粉被再次氧化的新方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有氮化铝源粉预烧结技术的不足，本发明提出了一种新的氮化铝源粉预烧结方法，该方法可以有效降低随后生长的氮化铝单晶晶体中的氧杂质含量，且工序简单，有利于实现低成本的高质量氮化铝单晶的制备。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：

3、一种氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、1)选用高纯aln粉作为源粉，将源粉装入坩埚中；

5、2)将坩埚放入加热炉中，抽真空，然后充入氩气ar和氮气n2的混和气体，氮气作为源气体，保护源粉不在高温下分解；

6、3)三段式升温除氧杂质，升温速率50-500℃/h，具体步骤包括：

7、3-1)升温至300-900℃，保持5-15h，用于去除源粉中的水；

8、3-2)升温至1200-1500℃，保持10-30h，用于去除源粉表面的氧杂质；

9、3-3)升温至1850-2000℃，保持10-30h，用于去除源粉内部的氧杂质；

10、4)增加源粉的颗粒粒径，降低源粉总比表面积；

11、5)降低温度至室温，将预烧结后的源粉取出。

12、其中，步骤1)中aln粉纯度≥99.99％，颗粒粒径范围为1-10微米。

13、进一步，步骤1)中坩埚材料包括但不限于高纯钨w坩埚、高纯石墨/碳化钽(c/tac)复合坩埚、高纯钽/碳化钽(ta/tac)复合坩埚和碳化钽tac陶瓷坩埚。

14、进一步，步骤1)中将源粉装入坩埚后，振动坩埚提高源粉料填充密度。

15、进一步，步骤2)中加热炉包括但不限于高纯钨加阻加热炉、高纯石墨感应加热炉和高纯钨感应加热炉等，坩埚材料的选择主要配合不同加热方式：高纯钨坩埚主要适用于高纯钨感应加热炉和高纯钨感应加热炉；高纯石墨/碳化钽(c/tac)复合坩埚主要适用于高纯石墨感应加热炉；高纯钽/碳化钽(ta/tac)复合坩埚和碳化钽tac陶瓷坩埚三种加热炉都可以使用。

16、进一步，步骤2)中氩气ar和氮气n2的体积比为ar:n2＝0.5-3:1。

17、进一步，步骤2)中抽真空到10-3-10-4pa，然后充入氩气ar和氮气n2的混和气体，压强保持在600-900torr。

18、进一步，步骤4)采用高低温循环烧结法，具体为：降低温度至1500-1700℃，保持1-10h，再升高温度至1850-2000℃，保持5-15h，重复降温和升温2-5次，其中升降温速率50-1200℃/h。

19、与现有技术相比，本发明具有以下明显技术效果：

20、本发明提供一种用于氮化铝晶体生长所用源粉预烧结的新方法，该方法首先对氮化铝源粉进行三段式除氧杂质，再通过增加源粉的颗粒大小，减小源粉的比表面积，从而达到降低源粉二次吸附氧元素的能力。采用本发明获得的源粉用于后继pvt法生长氮化铝单晶，可以降低氮化铝单晶晶体中的含氧量。sims测量发现，预烧结后aln源粉总比表面积由0.36m2/g下降到0.13m2/g时，后续生长的aln晶片氧杂质含量从6x1017cm-3降低到1x1017cm-3。采用本发明可以使晶片中氧杂质含量明显减少，有利于实现高质量氮化铝单晶的制备。

技术特征：

1.一种氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤1)中aln粉纯度≥99.99％，颗粒粒径范围为1-10微米。

3.如权利要求1所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤1)中所述坩埚材料选自高纯钨w坩埚、高纯石墨/碳化钽复合坩埚、高纯钽/碳化钽复合坩埚或碳化钽tac陶瓷坩埚。

4.如权利要求1所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤1)中将源粉装入坩埚后，振动坩埚提高源粉料填充密度。

5.如权利要求3所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤2)中加热炉选自高纯钨加阻加热炉、高纯石墨感应加热炉或高纯钨感应加热炉，其中：高纯钨坩埚适用于高纯钨感应加热炉和高纯钨感应加热炉；高纯石墨/碳化钽复合坩埚适用于高纯石墨感应加热炉；高纯钽/碳化钽复合坩埚和碳化钽tac陶瓷坩埚三种加热炉都适用。

6.如权利要求1所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤2)中氩气ar和氮气n2的体积比为ar:n2＝0.5-3:1。

7.如权利要求1所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤2)中抽真空到10-3-10-4pa，然后充入氩气ar和氮气n2的混和气体，压强保持在600-900torr。

8.如权利要求1所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤3)中升温速率50-500℃/h。

9.如权利要求1所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，步骤4)具体步骤为：降低温度至1500-1700℃，保持1-10h，再升高温度至1850-2000℃，保持5-15h，重复降温和升温2-5次。

10.如权利要求9所述的氮化铝源粉预烧结方法，其特征在于，升降温速率50-1200℃/h。

技术总结
本发明公布了一种用于降低氮化铝晶体中氧杂质含量的源粉预烧结方法，属于半导体制造领域。本发明首先对氮化铝源粉进行三段式除氧杂质，再通过增加源粉的颗粒大小，减小源粉的比表面积，达到降低源粉二次吸附氧元素的能力。采用本发明获得的源粉用于后继PVT法生长氮化铝单晶，SIMS测量发现，后续生长的AlN晶片氧杂质含量从6x10<supgt;17</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;降低到1x10<supgt;17</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;。本发明可以降低氮化铝单晶晶体中的含氧量，有利于实现高质量氮化铝单晶的制备。

技术研发人员：吴洁君,王泽人,于彤军,朱星宇,赵起悦,韩彤,沈波
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13