碳化硅晶体生长方法和长晶装置与流程

本发明涉及半导体领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长方法和长晶装置。

背景技术：

1、碳化硅晶体是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料代表之一。碳化硅晶体具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子迁移率等优异特性，成为制备高温、高频、高功率及抗辐射器件的热门材料之一。

2、目前碳化硅生长的方法主要有物理气相传输法(pvt)、液相外延法(lpe)、化学气相沉积法(cvd)等。其中pvt法是应用最成熟的方法，其通过对坩埚内的碳化硅粉料进行加热，使粉料分解，在温度较低的籽晶处结晶生长，从而实现晶体的生长。

3、pvt法生长碳化硅晶体往往需要在籽晶处构建非常均匀的温度场，通过稳定的径向温梯和轴向温梯实现碳化硅气氛的均匀向上传输及有序排列，从而得到低缺陷密度的高质量碳化硅晶体。形核是碳化硅晶体生长中非常重要的环节，形核质量的好坏将直接决定后期碳化硅晶体的结晶质量，而形核阶段温场的控制与调节则成为影响形核质量的关键因素。

4、现有的，在pvt法生长碳化硅晶体的形核阶段，碳化硅晶体生长的温场不稳定，影响了形核质量，直接影响了碳化硅晶体的生长质量。

技术实现思路

1、本发明的目的包括，例如，提供了一种碳化硅晶体生长方法和长晶装置，其能够在形核阶段更好地调节籽晶区环形温场，实现径向温梯的定向定量调节，以生长出均匀致密的单晶后，再以快速生长单晶方式生长，这样可以提高了晶体生长质量与生长速率。

2、本发明的实施例可以这样实现：

3、第一方面，本发明提供一种碳化硅晶体生长方法，所述方法包括以下步骤：

4、(1)组装阶段，将籽晶置于坩埚的顶部，碳化硅原料填充于坩埚的底部；将填料后的坩埚置于长晶装置的石墨加热器内，并使坩埚位于长晶装置的修饰加热器的下方，且让长晶装置的一个温度传感器与坩埚顶部的中心对应，另一个温度传感器与坩埚顶部的边缘对应；

5、(2)除杂升温阶段：利用长晶装置抽真空至第一预设压力以下；再以第一预设速率向长晶装置内充入氩气，使长晶装置压力回至第二预设压力，并以此循环多个周期；再控制所述石墨加热器和修饰加热器加热，使籽晶的温度在第一温度范围内，并使压力保持在第一预设范围内；

6、(3)形核阶段：根据第一温度传感器和第二温度传感器的温度得到坩埚顶部的边缘与中心的实际温差；依据实际温差和第一预设温差范围控制修饰加热器向着远离坩埚或靠近坩埚的方向移动，以使坩埚顶部的边缘与中心的实际温差在第一温差预设范围内，且使坩埚顶部中心的温度低于边缘的温度，让碳化硅原料气相传输至籽晶处形核；

7、(4)生长阶段：控制坩埚内的温度和压力，使得碳化硅原料气相传输至籽晶处进行长晶。

8、在可选的实施方式中，所述第一温差预设范围具有一上限制和下限值；

9、所述依据实际温差和第一预设温差范围控制修饰加热器向着远离坩埚或靠近坩埚的方向移动的步骤包括；

10、若所述实际温差大于所述上限制，则控制修饰加热器着靠近所述坩埚顶部的方向移动；

11、若所述实际温差小于所述下限值，则控制修饰加热器向着远离所述坩埚顶部的方向移动；

12、若所述实际温差在所述上限值与下限值的温差范围内，则使所述修饰加热器维持在原来的位置。

13、在可选的实施方式中，形核阶段，所述上限制为15℃，所述下限值为6℃。

14、在可选的实施方式中，所述石墨加热器上端向内凸设有凸设部；

15、所述修饰加热器在所述凸设部的高度范围内移动。

16、在可选的实施方式中，所述生长阶段包括：

17、主长晶阶段：对长晶装置腔体内进行降压第一预设时间，使腔体内压力下降至第二预设压力范围；在第二预设时间内，使腔体内压力维持在第二预设压力范围内，并使坩埚底部粉料去的温度维持在第一温度区间,气相温度维持第二温度区间,籽晶温度维持在第三温度区间，并控制修饰加热器移动使坩埚盖边缘与中心温度差维持在第二温差预设范围内；

18、末长晶阶段：第三预设时间内，使腔体内压力上升至第三预设压力范围内，并使坩埚底部粉料去的温度下降至在第四温度区间,气相温度下降至五温度区间,籽晶温度下降至第六温度区间，并使坩埚盖中心与边缘温度差维持在第二温差预设范围内，并控制修饰加热器移动使坩埚盖边缘的中心温度差维持在第三温差预设范围内；并使其维持第四预设时间。

19、在可选的实施方式中，在所述末长晶阶段，所述坩埚边缘的温度接近或小于所述坩埚的中心温度。

20、第二方面，本发明提供一种长晶装置，包括本体、石墨加热器、修饰加热器、第一温度传感器和第二温度传感器；

21、所述本体具有一腔室，所述腔室内设置有坩埚托盘，所述石墨加热器设置于所述腔室内，且套设在所述坩埚托盘的外周；

22、所述修饰加热器可移动地安装于所述本体，且与所述坩埚托盘对应设置；

23、所述第一温度传感器和第二温度传感器安装于所述本体，用于分别探测放置在坩埚托盘上坩埚顶部中心和边缘的温度。

24、在可选的实施方式中，所述石墨加热器的顶部向内凸设有环形的凸设部；

25、所述修饰加热器可移动地安装在石墨架热器内，且可在所述凸设部的高度范围内移动。

26、在可选的实施方式中，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器外红外温度传感器；

27、所述修饰加热器的中心设置有第一测温孔，边缘设置有第二测温孔，所述第一温度传感器可通过所述第一测温孔测量坩埚顶盖中心的温度，所述第二温度传感器可通过第二测温孔测量坩埚边缘的温度。

28、在可选的实施方式中，所述修饰加热器具有多个环设的加热区，多个所述环设的加热区可独立控温。

29、本发明实施例提供的碳化硅晶体生长方法和长晶装置的有益效果包括，例如：

30、本申请通过设置第一温度传感器检测坩埚顶部的中心温度，设置第二温度传感器检测坩埚顶部边缘的温度，再将修饰加热器可移动地安装在坩埚的上方。在形核阶段根据第一温度传感器和第二温度传感器的温度得到坩埚顶部的中心与边缘的实际温差，并依据实际温差和第一预设温差范围控制修饰加热器向着远离坩埚或靠近坩埚的方向移动，以使坩埚顶部的边缘与中心的实际温差在第一温差预设范围内，且使坩埚顶部中心的温度低于边缘的温度，让碳化硅原料气相传输至籽晶处形核。通过修饰加热器的移动可以在在形核阶段更好地调节籽晶区环形温场，实现径向温梯的定向定量调节，以生长出均匀致密的单晶后，再以快速生长单晶方式生长，这样可以提高了晶体生长质量与生长速率。同时，在形核阶段可以让中间区域生长速度快，而边缘区域生长速度慢，这样使晶体端部在形核阶段形成一个凸球面，从而可以增大长晶的面积，以在主长晶阶段可以快速的长晶。

技术特征：

1.一种碳化硅晶体生长方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长方法，其特征在于，所述第一温差预设范围具有一上限制和下限值；

3.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长方法，其特征在于，形核阶段，所述上限制为15℃，所述下限值为6℃。

4.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长方法，其特征在于，所述石墨加热器上端向内凸设有凸设部；

5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长方法，其特征在于，所述控制坩埚内的温度和压力，使得碳化硅原料气相传输至籽晶处进行长晶的步骤包括：

6.根据权利要求5所述的碳化硅晶体生长方法，其特征在于，在所述末长晶阶段，所述坩埚边缘的温度等于或小于所述坩埚的中心温度。

7.一种长晶装置，其特征在于，包括本体、石墨加热器、修饰加热器、第一温度传感器和第二温度传感器；

8.根据权利要求7所述的长晶装置，其特征在于，所述石墨加热器的顶部向内凸设有环形的凸设部；

9.根据权利要求7所述的长晶装置，其特征在于，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器外红外温度传感器；

10.根据权利要求7所述的长晶装置，其特征在于，所述修饰加热器具有多个环设的加热区，多个所述环设的加热区可独立控温。

技术总结
本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体生长方法和长晶装置涉及半导体及时领域。碳化硅晶体生长方法包括以下步骤：(1)组装阶段；(2)除杂升温阶段；(3)形核阶段：根据第一温度传感器和第二温度传感器的温度得到坩埚顶部的边缘与中心的实际温差；依据实际温差和第一预设温差范围控制修饰加热器向着远离坩埚或靠近坩埚的方向移动，以使坩埚顶部的中心与边缘的实际温差在第一温差预设范围内，且使坩埚顶部中心的温度低于边缘的温度，让碳化硅原料气相传输至籽晶处形核；(4)生长阶段。其能够在形核阶段更好地调节籽晶区环形温场，以提高了晶体生长质量与生长速率。

技术研发人员：杨光宇
受保护的技术使用者：通威微电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15