专利名称：一种在优化温度场下生长晶体的方法
技术领域：
本发明属于材料制造技术领域，涉及一种生长晶体的方法，具体涉及一 种在优化温度场下生长晶体的方法。
背景技术：
SiC单晶材料因其具有优良的物理特性，可满足现代电子技术在高温、
高频、大功率和抗辐射等方面的要求，成为第三代半导体材料的杰出代表。
SiC晶体的生长采用物理气相传输法籽晶置于柑埚顶部，坩埚内放入
SiC粉料，通过感应加热，使坩埚内的温度和温度梯度达到要求，在一定的 气压条件下，SiC粉料在高温下发生升华、分解，生成由Si和C原子结合而
成的各种气相组分，这些气相组分在生长腔内温度梯度的作用下被输运到籽
晶表面淀积、扩散，形成SiC晶体。
目前，通过物理气相传输法生长的SiC晶体包含有密度较高的位错 (dislocation)、微管(micropipe)、晶界(grain boundary)禾口多晶型(polytype) 等结构性缺陷，尤其是位错和微管的存在严重影响了 SiC晶体在半导体器件 方面的应用。由生长腔内温度场不均匀而引起的晶体内过大的热应力是SiC
晶体产生位错和微管的主要原因。
发明内容
本发明的目的是提供一种在优化温度场下生长晶体的方法，采用该方法 可使晶体生长腔内的温度场分布趋于均匀，解决了由于晶体内产生过大热应
力而使晶体产生位错和微管的问题。
本发明所采用的技术方案是， 一种在优化温度场下生长晶体的方法，采
用物理气相传输法的热场结构，在晶体生长腔内、SiC粉料上面放置一上口
径小、下口径大的圆锥台挡板，使该圆锥台挡板大端头处外侧与柑锅的内腔
壁相接触，并可随SiC粉料的位置而变化。
本发明的特征还在于，
圆台挡板的圆锥角a为10° 45°，厚度为3mm 15mm。 本发明是在石墨坩埚中SiC晶体的生长腔内放置一圆锥台挡板，该圆锥 台挡板具有一定的锥角和厚度，使得生长腔内的温度场分布趋于均匀，避免 晶体内产生过大的热应力，进而减少了晶体中位错和微管等结构性缺陷的出
现，满足半导体器件对SiC晶体质量的要求。
图1是现有生长SiC晶体热场的结构示意图2是采用现有生长SiC晶体热场的生长腔内的温度分布云图3是采用现有生长SiC晶体热场生长的晶体的纵向温度分布云图4是本发明方法采用的生长SiC晶体的热场结构示意图5是采用本发明方法生长SiC晶体热场的生长腔内的温度分布云图6是采用本发明方法生长的SiC晶体的纵向温度分布云图。
图中，l.感应加热线圈，2.SiC粉料，3,石墨坩埚，4.石英管，5.籽晶，
6.保温层，7.圆锥台挡板。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
现有生长SiC晶体的热场结构，如图1所示。包括石墨坩埚3，石墨坩
埚3内放置有SiC粉料2，石墨坩埚3顶部内壁设置有籽晶5，石墨坩埚3 外包裹有保温层6，保温层6的两侧对称设置有石英管4，石英管4的外侧 设置有感应加热线圈l。采用该热场生长SiC晶体，生长腔内的温度分布云 图如图2所示，从图中可以看到，在生长腔内壁、晶体表面以及粉料表面间 强辐射换热的作用下，晶体生长面附近等温线的曲率较大，依据晶体是沿等 温线进行生长的理论，得知，晶体生长面附近等温线的曲率较大时，晶体生 长表面的曲率也将会比较大，晶体生长的纵向温度分布云图如图3所示，晶 体生长面将形成凸起的形貌，而生长得到的晶锭需经过切片、研磨和抛光等 处理，方能用做半导体材料，因此，晶锭凸起的表面形貌不利于晶体的充分 利用，同时，生长晶体的径向温度梯度相对较大，引起较大的剪切应力，诱 发位错等结构性缺陷的产生。
图4是本发明方法采用的生长SiC晶体热场的结构。利用现有生长SiC 晶体的热场，在石墨坩埚3内添加的SiC粉料2的上面放置一圆锥台挡板7， 圆锥台挡板1的大端外侧与石墨坩埚3的内侧壁相接触，且大端朝下，圆锥 台挡板7可随SiC粉料2表面的下降而移动。
圆锥台挡板1的圆锥角a为10° 45°，厚度为3mm 15mm。 采用本发明方法的生长SiC晶体的热场的生长腔内的温度分布云图，如 图4所示。生长腔内增设圆锥台档板7后，该圆锥台档板7有效阻挡了SiC 粉料2表面向石墨坩埚3的顶盖的部分热辐射，使得石墨坩埚3内部的生长 腔内中心区域的温度场分布趋于均匀，导致晶体生长面的温度趋于均匀，生 长形成如图5所示的该生长面的纵向温度分布云图，生长的晶体的表面形貌 平坦，提高了晶体的利用率；同时，极大地减小了晶体内的剪切应力，改善 晶体的品质。
本发明方法中采用的圆锥台挡板7的圆锥角ct为10° 45°，厚度为 3mm 15mm，这是因为通过数值计算表明当圆锥角介于10° 45°时，圆锥 挡板可以较为有效地阻挡粉源表面对晶体生长面的热辐射，极大地改善了晶 体生长面上的温度分布情况；而当圆锥角较小时，模拟计算表明锥形挡板阻 挡粉源表面热辐射的作用不明显，而当圆锥角大于45°，尽管可以更有效地 阻止粉源表面的热辐射，但同时又使得锥台外表面对晶体生长面的辐射作用 增强了，这不利于晶体的生长，因此，挡板圆锥角选择10° 45°相对较为合 适。理论上，圆锥台挡板7的厚度越薄越好，但考虑到圆锥台挡板7的耐用 性及结实程度，模拟仿真及实验均表明其厚度取3mm 15mm比较合适。
采用物理气相传输法，即PVT法生长SiC晶体，石墨坩埚内的SiC粉 料发生升华、分解，生成由Si和C原子结合而成的各种气相组分，这些气 相组分在生长腔内温度梯度的作用下被输运到温度相对较低的籽晶表面，并 利用晶体生长界面较低的温度，使气相组分在该生长界面处处于过饱和状 态，促使各气相组分在生长界面上淀积和扩散，形成晶体的生长。由此可见， 生长温度及温度梯度对SiC晶体的生长至关重要，是晶体生长过程中非常重 要的两个工艺参数，与晶体的生长过程密不可分。
通过PVT法生长的SiC晶体包含有如位错、微管、晶界、多晶型等缺 陷，且密度较高，尤其是位错、微管等结构性缺陷的存在严重影响了SiC晶 体在半导体器件方面的应用。不同的缺陷类型有不同的形成机理，研究表明， 晶体内过大的热应力是产生位错和微管的主要原因，而热应力由SiC晶体生 长腔内的温度场以及不同的热条件引起，因此，优化生长腔内的热条件是改 善晶体质量的有效途径。
采用PVT法生长SiC晶体的过程中，还存在SiC粉料表面石墨化的问
题，石墨化后的粉料呈现多孔结构，对坩埚内部的温度分布产生较大影响， 进而影响到晶体的生长速率和表面形貌，导致晶体的生长过程不稳定，严重 影响晶体的品质。特别在晶体生长初期，粉料表面严重石墨化时，大量的碳 以固相形式积聚于粉料表面，致使晶体生长过程中粉料表面不下降，粉料高 度不产生变化，造成晶体的生长速率降低，限制了晶体的生长空间，制约大
厚度SiC晶体的生长。另外，大量固相碳的富集于粉料表面，使晶体生长表
面吸附层内硅的过饱和度降低，造成晶体生长面上淀积的硅原子有可能逃逸 出去，增大了晶体生长面石墨化的几率，而石墨化的晶体生长面会导致位错、
微管等结构性缺陷的产生和生长面部分区域晶型的转变。因此，抑制SiC粉 料石墨化，特别是晶体生长初期粉料表面石墨化是制备大尺寸大厚度SiC晶
体需解决的一个关键问题。
为有效改善生长腔内温度场的分布并增大晶体的生长空间，本发明采用
在石墨坩埚的生长腔内、SiC粉料的上面放置一圆锥台挡板的方法，在改善
晶体生长腔内的温度场分布状况的同时，有效抑制粉源初始表面石墨化、增 大晶体生长空间。生长腔内，气相组分的对流换热作用很小，通过热传导的 能量传递有限，生长腔内的热量传递主要通过腔内壁面间的热辐射。在生长 腔内增设圆锥台档板后，该档板有效阻挡了粉源表面向晶体生长表面的部分 热辐射，使得生长腔内中心区域的温度场发生了显著的变化，在晶体内及生 长面上，温度径向分布更趋于均匀，这样， 一方面可以极大地减小晶体内的
剪切应力，改善晶体的品质；另一方面，可以使生长晶体的表面形貌更为平 坦，从而提高了晶体的利用率。此外，在生长腔内增设圆锥台挡板后，粉源 表面的温度会得到显著提高，有利于粉源由表及里依次升华，粉源表面会逐 渐下降，极大地提高了粉源的利用率，同时又使晶体的生长空间增大，有利 于大厚度晶体的生长；而且，在重力的作用下，圆锥台挡板随粉源升华表面 的下降而下移，使得生长腔及晶体中的热场条件始终处于优化的状态。
权利要求
1. 一种在优化温度场下生长晶体的方法，采用物理气相传输法的热场结构，其特征在于，在晶体生长腔内、SiC粉料(2)上面放置一上口径小、下口径大的圆锥台挡板(1)，使该圆锥台挡板(1)大端头处外侧与坩锅(3)的内腔壁相接触，并可随SiC粉料(2)的位置而变化。
2. 根据权利要求1或2所述的晶体生长的方法，其特征在于，所述圆台 挡板(1)的圆锥角a为10° 45°，厚度为3mm 15mm。
全文摘要
本发明公开的一种在优化温度场下生长晶体的方法，采用物理气相传输法的热场结构，在晶体生长腔内、SiC粉料上面放置一上口径小、下口径大的圆锥台挡板，使该圆锥台挡板大端头处外侧与坩埚的内腔壁相接触，并可随SiC粉料的位置而变化。本发明生长方法避免了晶体内过大热应力的产生，减少了晶体中位错和微管等结构性缺陷的出现，可满足半导体器件对SiC晶体质量和尺寸的要求。
文档编号C30B29/36GK101387007SQ200810231860
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者张群社 申请人:张群社