[发明专利]用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法

说明书

技术领域

本发明属于人工晶体生长技术领域，具体涉及一种用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法。

背景技术

第三代半导体材料碳化硅（SiC）具有禁带宽、临界雪崩击穿电场强度高、电子饱和漂移速度高、热导率高以及耐高温、抗辐照和耐腐蚀等特点，是制造高性能电力电子器件、大功率固体微波器件和固体传感器等新型器件以及耐高温集成电路的优选材料，从而广泛应用于石油、化学、汽车、航空、航天、通信、武器等行业。

碳化硅在正常的工程条件下无液相存在，低压下1800℃左右开始升华为气体，因而不能象锗、硅、砷化镓那样用籽晶从熔体中生长，也不能用区熔法进行提纯，并且存在一定条件下极易相互转变的不同结晶形态（即同质异晶型或同质多型体，Polytype），故碳化硅是当今世界人工晶体生长的难点之一。

目前主要有两种碳化硅晶体制备方法：以体单晶为目标的物理气相输运法（即籽晶升华法）和以薄膜制备为目标的外延法。现有技术中物理气相输运法将作为生长源的碳化硅粉（或硅、碳固态混合物）置于温度较高的坩埚底部，籽晶固定在温度较低的坩埚顶部，生长源在低压高温下升华分解产生气态物质。在由生长源与籽晶之间存在的温度梯度而形成的压力梯度的驱动下，这些气态物质自然输运到低温的籽晶位置，并由于超饱和度的产生而结晶生长，形成晶态的碳化硅。

在升华法制备碳化硅晶体过程中，因温场分布问题，碳化硅粉源内部存在轴向和径向温度梯度，而粉源之间也有空隙。生长初期，靠近坩埚壁的系统高温区分解产生的反应气体不仅从坩埚壁与粉源之间输运至晶体生长面，而且同时也向粉源的内部和下部输运。输运至粉源中的气相物质一方面通过粉源之间的空隙继续传输至晶体生长面，另一方面还会在温度相对较低的粉源内部和下部以原有的碳化硅颗粒为晶核结晶生长，使得粉源中结晶生长处的碳化硅粉的粒径增大，密度增加，空隙率减小，影响了粉源中的气相物质输运至晶体生长面。进一步，随着晶体生长的持续，碳化硅粉源将出现分层现象，其中粉源中致密区的出现使得原来松散的相互独立的SiC颗粒紧密连接在一起，相对成为一个整体，粉源颗粒之间的空隙基本消失。此后，升华、分解产生的气相物质仅能从坩埚壁与粉源之间输运至晶体生长面，从而影响了升华产生的气相物质的有效输运，降低了晶体生长速率。

另外，碳化硅粉源升华、分解时，单个碳化硅颗粒并不是一次全部分解、消失，而是从外向内逐步完成的。颗粒表面分解产生的碳将形成一个碳壳层，完全包裹住未分解的颗粒里层（以下简称为碳化硅核），而碳壳层的形成降低了粉源的有效热导率，并对碳化硅核分解产生的气态物质输运形成阻力，致使碳化硅核的分解速度降低。此外，靠近坩埚壁的碳化硅粉由于温度相对较高先升华、分解，然后随着晶体生长的持续，升华区域逐步向温度相对较低的粉源中心扩展，而粉源边缘升华、分解产生的碳以碳化硅赝型存在，降低了热量从坩埚壁向粉源中心传递的效率，致使粉源中心区域的碳化硅颗粒在生长结束时仍未完全升华分解。

由于温场分布导致的碳化硅粉源致密化、分层和单个碳化硅颗粒的逐步分解（指非一次性分解）使升华法制备碳化硅晶体过程中，随着晶体生长的持续，气相物质向晶体生长面的有效输运效率降低，同时粉源的升华分解率逐步降低，从而导致晶体生长速率逐步降低，甚至停顿。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法，解决了现有技术中晶体平均生长速率低以及碳化硅粉源利用率不高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法，其特征在于，依次进行如下步骤：

步骤1、将碳化硅粉源和石墨柱装入坩埚中，再将坩埚工装后置入生长设备中；

步骤2、按照现有常规工艺方法进行碳化硅粉源烧结并除杂；

步骤3、从坩埚中取出石墨柱；

步骤4、按照现有常规工艺方法进行晶体生长操作。

其中，步骤1中，先在坩埚内装入碳化硅粉源，再插入石墨柱。

或者，步骤1中，石墨柱底部表面设置有外螺纹，坩埚的底部设置有螺纹孔，石墨柱通过螺纹连接在坩埚上；先将石墨柱以螺纹方式固定在坩埚底，再将碳化硅粉源装入坩埚中。

进一步地，石墨柱的直径为5～15mm，所使用石墨柱的底面积之和占其所在坩埚内腔底面积的20%～40%。

石墨柱均伸入到坩埚底部，且石墨柱顶部高于碳化硅粉源表面10～20mm。

更进一步地，所使用坩埚的内腔在水平方向上均匀分成多个用于盛放碳化硅粉源的分装区域，步骤2中将碳化硅粉源分别装入坩埚的各个分装区域中，并在各分装区域中均插入石墨柱。