[发明专利]一种制备厚碳化硅单晶晶锭的方法

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种基于物理气相传输技术制备厚碳化硅单晶晶锭的方法。

背景技术

碳化硅半导体是一种化合物半导体，也是继第一代元素半导体材料（硅）和第二代化合物半导体材料（砷化镓，磷化镓，磷化铟等）之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料的代表，非常适合用于高温、大功率电子器件领域，然而目前碳化硅晶片的高昂价格和大量晶体缺陷是制约碳化硅产业大规模发展的决定性原因。

碳化硅晶体的异晶型有200余种，不同晶型之间的转化能量只有3电子伏特左右，能量相差很小，目前普遍采用的物理气相传输法，这种方法至今已被证实是能够生长碳化硅单晶晶体最有效的标准方法。

现有技术中物理气相传输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，在高温条件下粉源材料蒸发，从而使坩埚中充满Si₂C,SiC₂和Si的挥发性分子，这些气态物质在由粉源与籽晶之间的温度梯度的驱动下，自然传输到低温的籽晶位置，并由于超饱和凝结在籽晶表面，从而形成碳化硅单晶晶锭。

然而在制备碳化硅单晶晶锭的过程中存在以下缺陷：

①在实际晶体生长过程中，生长初期所建立的粉源和籽晶之间的距离将随着晶体的生长，也就是晶体的厚度不断增加而逐步减少，进一步，随着晶体厚度的不断增加，晶体生长前沿面越来越靠近粉源表面，晶体生长前沿面的温度也逐渐升高并最终接近粉源表面的温度。与此同时，坩埚内的温度梯度也随之而改变，从而无法维持碳化硅单晶生长的条件，造成碳化硅其他晶型的生长。所以受限于物理气传输方法本身，碳化硅单晶晶体的生长厚度最多只能达到30~40毫米，无法生长出厚度超过40毫米的单晶晶锭；

②当碳化硅晶体沿着c方向生长（也被称为轴向生长或法向生长）时，存在于籽晶中的穿透类缺陷会复制并延伸至正在生长的晶体中，而基面类缺陷则不会出现这种情况；当碳化硅晶体沿着与c轴垂直的方向生长（也被称为侧向生长）时，会出现相反的状况：基面类的缺陷会复制并延伸至正在生长的晶体中，而穿透类缺陷则不会出现这种情况；这种穿透类和基面类的缺陷造成单晶晶锭质量下降。

③在晶体进行侧向生长时，所使用的籽晶是对晶锭垂直切割（也就是偏切角为90度的切割）而制备的，而由于常规单晶晶锭的厚度不超过40毫米，垂直切割后所得到籽晶的尺寸也不会超过40毫米，因此采用此方法很难生长出大尺寸超高质量晶体。

如果想采用此方法制备大尺寸超高质量晶体，超长厚度的晶锭生长是关键因素，目前常规的晶体生长方法还无法满足这一要求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的缺陷，提供一种制备厚碳化硅单晶晶锭的方法，通过晶体的再生长，突破了常规物理气相传输法的结构限制，实现了超厚单晶晶锭的生长，使单晶晶锭的厚度大于常规极限40毫米。

本发明是通过以下的技术方案予以实现的：

一种制备厚碳化硅单晶晶锭的方法，其制备方法如下：

（1）碳化硅晶体生长

将碳化硅粉源置于坩埚体底部，籽晶固定在坩埚盖上，此时籽晶与碳化硅粉源之间的距离为H₁，籽晶生长晶体至最大厚度为20~40毫米后停止生长，得碳化硅单晶晶锭；根据坩埚体、坩埚盖、碳化硅粉源和碳化硅粉源与籽晶之间的距离使用商用有限元分析软件，或仿真软件进行温场梯度的计算，得到晶体生长过程中坩埚内的温场梯度，所述温场梯度包括横向即垂直于晶体生长方向的温场梯度和纵向即平行于晶体生长方向的温场梯度，所述的横向温场梯度小于等于10°C/cm，纵向温场梯度为10~50°C/cm；

（2）碳化硅晶体再生长

增大坩埚体的高度得新的坩埚体，将步骤（1）中的坩埚盖连同碳化硅单晶晶锭置于新的坩埚体上，此时碳化硅单晶晶锭与碳化硅粉源之间的距离H₂与步骤（1）中的H₁相同；通过温场计算，使碳化硅单晶晶锭表面处于与步骤（1）中籽晶表面相同或相近的温场梯度中；重复步骤（1），得厚碳化硅单晶晶锭；

（3）在晶体生长的坩埚尺寸允许范围内重复步骤（2），可进行反复多次的晶体再生长得更厚的碳化硅单晶晶锭，所述的坩埚尺寸小于等于500毫米。

上述一种制备厚碳化硅单晶晶锭的方法，其中，所述厚碳化硅单晶晶锭的厚度大于40毫米。

本发明的有益效果为：