[发明专利]一种低应力碳化硅单晶的制备方法及其装置

说明书

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种低应力碳化硅单晶的制备方法及其装置。本发明通过改变石墨坩埚上保温层II形状改变通过减小生长热场中的温度梯度来实现生长过程中的晶体应力降低。同时，本发明进一步提出生长结束后在生长腔室内进行原位退火以在晶体生长结束后进一步降低晶体内应力。本发明通过优化温场，在生长过程中消除引入晶体内应力的根源，得到低应力碳化硅单晶，从而减少加工过程中的晶体开裂率、提高衬底的机械性能。另外，通过与生长过程相连续的原位高温退火继续降低晶体内的残余内应力，退火时间短效率高。后续不需要再经过长时间的高温退火进行应力消除，从而提高了生产效率、降低了生产成本。

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种低应力碳化硅单晶的制备方法及其装置。

背景技术

碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。目前主流的碳化硅单晶生长技术是物理气相输运(PVT)法，即在高温下使碳化硅原料升华产生的气相源输运至籽晶处重新结晶而成。PVT法生长碳化硅单晶时，由于生长腔室内存在较大的径向温度梯度，导致生长出的碳化硅单晶中存在较大的内应力，且内应力的问题随着晶体尺寸的增大而增大，严重制约了大尺寸碳化硅单晶的发展。在后续的加工过程中，晶体中的内应力会导致晶锭开裂、加工出的衬底面型差等问题，严重制约着衬底的成品率及衬底质量。为减小碳化硅单晶中的内应力，通常在晶体生长结束后会对晶体进行高温退火。但退火炉中同样存在径向温度梯度的问题，因此只能在很小的程度上减缓内应力甚至对晶体中的内应力缓解毫无作用。此外，通常的高温退火方式需要在1000-2000℃的高温下持续数天甚至数十天，导致能耗成本高、周期长、效率差的问题。因此，如何在晶体生长过程中从根源上减小甚至消除晶体的内应力，提高后续衬底的加工质量，是碳化硅单晶生长亟需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种低应力碳化硅单晶的制备方法及其装置。本发明通过改变石墨坩埚上部保温层形状，结合改进的生长工艺，实现对温场的优化，从而减小生长腔室中的轴向温度梯度，得到低应力的碳化硅单晶。

本发明所述的一种低应力碳化硅单晶的制备方法，通过如下的晶体生长装置实现：

该晶体生长装置，包括生长炉，生长炉内设有石墨坩埚，石墨坩埚的外部设有侧保温层I，石墨坩埚的上部设有上保温层II，所述的上保温层II为具有倾角的楔形结构，使上保温层II自中心至边缘的厚度线性减小；石墨坩埚下部依次设有传动杆和传动装置；石墨坩埚纵轴线、传动杆纵轴线和生长炉纵轴线处于同一直线上；

具体的制备步骤为：

(1)将填放碳化硅原料和籽晶的晶体生长装置置于单晶生长炉炉膛内并密封；

(2)将炉膛压力由一个大气压降压至晶体生长压力10-50mbar，同时通入惰性保护气体；降压的同时将炉膛内温度升至晶体生长温度2100-2300℃，生长时间为50-100h；

(3)晶体生长结束后，保持炉膛温度不变，将炉膛内的压力逐步提高至800-1000mbar，升压时间为2-5个小时；同时，通过传动装置，将含生长晶体的石墨坩埚逐步旋转向下移动，使晶体由原生长位置向下移动20-30mm；

(4)晶体下移完成后，升压至正常大气压，同时将炉膛内温度降温至室温；

(5)晶体生长结束，打开炉膛，取出石墨坩埚即可。

针对上述工艺要求本发明还提出了一种晶体生长装置，包括生长炉，生长炉内设有石墨坩埚，石墨坩埚的外部设有侧保温层I，石墨坩埚的上部设有上保温层II，所述的上保温层II为具有倾角的楔形结构，使上保温层II自中心至边缘的厚度线性减小；石墨坩埚下部依次设有传动杆和传动装置；石墨坩埚纵轴线、传动杆纵轴线和生长炉纵轴线处于同一直线上。