[发明专利]一种大直径碳化硅单晶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种大直径碳化硅单晶及其制备方法，属于结晶生长技术领域。本发明提供的方法：将结晶物料，在籽晶、保护气氛下进行结晶生长；结晶生长结束后，将所得单晶进行原位退火处理，得到所述大直径单晶；所述结晶生长在坩埚中进行；采用2个加热线圈分别对所述坩埚的顶部和底部进行加热；对所述坩埚顶部进行加热的加热线圈中心与晶体生长界面在同一水平面上。本发明采用两个感应加热线圈分别对坩埚的顶部和底部进行加热，保持坩埚的顶部和底部温度差；结晶生长过程中，保持上线圈中心与晶体生长界面在同一水平面上，维持生长界面温场稳定性，减小结晶生长过程引入热应力；结晶生长结束后，对晶体进行原位退火处理，消除晶体内部热应力。

技术领域

本发明涉及晶体生长技术技术领域，尤其涉及一种大直径碳化硅单晶及其制备方法。

背景技术

SiC材料以其特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性，成为制作高温、高频、大功率、抗辐照、短波发光及光电集成器件的理想材料。SiC材料独特的物理性能决定了其在人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、无干扰电子点火装置、喷气发动机传感器等重要领域的应用。因此，各国都投入了大量的人力物力进行相关技术研究。

以SiC为主的宽带隙半导体技术研究的进展速度超过了先前的预测，开发成果今人注目。单晶材料和外延生长技术的进步使器件性能得到不断提高。某些高性能器件与电路已开始在军事装备中试用，并获得满意的试验数据，另外很多器件已经在白光照明，电动汽车、风力发电、太阳能发电等民用系统开始应用。随着宽带隙半导体器件制造技术的不断改进与优化，有望在今后5-10年内广泛应用于各种军事武器装备系统和民用领域，使系统性能得到大幅度提高。

大直径SiC晶体制备常用方法是物理气相传输法(Physical Vapor Transport，PVT)。将SiC粉料放在密闭的石墨坩埚底部，坩埚顶部固定一个籽晶，坩埚外部放置石墨保温材料。采用中频感应将坩埚加热，粉料达到升华点，产生Si、C、SiC₂、Si₂C分子，其在轴向温度梯度的驱动下从源料表面传输到籽晶表面，在籽晶表面凝结，缓慢结晶，达到生长晶体的目的。

PVT生长方法常用的感应加热方式对系统进行加热，感应加热的趋肤效应导致晶体中存在巨大的内应力。

随着SiC晶体生长及器件工艺的进步，市场对晶体尺寸要求逐步增加，从2英寸至4英寸到现在的6英寸，晶体尺寸的增加导致生长过程晶体内部应力也持续增大。4～8英寸SiC晶体在生长、降温及加工过程中极易沿解理面开裂，极大降低了成品率，导致单晶片成本过高。同时，由于应力导致的晶片加工过程中弯曲Bow和翘曲Warp较大，降低了晶片的良率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大直径碳化硅单晶及其制备方法，本发明提供的制备方法能够得到低应力大直径的单晶。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种大直径碳化硅单晶的制备方法，包括以下步骤：

将碳化硅结晶物料，在籽晶、保护气氛下进行结晶生长；

所述结晶生长结束后，将所得晶体进行原位退火处理，得到所述大直径碳化硅单晶；

所述结晶生长在坩埚中进行；采用2个加热线圈分别对所述坩埚的顶部和底部进行加热；

所述结晶生长过程中，对所述坩埚的顶部进行加热的线圈中心与晶体生长界面在同一水平面上。

优选地，所述碳化硅结晶物料在进行结晶生长之前，还包括依次进行的抽真空、升温至加热温度和充保护气氛。

优选地，所述结晶生长的压力为5～50mbar。

优选地，所述结晶生长的过程中，坩埚顶部的温度为2000～2200℃，坩埚底部的温度为2200～2400℃。