[发明专利]SiC单晶生长装置及液相外延SiC单晶生长方法

说明书

本发明涉及一种SiC单晶生长装置及液相外延SiC单晶生长方法，所述的SiC单晶生长装置，高温感应加热炉的炉体的顶部和底部对应地同轴设置有可相对反向转动的籽晶轴和旋转轴，旋转轴第一端与石墨坩埚底部固定；石墨坩埚内部设置第一非碳坩埚，籽晶轴的第一端固定第二非碳坩埚。第一非碳坩埚内自下而上分别容置SiC晶锭和作为助溶剂的Fe粉；第二非碳坩埚内容置SiC籽晶；高温感应加热炉升温，升温到800~1000℃时充氩气，而后使SiC在1500~1700℃的氩气氛围下生长；随着温度的升高，晶锭SiC溶解在熔融的Fe溶剂中形成Fe溶液，然后再通过Fe溶液传输到SiC籽晶上。本发明提供的SiC单晶生长装置可改善生长结构和热场分布，避免了结晶位置错移和坩埚碎裂的问题。

技术领域

本发明涉及SiC单晶制备技术领域，特别是一种SiC单晶生长装置及基于该装置的液相外延SiC单晶生长方法。

背景技术

随着第一代硅半导体及第二代砷化镓半导体材料发展的成熟，其器件应用也趋于极限。碳化硅（SiC）单晶属于第三代半导体材料即禁带半导体材料，具有高频率、高功率，高的击穿场和热导率及化学稳定性好等优点，有望在低阻功率器件中得到应用。

制备SiC单晶的方法主要有物理气相传输法（PVT法），高温化学气相沉积法（HTCVD法）和液相外延法（LPE法）。物理气相传输法是目前研究、开发和生产大尺寸SiC单晶的方法。但该方法生产的SiC单晶仍然存在相当数量的缺陷，如微管、位错、寄生、多型等等，导致SiC单晶片的价格十分昂贵。因此，如何降低SiC单晶片的生产成本和提高SiC单晶片的质量成为现代半导体行业主要面临的问题。液相外延法是一种优质晶体生长的适宜技术，原因是晶体生长发生在热力学平衡附近，可以实现没有微管的高质量SiC单晶的生长。

液相外延法（liquid phase epitaxial，LPE）是一种生长SiC单晶的常用方法。生长SiC的装置通常是由石墨坩埚、溶剂和籽晶组成一个三明治结构而构成的。通过在三明治结构上运用温度梯度，使得随温度的升高，溶质C溶解在溶液里面，逐渐形成一定的过饱和度。当溶液里的C和SiC达到双饱和之后，溶液中的C和Si开始在籽晶表面进行外延生长。大量的理论和实验结果表明，液相外延法是理想的生长SiC单晶的方法，通过一定的技术改善可以获得高质量的SiC单晶。

传统的三明治结构下的液相外延SiC单晶生长主要存在的问题在于热场不均会使得SiC结晶的位置通常发生在坩埚内壁和石墨吊杆上，而且石墨坩埚在溶剂的侵蚀下极易碎裂。这是因为在进行感应加热时，坩埚内壁和石墨吊杆上的温度低于SiC籽晶表面，当溶液里的C和SiC达到双饱和之后，SiC开始在低温部位结晶；溶剂中含有的Si会渗入石墨坩埚中与C结合生成SiC，由于降温产生一定的应力致使坩埚破裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种SiC单晶生长装置及液相外延SiC单晶生长方法，避免结晶位置错位和坩埚破裂的问题。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面提供的一种SiC单晶生长装置，包括高温感应加热炉的炉体和形成于炉体内的反应腔，炉体的侧壁内设置有感应加热装置，反应腔表面设置有绝热构件，所述炉体的顶部和底部对应地同轴设置有可相对反向转动的籽晶轴和旋转轴，籽晶轴和旋转轴的第一端均贯穿所述炉体延伸至反应腔内部，旋转轴第一端与石墨坩埚底部固定；石墨坩埚内部设置有作为反应容器的第一非碳坩埚，籽晶轴的第一端固定有用于固定籽晶的第二非碳坩埚。

进一步地，石墨坩埚、第一非碳坩埚和第二非碳坩埚均为圆形坩埚，石墨坩埚内壁表面距离第一非碳坩埚外壁表面的距离为10~12mm。

进一步地，第一非碳坩埚内壁下部设置为台阶状。

进一步地，所述的第一非碳坩埚和第二非碳坩埚材质选自氮化硼、刚玉、蓝宝石或碳化钽中的一种。