一種制備厚碳化硅單晶晶錠的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于晶體生長技術領域，具體涉及一種基于物理氣相傳輸技術制備厚碳化硅單晶晶錠的方法。
【背景技術】
[0002]碳化硅半導體是一種化合物半導體，也是繼第一代元素半導體材料(硅)和第二代化合物半導體材料(砷化鎵，磷化鎵，磷化銦等)之后發展起來的第三代寬帶隙半導體材料的代表，非常適合用于高溫、大功率電子器件領域，然而目前碳化硅晶片的高昂價格和大量晶體缺陷是制約碳化硅產業大規模發展的決定性原因。
[0003]碳化硅晶體的異晶型有200余種，不同晶型之間的轉化能量只有3電子伏特左右，能量相差很小，目前普遍采用的物理氣相傳輸法，這種方法至今已被證實是能夠生長碳化硅單晶晶體最有效的標準方法。
[0004]現有技術中物理氣相傳輸法將作為生長源的碳化硅粉(或硅、碳固態混合物)置于溫度較高的坩禍底部，籽晶固定在溫度較低的坩禍頂部，在高溫條件下粉源材料蒸發，從而使坩禍中充滿Si2C, SiCjP Si的揮發性分子，這些氣態物質在由粉源與籽晶之間的溫度梯度的驅動下，自然傳輸到低溫的籽晶位置，并由于超飽和凝結在籽晶表面，從而形成碳化娃單晶晶錠。
[0005]然而在制備碳化硅單晶晶錠的過程中存在以下缺陷:
①在實際晶體生長過程中，生長初期所建立的粉源和籽晶之間的距離將隨著晶體的生長，也就是晶體的厚度不斷增加而逐步減少，進一步，隨著晶體厚度的不斷增加，晶體生長前沿面越來越靠近粉源表面，晶體生長前沿面的溫度也逐漸升高并最終接近粉源表面的溫度。與此同時，坩禍內的溫度梯度也隨之而改變，從而無法維持碳化硅單晶生長的條件，造成碳化硅其他晶型的生長。所以受限于物理氣傳輸方法本身，碳化硅單晶晶體的生長厚度最多只能達到30 ~ 40毫米，無法生長出厚度超過40毫米的單晶晶錠；
②當碳化硅晶體沿著c方向生長(也被稱為軸向生長或法向生長)時，存在于籽晶中的穿透類缺陷會復制并延伸至正在生長的晶體中，而基面類缺陷則不會出現這種情況；當碳化硅晶體沿著與c軸垂直的方向生長(也被稱為側向生長)時，會出現相反的狀況:基面類的缺陷會復制并延伸至正在生長的晶體中，而穿透類缺陷則不會出現這種情況；這種穿透類和基面類的缺陷造成單晶晶錠質量下降。
[0006]③在晶體進行側向生長時，所使用的籽晶是對晶錠垂直切割(也就是偏切角為90度的切割)而制備的，而由于常規單晶晶錠的厚度不超過40毫米，垂直切割后所得到籽晶的尺寸也不會超過40毫米，因此采用此方法很難生長出大尺寸超高質量晶體。
[0007]如果想采用此方法制備大尺寸超高質量晶體，超長厚度的晶錠生長是關鍵因素，目前常規的晶體生長方法還無法滿足這一要求。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是克服上述現有技術中的缺陷，提供一種制備厚碳化硅單晶晶錠的方法，通過晶體的再生長，突破了常規物理氣相傳輸法的結構限制，實現了超厚單晶晶錠的生長，使單晶晶錠的厚度大于常規極限40毫米。
[0009]本發明是通過以下的技術方案予以實現的:
一種制備厚碳化硅單晶晶錠的方法，其制備方法如下:
(1)碳化硅晶體生長
將碳化硅粉源置于坩禍體底部，籽晶固定在坩禍蓋上，此時籽晶與碳化硅粉源之間的距離為H1，籽晶生長晶體至最大厚度為20 ~ 40毫米后停止生長，得碳化硅單晶晶錠；根據坩禍體、坩禍蓋、碳化硅粉源和碳化硅粉源與籽晶之間的距離使用商用有限元分析軟件，或仿真軟件進行溫場梯度的計算，得到晶體生長過程中坩禍內的溫場梯度，所述溫場梯度包括橫向即垂直于晶體生長方向的溫場梯度和縱向即平行于晶體生長方向的溫場梯度，所述的橫向溫場梯度小于等于10。C/cm，縱向溫場梯度為10 ~ 50。C/cm ；
(2)碳化硅晶體再生長
增大坩禍體的高度得新的坩禍體，將步驟(I)中的坩禍蓋連同碳化硅單晶晶錠置于新的坩禍體上，此時碳化硅單晶晶錠與碳化硅粉源之間的距離H2與步驟(I)中的H1相同；通過溫場計算，使碳化硅單晶晶錠表面處于與步驟(I)中籽晶表面相同或相近的溫場梯度中；重復步驟(I)，得厚碳化硅單晶晶錠；
(3)在晶體生長的坩禍尺寸允許范圍內重復步驟(2)，可進行反復多次的晶體再生長得更厚的碳化硅單晶晶錠，所述的坩禍尺寸小于等于500毫米。
[0010]上述一種制備厚碳化硅單晶晶錠的方法，其中，所述厚碳化硅單晶晶錠的厚度大于40毫米。
[0011]本發明的有益效果為:
碳化硅晶體生長過程中由于坩禍內橫向溫度不均勻，越靠近坩禍壁溫度越高，坩禍中心軸的位置，也就是籽晶所處的位置，溫度最低，這種橫向的溫度不均勻導致的溫度梯度，使得碳化硅晶體生長過程中，在軸向生長的同時也會有側向生長，通過反復進行側向生長和軸向生長降低了缺陷密度并提高了晶體質量。
[0012]本發明通過增加坩禍體的高度和溫場模擬，即控制了晶體生長過程中粉源和籽晶表面之間的距離以及溫度梯度，保證了晶體再生長環境的一致性，通過晶體的再生長，突破了常規物理氣相傳輸法的結構限制，實現了超厚單晶晶錠的生長，即單晶晶錠的厚度大于常規極限40毫米。
[0013]本發明不僅限制于兩步生長，在晶體生長坩禍空間的允許范圍內，進行反復多次的再生長，用此晶錠制得的籽晶可使厚碳化硅單晶晶錠的制備過程形成良性循環。
[0014]本發明的工藝簡單，便于操作，且能得到大尺寸高質量的碳化硅單晶晶錠，遠遠優于現有技術。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明步驟(I)晶體生長前示意圖。
[0016]圖2為本發明步驟(I)晶體生長后不意圖。
[0017]圖3為本發明步驟(2)晶體生長前示意圖。
[0018]圖4為本發明步驟(2)晶體生長后不意圖。
[0019]【具體實施方式】:
以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0020]本發明所述的商用有限元分析軟件，或仿真軟件采用美國Ansys公司或法國ES1-CFD公司的產品。
[0021]實施例1
一種制備厚碳化硅單晶晶錠的方法，其制備方法如下:
(1)碳化硅晶體生長
將碳化硅粉源3置于坩禍體I底部，籽晶4固定在坩禍蓋2上，此時籽晶4與碳化硅粉源3之間的距離為H1，籽晶4生長晶體至最大厚度為20毫米后停止生長，得碳化硅單晶晶錠5 ;根據坩禍體1、坩禍蓋2、碳化硅粉源3和碳化硅粉