一种碳化硅的结晶界面控制结构、生长设备和制备方法
阅读说明：本技术 一种碳化硅的结晶界面控制结构、生长设备和制备方法 (Silicon carbide crystallization interface control structure, growth equipment and preparation method ) 是由 潘尧波 薛卫明 马远 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种碳化硅的结晶界面控制结构、生长设备及制备方法,其中,所述结晶界面控制结构包括石墨托盘、分布在所述石墨托盘上的多个石墨杆、与所述多个石墨杆对应连接的多个换热管及多个电信号接收器,所述换热管内设有进气管,所述进气管内有冷媒气体流通；所述电信号接收器的一端通过连接导线与所述换热管相连,另一端通过连接导线与所述石墨杆相连；所述石墨杆与所述换热管及所述电信号接收器构成热电偶测温系统,通过所述电信号接收器可判断所述石墨杆的温度；通过调节所述冷媒气体的流量可调节所述石墨托盘的温度分布,进而实现结晶界面的控制。采用包含本发明的结晶界面控制结构的生长设备可获得的低密度缺陷的碳化硅单晶衬底。(The invention provides a silicon carbide crystal interface control structure, growth equipment and a preparation method, wherein the crystal interface control structure comprises a graphite tray, a plurality of graphite rods distributed on the graphite tray, a plurality of heat exchange tubes correspondingly connected with the graphite rods and a plurality of electric signal receivers, wherein air inlet tubes are arranged in the heat exchange tubes, and refrigerant gas flows in the air inlet tubes; one end of the electric signal receiver is connected with the heat exchange tube through a connecting wire, and the other end of the electric signal receiver is connected with the graphite rod through a connecting wire; the graphite rod, the heat exchange tube and the electric signal receiver form a thermocouple temperature measuring system, and the temperature of the graphite rod can be judged through the electric signal receiver; the temperature distribution of the graphite tray can be adjusted by adjusting the flow of the refrigerant gas, so that the control of a crystallization interface is realized. A low-density defect silicon carbide single crystal substrate obtainable by a growth apparatus comprising the crystalline interface control structure of the present invention.)
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体生长技术领域，具体涉及一种碳化硅的结晶界面控制装置、生长设备及制备方法。
背景技术
作为第三代半导体单晶材料的代表，碳化硅(SiC)具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度以及极好的化学稳定性等特点，这些优异的性能使碳化硅晶体被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域，对未来电子信息产业技术的发展产生重要影响。
碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。碳化硅单晶衬底通常是利用物理气相传输(PVT)法或者液相外延(LPE)法生长大块晶体，再经过机械加工获得衬底片，因此，大块晶体的质量直接决定碳化硅单晶衬底的质量，大块晶体上的缺陷决定碳化硅单晶衬底的基本缺陷在何种数量级。
目前，控制碳化硅单晶缺陷的方法主要有：晶体的图形化处理后，利用晶体的侧向生长修复缺陷，如CN111958070B和JP2006052097A；在生长环境中增加特殊气氛或调整籽晶托盘的结构，如CN112160028A或CN106435734A和US7501022B2；通过改善PVT气相运输过程提高原料纯度以避免杂质引起的缺陷，如CN110983434A和US8741413B2；而更多的是利用化学气相沉积(CVD)过程改善缺陷，如CN1926266A和CN111051581A。然而上述方案亦存在许多不足，如图形化籽晶，或籽晶托特殊结构，其生长过程中仅在初期固定改变晶体生长界面形状，而在晶体生长过程的绝大部分时间内结晶界面是不受控的；气相运输过程改善对微管或碳包裹物可能存在一些改善，然而对于堆垛层错(SF)、螺型位错(TSD)或基面位错(BPD)等缺陷无法改善。CVD的过程在一定程度上能够改善衬底片上缺陷的数量，但在外延过程中TSD是无法修复的或仅换成SF缺陷。鉴于上述情况，一种新型的控制碳化硅单晶衬底缺陷的方法有待提出。
发明内容
针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种碳化硅的结晶界面控制结构、生长设备及制备方法，用于控制碳化硅的结晶界面以改善碳化硅单晶衬底内部的缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种碳化硅的结晶界面控制结构，包括石墨托盘、多个石墨杆、多个换热管及多个电信号接收器，所述石墨托盘用于安置碳化硅籽晶，所述多个石墨杆安装在所述石墨托盘背离所述籽晶的一面；所述多个换热管分别与所述多个石墨杆对应连接，所述换热管内设有进气管，所述进气管内有冷媒气体流通；所述多个电信号接收器与所述多个换热管对应设置，所述电信号接收器的一端通过连接导线与所述换热管相连，另一端通过连接导线与所述石墨杆相连；所述石墨杆与所述换热管及所述电信号接收器构成热电偶测温系统，通过所述电信号接收器可判断所述石墨杆的温度；所述结晶界面控制装置通过调节所述冷媒气体的流量调节所述石墨托盘的温度分布，进而实现结晶界面的控制。
于本发明的一实施例中，所述换热管由耐高温材料制成，所述耐高温材料为钽(Ta)、碳化钽(TaC)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)或陶瓷材料中的任意一种。
于本发明的一实施例中，所述多个石墨杆均匀分布在所述石墨托盘上。
于本发明的一实施例中，所述多个石墨杆与所述石墨托盘为一体式结构，所述多个石墨杆背离所述石墨托盘的一端与所述多个换热管一一对应连接。
于本发明的一实施例中，所述石墨杆为中空结构，所述进气管的出气口对应于所述石墨杆的内部，所述冷媒气体通过所述进气管进入所述石墨杆对其降温，并通过所述换热管排出。
于本发明的一实施例中，所述石墨杆和所述石墨托盘由高密度石墨材料制备而成，所述高密度石墨材料的密度为1.6～1.8g/cm3，热导率为80～150Wm-1K-1。
于本发明的一实施例中，所述冷媒气体选自氢气(H2)、氦气(He)、氩气(Ar)中的任意一种。
本发明的第二个方面是提供一种碳化硅生长设备，该设备包含本发明的结晶界面控制结构。
本发明的第三个方面是提供一种控制碳化硅单晶衬底缺陷的制备方法，包括以下步骤：
提供一包含本发明的结晶界面控制结构的碳化硅生长设备；
将一籽晶固定在所述碳化硅生长设备的石墨托盘上；
将所述碳化硅生长设备的温度升至1600～2500℃，压力控制在0.1～100mbar；
根据所述石墨托盘的温度分布及所述籽晶中的缺陷分布调节冷媒气体的流量以使所述石墨托盘获得预期的温度分布，使所述籽晶的生长界面为预期的形状；
调节所述冷媒气体的流量使得碳化硅的特定晶相优先结晶，修复缺陷；
调节所述冷媒气体的流量使所述石墨托盘各个位置的温度至稳定生长温度；
稳定生长结束后，降温取出；
降温后的碳化硅晶体经加工后获得低缺陷密度的碳化硅单晶衬底。
于本发明的一实施例中，所述籽晶的生长界面的预期形状为台阶状。
如上所述，本发明提供一种结晶界面控制结构，在石墨托盘上设置多个石墨杆及与石墨杆相连的换热管，换热管内设有内部有冷媒气体流通的进气管，其中，石墨杆与石墨托盘及电信号接收器构成热电偶测温系统，通过电信号接收器可获得不同位置的石墨杆的温度，进而得到石墨托盘的温度分布；通过调节冷媒气体的流量可调控石墨杆的温度，进而使石墨托盘的温度分布达到预期分布以达到控制结晶界面的目的；将本发明的结晶界面控制结构安装在生长设备中，利用该生长设备可通过调节冷媒气体的流量调节石墨托盘的温度分布使得碳化硅的特定晶相优先生长，当不同方向的缺陷相遇后可被消除或者汇聚成一个缺陷，此时根据产品等级要求可再次调节石墨托盘的温度分布直至获得缺陷密度足够低的生长界面。本发明还提提供一种控制碳化硅单晶衬底缺陷的方法，该方法可控制碳化硅单晶衬底的缺陷，获得低密度缺陷的碳化硅单晶衬底。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明的结晶界面控制结构于一实施例中的结构示意图。
图2显示为图1中Ⅰ区的局部剖视放大图。
图3显示为本发明的控制碳化硅单晶衬底缺陷的制备方法的流程图。
图4显示为图3中步骤S2所选取的籽晶中的缺陷分布示意图。
图5显示为图3中步骤S4对应的各缺陷的发展方向示意图。
图6显示为图3中步骤S5对应的修复缺陷后的结构示意图。
图7显示为图3中步骤S6对应的碳化硅晶体稳定生长后的结构示意图。
图8显示为本发明于一实施例中台阶状生长界面的碳化硅生长过程中消除缺陷的示意图。
附图标记
1、石墨托盘；2、石墨杆；3、换热管；4、电信号接收器；5、籽晶；6、进气管；501、优先生长区；502、基面；503、籽晶表面；504、垂直于基面的缺陷；505、垂直于籽晶表面的缺陷；506、平行于基面的缺陷；7、结晶面方向；8、缺陷；9、低缺陷的生长界面； 10、籽晶缺陷；101、顶部缺陷；11、碳化硅生长界面；1101、侧壁缺陷。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施例，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施例加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在本发明中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”仅用于描述和区分目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本文中所使用的所有技术和科学术语都具有本发明所属领域普通技术人员通常所理解的同样含义。虽然也可采用与本文所述相似或等同的任何方法和材料实施本发明，但下面描述了优选的方法、器件和材料。
本发明提供一种碳化硅的结晶界面控制结构、生长设备及制备方法，可通过控制石墨托盘的温度分布控制结晶界面进而实现控制碳化硅单晶衬底的目的。
请参阅图1和图2，本发明提供一种结晶界面控制结构，包括石墨托盘1、多个石墨杆 2、多个换热管3及多个电信号接收器4，石墨托盘1用于安置籽晶5，多个石墨杆2安装在石墨托盘1背离籽晶5的一面；多个换热管3分别与多个石墨杆2对应连接，换热管3 内设有进气管6，该进气管6内有冷媒气体流通；多个电信号接收器4与多个换热管3对应设置，电信号接收器4的一端通过连接导线与换热管3相连，另一端通过连接导线与石墨杆2相连；石墨杆2与换热管3及电信号接收器4通过连接导线形成闭合的回路构成热电偶测温系统，换热管3与石墨杆2紧密接触的一端在高温下产生热电动势，被电信号接收器4接收，根据电信号接收器4接收到的电信号可获得石墨托盘1在此处的温度；该结晶界面控制装置通过调节冷媒气体的流量调节石墨托盘1的温度分布，进而实现结晶界面的控制。
请参阅图1和图2，换热管3与石墨杆2及电信号接收器4组成热电偶测温系统需满足换热管3与石墨杆2为不同的材质，且换热管3由耐高温的导体或半导体材料制备而成，例如换热管3由Ta、TaC、W、Mo、Re或高纯致密的陶瓷材料。换热管3与石墨杆2紧密接触的一端为热电偶测温系统的热端，而与电信号接收器4相连的一端为冷端，在晶体生长过程中，冷端处于恒温状态，而热端温度则会随着冷媒气体的流量变化而变化，因热电偶的闭合回路中会产生热电动势并呈现在电信号接收器4中，根据电信号接收器4中的电动势可判断石墨托盘1在该点的温度。
请参阅图1和图2，作为示例，多个石墨杆2，例如3个或3个以上石墨杆2均匀分布在石墨托盘1背离籽晶5的一面上，石墨杆2与石墨托盘1为一体式结构，两者采用相同的材质制备而成，例如采用密度为1.6～1.8g/cm3，热导率为80～150Wm-1K-1的高密度石墨材质制备而成，石墨杆2的温度等于石墨托盘1上与该石墨杆2连接位置的温度，因此通过冷媒气体调节不同的石墨杆2的温度也等于调节石墨托盘1的温度分布。
请参阅图1和图2，在一实施例中，石墨杆2为中空结构，换热管3与石墨杆2对应连接且两者的内部相连通，换热管3内部的进气管6的进气口与冷媒气体源相连，出气口对应于石墨杆2的内部，冷媒气体从进气管6进入石墨杆2对其降温，并通过换热管3排出。其中，冷媒气体可选自H2、He、Ar或其他惰性气体中的任意一种。
请参阅图1至图3，本发明还提供一种控制碳化硅单晶衬底缺陷的制备方法，至少包括以下步骤：
S1、提供一包含本发明的结晶界面控制结构的碳化硅生长设备；
S2、将一籽晶5固定在碳化硅生长设备的石墨托盘1上；
S3、将碳化硅生长设备的温度升至1600～2500℃，压力控制在0.1～100mbar；
S4、根据石墨托盘1的温度分布及籽晶5中的缺陷分布调节冷媒气体的流量以使石墨托盘1获得预期的温度分布，使籽晶5的生长界面达到预期形状；
S5、调节冷媒气体的流量使碳化硅的特定晶相优先结晶，修复缺陷；
S6、调节冷媒气体的流量使石墨托盘1各个位置的温度至碳化硅的生长温度稳定生长；
S7、稳定生长结束后，降温取出；
S8、降温后的碳化硅晶体经加工后获得低缺陷密度的碳化硅单晶衬底。
具体地，步骤S1中的碳化硅生长设备包括坩埚及安装在坩埚上的结晶界面控制结构，其中结晶界面控制结构为本发明的结晶界面控制结构，该结构封堵在坩埚顶部。碳化硅生长设备的其他未公开的结构为本领域中常规的结构，在此不再详述。
请参阅图1、图3和图4，步骤S2中的籽晶5紧贴在石墨托盘1上，籽晶5中的缺陷分布为已知的，在一实施例中，选取的籽晶5的籽晶表面503与基面502存在一个4°的偏角θ，且籽晶5内有垂直于基面的缺陷504、垂直于籽晶表面的缺陷505及平行于基面的缺陷506。
请参阅图3，步骤S3将碳化硅生长设备的温度升至1600～2500℃，压力控制在0.1～100 mbar，例如，将碳化硅生长设备以200℃/h的升温速率升温至2300℃，在设备内的温度达到2300℃之前，设备内的压力控制在100mbar，当温度接近2300℃时，将设备内的压力降低至30mbar。
请参阅图2、图3和图5，步骤S4中，石墨托盘1的温度分布通过各个位置对应的电信号接收器4获得，籽晶5中的缺陷分布在安装籽晶5之前可通过检测获得；先根据石墨托盘1的温度分布调节换热管3内冷媒气体的流量，冷媒气体例如可选自H2、He、Ar或其他惰性气体中的任意一种，使籽晶5的局部优先生长获得一个优先生长区域501；再根据石墨托盘1中的温度分布及籽晶5中的缺陷分布，调节缺陷周边的换热管3内的冷媒气体的流量，使缺陷周边的温度低于缺陷处的温度，例如将缺陷周边的温度调节至低于缺陷处5℃以上，使碳化硅优先在缺陷处生长以获得预期的结晶界面。
请参阅图3、图5和图6，步骤S5中，由于碳化硅的[0001]方向的生长速度小于方向及中心散热的作用，垂直于基面的缺陷504、垂直于籽晶表面的缺陷505、平行于基面的缺陷506均向中心发展，缺陷的发展方向与结晶面方向7并不完全垂直。当各个缺陷相遇后会消除或者汇聚在一起形成一个汇合缺陷8向下继续延伸，根据产品的等级要求再次调整缺陷9处的温度，重复步骤S4和S5获得低缺陷密度的生长界面9。
请参阅图3和图6，步骤S6、通过调节石墨托盘1各个位置对应的冷媒气体的流量，将石墨托盘1上各点的温度升至碳化硅的生长温度稳定生长一段时间，如稳定生长80小时获得碳化硅晶体。
请参阅图3，步骤S7稳定生长结束后，调节冷媒气体的流量，使石墨托盘1的温度分部在均温状态，然后将晶体温度从2300℃降低至室温取出。
步骤S8中对碳化硅晶体的加工获得碳化硅单晶衬底为常规的技术操作，在此不再详述。
请参阅图8，在一实施例中，提供一籽晶5，其内部存在多种随机分布的籽晶缺陷10，利用本发明的控制碳化硅单晶衬底缺陷的制备方法，在晶体生长初期(对应步骤S4)通过调节石墨托盘1各个位置对应的冷媒气体的流量，获得一种台阶状的生长界面；再调节冷媒气体的流量使晶体快速沿着下台阶的方向生长，部分缺陷沿晶体的生长界面的法向延伸，但是由于台阶底部的生长速度慢，台阶顶部的生长速度快，而且[0001]向生长比向生长速度慢，因此底部台阶的缺陷延伸速度比顶部台阶晶体生长慢，顶部晶体覆盖底部缺陷，而顶部缺陷沿向晶体侧壁延伸形成侧向缺陷1101，最终晶体仅保留台阶顶部的部分顶部缺陷101。在后续加工过程中，磨除缺陷处，即可获得高质量碳化硅单晶衬底。
本申请的结晶界面控制结构还可用于化学气相外延设备中，该结晶界面控制结构与 CVD外延过程可进一步降低碳化硅单晶衬底的缺陷。
综上所述，本发明结构提供一种碳化硅的结晶界面控制结构、生长设备及制备方法，该结晶界面控制结构通过调节冷媒气体的流量调控石墨托盘的温度分布以达到控制结晶界面的目的，采用包含本发明的结晶界面控制结构的生长设备生长的碳化硅晶体可获得高质量的碳化硅单晶衬底。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。