一种大直径碳化硅单晶及其制备方法
阅读说明：本技术 一种大直径碳化硅单晶及其制备方法 (Large-diameter silicon carbide single crystal and preparation method thereof ) 是由 魏汝省 李斌 毛开礼 周立平 戴鑫 靳霄曦 樊晓 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：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。(The invention provides a large-diameter silicon carbide single crystal and a preparation method thereof, belonging to the technical field of crystal growth. The method provided by the invention comprises the following steps: carrying out crystallization growth on the crystallized material under the conditions of seed crystals and protective atmosphere; after the crystal growth is finished, carrying out in-situ annealing treatment on the obtained single crystal to obtain the large-diameter single crystal; the crystal growth is carried out in a crucible; 2 heating coils are adopted to respectively heat the top and the bottom of the crucible; the center of a heating coil for heating the top of the crucible is on the same horizontal plane with a crystal growth interface. The invention adopts two induction heating coils to respectively heat the top and the bottom of the crucible, and keeps the temperature difference between the top and the bottom of the crucible; in the crystal growth process, the center of the upper coil and the crystal growth interface are kept on the same horizontal plane, the stability of a growth interface temperature field is maintained, and the thermal stress introduced in the crystal growth process is reduced; after the crystallization growth is finished, the crystal is subjected to in-situ annealing treatment to eliminate the internal thermal stress of the crystal.)
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℃。
优选地，所述结晶生长的过程中，坩埚底部的温度比坩埚顶部的温度高200℃。
优选地，所述结晶生长的过程中，对坩埚顶部进行加热的加热线圈向下的移动速度为50～500μm/h，对坩埚底部进行加热的加热线圈保持固定状态。
优选地，所述原位退火处理的过程中，坩埚顶部的温度与底部的温度相同。
优选地，所述原位退火处理的压力为100～800mbar，时间为2～20h；所述坩埚顶部的温度和底部的温度均为2200～2400℃。
优选地，原位退火处理结束后，还包括将所得单晶进行降温，所述降温的速率为40～100℃/h。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的大直径碳化硅单晶，所述大直径碳化硅单晶的直径为4～8英寸。
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。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的温度差；生长过程中，精确控制对坩埚的顶部进行加热的线圈的向下移动速度，保持对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，维持生长界面温场稳定性，减小生长过程引入的热应力；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；最终得到了低应力的碳化硅单晶。
附图说明
图1为本发明结晶生长用坩埚的剖面图，其中，1为石英管，2为对坩埚的顶部进行加热的加热线圈，3为对坩埚的底部进行加热的加热线圈，4为保温材料，5为上测温孔，6为下测温孔，7为坩埚，8为籽晶，9为结晶物料；
图2为实施例1所得6英寸N型SiC衬底片的照片。
具体实施方式
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。
本发明将碳化硅结晶物料，在籽晶、保护气氛下进行结晶生长。在本发明中，所述碳化硅结晶物料在进行结晶生长之前，优选还包括依次进行的抽真空、升温至加热温度和充保护气氛。本发明对所述抽真空的真空度不做具体限定，只要能够将结晶生长所用设备中的空气抽净即可。在本发明中，所述加热温度包括坩埚顶部的温度和坩埚底部的温度；所述坩埚顶部的温度优选为1400℃，所述坩埚底部的温度优选为1600℃；在本发明中，所升温至加热温度的过程中保持真空状态。当所述坩埚顶部的温度和底部的温度达到相应的温度后，充入保护气氛，所述保护气氛优选为氩气；所述保护气氛的流量优选为1000sccm；当充入保护气氛至800mbar，继续升温至结晶生长温度。
在本发明中，所述结晶生长在坩埚中进行；所述籽晶粘接在所述坩埚的上盖内部；本发明采用2个加热线圈分别对所述坩埚的顶部和底部进行加热；所述结晶生长的过程中，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；结晶生长的过程中晶体生长界面一直在动，维持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，能够避免晶体生长过程中带来的高应力。
在本发明中，所述结晶生长的过程中，所述坩埚顶部的温度优选为2000～2200℃，进一步优选为2100℃；坩埚底部的温度优选为2200～2400℃，进一步优选为2300℃；所述坩埚底部的温度优选比坩埚顶部的温度高200℃；对坩埚顶部进行加热的加热线圈向下的移动速度优选为50～500μm/h，进一步优选为300μm/h，对坩埚底部进行加热的加热线圈优选保持固定状态。在本发明中，所述结晶生长的压力优选为5～50mbar，进一步优选为10mbar；所述结晶生长的时间优选为100h。
图1为本发明结晶生长用坩埚的剖面图，其中，1为石英管，2为上加热线圈，3为下加热线圈，4为保温材料，5为上测温孔，6为下测温孔，7为坩埚，8为籽晶，9为结晶物料。
所述结晶生长结束后，本发明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。在本发明中，所述原位退火处理的过程中，坩埚顶部温度与底部温度相同。在本发明中，所述原位退火处理的压力优选为100～800mbar，具体优选为800mbar；坩埚顶部的温度和底部的温度均优选为2200～2400℃，具体优选为2300℃；所述原位退火处理的时间优选为2～20h，进一步优选为10h。
所述原位退火结束后，本发明优选还包括将所述原位退火所得晶体进行降温，降至室温。在本发明中，所述降温的速率优选为40～100℃/h，进一步优选为60℃/h。
在本发明中，所述晶体降至室温后，本发明优选对单晶进行滚圆、切割、研磨、倒角、抛光、化学机械抛光、清洗封装处理，本发明对上述处理的参数不做具体限定，采用本领域技术人员公知的技术手段即可。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的大直径碳化硅单晶，所述大直径碳化硅单晶的直径优选为4～8英寸。
下面结合实施例对本发明提供的大直径碳化硅单晶及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
第一步：在6英寸SiC单晶生长用石墨坩埚中填充入2500g的高纯SiC粉料。
第二步：将6英寸籽晶粘接到坩埚上盖上，将上盖固定在坩埚顶部。
第三步：将坩埚放入单晶生长炉中。
第四步：在坩埚四周包裹上石墨保温材料进行保温。
第五步：封闭生长炉；顶部放置红外测温仪来测试坩埚顶部温度。
第六步：抽真空并对坩埚进行加热至坩埚顶部1400℃，坩埚底部1600℃。
第七步：炉腔内通入Ar气保护气体，流量1000sccm，压力至800mbar，继续对坩埚加热至坩埚顶部温度2100℃，坩埚底部2300℃。
第八步：维持温度不变降压至结晶生长压力10mbar，碳化硅粉料在高温下开始分解成Si、SiC2、Si2C等气相组分并向坩埚盖处传输，SiC晶体开始生长，生长时间100小时。
第九步：结晶生长过程中控制线圈移动，上线圈向下移动速率300μm/h；下线圈固定不动。
第十步：结晶生长结束，向腔室内充入Ar气至800mbar；同时，提高坩埚顶部温度2300℃；对晶体进行原位退火处理，维持10h。
第十一步：原位退火处理结束，开始降温，降温速率60℃/h，降温过程中坩埚顶部和底部温度保持一致。
第十二步：降温结束，取出坩埚和晶体，整个生长过程结束。
晶体经过滚圆、切割、研磨、倒角、抛光、化学机械抛光、清洗封装等工序，最终获得“开盒即用”的6英寸N型SiC衬底片。
图2为本实施例得到的6英寸N型SiC衬底片的照片，从图2可以看出：本实施例所得N型SiC衬底片不开裂，说明N型SiC衬底片应力小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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