一种SiC单晶的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，特别涉及一种SiC单晶的制备装置及制备方法。

背景技术

半导体碳化硅(4H-SiC)材料具有禁带宽度大、热导率高、击穿场强高及饱和电子漂移速率高等优点，在高温、高频、大功率和抗辐射等领域展现出广阔的应用前景。目前，如PIN二极管、肖特基二极管、MESFET、MOSFET、晶闸管和IGBT等多种SiC基功率器件已经实现商业化。

当前主流的SiC单晶制备方法是物理气相传输法(physical vapor transport，PVT)、高温化学气相沉积法(high temperature chemical vapor deposition，HTCVD)和顶部籽晶溶液生长法(top-seeded solution growth，TSSG)。其中，PVT法是目前最成熟的SiC单晶生长技术，国内外已经实现6英寸SiC单晶衬底商业化，8英寸衬底也在逐步实现量产。

PVT法由于其较快的生长速率、稳定的工艺和成本优势，是目前SiC晶圆厂商采用的主流方法。但是，应用PVT法生长得到的大尺寸SiC单晶仍然存在一些晶体缺陷，包括微管、位错、多型、多晶、微裂纹和包裹物夹杂等。其中微管缺陷，曾经被认为是SiC晶体最严重的杀手缺陷，会导致器件出现过高漏电流和过早击穿等性能严重劣化的现象，同时在外延生长及器件加工过程中起到杂质污染源的作用。由于SiC材料在高温下具有非一致升华特点，导致PVT法生长SiC晶体过程中气相组分(包括Si、Si

专利CN113122918表明采用TaC涂层技术能够阻碍PVT法生长SiC单晶过程中气相组分与石墨部件反应，抑制石墨部件的腐蚀，减少微管、多晶和微裂纹等缺陷的产生，有效改善晶体质量。但是，涂敷TaC涂层会阻碍气相组分与石墨坩埚内壁反应，导致晶体生长缺乏足够的碳原子供应，使得晶体生长速率显著降低，Si/C值发生变化，从而引入较多的晶体缺陷。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种SiC单晶的制备装置，包括：

石墨坩埚，所述石墨坩埚内壁涂覆有防止石墨被腐蚀的涂料层；

所述石墨坩埚内部从底部往顶部开口方向依次设置有第一SiC粉料层、第一间隔层、含活性炭的第二SiC粉料层、第二间隔层、碳吸附层和第三间隔层，所述第一间隔层、第二间隔层、第三间隔层具有孔隙；

石墨坩埚的顶部设置有SiC籽晶。

其中，第一SiC粉料层、第一间隔层、含活性炭的第二SiC粉料层、第二间隔层、碳吸附层和第三间隔层之间彼此紧贴、不留空隙。

其中，第一SiC粉料层、第一间隔层、含活性炭的第二SiC粉料层、第二间隔层、碳吸附层和第三间隔层可以是一层一层依次堆叠，也可以单独将其中几层按顺序制成一个独立构件，在使用时选择对应规格的独立构件放入石墨坩埚内部。

进一步的，所述涂料层为TaC、HfC、ZrC其中的一种，所述涂料层的涂覆厚度范围为10um～50um。涂料层一方面能够有效阻碍气相组分与石墨坩埚内壁反应腐蚀石墨坩埚；另一方面，可以减少C颗粒产生，避免C颗粒影响晶体生长，从而提高晶体成品质量。

进一步的，所述第一间隔层、第二间隔层和第三间隔层为多孔石墨板、石墨硬毡或表面开孔的硬质石墨板，所述第一间隔层、第二间隔层和第三间隔层表面涂覆有防止石墨被腐蚀的涂料层。石墨具有化学性质稳定、导热性能好、耐高温、耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应的特性。由于石墨良好的导热性能，可以保证SiC粉料层到含活性炭的SiC粉料层的导热，使含活性炭的SiC粉料层达到反应所需温度；利用多孔石墨、石墨硬毡或表面开孔的硬质石墨的多孔特性对气相组分中的碳颗粒进行吸附，吸附速度快、能吸附较大碳颗粒，避免碳颗粒随气相组分落到晶体表面引起缺陷。其中，第一间隔层、第二间隔层和第三间隔层表面的涂料层为TaC、HfC、ZrC其中的一种，涂料层的厚度为20μm～50μm。通过控制涂层的涂刷次数和涂覆厚度能一定程度上降低孔隙尺寸而不堵塞孔隙，使第一间隔层、第二间隔层和第三间隔层在高温预烧的条件下仍能保持良好的多孔特性。其中，所述第一间隔层、第二间隔层和第三间隔层上的孔隙直径为40μm～80μm。所述孔隙不能过大，否则无法有效吸附大颗粒的碳颗粒。

进一步的，所述碳吸附层采用与碳颗粒发生化学反应后能形成稳定化合物的材料制成。所述碳吸附层具有高熔点，难分解，不易挥发的特性，能在高温下保持稳定，并与气相组分中微小的碳颗粒反应形成稳定的碳化物层，避免微小碳颗粒随气相组分落到晶体表面引起缺陷。

进一步的，所述碳吸附层的材料为Ti、Ta、Nb或W。

进一步的，所述碳吸附层厚度为1mm～5mm，表面呈多孔或箔网结构，碳吸附层形状设置为平面、拱形或弓形中的一种。利用多孔或箔网结构的多孔特性对气相组分中的碳颗粒进行吸附，使碳吸附层兼具化学吸附的稳定性好和物理吸附的吸附速度快、吸附颗粒大的优点，进一步减少空气中的碳颗粒，避免微小碳颗粒随气相组分落到晶体表面引起晶体缺陷。

进一步的，所述含活性炭的第二SiC粉料层中装填的SiC粉料中掺有活性炭含量为5wt％～20wt％。在没有碳源补充时，气相组分中的Si/C值会随着反应持续降低，造成气相原子在生长台阶的扩散，从而诱发多型形核，进而导致微管、位错、小角度晶界甚至裂纹等缺陷；活性炭作为补充碳源，高温下能够与富硅气相组分反应，形成Si

进一步的，所述SiC籽晶选用4H晶型，尺寸为2英寸～8英寸，厚度为300um～1000um，生长面为C面。

本发明还提供一种SiC单晶制备方法，包括：

选用如前所述的SiC单晶的制备装置；

在第一SiC粉料层内装填SiC粉料；

在含活性炭的第二SiC粉料层内装填含活性炭的SiC粉料；

加热石墨坩埚，利用PVT法实现晶体生长。

其中，所述SiC粉料的制取步骤包括：

选取晶粒尺寸为1mm～5mm的SiC粉料；

用盐酸或硫酸进行酸洗去除金属杂质；

在1500℃～2000℃预烧1h～2h去除碳杂质；

清洗后烘干，充氮气或惰性气体密封保存备用。

其中，所述含活性炭的SiC粉料的制备方式为：在SiC粉料中掺入含量为5wt％～20wt％的活性炭。

进一步的，所述PVT法的工艺参数为：保持石墨坩埚上部温度在2200℃～2450℃之间，轴向温度梯度为15℃/mm～20℃/mm，真空度低于10

综上所述，本发明的有益效果在于：

本发明通过在上层的SiC粉料层中掺入活性炭，可以替代石墨坩埚补充富硅气相组分中的C元素的作用，利用活性炭与富硅气相组分反应，降低气相组分中的Si/C值，维持气相组分中的Si/C值稳定，从而减少碳化硅晶体生成微管、位错、多型、多晶、包裹物夹杂和微裂纹等缺陷，提高晶体成品质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的石墨坩埚内部结构示意图。

图中各附图标记为：

1、石墨坩埚；2、涂料层；3、第一SiC粉料层；4、SiC籽晶；5、第一间隔层；6、第二SiC粉料层；7、第二间隔层；8、碳吸附层；9、第三间隔层。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

参阅图1，本发明提供的一种SiC单晶的制备装置，包括：

石墨坩埚1，石墨坩埚1内壁涂覆有防止石墨被腐蚀的涂料层2；

石墨坩埚1内部从底部往顶部开口方向依次设置有第一SiC粉料层3、第一间隔层5、含活性炭的第二SiC粉料层6、第二间隔层7、碳吸附层8和第三间隔层9，第一间隔层5、第二间隔层7、第三间隔层9具有孔隙；

石墨坩埚1的顶部设置有SiC籽晶4。

在本实施例中，第一SiC粉料层3、第一间隔层5、含活性炭的第二SiC粉料层6、第二间隔层7、碳吸附层8和第三间隔层9之间彼此紧贴、不留空隙。

其中，第一SiC粉料层3、第一间隔层5、含活性炭的第二SiC粉料层6、第二间隔层7、碳吸附层8和第三间隔层9可以是一层一层依次堆叠，也可以单独将其中几层按顺序制成一个独立构件，在使用时选择对应规格的独立构件放入石墨坩埚1内部。

在本实施例中，涂料层2为TaC、HfC、ZrC其中的一种，涂料层2的涂覆厚度范围为10um～50um。涂料层2一方面能够有效阻碍气相组分与石墨坩埚1内壁反应腐蚀石墨坩埚1；另一方面，可以减少C颗粒产生，避免C颗粒影响晶体生长，从而提高晶体成品质量。石墨和气相组分的反应式：

在本实施例中，第一间隔层5、第二间隔层7和第三间隔层9为多孔石墨板、石墨硬毡或表面开孔的硬质石墨板，第一间隔层5、第二间隔层7和第三间隔层9表面涂覆有防止石墨被腐蚀的涂料层。石墨具有化学性质稳定、导热性能好、耐高温、耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应的特性。由于石墨良好的导热性能，可以保证SiC粉料层3到含活性炭的SiC粉料层6的导热，使含活性炭的SiC粉料层6达到反应所需温度；利用多孔石墨、石墨硬毡或表面开孔的硬质石墨的多孔特性对气相组分中的碳颗粒进行吸附，吸附速度快、能吸附较大碳颗粒，避免碳颗粒随气相组分落到晶体表面引起缺陷。

在本实施例中，第一间隔层5、第二间隔层7和第三间隔层9表面的涂料层为TaC、HfC、ZrC其中的一种，涂料层的厚度为20μm～50μm。通过控制涂层的涂刷次数和涂覆厚度能一定程度上降低孔隙尺寸而不堵塞孔隙，使第一间隔层5、第二间隔层7和第三间隔层9在高温预烧的条件下仍能保持良好的多孔特性。

在本实施例中，第一间隔层5、第二间隔层7和第三间隔层9上的孔隙直径为40μm～80μm。孔隙不能过大，否则无法有效吸附大颗粒的碳颗粒。

在本实施例中，碳吸附层8采用与碳颗粒发生化学反应后能形成稳定化合物的材料制成。碳吸附层8具有高熔点，难分解，不易挥发的特性，能在高温下保持稳定，并与气相组分中微小的碳颗粒反应形成稳定的碳化物层，避免微小碳颗粒随气相组分落到晶体表面引起缺陷。

在本实施例中，碳吸附层8的材料为Ti、Ta、Nb或W。碳吸附层8也可以采用其他具有高熔点，难分解，不易挥发特性的材料。

在本实施例中，碳吸附层8厚度为1mm～5mm，表面呈多孔或箔网结构，碳吸附层8形状设置为平面、拱形或弓形中的一种。利用多孔或箔网结构的多孔特性对气相组分中的碳颗粒进行吸附，使碳吸附层8兼具化学吸附的稳定性好和物理吸附的吸附速度快、吸附颗粒大的优点，进一步减少空气中的碳颗粒，避免微小碳颗粒随气相组分落到晶体表面引起晶体缺陷。在本实施例中，含活性炭的第二SiC粉料层6中装填的SiC粉料中掺有活性炭含量为5wt％～20wt％。在没有碳源补充时，气相组分中的Si/C值会随着反应持续降低，造成气相原子在生长台阶的扩散，从而诱发多型形核，进而导致微管、位错、小角度晶界甚至裂纹等缺陷；活性炭作为补充碳源，高温下能够与富硅气相组分反应，形成Si

使得气相组分中的Si/C值趋于稳定，保证了合适的生长速率，同时减少上述晶体缺陷的产生，提高了晶体成品质量。

在本实施例中，SiC籽晶4选用4H晶型，尺寸为2英寸～8英寸，厚度为300um～1000um，生长面为C面。

本发明实施例还提供一种SiC单晶制备方法，包括：

选用如前所述的SiC单晶的制备装置；

在第一SiC粉料层3内装填SiC粉料；

在含活性炭的第二SiC粉料层6内装填含活性炭的SiC粉料；

加热石墨坩埚1，利用PVT法实现晶体生长。

在本实施例中，SiC粉料的制取步骤包括：

选取晶粒尺寸为1mm～5mm的SiC粉料；

用盐酸或硫酸进行酸洗去除金属杂质；

在1500℃～2000℃预烧1h～2h去除碳杂质；

清洗后烘干，充氮气或惰性气体密封保存备用。

在本实施例中，含活性炭的SiC粉料的制备方式为：在SiC粉料中掺入含量为5wt％～20wt％的活性炭。活性炭作为补充碳源，高温下能够与富硅气相组分反应，形成Si

在本实施例中，PVT法的工艺参数为：保持石墨坩埚1上部温度在2200℃～2450℃之间，轴向温度梯度为15℃/mm～20℃/mm，真空度低于10

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。