[發明專利]一種高質量碳化硅單晶的制備方法及碳化硅單晶

有效

• 申請號: 202011255128.4
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112481699B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 楊曉俐;許曉林;王宗玉
• 申請（專利權）人: 山東天岳先進科技股份有限公司
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B23/00
• 代理公司: 北京君慧知識產權代理事務所(普通合伙) 11716
• 代理人: 劉曉佳

本申請提供了一種高品質碳化硅單晶的制備方法，所述方法包括：向坩堝中提供長晶原料，并加熱所述長晶原料以制得碳化硅單晶；所述長晶原料包括由坩堝底部向上依次鋪設的第一碳化硅粉料層、碳粉層和第二碳化硅粉料層。本申請提供的高品質的碳化硅單晶的制備方法，通過在碳化硅長晶原料中的特定位置加入一定厚度的碳粉層，使得從坩堝底部升華的富硅氣氛在經過碳粉層時充分與碳粉層中的碳顆粒反應，進而有效減輕對石墨坩堝的侵蝕，延長石墨坩堝的使用壽命，減少晶體中多型、微管缺陷的產生，并且還能夠避免碳顆粒隨氣流上升，顯著減少晶體中的碳包裹體，獲得高質量的碳化硅單晶。

技術領域

本申請涉及晶體材料制備技術領域，具體涉及一種高質量碳化硅單晶的制備方法及碳化硅單晶。

背景技術

現有技術在利用PVT法制備碳化硅單晶時，通常是將碳化硅籽晶固定在石墨坩堝內的頂部，而將碳化硅粉料作為長晶原料放置于石墨坩堝內部。PVT法的本質在于碳化硅粉料的分解，其分解的氣相成分主要有Si、Si₂C和SiC₂。

因此，碳化硅粉料在受熱分解后獲得的氣相是一個富硅的氣相，即在晶體生長前期，坩堝內的硅氣氛的分壓是過高的，而過高的硅氣氛會和石墨坩堝中的碳反應生成氣相。上述反應過程，一方面會對石墨坩堝造成嚴重的侵蝕，致使石墨坩堝的使用次數有限，并且坩堝內壁被侵蝕后會凹陷，坩堝形狀發生變化會改變溫場，而溫場的改變也會影響晶體生長，極易造成多型和管缺陷；另一方面，在晶體生長的前期會產生大量碳顆粒傳輸至生長表面，造成前期碳包裹體，在晶體生長的后期，坩堝底部的碳化硅原料由于硅升華過快而碳化嚴重，碳化后的碳化硅物料易隨氣氛傳輸至生長面，造成后期碳包裹體。

現有技術中多以改進坩堝結構或者在制備過程中補充硅氣氛的方式減少碳包裹體的生成，進而提升碳化硅晶體質量，然而，現有的改進方法操作復雜繁瑣，并且碳化硅晶體質量提升效果并不顯著，不利于工業化生產。

發明內容

為了解決上述問題，本申請旨在提供一種能夠有效減少制備過程中原料對石墨坩堝壁的侵蝕，同時還可以顯著減少碳化硅晶體中的碳包裹體缺陷的高質量碳化硅晶體的制備方法，所述方法包括：

向坩堝中提供長晶原料，并加熱所述長晶原料以制得碳化硅單晶；

所述長晶原料包括由坩堝底部向上依次鋪設的第一碳化硅粉料層、碳粉層和第二碳化硅粉料層。

本申請提供的碳化硅單晶的制備方法，在裝料時，向碳化硅粉料中加入了一層碳粉層，由于坩堝壁和底部溫度最高，因此此處附近的碳化硅粉料最容易升華，而該碳粉層的設置，使得從坩堝底部升華的富硅氣氛(例如含有Si、SiC、Si₂C氣體的氣相)在經過碳粉層時充分與碳粉層中的碳顆粒反應，進而有效減輕對石墨坩堝的侵蝕，延長了石墨坩堝的使用壽命；并且，碳粉料層的上方還設置有第二碳化硅粉料，能夠有效防止碳粉層中的碳顆粒，和長晶后期碳化硅粉料產生的碳顆粒隨升華的氣流上升并傳輸至生長表面形成碳包裹體，即上層的第二碳化硅粉料起到了很好的過濾作用。

此外，氣相中不穩定的硅碳比極易造成多型缺陷，進而增加微管缺陷的數量。而相較于現有的僅鋪設碳化硅粉料的布料方式，一方面，對石墨坩堝侵蝕的減少，還能夠避免因坩堝壁變薄而導致的溫場變化，進而減少晶體中多型、微管缺陷的產生；另一方面，上述布料方式還適當增大了碳硅比，進一步使得氣相中的氣氛過飽和度維持在較高水平，有利于4H碳化硅晶型的生長，進而避免出現多型，并顯著減少微管數量。

可選的，上述方法可以使用現有的熱場結構進行裝料并制備碳化硅單晶，例如長晶爐，所述長晶爐內設有石墨坩堝，并且在石墨坩堝的外側設有加熱元件，例如石墨加熱器或中頻感應加熱器，石墨坩堝的坩堝蓋內側頂部還固定有碳化硅籽晶。

進一步地，所述碳粉層由碳粉顆粒鋪設制成，所述碳粉顆粒的粒徑為150～300目。