一种新型碳化硅晶体的生长方法及制备装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种新型碳化硅晶体的生长方法及制备装置，其中生长方法为：加热碳化硅原料桶，进行化学反应：Si+SiC

【技术实现步骤摘要】
一种新型碳化硅晶体的生长方法及制备装置


[0001]本专利技术涉及晶体材料制备领域，具体涉及一种新型碳化硅晶体的生长方法及制备装置。

技术介绍

[0002]碳化硅单晶材料作为第三代半导体的重要代表之一，做成器件后具有耐高温、耐高压、耐高辐射、电流密度大、能耗低等突出有点，在电动车、充电桩、动车、大型船舶、航空航天等多个领域有突出的应用前景。目前制约碳化硅电力电子器件技术发展的一个瓶颈就是成本太高，其中衬底的成本就占据了整个器件的60%以上，衬底昂贵的主要原因时碳化硅单晶生长的晶体厚度薄（一般不超过2cm），生长周期长（一般一周以上），缺陷多，良率低（目前市场上的衬底良率整体不超过3成）。因此，目前衬底的成本居高不下。
[0003]目前晶体生长的方法有两类，一类是大家熟知的PVT法，即物理气相沉积；另外一类是HTCVD，即高温CVD的办法。目前这两类办法都难以长出很厚的合格晶体。其中PVT法主要的障碍来自于生长过程中硅源的缺失（碳化严重）和硅蒸汽的通道堵塞（粉料粒径过细易造成蒸汽堵塞），因此到达仔晶表面上的硅原子非常有限，这也就是导致了PVT法晶体难以快速生长的根本原因。HTCVD法由于需要载气，一般是H2，由于H2在高温下有很强的活性，导致在高温下，对腔体内部的材料有很强的腐蚀性，再加上时间漫长，材料损坏厉害，也难以持续高速生长很厚的晶体。
[0004]有鉴于此，本专利技术人进行了深入构思且积极研发，遂产生本案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种新型碳化硅晶体的生长方法及制备装置，以生长出厚层且合格的碳化硅晶体。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种新型碳化硅晶体的生长方法，其包括以下步骤：步骤1、将原料球放入碳化硅原料桶内，加热原料球进行化学反应：Si+SiC
→
Si2C
⬆
；所述该原料球由硅粉和碳化硅粉混合得到，其混合重量比为0
‑
0.7；步骤2、Si2C气体反应气体到达籽晶表面参与晶体生长，籽晶的温度低于原料球的温度。
[0007]所述原料球的直径为0.5
‑
50mm。
[0008]所述原料球采用干压成球型设备将硅粉和碳化硅粉干压后经过烧结得到，或者所述原料球为采用干压成球型设备将硅粉和碳化硅粉干压得到的小球在碳化硅原料桶内烧结得到直接用于晶体生长。
[0009]所述干压成球型设备在制备原料球时，其与原料粉接触的区域均使用不会导入杂质的高纯塑料，受力部位均使用金属钽或钨材质。
[0010]所述原料球的烧结温度为1400℃~2200℃。
[0011]所述碳化硅原料桶内的原料球温度为2300
‑
2700℃；所述籽晶的温度控制为1800
‑
2300℃；制备所述原料球采用的硅粉和碳化硅粉的纯度为6N以上。
[0012]所述步骤1之前，进行以下处理：将加热后的惰性气体送入熔融的液体硅中，产生硅蒸汽；然后硅蒸汽进入碳化硅原料桶中进行化学反应。
[0013]所述液体硅的温度为1400
‑
2360℃。
[0014]所述惰性气体的温度为1400
‑
2360℃。
[0015]一种碳化硅晶体的制备装置，其包括壳体以及在壳体内形成的制备空间，壳体内还设有保温层，该保温层环绕在制备空间外周；所述制备空间内设有承重石墨保温棉，该承重石墨保温棉将制备空间分隔成上下两个区域；所述下区域设有液硅容器，液硅容器的上端开口对应的承重石墨保温棉上设有硅蒸汽进气孔，液硅容器的外周设有硅溶液加热器；所述下区域还设有进气管，其一端连通到液硅容器，并设于液硅容器的底部，另一端则延伸至壳体外；所述上区域设有碳化硅原料桶和籽晶，籽晶位于碳化硅原料桶上方，碳化硅原料桶位于承重石墨保温棉的上方；碳化硅原料桶用于盛放原料球，碳化硅原料桶的底部设有硅蒸汽导流板，其四周亦设有碳化硅加热器；所述籽晶上方设有籽晶加热器。
[0016]所述籽晶加热器包括内圈加热器和外圈加热器，使籽晶的温度控制更加精准。
[0017]所述壳体内部设有设置水冷通道。
[0018]为实现上述目的，本专利技术一方面有效解决了硅源的持续输送，避免了SiC原料的碳化；另一方面将原料制成球状，为硅源的持续供应打开了通道，保证高速优质晶体的生长，从而实现获取厚层合格晶体的目标。
附图说明
[0019]图1为碳化硅晶体的制备装置。
[0020]标号说明：壳体10；保温层20；制备空间30；上区域31；下区域32；承重石墨保温棉40；硅蒸汽进气孔41；液硅容器51；硅溶液加热器52；进气管60；碳化硅原料桶71；硅蒸汽导流板72；碳化硅加热器73；籽晶81；籽晶加热器82；内圈加热器821；外圈加热器822；水冷通道90。
具体实施方式
[0021]本专利技术揭示了一种新型碳化硅晶体的生长方法，其包括以下步骤：步骤1、将加热的惰性气体送入熔融的液体硅中，产生硅蒸汽；其中，惰性气体的温
度为1400
‑
2360℃，液体硅的温度为1400
‑
2360℃。
[0022]硅蒸汽的浓度可以通过液硅的温度和惰性气体的流量等来调节。
[0023]步骤2、将硅蒸汽送入碳化硅原料桶71中进行化学反应：Si+SiC
→
Si2C
⬆
；其中，碳化硅原料桶71内原料球温度为2300
‑
2700℃。
[0024]碳化硅原料桶71内装有原料球，该原料球的制备如下：（1）将高纯的硅粉和碳化硅粉混合，纯度在6N以上；硅粉与碳化硅粉的重量比（G
Si/SiC
）介于0
‑
0.7之间，即0≤G
Si/SiC
≤0.7；（2）采用干压成球型设备将硅粉和碳化硅粉干压成小球，小球的直径为0.5mm
‑
50mm。其中，干压成球型设备与原料粉接触的区域均使用不会导入杂质的高纯塑料，例如纯特氟龙等；受力部位均使用金属钽或钨材质。
[0025]（3）将干压成型后的小球进行烧结即得到原料球，其中，烧结温度为1400℃~2200℃。
[0026]本实施例中是将小球烧结之后再放入碳化硅原料桶71内进行晶体制备，也可以将小球先放入碳化硅原料桶71内进行烧结，烧结温度亦为1400℃~2200℃。
[0027]由于碳化硅原料桶71内的原料为球形结构，这样，原料球表面的SiC与Si反应：Si+SiC
→
Si2C
⬆
，由于碳化硅小球内有富余的Si，再加上硅蒸汽，可以有效抑制SiC的碳化反应：SiC
ꢀ⇋
Si+C。
[0028]由于原料由粉体改为球状，孔隙率大大增大，有效打通了硅蒸汽的通道，实现了硅源的有效运输，可以明显提高长晶速率。
[0029]孔隙率的计算方法如下：孔隙率＝孔隙体积/总体积；孔隙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型碳化硅晶体的生长方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1、将原料球放入碳化硅原料桶内，加热原料球进行化学反应：Si+SiC
→
Si2C
⬆
；所述该原料球由硅粉和碳化硅粉混合得到，其混合重量比为0
‑
0.7；步骤2、Si2C气体反应气体到达籽晶表面参与晶体生长，籽晶的温度低于原料球的温度。2.根据权利要求1所述的一种新型碳化硅晶体的生长方法，其特征在于：所述原料球的直径为0.5
‑
50mm。3.根据权利要求1所述的一种新型碳化硅晶体的生长方法，其特征在于：所述原料球采用干压成球型设备将硅粉和碳化硅粉干压后经过烧结得到，或者所述原料球为采用干压成球型设备将硅粉和碳化硅粉干压得到的小球在碳化硅原料桶内烧结得到直接用于晶体生长。4.根据权利要求3所述的一种新型碳化硅晶体的生长方法，其特征在于：所述干压成球型设备在制备原料球时，其与原料粉接触的区域均使用不会导入杂质的高纯塑料，受力部位均使用金属钽或钨材质。5.根据权利要求3所述一种新型碳化硅晶体的生长方法，其特征在于：所述原料球的烧结温度为1400℃~2200℃。6.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的生长方法，其特征在于：所述碳化硅原料桶内的原料球温度为2300
‑
2700℃；所述籽晶的温度控制为1800

【专利技术属性】
技术研发人员：吕立平，
申请(专利权)人：希科半导体科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：