提高SiC晶体生长效率及质量的方法及装置与流程

提高sic晶体生长效率及质量的方法及装置
技术领域
1.本发明涉及半导体器件工艺中的晶体生长领域，尤其涉及一种提高sic晶体生长效率及质量的方法及装置。


背景技术：

2.相较于硅材料，碳化硅(sic)具有高临界击穿电场、高电子迁移率等优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。
3.与硅材料对比，sic材料主要特性包括:
4.(1)临界击穿电场强度是硅材料近10倍；
5.(2)热导率高，超过硅材料的3倍；
6.(3)饱和电子漂移速度高，是硅材料的2倍；
7.(4)抗辐照和化学稳定性好。
8.目前行业普遍使用的pvt法(physical-vapor-transport，物理气相输运技术)生长sic晶体的速率在0.3mm/hour附近，sic晶体的生长速率很慢，产能提升困难，sic晶体衬底材料的准备已成为制约sic产业发展的瓶颈。由于现有技术是以sic为原材料获取sic晶体：通过对sic粉末加热获得气态sic，在利用籽晶进行晶体生长，然而，由于通过sic固体粉末加热升华出sic以及sic2、si2c、si、c等气态反应物质的过程缓慢，导致这一生长过程速度缓慢、效率较低。
9.因此，需要一种提高sic晶体生长效率及质量的方法。


技术实现要素：

10.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的至少在于提供一种提高sic晶体生长效率及质量的方法及装置，旨在提高sic晶体的生长效率及质量。
11.为实现上述目的及其他相关目的，本发明的一个实施方式提供一种提高sic晶体生长效率及质量的方法，包括步骤：
12.通过液态si获取气态si；
13.通入气态ch4，所述ch4在设定温度下裂解，然后与所述气态si发生反应，在保护气氛围下提拉、旋转籽晶以实现sic晶体生长前沿热场的调控、稳定以及大质量sic单晶的生长，得到sic晶锭。
14.可选地，在进行sic晶体生长的步骤之前还包括步骤：
15.进行晶体生长前沿热场调制。
16.可选地，进行晶体生长前沿热场调制的步骤包括：
17.通过调节激光束进行晶体生长前沿热场调制，激光束位于所述sic晶锭的下方。
18.可选地，通过液态si获取气态si的步骤包括：
19.对所述液态si进行蒸发，获取气态si。
20.可选地，其特征在于，所述保护气包括ar。
21.为实现上述目的及其他相关目的，本发明的一个实施方式提供一种用于实现所述方法的装置，包括：
22.坩埚，所述坩埚的外周设有隔离层，所述隔离层的外周设有加热单元；
23.坩埚内部的腔体中设有隔离单元，所述隔离单元设有第一出口，所述隔离单元上方设有第一入口，所述第一入口穿过所述隔离层连接第一气源；
24.所述坩埚的上方设有第二出口，所述第二出口穿过所述隔离层连接气体处理单元；
25.所述坩埚内部的顶部设有籽晶旋转提拉单元，所述籽晶旋转提拉单元的下方设有籽晶。
26.可选地，所述加热单元包括电感线圈，用于加热。
27.可选地，所述隔离层包括石墨隔离层。
28.可选地，所述第一气源包括气体ar及ch4。
29.可选地，还包括激光器，所述激光器设于所述坩埚的腔体中部，所述激光器用于调制晶体生长前沿热场，以利于径向生长均匀度优化和轴向温度梯度的调整。
30.通过本发明实施方式提供的上述技术方案，通过si溶液的蒸发提供高效率高纯度的si元素环境，利用ch4气体的高温裂解提供可调控的c元素氛围，通过本方法晶体生长室的温度(最高温度为2380摄氏度)远低于传统pvt所需要的温度(最高温度为2800摄氏度)，因此利用本方法能够更加节约加热成本。
31.设置晶体生长前沿热场调制机制，即激光器设于sic晶锭的下方，随着晶锭的生长，通过旋转、提拉的方式将晶锭整体上移，从而使得晶锭下方的激光器所发出的激光所散发的热场一直将即将生长出的晶锭包围在其中，即实现了晶体生长前沿热场的稳定，而通过调节激光器能够调节激光的温度，即实现了晶体生长前沿热场的调制，即实现了sic晶体生长前沿热场的调控、稳定以及大质量sic单晶的生长，从而获取高生长效率及大质量的sic晶锭。
附图说明
32.图1显示为传统pvt工艺制备sic晶体的装置示意图；
33.图2显示为本发明一实施例所述的提高sic晶体生长效率及质量的方法的流程图；
34.图3显示为本发明一实施例所述的激光温度及晶体生长前沿表面温度随晶圆尺寸的分布图；
35.图4显示为本发明一实施例所述的激光温度及晶体中心处、边缘处温度随时间的分布图；
36.图5显示为本发明一实施例所述的提高sic晶体生长效率及质量的装置的结构图(不带激光器)；
37.图6显示为pvt工艺下晶体生长室垂直温度分布图；
38.图7显示为本发明一实施例所述的技术方案下晶体生长室垂直温度分布图；
39.图8显示为本发明一实施例所述的带激光器的提高sic晶体生长效率及质量的装置的结构图；
40.图9显示为本发明一实施例所述的激光与sic晶锭的仰视图。
41.元件标号说明
[0042][0043]
具体实施方式
[0044]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。
[0045]
须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0046]
如图1所示为传统的pvt生产装置，该装置包括：石墨坩埚01，所述石墨坩埚01外设有石墨隔离层02，所述石墨隔离层02外设有加热线圈03，加热线圈03的温度分布呈现：自上而下升高的趋势。利用粉末状的sic晶体，通过加热线圈03的加热以获取si气体、sic气体、si2c气体、sic2气体。这些气体可以发生如下化学反应：
[0047][0048][0049][0050]
因此，利用气体中的sic2气体与si气体反应生产sic晶体，石墨坩埚03的顶端设有
籽晶04，籽晶04的下方为生长出的sic晶体。
[0051]
如图2所示，本发明的一实施例提出一种提高sic晶体生长效率及质量的方法，包括步骤：
[0052]
通过液态si获取气态si；
[0053]
通入气态ch4，所述ch4在设定温度下裂解，然后与所述气态si发生反应，在保护气氛围下提拉、旋转籽晶以利于sic晶体生长前沿热场的调控、稳定以及大质量sic单晶的生长，进行sic晶体生长，得到sic晶锭。上述的设定温度为1000摄氏度至1500摄氏度，甲烷气体在1000摄氏度时即可开始裂解，在1500摄氏度时可实现接近完全裂解。
[0054]
通过si溶液的蒸发提供高效率高纯度的si元素环境，利用ch4气体的高温裂解提供可调控的c元素氛围，通过本方法晶体生长室的温度(最高温度为2380摄氏度)远低于传统pvt所需要的温度(最高温度为2800摄氏度)，因此利用本方法能够更加节约加热成本；同时采用提拉、旋转的方式固定籽晶以利于sic晶体生长前沿热场的调控、稳定以及大质量sic单晶的生长。
[0055]
在本发明所述技术方案中，晶体生长室反应温度范围为1800摄氏度至2380摄氏度，其中温度自下往上先逐步提高，然后再逐步降低，温度的最高点分布在距离反应室顶端的距离为20-30mm。
[0056]
现有的技术中的pvt所需要的温度范围为2300至2800摄氏度，甚至更高。且本方法所对应的反应室的高度范围更大，因此，通过本方法可以获取到大质量、高效率的晶体，同时其功耗也远低于现有技术。
[0057]
在某一实施方式中，通过液态si获取气态si的步骤包括：
[0058]
对所述液态si进行蒸发，获取气态si。
[0059]
利用液态si对加热单元的温度要求相较于固态要低很多，有利于降低整体功耗。
[0060]
在某一实施方式中，所述保护气包括ar。
[0061]
利用氩气进行保护，能够得到稳定的晶体。
[0062]
在某一实施方式中，在进行sic晶体生长的步骤之前还包括步骤：
[0063]
进行晶体生长前沿热场调制。
[0064]
通过前沿热场调制提供晶体径向生长的均匀度，并且能够实现轴向温度梯度的调整。
[0065]
在某一实施方式中，进行晶体生长前沿热场调制的步骤包括：
[0066]
通过调节激光束进行晶体生长前沿热场调制，激光束位于所述sic晶锭的下方。
[0067]
激光器设于sic晶锭的下方，随着晶锭的生长，通过旋转、提拉的方式将晶锭整体上移，从而使得晶锭下方的激光器所发出的激光所散发的热场一直将即将生长出的晶锭包围在其中，即实现了晶体生长前沿热场的稳定，而通过调节激光器能够调节激光的温度，即实现了晶体生长前沿热场的调制。
[0068]
如图3-4所示，通过位于晶锭下方的激光束，同一激光温度下，中心温度基本上维持在一个恒定水平，中心点以外的温度随激光的作用维持在一个很小的范围内做周期性波动，且晶体表面中心温度及边缘温度的温差范围很小。采用加装激光束的方式提供晶体生长前沿热场的调控机制以利于径向生长均匀度优化和轴向温度梯度的调整。
[0069]
如图5所示，本发明的一个实施方式提供一种提高sic晶体生长效率及质量的装
置，用于实现上述方法，包括：
[0070]
坩埚1，所述坩埚的外周设有隔离层2，所述隔离层的外周设有加热单元3；
[0071]
坩埚内部的腔体中设有隔离单元4，所述隔离单元设有第一出口5，所述隔离单元上方设有第一入口6，所述第一入口穿过所述隔离层连接第一气源，在所述隔离单元的下方的坩埚腔体内储有液态si；第一出口5用于气态si的输出。
[0072]
所述坩埚的上方设有第二出口7，所述第二出口7穿过所述隔离层连接气体处理单元；气体处理单元包括废气处理模块和/或气体回收利用模块。
[0073]
所述坩埚内部的顶部设有籽晶旋转提拉单元，所述籽晶旋转提拉单元的下方设有籽晶8。籽晶旋转提拉单元以利于sic晶体生长前沿热场的调控、稳定以及大质量sic单晶的生长，从而获取高生长效率及高质量的sic晶体。所述的高质量至少包括品质高，质量大两层含义。
[0074]
籽晶旋转提拉单元能够在晶体生长过程中对籽晶进行旋转及提拉，以获取生长效率更高、品质更好、及质量更大的晶锭9。
[0075]
通过图6、图7可以得到：传统的pvt生长sic晶体，由于采用sic粉末作为原材料，所以其需要的温度较高，最低温度为2300摄氏度，最高为2800摄氏度；而本发明所述技术方案通过si溶液的蒸发提供高效率高纯度的si元素环境，利用ch4气体的高温裂解提供可调控的c元素氛围，通过本方法晶体生长室的温度范围为：最低温度为1800摄氏度，最高温度为2380摄氏度，这远低于传统pvt所需要的温度，因此利用本方法能够更加节约加热成本。同时，由于传统的pvt采用的是通过加热蒸发sic粉末获取si气体、sic气体、si2c气体、sic2气体，再利用气体反应中的sic2气体与si气体反应生产sic晶体，所以在晶体生长反应室中温度自上而下呈逐渐上升的趋势，其最高温度位于反应室下方，而本发明采用的是ch4裂变获取c氛围，因此本发明所述技术方案的晶体生长反应室中温度自上而下呈现先升高再降低的趋势，其最高温度位于反应室中间偏上部位。
[0076]
在某一实施方式中，坩埚为石墨坩埚。
[0077]
在某一实施方式中，所述加热单元包括电感应线圈，用于加热。
[0078]
在某一实施方式中，所述隔离层包括石墨隔离层。
[0079]
在某一实施方式中，所述第一气源包括气体ar及ch4。
[0080]
第一气源包括保护气体氩气及甲烷，通过高温断裂甲烷获取更好的c氛围，从而能够更好的得到sic晶体。
[0081]
如图8所示，在某一实施方式中，还包括激光器10，所述激光器设于所述坩埚的腔体中部，激光器10发射出激光11，以利于径向生长均匀度优化和轴向温度梯度的调整，从而保证晶体表面温度的均匀性。
[0082]
如图9所示为激光与sic晶锭的仰视图。增加激光器后的效果如图2-3所示，通过位于晶锭下方的激光束，同一激光温度下，中心温度基本上维持在一个恒定水平，中心点以外的温度随激光的作用维持在一个很小的范围内做周期性波动，且晶体表面中心温度及边缘温度的温差范围很小。采用加装激光束的方式提供晶体生长前沿热场的调控机制以利于径向生长均匀度优化和轴向温度梯度的调整，从而提高了晶体径向生长的均匀性。
[0083]
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。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。