一种8英寸碳化硅单晶的制备方法与流程

1.本发明涉及碳化硅晶体生长技术领域，具体涉及一种8英寸碳化硅单晶的制备方法。


背景技术：

2.碳化硅(sic)作为第三代宽带隙半导体材料，具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率以及更小的体积等特点，在高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射器件等方面具有巨大的应用潜力。由于具有宽禁带的特点，它可以用来制作蓝色发光二极管或几乎不受太阳光影响的紫外线探测器；由于可以耐受的电压或电场八倍于硅或砷化镓，特别适用于制造高压大功率器件如高压二极管、功率三极管以及大功率微波器件；由于具有高饱和电子迁移速度，可制成各种高频器件(射频及微波)。sic是热的良导体，导热特性优于任何其他半导体材料，这使得sic器件可在高温下正常工作。
3.在sic的制备过程中，晶圆生产是一个很艰难的操作。sic的制备方法主要有三种：液相累晶法(liquid phase epitaxy,lpe)、高温物理气相传输法(high temperature physical vapor transport,htpvt)和高温化学气相沉积法(high temperature chemical vapor deposition,htcvd)。无论使用哪种方法制备，都需要一个籽晶作为碳化硅生长的起始。籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的种子，也叫晶种。用不同晶向的籽晶做晶种，或获得不同晶向的单晶。由于晶体生长中成核是比较困难的一步，籽晶实际上时提供了一个晶体比较容易继续生长的中心。
4.随着市场需求的扩大，sic晶片供不应求，8英寸sic的生长需求迫切。但目前8英寸籽晶昂贵且稀少，这是制约8英寸sic长晶的重要原因，因此急需一种成本相对低廉的制备8英寸单晶的方法。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提出一种8英寸碳化硅单晶的制备方法，旨在提供一种成本较低的制备8英寸碳化硅单晶的方法。
6.为实现上述目的，本发明提出一种8英寸碳化硅单晶的制备方法，包括以下步骤：
7.提供一反应器，所述反应器具有反应腔，所述反应腔的顶部设有自上至下呈渐扩设置的扩张罩，所述扩张罩的横截面呈圆形，且所述扩张罩的上端直径为6英寸，所述扩张罩的下端直径为8英寸，所述扩张罩的上端内部设有6英寸碳化硅籽晶；
8.向所述反应腔内通入反应物，使所述反应物在所述反应腔内反应生成碳化硅，使所述碳化硅在所述6英寸籽晶处形成碳化硅晶棒并顺着所述扩张罩向下生长至8英寸，制得8英寸碳化硅单晶。
9.可选地，所述扩张罩自上之下呈锥形设置。
10.可选地，所述扩张罩的侧壁与所述扩张罩的中心线之间的夹角为a，10
°
≤a≤60
°
。
11.可选地，向所述反应腔内通入反应物，使所述反应物在所述反应腔内反应生成碳
化硅，使所述碳化硅在所述6英寸籽晶处形成碳化硅晶棒并顺着所述扩张罩向下生长至8英寸，制得8英寸碳化硅单晶的步骤中：
12.所述6英寸籽晶随同所述扩张罩旋转。
13.可选地，所述6英寸籽晶随同所述扩张罩旋转的旋转速率为10～30rpm。
14.可选地，向所述反应腔内通入反应物，使所述反应物在所述反应腔内反应生成碳化硅，使所述碳化硅在所述6英寸籽晶处形成碳化硅晶棒并顺着所述扩张罩向下生长至8英寸，制得8英寸碳化硅单晶的步骤中：
15.所述反应物包括硅源和碳源。
16.可选地，向所述反应腔内通入反应物，使所述反应物在所述反应腔内反应生成碳化硅，使所述碳化硅在所述6英寸籽晶处形成碳化硅晶棒并顺着所述扩张罩向下生长至8英寸，制得8英寸碳化硅单晶的步骤中：
17.所述硅源为硅烷，所述碳源为丙烷，且使所述硅源和碳源反应生成碳化硅的条件为温度2000～2500℃、气压0.3～0.7pa。
18.可选地，向所述反应腔内通入反应物，使所述反应物在所述反应腔内反应生成碳化硅，使所述碳化硅在所述6英寸籽晶处形成碳化硅晶棒并顺着所述扩张罩向下生长至8英寸，制得8英寸碳化硅单晶的步骤中：
19.所述反应物包括碳化硅粉末。
20.可选地，向所述反应腔内通入反应物，使所述反应物在所述反应腔内反应生成碳化硅，使所述碳化硅在所述6英寸籽晶处形成碳化硅晶棒并顺着所述扩张罩向下生长至8英寸，制得8英寸碳化硅单晶的步骤中：
21.所述碳化硅粉末位于所述反应腔的底部，且所述反应腔的底部温度设为2500～2800℃，所述反应腔的顶部温度设为2000～2300℃，所述反应腔内的压力为0.2～0.6pa。
22.本发明提供的技术方案中，首先在反应腔中反应生成碳化硅，然后碳化硅在6英寸碳化硅籽晶处成型并缓慢生长，形成碳化硅晶棒，然后所述碳化硅晶棒在所述扩张罩内自上至下跟随所述扩张罩的形状逐渐生长扩大，生长至所述扩张罩的下端时，大小达到8英寸，之后继续生长所得的晶体即为8英寸大小的碳化硅单晶；也即，本发明利用成本较低的6英寸籽晶通过扩径的方法生长得到8英寸的碳化硅单晶，降低了8英寸碳化硅单晶的制备工艺成本，同时，还有效提高了碳化硅晶棒的长晶速度。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本发明提供的8英寸碳化硅单晶的制备方法的一实施例中碳化硅在6英寸籽晶处生长成为碳化硅晶棒的示意图；
25.图2为本发明提供的8英寸碳化硅单晶的制备方法的一实施例中碳化硅晶棒在扩张罩内生长时的示意图。
26.图3为本发明提供的8英寸碳化硅单晶的制备方法的一实施例中碳化硅晶棒沿扩
张罩生长至向下伸出扩张罩时的示意图。
27.附图标号说明：
28.标号名称标号名称100反应器21安装段10壳体22扩张段11反应腔306英寸碳化硅籽晶20扩张罩40碳化硅晶棒
29.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.无论使用哪种方法生长制备碳化硅材料，都需要一个籽晶作为碳化硅生长的起始。籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的种子，也叫晶种。用不同晶向的籽晶做晶种，或获得不同晶向的单晶。由于晶体生长中成核是比较困难的一步，籽晶实际上时提供了一个晶体比较容易继续生长的中心。随着市场需求的扩大，sic晶片供不应求，8英寸sic的生长需求迫切。但目前8英寸籽晶昂贵且稀少，这是制约8英寸sic长晶的重要原因，因此急需一种成本相对低廉的制备8英寸单晶的方法。
32.为降低8英寸碳化硅单晶的制备成本，发明人提出一种以6英寸籽晶生长制备8英寸单晶的方法，具体地，本发明提出一种8英寸碳化硅单晶的制备方法，包括以下步骤：
33.步骤s10、提供一反应器100，所述反应器100具有反应腔11，所述反应腔11的顶部设有自上至下呈渐扩设置的扩张罩20，所述扩张罩20的横截面呈圆形，且所述扩张罩20的上端直径为6英寸，所述扩张罩20的下端直径为8英寸，所述扩张罩20的上端内部设有6英寸碳化硅籽晶30；
34.在本发明的具体实施例中，所述反应器100包括壳体10以及扩张罩20，所述壳体10内形成有反应腔11，所述反应腔11设有进料口(附图未标示)；所示扩张罩20设于所述反应腔11的顶部且自上至下呈渐扩设置，所述扩张罩20的横截面呈圆形设置，且所述扩张罩20的上端直径为6英寸，所述扩张罩20的下端直径为8英寸，所述扩张罩20的上端内部设有6英寸碳化硅籽晶30。需要说明的是，本发明中所述扩张罩20的上端和下端的直径，均是指所述扩张罩20的内径。
35.进一步地，所述扩张罩20包括与所述反应腔连接的安装段21以及自所述安装段21向下延伸的扩张段22，所述安装段21呈圆筒状设置，所述扩张段22自上之下呈渐扩设置，并
进一步优选为呈向下设置的锥形，且所述锥形的下端呈敞口设置，所述6英寸碳化硅籽晶设于所述安装段。如此，通过所述安装段21的设置，更便利于所述6英寸碳化硅籽晶30的安装固定。另外，还可以设置所述安装段21与所述反应腔11的顶部接触的一端呈封闭设置，也即，在所述安装段21靠近所述反应腔11的顶部的一端设置一圆盘，所述6英寸碳化硅籽晶30倒挂固定于所述圆盘上即可。在本发明的其他实施例中，也可以设置为所述6英寸碳化硅籽晶30通过一夹持件设于所述反应腔11的顶部，所述扩张罩20的上端呈敞口设置，且所述安装段21罩设于所述6英寸碳化硅籽晶30的外部。
36.更进一步地，在本发明的优选实施例中，设置为所述扩张罩20位于所述扩张段22处的罩体与所述扩张罩20的中心线之间的夹角为a，10
°
≤a≤60
°
。如此，所述扩张段22渐扩幅度(也即所述锥形的倾斜程度)的设置有利于保障所述碳化硅晶棒40的生长速度，并且还可以实现相对提高所述碳化硅晶棒40的长晶速度。
37.另外，为进一步促进所述碳化硅晶棒40沿着所述扩张罩20生长，在本发明实施例中设置为所述扩张罩20可旋转设置，且所述6英寸碳化硅籽晶30可随同所述扩张罩20旋转。如此，通过设置所述6英寸碳化硅籽晶30随同所述扩张罩20一同旋转，可以提供一定的离心力，能够促进所述碳化硅晶棒40在生长时紧贴所述扩张罩20的内壁面逐渐生长扩径，从而使碳化硅晶棒40更为顺利地由6英寸生长至8英寸。
38.其中，所述6英寸碳化硅籽晶30在随同所述扩张罩20旋转时，其旋转方向不做限定，在本发明实施中，优选设置为所述扩张罩20和所述6英寸碳化硅籽晶30绕所述扩张罩20的中心线可旋转设置，如此，一方面，更便利于实现所述6英寸碳化硅籽晶30和所述扩张罩20的旋转，另一方面，更有利于保证所述碳化硅晶棒40沿着所述扩张罩20的内壁面生长扩径。
39.实现所述6英寸碳化硅籽晶30随同所述扩张罩20一起旋转的方式有多种，当所述6英寸碳化硅籽晶30通过一夹持件设于所述反应腔11的顶部时，可通过一驱动机构或驱动件驱动所述夹持件和所述扩张罩20同步旋转即可。在本发明实施例中，所述6英寸碳化硅籽晶30固定于所述扩张罩，因此，只需要驱动所述扩张罩20旋转即可。具体地，所述制备8英寸碳化硅单晶的装置100还包括驱动件(附图未标示)，所述驱动件设于所述反应腔11的顶部，例如可以是在所述反应腔11的顶部开设一安装孔，所述驱动件可以设于所述安装孔内，且所述驱动件的驱动轴与所述扩张罩20连接，或者是所述驱动件设于所述反应腔11外，且所述驱动件的驱动轴穿过所述安装孔与所述扩张罩20连接，以驱动所述扩张罩20旋转，即驱动所述6英寸碳化硅籽晶和所述扩张罩同步旋转。如此，结构简单，易于实现。
40.进一步地，所述驱动件为旋转电机。如此，便利于控制所述扩张罩20的旋转速度，以保证所述碳化硅晶棒40的正常、顺利生长。
41.更进一步地，所述反应腔11的外部设有加热组件(附图未标示)，所述加热组件可以设于所述壳体10的外部，也可以是在所述壳体10中开设容纳腔，将所述加热组件设于所述容纳腔内，所述加热组件包括但不限于为电加热组件或电磁加热组件等等。通过所述加热组件的设置，以便于为所述反应腔提供生成碳化硅所需的温度条件。
42.步骤s20、向所述反应腔内通入反应物，使所述反应物在所述反应腔内反应生成碳化硅，使所述碳化硅在所述6英寸籽晶处形成碳化硅晶棒并顺着所述扩张罩向下生长至8英寸，制得8英寸碳化硅单晶。
43.需要说明的是，本发明提供的反应器100可以适用于一种用于生长制备碳化硅材料的反应器中，包括但不限于采用htpvt、htcvd的方式生长制备碳化硅材料的反应器，另外，所述反应器100除包括上述结构之外，还可以包括用以为所述反应腔11内提供反应原料、调控所述反应腔11内压力的相关装置等。在本发明实施例中，优选设置为所述反应腔11的进料口设于所述反应腔11的底部。以下分别以采用htpvt、htcvd的方式生长制备碳化硅材料为例分别对本发明提供的制备8英寸碳化硅单晶的方法进行详细说明。
44.在本发明提供的8英寸碳化硅单晶的制备方法的一实施例中，采用htcvd的方式生长制备碳化硅材料时，可以从是反应腔11底部设置的进料口通入反应所需的原材料，一般包括碳源和硅源，然后使所述碳源和硅源在所述反应腔11内反应生成碳化硅，所生成的碳化硅会在所述6英寸碳化硅籽晶30处生长形成碳化硅晶棒40，并沿着所述扩张罩20生长至8英寸。
45.进一步地，所述硅源为硅烷，所述碳源为丙烷，且所述硅源和碳源反应生成碳化硅的条件为温度2000～2500℃、气压0.3～0.7pa。当所述硅烷和所述丙烷在2000～2500℃、0.3～0.7pa的条件下反应生成碳化硅后，所生成的碳化硅会在6英寸碳化硅籽晶30处，由籽晶提供的晶格方向形成晶体并生长成为晶棒，然后在缓慢旋转的所述扩张罩20内，所述碳化硅晶棒40沿着所述扩张罩20的内壁面逐渐向下生长，随着所述扩张罩20的直径逐渐扩大，所述碳化硅晶棒40由6英寸生长至8英寸，且在达到8英寸之后，所述碳化硅晶棒40继续向下生长，此后生长出的碳化硅晶棒直径即为8英寸，从而生长制备得到8英寸的碳化硅单晶。其中，所述扩张罩20的旋转速度优选设置为10～30rpm，并进一步优选为20rpm，在此旋转速率下，可以确保所述碳化硅晶棒40紧贴所述扩张罩20的内壁面由6英寸生长至8英寸。
46.在本发明提供的8英寸碳化硅单晶的制备方法的另一实施例中，采用htpvt的方式生长制备碳化硅材料时，还可以在所述反应腔11的底部设置一坩埚，通过所述反应腔11底部设置的进料口，将碳化硅粉末置于所述坩埚中，然后使所述碳化硅粉末变成气态碳化硅，该气态碳化硅即可在所述6英寸碳化硅籽晶30处生长形成碳化硅晶棒40，并沿着所述扩张罩20生长至8英寸。
47.进一步地，所述反应腔11内的温度呈阶梯设置，具体为所述反应腔11的底部温度设为2500～2800℃(也即所述坩埚处的温度设置为2500～2800℃)，所述反应腔11的顶部温度设为2000～2300℃，所述反应腔11内的压力为0.2～0.6pa。如此，所述碳化硅粉末在高温低压的条件下由固态直接变为气态，然后随着阶梯温度的降低，碳化硅气相物质在轴向温度梯度的驱动下被输送至所述6英寸碳化硅籽晶30处，在籽晶处形核、长大，结晶形成碳化硅单晶并生长成为碳化硅晶棒40，接着，所述碳化硅晶棒40在旋转的上述扩张罩20内沿着所述扩张罩20的内壁面逐渐向下生长，随着所述扩张罩20的直径逐渐扩大，所述碳化硅晶棒40由6英寸生长至8英寸，且在达到8英寸之后，所述碳化硅晶棒40继续向下生长，此后生长出的碳化硅晶棒直径即为8英寸，从而生长制备得到8英寸的碳化硅单晶。其中，所述扩张罩20的旋转速度优选设置为10～30rpm，并进一步优选为20rpm，在此旋转速率下，可以确保所述碳化硅晶棒40紧贴所述扩张罩20的内壁面由6英寸生长至8英寸。
48.本发明提供的技术方案中，首先利用任何一种可以生成碳化硅的方式，在所述反应腔11中反应生成碳化硅，然后碳化硅在所述6英寸碳化硅籽晶30处成型并缓慢生长，形成碳化硅晶棒40，然后所述碳化硅晶棒40在缓慢旋转的所述扩张罩20内自上至下跟随所述扩
张罩20的形状逐渐生长扩大，生长至所述扩张罩20的下端时，大小达到8英寸，之后继续生长所得的晶体即为8英寸大小的碳化硅单晶；也即，本发明实现了利用成本较低的6英寸籽晶通过扩径的方法生长得到8英寸的碳化硅单晶，从而降低了8英寸碳化硅单晶的制备工艺成本，同时，还有效提高了碳化硅晶棒的长晶速度。
49.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。