一种助溶剂法生长单晶或多晶SiC晶体的方法

一种助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法
技术领域
1.本发明涉及一种助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法，属于半导体晶体材料技术领域。


背景技术：

2.sic晶体作为第三代宽禁带半导体材料，与si和gaas相比，具有宽禁带（si的3倍）、热导率高（si的3倍或gaas的10倍）、电子饱和迁移速率高（si的2.7倍，gaas的2倍）、临界电场高（si的10倍或gaas的5倍）等优良性能。sic单晶器件由于耐高温高压、抗辐射、抗腐蚀、高导热等优点，在极端条件下可高速、高频和高效率运行，适用于火箭卫星、轨道交通、海洋勘探、5g基站、智能电网、新能源汽车/充电桩、新一代移动通信电力电子和航空航天等领域，是能源互联网产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料，弥补了传统半导体器件应用过程中的局限性和缺陷。
3.目前，工业上制备大块体sic单晶的方法主要是物理气相传输法（pvt法），但该方法生长sic单晶的温度和能耗较高，并且生长的sic晶体成品率不高，通常伴随着微观等缺陷。溶液法生长sic晶体具有晶体缺陷密度低的优点，能够有效避免pvt法生长sic晶体时存在的微观缺陷，但由于c在硅熔体中的溶解度极低，c在硅熔体中的传质受到限制，导致溶液法生长sic晶体的生长速度特别慢。
4.如何提高硅熔体中的c溶解度是提高溶液法生长sic晶体生长速度的关键。因此，近年来国内外学者尝试采用助溶剂法解决硅熔体中c溶解度低的难题。助溶剂法是往硅熔体中加入一种或几种与c具有亲和力的元素，利用添加的助溶剂达到提高硅熔体中c溶解度的目的。另一方面，由于助溶剂能够与硅形成低熔点熔体，助溶剂法不仅能够增加硅熔体中c的溶解度，还能实现sic晶体的低温生长（温度远远低于pvt法）。目前已报道的典型助溶剂有铬(cr)、铁(fe)、钛(ti)、铝(al)、钴(co)、镍(ni)等。但采用上述助溶剂时，硅熔体中的c溶解度仍然有限。研究人员仍需要继续寻求新型助溶剂来解决如何大幅度提高si熔体中的c溶解度的关键问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在问题，本发明提供一种助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法，本发明可以大幅提高c在硅熔体中的溶解度，为快速生长sic单晶提供了可能。本发明与专利cn106119951b的区别：（1）专利cn106119951b所用助溶剂为镨（pr）、铈（ce）、镧（la）、镝（dy）、和铽（tb），而本发明钇（y）和铒（er）中的一种或两种作为助溶剂；（2）本发明在生长sic晶体前，先将助溶剂与高纯硅熔炼成合金，这一过程可以避免助溶剂先与石墨坩埚生成稀土碳化物，有利于提高sic晶体的质量，具有进步性；（3）本发明在生长sic晶体前，采用石墨坩埚（通过控制助溶剂的添加量，在石墨坩埚中可以获得sic饱和的熔体）或sic坩埚作为容器，待硅熔体中sic的溶解达到平衡后再进行sic晶体生长，有效避免了sic籽晶在硅体中的溶解；（4）专利cn106119951b所用作保护气体的惰性气体为氩气，由于稀土助溶剂
的化学性质活泼，氩气中存在微量氧气，且微量的氧气会影响上述助溶剂增加c或sic溶解度的效果，因此本发明所用保护气体不仅为高纯惰性气体，还采用高纯惰性气体与氢气的混合气体（含氢气10%），使用该混合气体有利于进一步脱除硅熔体中的氧，保证助溶剂的助溶效果。本发明通过以下技术方案实现。
6.一种助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法，其包括以下步骤：步骤1、采用稀土元素（re）钇（y）或铒（er）中的一种或两种作为助溶剂；具体为：将助溶剂（≥99.9wt%）与高纯硅（≥99.9999wt%）混合后，在负压下的高纯惰性气体下进行合金化熔炼，得到成分均匀的si-re合金；熔炼温度为高于si-re合金的熔点，熔炼时间不限；合金化熔炼技术为无污染的水冷铜坩埚技术；步骤2、将步骤1得到的si-re合金装入晶体生长炉中的高纯石墨坩埚或sic坩埚中，在高纯惰性气体或氢气与惰性气体的混合气体下升高温度使si-re合金熔化，并在不低于1923k的温度下保温至少1小时使c或sic充分溶解到si-re合金中，得到sic饱和的si-re-c熔体；步骤3、在高纯惰性气体或氢气与惰性气体的混合气体下在步骤2得到的sic饱和的si-re-c熔体中进行生长单晶或多晶sic晶体；上述步骤中高纯惰性气体为高纯氩气或氦气，纯度大于99.999%，负压为低于一个大气压；氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量≤10%。
7.所述步骤1中助溶剂与高纯硅的摩尔比为2:3以下，即si-re合金中助溶剂re的摩尔百分含量≤40at.%，此条件下在石墨坩埚或sic坩埚中可获得sic饱和的si-re-c熔体。
8.所述步骤3中生长单晶或多晶sic晶体的sic晶体生长方法为常规的晶体生长方法，包括但不仅限于顶部籽晶熔体生长法和坩埚下降法，晶体生长温度为不低于1923k；晶体生长的其他条件不限，即温度梯度不限、sic籽晶类型不限、籽晶杆或坩埚的旋转速度和旋转方向不限、晶体生长炉的加热方式（感应加热或电阻加热）不限。
9.本发明的有益效果是：（1）本发明提供了一种采用稀土元素钇（y）和铒（er）中的一种或两种作为助溶剂生长sic晶体的新方法。
10.（2）本发明的助溶剂可以在低温下（与pvt法相比是低温，比pvt法的温度低至少400k）提高硅熔体中的c溶解度，为低温快速生长sic单晶提供了可能。
11.（3）本发明能够避免其他碳化物的生成，有利于生长高质量的sic晶体。
12.（4）本发明的助溶剂在生长熔体中只起助溶作用，在生长sic单晶过程中助溶剂本身不会被消耗，可以重复使用。另外，本发明的助溶剂在sic中的固溶度很低，不会对生长出的sic晶体造成污染。
13.因此，本发明的助溶剂法是一种低能耗、低污染、低成本、高效率生长sic晶体的方法，有利于促进sic单晶在半导体材料领域中的普及。
附图说明
14.图1是本发明流程示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
16.实施例1如图1所示，该助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法，其包括以下步骤：步骤1、将钇助溶剂（y，≥99.9wt%）与高纯硅（≥99.9999wt%）混合后，采用电弧炉在负压下的高纯惰性气体（氩气，99.999%）下进行合金化熔炼（熔炼温度高于si-re合金的熔点），反应容器为水冷铜坩埚，熔炼10分钟后得到成分均匀的si-y合金；助溶剂与高纯硅的摩尔比为2:3，即si-y合金中助溶剂y的摩尔百分含量为40at.%；步骤2、将步骤1得到的si-y合金装入晶体生长炉中的高纯石墨坩埚（纯度99.999%）中，在氢气与惰性气体的混合气体下（氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量为10%，惰性气体为氩气）升高温度使si-y合金熔化，并在1923k的温度下保温1小时使c充分溶解到si-y合金中，得到sic饱和的si-y-c熔体（c的含量为4.4 wt.%）；步骤3、在1923k温度下、氢气与惰性气体的混合气体（氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量为10%，惰性气体为氩气）下对步骤2得到的sic饱和的si-y-c熔体中进行生长单晶sic晶体；晶体生长方法为顶部籽晶溶液生长法。
17.实施例2如图1所示，该助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法，其包括以下步骤：步骤1、将钇助溶剂（y，≥99.9wt%）与高纯硅（≥99.9999wt%）混合后，采用电弧炉在负压下的高纯惰性气体（氩气，99.999%）下进行合金化熔炼（熔炼温度高于si-re合金的熔点），反应容器为水冷铜坩埚，熔炼8分钟后得到成分均匀的si-y合金；助溶剂与高纯硅的摩尔比为3:10，即si-y合金中助溶剂y的摩尔百分含量为30at.%；步骤2、将步骤1得到的si-y合金装入晶体生长炉中的sic坩埚（纯度99.99%）中，氢气与惰性气体的混合气体下（氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量为10%，惰性气体为氩气）升高温度使si-y合金熔化，并在1923k的温度下保温1小时使sic充分溶解到si-y合金中，得到sic饱和的si-y-c熔体（c的含量为0.93wt.%）；步骤3、在1923k温度下、氢气与惰性气体的混合气体（氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量为10%，惰性气体为氩气）下对步骤2得到的sic饱和的si-y-c熔体中进行生长单晶sic晶体；晶体生长方法为顶部籽晶溶液生长法。
18.实施例3如图1所示，该助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法，其包括以下步骤：步骤1、将钇和铒助溶剂（y和er，≥99.9wt%）与高纯硅（≥99.9999wt%）混合后，采用电弧炉在负压下的高纯惰性气体（氩气，99.999%）下进行合金化熔炼（熔炼温度高于si-re合金的熔点），反应容器为水冷铜坩埚，熔炼10分钟后得到成分均匀的si-y-er合金；助溶剂与高纯硅的摩尔比为2:3，即si-y-er合金中助溶剂y与er的摩尔百分含量之和为40at.%（y与er的质量比20:1）；步骤2、将步骤1得到的si-y-er合金装入晶体生长炉中的高纯石墨坩埚（纯度99.999%）中，氢气与惰性气体的混合气体下（氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量为10%，惰性气体为氩气）升高温度使si-y-er合金熔化，并在1923k的温度下保温1小时使c充分溶解到si-y-er合金中，得到sic饱和的si-y-er-c熔体（c的含量为3.85wt.%）；
步骤3、在1923k温度下、氢气与惰性气体的混合气体（氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量为10%，惰性气体为氩气）下对步骤2得到的sic饱和的si-y-er-c熔体中进行生长多晶sic晶体；晶体生长方法为坩埚下降法。
19.实施例4如图1所示，该助溶剂法生长单晶或多晶sic晶体的方法，其包括以下步骤：步骤1、将钇助溶剂（y，≥99.9wt%）与高纯硅（≥99.9999wt%）混合后，采用电弧炉在负压下的高纯惰性气体（氩气，99.999%）下进行合金化熔炼（熔炼温度高于si-re合金的熔点），反应容器为水冷铜坩埚，熔炼8分钟后得到成分均匀的si-y合金；助溶剂与高纯硅的摩尔比为27:23，即si-y合金中助溶剂y的摩尔百分含量为54 at.%；步骤2、将步骤1得到的si-y合金装入晶体生长炉中的sic坩埚（纯度99.99%）中，氢气与惰性气体的混合气体下（氢气与惰性气体的混合气体中h2体积含量为10%，惰性气体为氩气）升高温度使si-y合金熔化，并在1923k的温度下保温1小时使sic充分溶解到si-y合金中；但在此条件下得到的si-y-c熔体（c的含量为7.64 wt.%）是与稀土碳化物饱和的si-y-c熔体，不是sic饱和的si-y-c熔体，因此不能采用该si-y-c熔体生长单晶或多晶sic晶体。
20.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。