[发明专利]一种籽晶处理方法和生长碳化硅单晶的方法

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长领域，具体来说涉及一种用于生长高质量碳化硅晶体工艺改进。 

背景技术

随着第一代硅半导体及第二代砷化镓半导体材料发展的成熟，其器件应用也趋于极限。现代科技越来越多的领域需要工作频率高，功率密度高，耐高温，化学稳定性好以及可以在强辐射环境中工作的材料，因此第三代半导体(即宽禁带半导体，禁带宽度大于2.2eV)受到了人们的极大关注，这些材料包括SiC，AlN，GaN，ZnO，金刚石等等，其中技术最为成熟的就是SiC。SiC为间接带隙半导体，其带隙宽，热导率高(比铜的还高)，击穿电场高，化学稳定性高，抗高辐射。与前两代半导体材料相比较，SiC有着很明显的优势。 

目前生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法(journal of crystal growth 43(1978)209-212)，典型的生长室结构如图1所示。坩埚由上部的盖和下部的锅组成，上部的盖用于粘籽晶，通常称之为籽晶托，下部的埚用于装SiC原料。生长SiC晶体所用的坩埚材料主要为三高石墨(高强度、高密度和高纯度)。由于石墨高温稳定、导热性好、加工方便、价格适宜，在生长SiC晶体中被广泛使用。 

在生长SiC晶体过程中，SiC籽晶通过粘合剂粘到籽晶托上。在粘籽晶的过程中，由于籽晶托表面机械加工精度较差，粘合剂粘结不均匀以及粘接剂放气等因素，使得籽晶背面与籽晶托间存在一些气孔。气孔与高温碳化后的粘合剂之间导热性的差异将导致籽晶背面温度分布不均匀。晶体生长时，通过改变石墨坩埚上部保温材料散热孔的大小和形状，使得生长室内形成一定大小的温度梯度，SiC原料处于高温区，籽晶处于低温区(参见图1)。将坩埚内的温度升至2000-2200℃，使得SiC原料升华，升 华所产生的气相Si₂C、SiC₂和Si在温度梯度的作用下从原料表面传输到低温籽晶处，结晶成块状晶体。然而，整个生长过程中温度梯度不仅只在原料和籽晶间形成，生长的晶体中以及晶体背面与籽晶托之间同样存在一定的温度梯度。生长的晶体中以及晶体背面与籽晶托之间存在的温度梯度对晶体生长是不利的。由于晶体背面与籽晶托之间存在温度梯度，晶体背面将会热蒸发。背面蒸发优先在温度较高区域或缺陷密集区域产生。由于籽晶背面气孔区域的温度相对碳化粘合剂区域较高，因此背面蒸发容易在气孔区域发生。蒸发所产生的气相首先聚积在气孔区域。晶体生长过程中，尽管采用的石墨坩埚为三高石墨，但其孔隙率仍然高达10％以上。石墨盖中存在的孔隙将导致籽晶背面气孔区域所聚积的气相物质逸出。气相物质逸出是一个持续的过程。晶体背面局部区域不断地蒸发，蒸发所产生的气相物质不断地从石墨盖孔隙中逸出，导致在生长的晶体中产生平面六角缺陷。该缺陷是杀手型缺陷，它的形成将急剧降低晶片的质量和产率。因此，研发一种利于碳化硅晶体生长而同时又能降低晶体中的平面六角缺陷的工艺势在必行。 

发明内容

针对目前使用的籽晶直接粘到籽晶托或籽晶机械固定过程中，导致SiC晶体在生长过程中存在的问题，本发明的目的是通过对籽晶背面进行镀膜处理，从而提高SiC籽晶粘结质量，进而提升晶体生长质量的工艺。实施该工艺，可以明显地减少晶体中的平面六角缺陷，提高晶体质量和产率。 

为实现上述目的，本发明提供了一种碳化硅晶体生长的籽晶处理方法，该方法用于提高物理气相沉积法生长的碳化硅单晶质量，其中在籽晶的生长面生长碳化硅单晶，该方法包括：在与籽晶的生长面相反的籽晶背面涂覆有机物，在所述有机物中碳元素的质量百分比大于50％；然后将已涂覆上述有机物的上述籽晶加热到1000-2300℃范围内以在籽晶背面形成石墨膜；之后冷却已形成石墨膜的籽晶从而获得用于制备碳化硅晶体的籽晶。 

优选，其中籽晶背面涂覆的有机物厚度范围为1μm-100μm；其中将已涂覆上述有机物的上述籽晶加热包括以下步骤：首先将上述籽晶在真空中加热到1000-1500℃范围内，然后在惰性气体中升温至1800-2300℃范围内；其中所述有机物包括碳元素质量百分比大于50％的树脂；其中所述有机物为固态或者粘稠的液态，并且所述有 机物溶于有机溶剂；其中籽晶的材料包括SiC晶体，所述SiC晶体的晶型包括4H、6H和/或3C晶型。