[发明专利]一种高质量大直径SiC单晶的制备装置及方法

说明书

本发明公开了一种高质量大直径SiC单晶的制备装置及方法，属于SiC晶体生长领域，该装置包括坩埚、保温层、加热装置和多孔石墨桶；其中，所述坩埚位于保温层内；所述加热装置位于所述保温层的外侧；籽晶和所述多孔石墨桶位于坩埚内，与坩埚同轴；本发明SiC生长组分采用从坩埚外侧的原料到内侧的籽晶的输运方式，晶体生长的过程就是自然扩径过程，晶体直径扩大不受限制，同时晶体沿非极性生长面生长，穿透位错密度相比沿C轴生长大大降低；挨着坩埚壁而受热碳化的SiC原料产生的C颗粒被内侧的SiC原料和多孔石墨层有效阻挡，减少了晶体中的C包裹物，晶体质量得到了有效提高。

技术领域

本发明涉及SiC晶体生长领域，特别是涉及一种高质量大直径SiC单晶的制备装置及方法。

背景技术

SiC近年来成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料，所以高质量SiC基体材料的生长成为了研究热点。在SiC单晶生长技术方面，目前国际上主要采用物理气相输运（PVT）生长SiC单晶。如图1所示，籽晶固定在坩埚内侧顶部，原料在坩埚内侧底部。感应线圈在外面围绕石墨坩埚从而加热石墨坩埚侧壁，底部原料受热气化，分解成Si，Si₂C，SiC₂等气相组分，这时，原料处于高温区，籽晶处于相对低温区，在这种轴向温度梯度的驱动下，气相的SiC相关组分由原料处被输运到籽晶表面处，即气态组分在轴向温度梯度的驱动下向上输运，由于低温带来的过饱和驱动SiC晶体在籽晶上开始排列生长，从而在籽晶处重新生长。在采用感应线圈加热的热场中，线圈在侧部围绕着坩埚，磁力线穿过坩埚侧壁产生热量，籽晶在坩埚内侧顶部，原料在坩埚内侧底部。调整坩埚和线圈的相对位置使得坩埚壁下部发热量最大，这样就会在坩埚内形成由下部到上部，由坩埚壁到坩埚中心的温度差，在温度梯度的驱动下，加热原料产生的SiC相关气体组分就会向上输运到籽晶面生长，该结构决定了其生长方式是底部原料输运到圆片状籽晶表面(SiC晶体的（0001）面)，使其厚度不断增加来生长新晶体。

目前传统PVT法生长的SiC晶体的直径极限是8英寸，与Si等CZ法生长的单晶的直径差距比较大。造成SiC晶体直径不能长大的很大原因是传统的PVT生长方式不能像Si单晶的直拉法一样很快的进行扩径。由于传统PVT法SiC晶体的生长，晶体沿（0001）面生长，是由轴向温度梯度来驱动的轴向生长，而当晶体需要扩径时，却需要一定程度的横向生长。这时就需要晶体边缘处的温度较低，即一定的径向温度梯度，但正因为晶体边缘处温度较低，升华的SiC组分很容易在挨着晶体的石墨环等异种材料处成核，从而生长成SiC多晶，导致扩径失败。所以扩径问题一直是阻碍大直径SiC长晶的瓶颈。

晶体质量方面，传统PVT法生长SiC单晶的热场多采用感应线圈环绕加热，坩埚侧壁成为热源，靠近石墨坩埚壁的SiC原料很早就会发生碳化，使得此处产生大量游离的固态碳，这些游离碳得不到有效的阻挡，在轴向温度梯度及气体浓度差作用推动下，很快就会进入晶体生长面进而形成碳包裹物。SiC晶体中的包裹物会诱导产生其它的晶体缺陷，比如微管、螺位错等等。随着包裹物的逐渐加重，后来生长的晶体会产生大量的位错和微管增殖，甚至出现多晶化现象。同时，传统PVT法生长SiC是沿C轴极性面生长，而SiC沿非极性生长面生长时，相比沿C轴极性面生长，显示出完全不同的生长动力学及缺陷产生机制，穿透位错密度相比沿C轴生长大大降低。

因此，亟需寻找一个扩径生长不受限制，并且相对结晶学质量高，C包裹物少的生长方法及其对应的热场结构，来使SiC单晶的“质”和“量”同时得到提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高质量大直径SiC单晶的制备装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使得晶体的直径可以长的很大，同时晶体中的穿透位错和C包裹物较少，结晶学质量较高。

为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：

一种高质量大直径SiC单晶的制备装置，包括：坩埚、保温层和加热装置，还包括多孔石墨桶；其中，