本發(fā)明屬于碳化硅晶體領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅晶體生長(zhǎng)用的斜籽晶托、以及使用該斜籽晶托生長(zhǎng)碳化硅晶體的方法。

背景技術(shù)：

碳化硅(SiC)單晶材料具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高電子飽和遷移速率、高擊穿電場(chǎng)等性質(zhì)，與第一代半導(dǎo)體材料和第二代半導(dǎo)體材料相比有著明顯的優(yōu)越性，被認(rèn)為是制造光電子器件、高頻大功率器件、電力電子器件理想的半導(dǎo)體材料，在白光照明、光存儲(chǔ)、屏幕顯示、航天航空、高溫輻射環(huán)境、石油勘探、自動(dòng)化、雷達(dá)與通信、汽車電子化等方面有廣泛應(yīng)用。

目前制約碳化硅器件大范圍應(yīng)用的主要問(wèn)題在于低缺陷密度碳化硅晶體襯底的制備成本。大尺寸低缺陷密度碳化硅晶體的制備始終是碳化硅晶體研究的重點(diǎn)，研究經(jīng)驗(yàn)表明籽晶缺陷沿c軸生長(zhǎng)方向很容易延伸，而如果沿a軸方向生長(zhǎng)缺陷會(huì)大幅減少，但是物理氣相傳輸(PVT)法目前還無(wú)法獲得大尺寸的a方向籽晶，所以研究人員為了降低SiC晶體缺陷密度，通常采用偏角籽晶生長(zhǎng)晶體，使籽晶缺陷逐漸延伸排出晶體。同時(shí)為了降低成本，碳化硅襯底從最初采用偏角8°的籽晶調(diào)整為目前采用偏角4°的籽晶。眾所周知，晶體采取偏角對(duì)于其利用率會(huì)降低，獲得的有效襯底晶片會(huì)較少，但真正進(jìn)入民用領(lǐng)域應(yīng)用還需要繼續(xù)降低碳化硅襯底制備成本至1/2～1/3。

美國(guó)Cree公司一直致力于低基面位錯(cuò)SiC晶體的生長(zhǎng)研究，在其申請(qǐng)的國(guó)內(nèi)專利CN101194052A中公開一種采用偏角度籽晶降低晶體位錯(cuò)密度的方法。然而，如上所述，采用偏角度籽晶會(huì)降低利用率而增加成本。在其申請(qǐng)的另一個(gè)國(guó)內(nèi)專利CN101027433A則公開了一種籽晶夾持器組合，使籽晶生長(zhǎng)面與水平方向的夾角范圍為0°<α≤20°，從其給出示意圖可以發(fā)現(xiàn)隨著夾角越大，晶體周邊存在的空隙差別越大，這將導(dǎo)致晶體四周溫度場(chǎng)越不一致的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效降低制備晶體的缺陷密度且可以直接選擇無(wú)偏角晶片作籽晶，而且溫度場(chǎng)均勻一致的高質(zhì)量碳化硅晶體生長(zhǎng)用斜籽晶托以及生長(zhǎng)高質(zhì)量碳化硅晶體的方法。

一方面，本發(fā)明提供一種碳化硅晶體生長(zhǎng)用的斜角度籽晶托，所述籽晶托與籽晶接觸的平面與水平方向的夾角范圍為0°<α≤30°。

本發(fā)明的籽晶托可以用于物理氣相傳輸技術(shù)(PVT)生長(zhǎng)碳化硅晶體。采用本發(fā)明的斜角度籽晶托不僅可以有效降低制備晶體的缺陷密度，還可以直接選擇無(wú)偏角晶片作籽晶，從而有效節(jié)約晶體制備的成本。相比于專利CN101027433A的籽晶夾持器組合存在溫度場(chǎng)不一致的特點(diǎn)，本發(fā)明則是直接對(duì)籽晶托進(jìn)行斜角度加工，具有操作方法簡(jiǎn)單有效、夾角范圍更大、且溫度場(chǎng)均勻一致的優(yōu)點(diǎn)，采用迭代方法還可以生長(zhǎng)獲得偏角在45°以上的碳化硅晶體。

較佳地，所述籽晶托為石墨籽晶托。

較佳地，所述籽晶托的生長(zhǎng)面包括碳化硅多晶層、碳膜、高熔點(diǎn)金屬的碳化物、硼化物和氮化物中的至少一種的單層或多層膜材料。通過(guò)在生長(zhǎng)面上設(shè)置上述膜材料，可以有效保護(hù)籽晶，減少晶體缺陷的產(chǎn)生。

較佳地，所述高熔點(diǎn)金屬選自鎢、鉭、鉬、鋨、銥、鈦、鈮、鋯和錸中的至少一種。

另一方面，本發(fā)明提供一種生長(zhǎng)高質(zhì)量碳化硅晶體的方法，將碳化硅籽晶固定于上述任意一種籽晶托的生長(zhǎng)面上，采用物理氣相傳輸生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)碳化硅晶體。

根據(jù)本發(fā)明，不僅可以有效降低微管等位錯(cuò)缺陷在生長(zhǎng)面的延伸，還可以通過(guò)多次夾角迭代生長(zhǎng)得到更大偏角的碳化硅晶體，從而獲得低位錯(cuò)密度的高質(zhì)量晶體。

較佳地，還包括將所得的碳化硅晶體加工為晶片作為籽晶固定于所述籽晶托的生長(zhǎng)面上，采用物理氣相傳輸生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)碳化硅晶體的再次生長(zhǎng)步驟；所述再次生長(zhǎng)步驟迭代一次以上。

本發(fā)明所得的碳化硅晶體的偏角能夠達(dá)到45°以上。

較佳地，通過(guò)粘結(jié)劑或機(jī)械卡環(huán)方式將所述籽晶固定于所述籽晶托的生長(zhǎng)面上。

較佳地，所述粘合劑為高溫石墨膠、AB膠、酚醛樹脂膠、環(huán)氧樹脂膠和糖膠中的至少一種。

第三方面，本發(fā)明還提供一種碳化硅晶體生長(zhǎng)用的生長(zhǎng)裝置，其包括：

具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相反的第二側(cè)的坩堝；

配置于所述第一側(cè)的碳化硅晶體生長(zhǎng)用原料；

配置于所述第二側(cè)的上述任意一種籽晶托；和

固定于所述籽晶托的生長(zhǎng)面上的碳化硅籽晶。

采用本發(fā)明的生長(zhǎng)裝置，可以獲得低位錯(cuò)密度的高質(zhì)量碳化硅晶體。

附圖說(shuō)明

圖1是具有一定夾角的斜籽晶托的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是不同斜度夾角α籽晶托生長(zhǎng)的4英寸碳化硅晶體切割晶片的偏光照片：(a)α＝4°；(b)α＝8°；(c)α＝30°。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。

出于清楚的目的，本發(fā)明的某些實(shí)施例以公知方法及相關(guān)設(shè)備為背景進(jìn)行描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的范圍不限于僅僅這些方法及相關(guān)設(shè)備。更確切地，隨著SiC生長(zhǎng)方法及相關(guān)設(shè)備的變化和發(fā)展，本發(fā)明的教導(dǎo)將在這些新的環(huán)境中找到現(xiàn)成的應(yīng)用。正如照慣例所理解的，SiC晶體可以使用籽晶升華系統(tǒng)通過(guò)諸如PVT籽晶升華生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)。另一方面，籽晶升華系統(tǒng)可以包括高溫CVD(HT-CVD)和鹵化物CVD(H-CVD)系統(tǒng)。

針對(duì)目前大尺寸低缺陷密度碳化硅晶體的制備成本高的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種碳化硅晶體生長(zhǎng)用的斜角度籽晶托。

其中，籽晶托是具有一定斜度(與水平面具有一定夾角)的籽晶托。圖1示出具有一定夾角的斜籽晶托的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該籽晶托1所需與籽晶接觸的平面與水平方向A具有一定夾角α。該夾角α可為較大的范圍，例如0°<α≤30°，優(yōu)選地，20°<α≤30°。如果α>30°，則會(huì)生長(zhǎng)的晶體過(guò)斜，利用率偏低。

所述籽晶托可為純石墨籽晶托或生長(zhǎng)面包括碳化硅多晶層、碳膜、高熔點(diǎn)金屬的碳化物、硼化物或氮化物的單層或多層膜材料的石墨籽晶托。其中高熔點(diǎn)金屬主要包括鎢、鉭、鉬、鋨、銥、鈦、鈮、鋯、錸。膜層可通過(guò)常用的制膜方法形成于籽晶托的生長(zhǎng)面上，其厚度可為1～10mm。

以下，說(shuō)明采用上述生長(zhǎng)裝置生長(zhǎng)碳化硅晶體的方法。在上述晶體生長(zhǎng)裝置的籽晶托1的斜面上固定碳化硅籽晶2。本發(fā)明直接采用斜角度的籽晶托，因此可以直接選擇無(wú)偏角晶片作為籽晶，即可制備低缺陷密度的碳化硅晶體，從而有效節(jié)約晶體制備的成本。當(dāng)然，本發(fā)明也可以采用偏角籽晶。本發(fā)明將籽晶固定于斜角度籽晶托上，從而可以確保溫度場(chǎng)均勻一致。碳化硅籽晶2與籽晶托1生長(zhǎng)面可通過(guò)粘結(jié)劑或機(jī)械卡環(huán)方式固定。所述粘結(jié)劑包括但不限于高溫石墨膠、AB膠、酚醛樹脂膠、環(huán)氧樹脂膠或糖膠等。

采用物理氣相傳輸生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)晶體。籽晶位于坩堝低溫區(qū)部位，原料位于坩堝高溫區(qū)部位。在一個(gè)示例中，采用物理氣相傳輸技術(shù)在2000～2300℃、5～30Torr的條件下生長(zhǎng)晶體。

生長(zhǎng)出的碳化硅晶體大角度偏角。該偏角的角度與上述夾角α相同。

進(jìn)一步地，可以將制備出的具有大角度偏角的晶片作為籽晶，再固定于上述大斜度的籽晶托上，采用物理氣相傳輸生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)碳化硅晶體。該過(guò)程可以進(jìn)行一次以上。由此可以獲得偏角更大的碳化硅晶體。例如，采用此迭代方法可以生長(zhǎng)獲得偏角在45°以上的碳化硅晶體。

綜上，本發(fā)明提供給了一種低缺陷密度碳化硅晶體生長(zhǎng)用具有一定斜度的籽晶托的設(shè)計(jì)方法，即籽晶托所需與籽晶接觸的平面與水平方向具有一定夾角α。本發(fā)明基于物理氣相傳輸技術(shù)生長(zhǎng)碳化硅單晶方法中，籽晶托的生長(zhǎng)面與水平方向具有一定偏角，然后將碳化硅籽晶固定在籽晶托的斜面上，通過(guò)物理氣相傳輸技術(shù)可獲得具有一定偏角的高質(zhì)量碳化硅晶體。另外，通過(guò)此方法多次迭代還可獲得具有大于45°偏角的碳化硅晶體。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過(guò)本文的說(shuō)明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

實(shí)施例1：

如圖1所示，首先設(shè)計(jì)加工出斜度夾角α＝4°的石墨籽晶托，再將無(wú)偏角4英寸籽晶粘結(jié)固化在此籽晶托上，采用底部為碳化硅原料高溫區(qū)，頂部為籽晶低溫區(qū)的傳統(tǒng)物理氣相傳輸技術(shù)生長(zhǎng)出4英寸碳化硅晶錠，加工切割晶錠，獲得如圖2(a)所示的晶片偏光照片，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)偏角籽晶經(jīng)過(guò)斜度為4°的石墨籽晶托生長(zhǎng)后，生長(zhǎng)芯出現(xiàn)了4°偏角。

實(shí)施例2：

如圖1所示，首先設(shè)計(jì)加工出斜度夾角α＝8°的石墨籽晶托，再將無(wú)偏角4英寸籽晶粘結(jié)固化在此籽晶托上，采用底部為碳化硅原料高溫區(qū)，頂部為籽晶低溫區(qū)的傳統(tǒng)物理氣相傳輸技術(shù)生長(zhǎng)出4英寸碳化硅晶錠，加工切割晶錠，獲得如圖2(b)所示的晶片偏光照片，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)偏角籽晶經(jīng)過(guò)斜度為8°的石墨籽晶托生長(zhǎng)后，生長(zhǎng)芯出現(xiàn)了8°偏角。

實(shí)施例3：

如圖1所示，首先設(shè)計(jì)加工出斜度夾角α＝30°的石墨籽晶托，再將無(wú)偏角4英寸籽晶粘結(jié)固化在此籽晶托上，采用底部為碳化硅原料高溫區(qū)，頂部為籽晶低溫區(qū)的傳統(tǒng)物理氣相傳輸技術(shù)生長(zhǎng)出4英寸碳化硅晶錠，加工切割晶錠，獲得如圖2(c)所示的晶片偏光照片，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)偏角籽晶經(jīng)過(guò)斜度為30°的石墨籽晶托生長(zhǎng)后，生長(zhǎng)芯已經(jīng)偏離出晶片。

實(shí)施例4：

如圖1所示，首先設(shè)計(jì)加工出斜度夾角α＝30°的石墨籽晶托，再將實(shí)施例3所得到的偏角為30°的4英寸籽晶粘結(jié)固化在此籽晶托上，采用底部為碳化硅原料高溫區(qū)，頂部為籽晶低溫區(qū)的傳統(tǒng)物理氣相傳輸技術(shù)生長(zhǎng)出4英寸碳化硅晶錠，加工切割晶錠，可以獲得偏角達(dá)到60°的晶片。

因此，采用本專利制備出的具有大角度偏角的晶片作為籽晶，再結(jié)合本專利大斜度的籽晶托，采用此迭代方法可以生長(zhǎng)獲得偏角在45°以上的碳化硅晶體，有效減少晶體缺陷密度。應(yīng)該指出，上述的具體實(shí)施方式只是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，它不應(yīng)是對(duì)本發(fā)明的限制。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不偏離權(quán)利要求的宗旨和范圍時(shí)，可以有多種形式和細(xì)節(jié)的變化。