[发明专利]一种PVT法生长碳化硅晶体的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种PVT法生长碳化硅晶体的方法及其装置。

背景技术

碳化硅（SiC）单晶具有高导热率、高击穿电压、载流子迁移率极高、化学稳定性很高等优良的半导体物理性质；可以制作成在高温、强辐射条件下工作的高频、高功率电子器件和光电子器件，在国防、高科技、工业生产、供电、变电领域有巨大的应用价值，被看作是极具发展前景的第三代宽禁带半导体材料。但是，生长碳化硅晶体非常困难，经过多年努力，现在以美国Gree公司为代表的实验室已成功地用物理气相沉积技术（PVT）生长出大直径的高质量碳化硅单晶并制成外延基片在国际市场上出售，用碳化硅单晶外延基片已研制成功多种性能优良的电子器件和光电子器件。

目前，物理气相沉积技术是生长碳化硅晶体通常使用的方法，如图1所示。在一个特殊设计的密闭石墨坩埚1中，底部装有一定量的碳化硅多晶粉（颗粒）料2，在其上方间隔一定的距离，一个碳化硅单晶片作为籽晶3粘贴在坩埚的上盖上，石墨坩埚1的外围和底部包围了一定厚度的碳（石墨）毡或泡沫碳（国体碳毡）做成的保温系统4。坩埚的上部也按工艺要求安置中心开有测温孔6的厚度适当的上绝热元件5，使坩埚中形成适合碳化硅晶体生长的温场。石墨坩埚1、连同周围的保温系统4等都放置在一个与大气隔离的真空室7中，生长晶体时，真空室7抽到需要的真空度后再充入合适气压的高纯Ar气并通过炉膛气压自动控制系统使气压保持在工艺需要的数值。通过感应圈8的感应加热使石墨坩埚1达到需要的高温并通过温度自动控制系统使温度保持在工艺需要的温度（通常，在2000℃—2500℃）。高温下，石墨坩埚1中的碳化硅粉料开始蒸发成饱和蒸气、通过扩散及气体对流作用输送到温度较低的籽晶表面上重新凝结，使籽晶逐渐长大而成一个大单晶。

PVT法生长碳化硅晶体时，石墨坩埚的形状和结构、感应加热线圈、中频电源频率、加热功率、保温系统、炉膛气压等很多因素都会影响碳化硅晶体生长过程。其中，由多种因素形成的坩埚中的温度分布对晶体生长过程和晶体缺陷的形成至关重要，国内外很多实验室就此问题做过大量研究，发表过很多有关实验和计算机数值模拟的文章。如文献1：Self-Congruent Process of SiC Growth by Physical Vapor Transport D.I.Cherednichenko,R.V.Drachev,T.S.Sudarshan,Journal of Crystal Growth 262(2004)175-181。是其中的一个例子。在PVT法生长碳化硅晶体的过程中，坩埚中蒸汽相的饱和蒸汽压P_V取决于蒸发源的温度T_V，结晶介面上的凝结蒸汽压P_M取决于结晶面的温度T_M，蒸汽压P_V与凝结蒸汽压P_M压差的存在是晶体介面上得以发生结晶过程的相变推动力，它的大小对结晶过程是决定性的重要参数。在文章中详细地分析了碳化硅晶体生长过程中的传质和传热过程后特别指出：随着晶体长大，已长成的晶体形成的热阻会导致晶体结晶面的温度随晶体长厚而变化，而且变化量相当大而且是非线性。图2是文献1中的Fig.1，给出了讨论生长碳化硅晶体时石墨坩埚中形成的热流及温度分布问题时使用的数学模型。图3是文献1中的Fig.2，给出了在作者选定的工艺参数条件下生长碳化硅晶体时晶体生长面的温度随晶体厚度发生的变化，图4a是文献1中的Fig.3a，图4b是文献1中的Fig.3b，其给出晶体生长速度随晶体厚度发生的变化。可以看出，变化量相当大，大到晶体厚度达到一定量后导致生长过程几乎停止。更重要的是，整个生长过程中结晶介面的温度、结晶推动力和晶体生长速度一直在变化，生长过程的不稳定必然导致晶体中出现多种晶体缺陷，难以长成高质量的晶体。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种PVT法生长碳化硅晶体的方法，该方法实现了在整个生长过程中晶体生长面始终保持基本恒定的温度和基本恒定的饱和蒸汽压差，大幅度地提高了晶体质量。本发明的另一目的是提供一种实施上述方法的装置。