[发明专利]一种大尺寸碳化硅单晶、衬底及制备方法和使用的装置

说明书

本申请涉及一种大尺寸碳化硅单晶、衬底及制备方法和使用的装置，属于半导体材料制备领域。该大尺寸碳化硅单晶的制备方法，其包括下述步骤：提供坩埚和籽晶柱；将原料装入坩埚侧壁的夹层形成的原料腔，将籽晶柱安装在坩埚内，组装后放入长晶炉；升高长晶炉的温度，使得原料升华后的升华气体穿过夹层的内侧壁并沿径向气相传输至籽晶柱表面，进行长晶，即制得碳化硅单晶。该制备方法可以制得任意体积的碳化硅单晶，尤其大体积和高厚度，长晶效率高，切割的衬底的片数多；该方法制得的碳化硅单晶的零微管、螺位错低于100cm^‑2和刃位错密度低于220cm^‑2；该方法为高质量、低成本碳化硅衬底的大规模商用化奠定技术基础。

技术领域

本申请涉及一种用于PVT法制备单晶的坩埚组件和长晶炉，属于半导体材料制备领域。

背景技术

现有碳化硅制备技术以物理气相传输(简称PVT)方法为主。PVT法通过放置于底部的碳化硅原料升华分解并沿轴向温度梯度传输至籽晶处结晶而成。现有技术中PVT法使用的片状籽晶并置于坩埚顶部，碳化硅单晶生长时沿单晶的某一径向垂直向下生长。

由于碳化硅单晶向下生长时受与单晶生长面与原料面间距离的限制，晶体生长厚度通常在20-50mm范围内，由碳化硅单晶制得的衬底的出片率低。此外，由于碳化硅籽晶中的微管、位错等缺陷多沿0001方向贯穿碳化硅单晶及由此制备的籽晶。这些缺陷在单晶生长过程中会继续遗传至新生长的单晶中并继续形成贯穿缺陷，因此单晶及衬底中的缺陷密度控制难度大、成本高，衬底质量改善较为困难。

Nature报道了通过晶体横断面生长来避免微管、位错等缺陷遗传的碳化硅单晶制备方式，但此种方法制备过程繁琐，虽能降低缺陷密度，然成本高昂，不适用于工业化生产过程。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种大尺寸碳化硅单晶、衬底及制备方法和使用的装置。该碳化硅单晶可以为任意尺寸，尤其是可以为任意厚度，生产效率高，并且零微管、螺位错和刃位错密度可以低至零；衬底的出片率高，质量高；制备方法可以高效、高质量的制得碳化硅单晶和衬底。

根据本申请的一个方面，提供了一种大尺寸碳化硅单晶的制备方法，该制备方法可以制得任意体积的碳化硅单晶，尤其大体积和高厚度，长晶效率高，切割的衬底的片数多；该方法制得的碳化硅单晶的零微管、螺位错低于100cm^-2和刃位错密度低于220cm^-2，缺陷密度甚至可以达到零；该方法为高质量、低成本碳化硅衬底的大规模商用化奠定技术基础。

该大尺寸碳化硅单晶的制备方法包括下述步骤：

1)提供坩埚和籽晶柱；

2)将原料装入坩埚侧壁的夹层形成的原料腔，将籽晶柱安装在坩埚内，组装后放入长晶炉；

3)升高长晶炉的温度，使得原料升华后的升华气体穿过夹层的内侧壁并沿径向气相传输至籽晶柱表面，进行长晶，即制得所述碳化硅单晶。

可选地，所述长晶过程中，所述内侧壁的内表面与所述籽晶表面的温度差为50-300℃。优选地，所述长晶过程中，所述内侧壁的内表面与所述籽晶表面的温度差为100-200℃。该温度的设置方式使得内表面和籽晶之间有足够的温度梯度作为驱动力使升华后的气相组分向坩埚中心的籽晶横向传输。

优选地，所述长晶温度为2000-2300℃，所述长晶压力为5-50mbar。

优选地，所述坩埚内通入惰性气体和掺杂气。优选，惰性气体为氮气或氦气，所述掺杂气为氮气。掺杂气为氮气可以制得导电N型碳化硅单晶，氮气的量根据需要制得碳化硅单晶的电阻率确定。当然掺杂气还可以为气体任意需要掺入碳化硅单晶中的气体。

可选地，所述坩埚的侧壁包括夹层，所述夹层包括内侧壁和外侧壁，所述内侧壁比所述外侧壁的孔隙率高，所述夹层形成原料腔；