專利名稱：一種籽晶處理方法和生長碳化硅單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶體生長領(lǐng)域，具體來說涉及一種用于生長高質(zhì)量碳化硅晶體工藝改 進。
背景技術(shù)：
隨著第一代硅半導(dǎo)體及第二代砷化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展的成熟，其器件應(yīng)用也趨于 極限。現(xiàn)代科技越來越多的領(lǐng)域需要工作頻率高，功率密度高，耐高溫，化學穩(wěn)定性好以 及可以在強輻射環(huán)境中工作的材料，因此第三代半導(dǎo)體(即寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度大于 2. 2eV)受到了人們的極大關(guān)注，這些材料包括SiC，AlN，GaN，ZnO，金剛石等等，其中技術(shù)最 為成熟的就是SiC。SiC為間接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙寬，熱導(dǎo)率高(比銅的還高)，擊穿電場 高，化學穩(wěn)定性高，抗高輻射。與前兩代半導(dǎo)體材料相比較，SiC有著很明顯的優(yōu)勢。目前生長SiC晶體最有效的方法是物理氣相傳輸法(journal of crystal growth 43 (1978) 209-212)，典型的生長室結(jié)構(gòu)如圖1所示。坩堝由上部的蓋和下部的鍋組成，上部 的蓋用于粘籽晶，通常稱之為籽晶托，下部的堝用于裝SiC原料。生長SiC晶體所用的坩堝 材料主要為三高石墨(高強度、高密度和高純度)。由于石墨高溫穩(wěn)定、導(dǎo)熱性好、加工方 便、價格適宜，在生長SiC晶體中被廣泛使用。在生長SiC晶體過程中，SiC籽晶通過粘合劑粘到籽晶托上。在粘籽晶的過程中， 由于籽晶托表面機械加工精度較差，粘合劑粘結(jié)不均勻以及粘接劑放氣等因素，使得籽晶 背面與籽晶托間存在一些氣孔。氣孔與高溫碳化后的粘合劑之間導(dǎo)熱性的差異將導(dǎo)致籽晶 背面溫度分布不均勻。晶體生長時，通過改變石墨坩堝上部保溫材料散熱孔的大小和形狀， 使得生長室內(nèi)形成一定大小的溫度梯度，SiC原料處于高溫區(qū)，籽晶處于低溫區(qū)(參見圖 1)。將坩堝內(nèi)的溫度升至2000-2200°C，使得SiC原料升華，升華所產(chǎn)生的氣相Si2C、SiC2 和Si在溫度梯度的作用下從原料表面?zhèn)鬏數(shù)降蜏刈丫?，結(jié)晶成塊狀晶體。然而，整個生 長過程中溫度梯度不僅只在原料和籽晶間形成，生長的晶體中以及晶體背面與籽晶托之間 同樣存在一定的溫度梯度。生長的晶體中以及晶體背面與籽晶托之間存在的溫度梯度對晶 體生長是不利的。由于晶體背面與籽晶托之間存在溫度梯度，晶體背面將會熱蒸發(fā)。背面 蒸發(fā)優(yōu)先在溫度較高區(qū)域或缺陷密集區(qū)域產(chǎn)生。由于籽晶背面氣孔區(qū)域的溫度相對碳化粘 合劑區(qū)域較高，因此背面蒸發(fā)容易在氣孔區(qū)域發(fā)生。蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣相首先聚積在氣孔區(qū) 域。晶體生長過程中，盡管采用的石墨坩堝為三高石墨，但其孔隙率仍然高達10%以上。石 墨蓋中存在的孔隙將導(dǎo)致籽晶背面氣孔區(qū)域所聚積的氣相物質(zhì)逸出。氣相物質(zhì)逸出是一個 持續(xù)的過程。晶體背面局部區(qū)域不斷地蒸發(fā)，蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣相物質(zhì)不斷地從石墨蓋孔隙中逸出，導(dǎo)致在生長的晶體中產(chǎn)生平面六角缺陷。該缺陷是殺手型缺陷，它的形成將急劇降 低晶片的質(zhì)量和產(chǎn)率。因此，研發(fā)一種利于碳化硅晶體生長而同時又能降低晶體中的平面 六角缺陷的工藝勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前使用的籽晶直接粘到籽晶托或籽晶機械固定過程中，導(dǎo)致SiC晶體在生 長過程中存在的問題，本發(fā)明的目的是通過對籽晶背面進行鍍膜處理，從而提高SiC籽晶 粘結(jié)質(zhì)量，進而提升晶體生長質(zhì)量的工藝。實施該工藝，可以明顯地減少晶體中的平面六角 缺陷，提高晶體質(zhì)量和產(chǎn)率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種碳化硅晶體生長的籽晶處理方法，該方法用 于提高物理氣相沉積法生長的碳化硅單晶質(zhì)量，其中在籽晶的生長面生長碳化硅單晶，該 方法包括在與籽晶的生長面相反的籽晶背面涂覆有機物，在所述有機物中碳元素的質(zhì)量 百分比大于50% ；然后將已涂覆上述有機物的上述籽晶加熱到1000-2300°c范圍內(nèi)以在籽 晶背面形成石墨膜；之后冷卻已形成石墨膜的籽晶從而獲得用于制備碳化硅晶體的籽晶。優(yōu)選，其中籽晶背面涂覆的有機物厚度范圍為Iym-IOO μ m;其中將已涂覆上述 有機物的上述籽晶加熱包括以下步驟首先將上述籽晶在真空中加熱到1000-150(TC范圍 內(nèi)，然后在惰性氣體中升溫至1800-2300°C范圍內(nèi)；其中所述有機物包括碳元素質(zhì)量百分 比大于50%的樹脂；其中所述有機物為固態(tài)或者粘稠的液態(tài)，并且所述有機物溶于有機 溶劑；其中籽晶的材料包括SiC晶體，所述SiC晶體的晶型包括4H、6H和/或3C晶型。另外，本發(fā)明提供了一種物理氣相沉積法生長碳化硅單晶的方法，該方法先對籽 晶進行處理，然后將處理后已形成石墨膜的籽晶直接粘貼或者機械固定于石墨蓋上，然后 使用物理氣相沉積法在籽晶上生長碳化硅單晶。該方法中對籽晶進行處理的方法包括在 與籽晶的生長面相反的籽晶背面涂覆有機物，在所述有機物中碳元素的質(zhì)量百分比大于 50% ；然后將已涂覆上述有機物的上述籽晶加熱到1000-230(TC范圍內(nèi)以在籽晶背面形成 石墨膜；之后冷卻已形成石墨膜的籽晶從而獲得用于制備碳化硅晶體的籽晶。優(yōu)選，其中所 述石墨膜的氣孔率小于石墨蓋的氣孔率。本發(fā)明是通過在籽晶背面鍍一層耐高溫的致密石墨膜后，該膜層能消除石墨材料 的及籽晶與石墨蓋粘結(jié)過程中產(chǎn)生氣孔所帶來的缺陷。由于膜層的高溫穩(wěn)定性和致密性， 致使很大程度上減少籽晶本身由于微管和位錯等缺陷而易于揮發(fā)的富硅蒸氣穿透石墨膜， 從而抑制了晶體背面蒸發(fā)所產(chǎn)生的蒸氣穿透粘結(jié)層，沉積到石墨蓋；甚至穿透石墨蓋而逸 出到生長體系以外。這種工藝能有效地抑制背面蒸發(fā)的進一步發(fā)生，從而消除了晶體生長 過程中由背面蒸發(fā)導(dǎo)致的平面六角缺陷，極大地提高了碳化硅晶體質(zhì)量及產(chǎn)率。


圖1是物理氣相傳輸法生長SiC晶體的生長室結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1、籽晶；2、孔 隙；3、粘結(jié)劑；4、石墨套件；5、SiC原料；6、SiC原料升華蒸氣。圖2是本發(fā)明生長SiC晶體普遍使用的籽晶粘接結(jié)構(gòu)示意圖；其中，7、石墨膜；8、 籽晶托；圖3是本發(fā)明生長SiC晶體普遍使用的籽晶機械固定結(jié)構(gòu)示意圖；其中，9、固定支架；圖4(a)和(b)分別是鍍石墨膜前的籽晶和鍍完石墨膜后的籽晶。鍍石墨膜前籽 晶為淺色，鍍石墨膜后表面為亮黑色。圖4(c)是鍍石墨膜后的截面示意圖，籽晶為淺色，石 墨膜為亮黑色。
具體實施例方式以下參照附圖，對本發(fā)明的籽晶背面鍍石墨膜進行詳細說明。圖1是傳統(tǒng)物理氣相傳輸法生長SiC晶體普遍使用的籽晶粘接結(jié)構(gòu)示意圖。石墨 蓋8由三高石墨加工而成，其內(nèi)表面的平整度優(yōu)于10 μ m。籽晶1背面鍍石墨膜7，然后通 過粘合劑3粘到石墨蓋8的內(nèi)表面上。通常用糖作為粘接劑(其他有機粘接劑道理也是一 樣)，但糖在高溫粘接的過程中會分解釋放出水蒸氣及部分的一氧化碳或二氧化碳氣體。由 于籽晶1微管很少，因而氣體通過籽晶逸出的部分微乎其微，石墨蓋8也是用三高石墨加工 而成，所以氣體通過石墨蓋逸出部分也不多。但粘結(jié)劑待釋放的氣體需要一個逸出的途徑 或囤積的空間，所以氣體主要通過從籽晶的邊緣擴散或者在粘接某處形成沒有粘接劑的空 間。結(jié)果是粘接后的籽晶中心部位常常出現(xiàn)氣孔2-看似沒有粘接劑的部分。在高溫下有 氣孔區(qū)域籽晶的界面溫度，以及籽晶與石墨蓋之間的溫度梯度大于無明顯氣孔區(qū)域，而溫 度高和梯度大都能加速籽晶的背向蒸發(fā)；并且在晶體生長時，氣孔區(qū)域也為背面蒸發(fā)的氣 相物質(zhì)提供了空間，從而大大提高了籽晶背向蒸發(fā)的幾率。氣相物質(zhì)會穿過粘接劑，通過石 墨蓋的空隙揮發(fā)到坩堝蓋外。該過程是一個持續(xù)的過程，從而導(dǎo)致在生長的晶體中產(chǎn)生平 面六角缺陷。該缺陷的形成將急劇降低晶片的質(zhì)量和產(chǎn)率。為了抑制晶體生長過程中的背向蒸發(fā)問題，本發(fā)明提供了一種碳化硅晶體生長的 籽晶處理方法，該方法用于提高物理氣相沉積法生長的碳化硅單晶質(zhì)量，其中在籽晶的生 長面生長碳化硅單晶，該方法包括在與籽晶的生長面相反的籽晶背面涂覆有機物，在所 述有機物中碳元素的質(zhì)量百分比大于50% ；然后將已涂覆上述有機物的上述籽晶加熱到 1000-230(TC范圍內(nèi)以在籽晶背面形成石墨膜；之后冷卻已形成石墨膜的籽晶從而獲得用 于制備碳化硅晶體的籽晶，如圖2所示。優(yōu)選，其中籽晶背面涂覆的有機物厚度范圍為Iym-IOO μ m;其中將已涂覆上述 有機物的上述籽晶加熱包括以下步驟首先將上述籽晶在真空中加熱到1000-150(TC范圍 內(nèi)，然后在惰性氣體中升溫至1800-2300°C范圍內(nèi)；其中所述有機物包括碳元素質(zhì)量百分 比大于50%的樹脂；其中所述有機物為固態(tài)或者粘稠的液態(tài)，并且所述有機物溶于有機溶 劑；其中籽晶的材料包括SiC晶體，所述SiC晶體的晶型包括4H、6H和/或3C晶型。另外，本發(fā)明提供了一種物理氣相沉積法生長碳化硅單晶的方法，該方法先對籽 晶進行處理，然后將處理后已形成石墨膜的籽晶直接粘貼或者機械固定于石墨蓋上，然后 使用物理氣相沉積法在籽晶上生長碳化硅單晶。該方法中對籽晶進行處理的方法包括在 與籽晶的生長面相反的籽晶背面涂覆有機物，在所述有機物中碳元素的質(zhì)量百分比大于 50% ；然后將已涂覆上述有機物的上述籽晶加熱到1000-230(TC范圍內(nèi)以在籽晶背面形成 石墨膜；之后冷卻已形成石墨膜的籽晶從而獲得用于制備碳化硅晶體的籽晶。優(yōu)選，其中所 述石墨膜的氣孔率小于石墨蓋的氣孔率。實施例一
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取有機混合物(呋喃甲醇與酚醛樹脂質(zhì)量百分比為3 1)0. 5ml，用勻膠機均勻 涂到籽晶背面，涂層厚度在1 μ m，置于常溫下24小時固化。而后輕輕把晶片置于石墨坩堝 中，有機涂層面朝上。再把石墨坩堝放到石墨爐中，抽氣到10_3帕后以500°C /h的速度升 到1000°C，恒溫2小時。再充入氬氣0. 6atm，并以500°C /h升溫到1800°C后恒溫1小時， 最后以1000°C/h速度降到室溫。8小時后打開石墨爐，取出晶片，晶片背面有一層均勻的 石墨涂層，厚度1 μ m。實施例二取有機混合物(呋喃甲醇與酚醛樹脂質(zhì)量百分比為1 l)5ml，用勻膠機均勻涂 到籽晶背面，涂層厚度在30 μ m，在60°C下放置2小時固化。而后輕輕把晶片置于石墨坩堝 中，有機涂層面朝上。再把石墨坩堝放到石墨爐中，抽氣到10_3帕后以500°C /h的速度升到 1200°C，恒溫1小時。再充入氬氣0. 6atm，并以500°C /h升溫到2200°C后恒溫0. 5小時，最 后以1000°C /h速度降到室溫。8小時后打開石墨爐，取出晶片，晶片背面有一層均勻的石 墨涂層，厚度30 μ m。實施例三取有機混合物(呋喃甲醇與酚醛樹脂質(zhì)量百分比為1 3) 10ml，用勻膠機均勻涂 到籽晶背面，涂層厚度在10(^!11，在801下放置1小時固化。而后輕輕把晶片置于石墨坩 堝中，有機涂層面朝上。再把石墨坩堝放到石墨爐中，抽氣到10_3帕后以500°C /h的速度 升到1500°C，恒溫0. 5小時。再充入氬氣0. 6atm，并以500°C /h升溫到2300°C后恒溫0. 5 小時，最后以1000°C/h速度降到室溫。8小時后打開石墨爐，取出晶片，晶片背面有一層均 勻的石墨涂層，厚度100 μ m。需要說明的是，雖然實施例中僅舉例性地使用了呋喃甲醇與酚醛樹脂的有機混合 物，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可知涂在籽晶背面的有機材料不限于上述有機材料，只要是碳元 素的質(zhì)量百分比大于50%的有機物都可以用于涂覆在籽晶背面以形成石墨涂層。應(yīng)該指出，上述的具體實施方式
只是對本發(fā)明進行詳細說明，它不應(yīng)是對本發(fā)明 的限制。對于本領(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，可以有多種形式 和細節(jié)的變化。
權(quán)利要求
一種碳化硅晶體生長的籽晶處理方法，該方法用于提高物理氣相沉積法生長的碳化硅單晶質(zhì)量，其中在籽晶的生長面生長碳化硅單晶，該方法包括在與籽晶的生長面相反的籽晶背面涂覆有機物，在所述有機物中碳元素的質(zhì)量百分比大于50％；然后將已涂覆上述有機物的上述籽晶加熱到1000 2300℃范圍內(nèi)以在籽晶背面形成石墨膜；之后冷卻已形成石墨膜的籽晶從而獲得用于制備碳化硅晶體的籽晶。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中籽晶背面涂覆的有機物厚度范圍為1μ m-100 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將已涂覆上述有機物的上述籽晶加熱包括以下 步驟首先將上述籽晶在真空中加熱到1000-1500°C范圍內(nèi)，然后在惰性氣體中升溫至 1800-2300°C 范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述有機物包括碳元素質(zhì)量百分比大于50%的樹脂。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述有機物為固態(tài)或者粘稠的液態(tài)，并且所述有機 物溶于有機溶劑。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中籽晶的材料包括SiC晶體，所述SiC晶體的晶型包括 4H、6H和/或3C晶型。
7.—種物理氣相沉積法生長碳化硅單晶的方法，該方法使用如權(quán)利要求1所述的籽晶 處理方法，然后將已形成石墨膜的籽晶直接粘貼或者機械固定于石墨蓋上，然后使用物理 氣相沉積法在籽晶上生長碳化硅單晶。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述石墨膜的氣孔率小于石墨蓋的氣孔率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅晶體生長的籽晶處理方法以及使用該籽晶處理方法的碳化硅單晶生長方法。籽晶處理方法包括在與籽晶的生長面相反的籽晶背面涂覆有機物，在所述有機物中碳元素的質(zhì)量百分比大于50％；然后將已涂覆上述有機物的上述籽晶加熱到1000-2300℃范圍內(nèi)以在籽晶背面形成石墨膜；之后冷卻已形成石墨膜的籽晶從而獲得用于制備碳化硅晶體的籽晶。通過這種方法處理好的石墨涂層在SiC單晶生長的條件下也能保持致密性和穩(wěn)定性，從而很大程度上避免背向腐蝕，進而提高晶體的質(zhì)量和產(chǎn)率。
文檔編號C30B23/00GK101985773SQ20091023673
公開日2011年3月16日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者劉春俊, 彭同華, 李龍遠, 王剛, 王波, 陳小龍, 鮑慧強 申請人:新疆天科合達藍光半導(dǎo)體有限公司;北京天科合達藍光半導(dǎo)體有限公司;中國科學院物理研究所