專利名稱：雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種雙籽晶輔助物理氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，涉及晶體生長領(lǐng)域，采用該技術(shù)生長的碳化硅晶體的質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，適用于碳化硅單晶的批量生長。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展再次激發(fā)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的革新。作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅在熱學(xué)、電學(xué)、抗腐蝕等性能方面優(yōu)于常用的襯底材料，可廣泛用于 制造半導(dǎo)體照明、微電子、電力電子等半導(dǎo)體器件。過去幾十年間，多種高性能的碳化娃基半導(dǎo)體器件已被成功研制，如發(fā)光二極管、肖特基二極管、混合動(dòng)力汽車的功率模塊逆變器等。這無疑預(yù)示今后半導(dǎo)體器件制造商對碳化硅晶圓需求量的激增。但是價(jià)格因素仍然是阻止碳化硅晶圓在國際市場上廣泛應(yīng)用的壁壘，因此開發(fā)新的晶體生長工藝來提高晶體產(chǎn)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。物理氣相傳輸方法被公認(rèn)為生長碳化娃晶體最為成功的方法之一。在物理氣相傳輸方法生長碳化硅晶體的過程中一個(gè)生長爐中只能培育出一塊碳化硅單晶。如2009. 11. 18申請的200910238110. 0號(hào)中國發(fā)明專利公開了一種用物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體的技術(shù)，該技術(shù)置碳化硅籽晶于坩堝頂部，碳化硅原料位于坩堝底部。采用該技術(shù)一個(gè)坩堝只能生長出一塊碳化硅單晶。2010. 04. 20申請的201010152392. 5號(hào)中國發(fā)明專利在上述基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，置碳化硅籽晶于坩堝底部，但是采用此技術(shù)一個(gè)坩堝也只能生長出一塊碳化硅晶體。由于以上技術(shù)一個(gè)坩堝只能生長一塊碳化硅晶體，而且晶體的生長溫度較高，時(shí)間較長，進(jìn)而成本較高，不利于碳化硅晶體的商業(yè)化，現(xiàn)行的解決方法是采用增加單晶爐的數(shù)量或改善碳化硅晶體質(zhì)量或放大晶體尺寸，來獲得大的產(chǎn)出量。但是與其他襯底材料相比，由上述技術(shù)生長的碳化硅襯底材料的成本仍然較高。多坩堝生長技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)生長爐同時(shí)生長多塊晶體，是一種降低產(chǎn)品成本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的重要方法。如1999. 5. 26授權(quán)的94114075. X號(hào)中國發(fā)明專利公開了一種用多坩堝下降法同時(shí)生長大尺寸、高質(zhì)量、多根鎢酸鉛(PWO)閃爍晶體的新技術(shù)，采用該技術(shù)可同時(shí)生長2根、4根或8根PWO晶體。但是多坩堝生長技術(shù)對爐子的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求更高，如爐子的功率指標(biāo)。為了進(jìn)一步降低碳化硅單晶的成本，本發(fā)明采用一種新的技術(shù)-雙籽晶輔助物理氣相傳輸方法生長碳化硅單晶。

發(fā)明內(nèi)容
在采用物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體的過程中，加熱器內(nèi)溫場分布為中部溫度高，上部、下部溫度低。為了克服采用單籽晶輔助的氣相傳輸方法生長碳化硅單晶時(shí)的生長效率低，生產(chǎn)成本高的劣勢，本發(fā)明提出了一種雙籽晶輔助的物理氣相輸運(yùn)方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，通過調(diào)節(jié)坩堝在加熱器內(nèi)的相對高度，使坩堝內(nèi)的溫度場分布為上部和底部溫度低，中部溫度高。其特征在于在碳化硅單晶的生長過程中采用雙籽晶輔助氣相傳輸法生長碳化硅單晶，兩片碳化硅籽晶分別置于同一坩堝的上部和下部，位于低溫區(qū)，碳化硅原料置于坩堝中部，位于高溫區(qū)，它們在坩堝內(nèi)的分布從下到上依次為坩堝底部、下籽晶、碳化硅原料、上籽晶和坩堝頂部，其中碳化硅原料與下籽晶之間存在一定間距，形成下生長空間，碳化硅原料與上籽晶之間存在一定間距，形成上生長空間。進(jìn)一步所述的坩堝中坩堝主體和坩堝頂蓋以螺紋連接，坩堝主體和坩堝底蓋為一體結(jié)構(gòu)或采用螺紋連接。進(jìn)一步所述的碳化硅原料與下籽晶之間存在的間距為10-50毫米，碳化硅原料與上籽晶之間存在的間距為10-40毫米。進(jìn)一步所述的碳化硅原料為碳化硅晶錠或由碳化硅粉末和碳化硅多晶圓柱體組成的混合原料。再進(jìn)一步所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圓柱體組成的混合原料中的碳化硅粉末置于碳化硅多晶圓柱體上，碳化硅多晶圓柱體的厚度為1-60毫米。再進(jìn)一步所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圓柱體組成的混合原料中的碳化硅多晶圓柱體為碳化硅晶圓或固定在籽晶架內(nèi)的碳化硅晶錠。再進(jìn)一步所述的碳化硅晶錠為以碳化硅粉末為原料或以碳和硅的混合粉末為原料，采用常規(guī)的氣相傳輸技術(shù)在1800-2300°C在氬氣中生長的碳化硅多晶圓柱體，所述的晶圓為碳化娃晶淀切割而成的晶片。該技術(shù)突破了一個(gè)生長爐只能生長一塊晶體的限制，降低了生長成本。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有的如下優(yōu)點(diǎn)I.可以提聞晶體的生長效率，降低生廣成本。2.可以保持坩堝內(nèi)氣流的穩(wěn)定性，改善碳化硅晶體的質(zhì)量。


圖I以碳化硅晶錠為原料采用雙籽晶輔助氣相傳輸法生長碳化硅單晶的坩堝內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖附圖標(biāo)記11. 土甘禍頂蓋、12.上桿晶、13.多晶晶淀、14.下桿晶、15.桿晶架、16. i甘禍底部圖2以碳化硅粉末和碳化硅晶圓為原料采用雙籽晶輔助氣相傳輸法生長碳化硅單晶的坩堝內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖附圖標(biāo)記21.坩堝頂蓋、22.上籽晶、23.碳化硅粉末、24.碳化硅晶圓、25.下籽晶、26.籽晶架、27.坩堝底部圖3以碳化硅粉末和碳化硅晶圓為原料采用雙籽晶輔助氣相傳輸法生長碳化硅單晶的坩堝內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖附圖標(biāo)記31.樹禍頂蓋、32.上桿晶、33.碳化娃粉末、34.晶圓、35.下桿晶、36. i甘禍底蓋圖4以碳化硅粉術(shù)和碳化硅晶錠為原料采用雙籽晶輔助氣相傳輸法生長碳化硅單晶的坩堝內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖附圖標(biāo)記、
41.坩堝頂蓋、42.上籽晶、43.碳化硅粉末、44.石墨架、45.固定在石墨架內(nèi)的碳化硅晶錠、46.下籽晶、47籽晶架、48.坩堝底部圖5以碳化硅晶錠為原料在圖I坩堝的頂部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片圖6以碳化硅晶錠為原料在圖I坩堝的底部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片圖7以碳化硅粉末和碳化硅晶圓為原料在圖2坩堝的頂部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片圖8以碳化硅粉末和碳化硅晶圓為原料在圖2坩堝的底部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片圖9以碳化硅粉末和碳化硅晶圓為原料在圖3坩堝的頂部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片 圖10以碳化硅粉末和碳化硅晶圓為原料在圖3坩堝的底部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片圖11以碳化硅粉末和碳化硅晶錠為原料在圖4坩堝的頂部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片圖12以碳化硅粉末和碳化硅晶錠為原料在圖4坩堝的底部籽晶上生長的碳化硅單晶的照片
具體實(shí)施方式

實(shí)施例I以碳化硅晶錠為原料采用雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶為例舉例說明，采用的坩堝結(jié)構(gòu)主要包括坩堝頂蓋11、上籽晶12、晶錠13、下籽晶14、下籽晶架15、坩堝底部16，如圖I所示，其操作過程為步驟I :粘貼碳化硅籽晶片14于籽晶架15上，并置于坩堝底部16 ；步驟2 :置聞純碳化娃晶淀13于纟甘禍中，使晶淀與下桿晶的間距為30暈米；步驟3 :分別粘貼碳化硅籽晶片12于上坩堝蓋11上；步驟4 :把粘貼碳化硅籽晶片12的上坩堝蓋11通過螺紋固定在裝有碳化硅晶錠13的石墨樹禍中，使晶淀與上桿晶之間的距尚為15暈米；步驟5，步驟4中，采用雙籽晶輔助氣相傳輸技術(shù)，在2300°C、10-30乇下在上、下籽晶片上沿軸定向生長的碳化硅單晶，分別如圖5，6所示，可以看出碳化硅單晶表面光滑，不存在明顯的多氣孔。實(shí)施例2以碳化硅粉末和碳化硅晶圓為原料采用雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶為例舉例說明，采用的坩堝結(jié)構(gòu)主要包括坩堝頂蓋21、上籽晶22、碳化硅粉末23、碳化硅晶圓24、下籽晶25、下籽晶架26、坩堝底部27，如圖2所示。其操作過程為步驟I :粘貼碳化硅籽晶片25于籽晶架26上，并置于坩堝底部27 ；步驟2 :置厚度為2毫米的碳化硅晶圓24于坩堝中，使其與下籽晶的距離為20毫米，并置高純碳化硅粉末23于晶圓24上；步驟3 :粘貼碳化硅籽晶片22于上坩堝蓋21上；步驟4 :把粘貼碳化硅籽晶片22的上坩堝蓋21通過螺紋固定在裝有碳化硅原料的石墨坩堝中，使碳化硅粉末與上籽晶的距離為30毫米；步驟5，步驟4中，采用籽晶引導(dǎo)氣相傳輸技術(shù)，在2300°C、10-30乇下在上、下籽晶片上沿軸定向生長的碳化硅單晶，分別如圖7，8所示，可以看出碳化硅單晶表面光滑，不存在明顯的多氣孔。實(shí)施例3以碳化娃粉末和碳化娃晶圓為原料米用雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化娃單晶為例舉例說明，采用坩堝結(jié)構(gòu)包括坩堝頂蓋31、上籽晶32、碳化硅粉末33、晶圓34、下籽晶35、坩堝底蓋36，如圖3。與實(shí)施例2不同的是圖3所示的結(jié)構(gòu)中坩堝和底蓋不是一體的，而是以螺紋連接的，其操作過程為步驟I :置厚度為30毫米的碳化硅晶圓34于坩堝中，并置高純碳化硅粉末33于晶圓34上； 步驟2 :粘貼碳化硅籽晶片32于上坩堝蓋31上，籽晶片35于上坩堝蓋36上；步驟3 :分別把粘貼有碳化硅籽晶片32和35的上坩堝蓋31和下坩堝蓋36通過螺紋固定在裝有碳化硅原料的石墨坩堝中，使碳化硅粉末與上籽晶的距離為35毫米，使碳化硅晶圓與下籽晶的距離為15毫米；步驟4，步驟3中，采用籽晶引導(dǎo)氣相傳輸技術(shù)，在2300°C、10-30乇下在上、下籽晶片上沿軸定向生長的碳化硅單晶，分別如圖9，10所示，可以看出碳化硅單晶表面光滑，不存在明顯的多氣孔。實(shí)施例4以碳化硅粉末和碳化硅晶錠為原料采用雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶為例舉例說明，采用坩堝結(jié)構(gòu)包括坩堝頂蓋41、上籽晶42、碳化硅粉術(shù)43、石墨架44、固定在石墨架內(nèi)的碳化硅晶錠45、下籽晶46、籽晶架47、坩堝底部48，如圖4所示。與實(shí)施例3不同的是實(shí)施例4中的多晶圓柱體不是晶圓，而是固定在石墨架內(nèi)的碳化硅晶錠，其操作過程為步驟I :粘貼碳化硅籽晶片46于籽晶架47上，并置于坩堝底部48 ；步驟2 :置在石墨架44內(nèi)、厚度為60毫米的碳化硅晶錠45于坩堝中，使晶錠與下籽晶的距離為45毫米，并置高純碳化硅粉末43于石墨架44上；步驟3 :粘貼碳化硅籽晶片42于上坩堝蓋41上；步驟4 :把粘貼有碳化硅籽晶片42的上坩堝蓋41用螺紋固定在裝有碳化硅原料43的石墨坩堝中，使碳化硅粉末與上籽晶的距離為15毫米；步驟5，步驟4中，采用籽晶引導(dǎo)氣相傳輸技術(shù)，在2300°C、10-30乇下在碳化硅上下籽晶片上沿軸定向生長的碳化硅單晶，分別如圖11，12所示，可以看出碳化硅單晶表面光滑，不存在明顯的多氣孔。
權(quán)利要求
1.一種雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，其特征在于在碳化硅單晶的生長過程中兩片碳化硅籽晶分別置于同一坩堝的上部和下部，位于低溫區(qū)，碳化硅原料置于坩堝中部，位于高溫區(qū)，它們在坩堝內(nèi)的分布從下到上依次為坩堝底部、下籽晶、碳化硅原料、上籽晶和坩堝頂部，其中碳化硅原料與下籽晶之間存在一定間距，構(gòu)成下生長空間，碳化硅原料與上籽晶之間存在一定間距，構(gòu)成上生長空間。
2.如權(quán)利要求I所述的雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，其特征在于所述的坩堝中坩堝主體和坩堝頂蓋以螺紋連接，坩堝主體和坩堝底蓋為一體結(jié)構(gòu)或采用螺紋連接。
3.如權(quán)利要求I所述的雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，其特征在于所述的碳化硅原料與下籽晶之間的間距為10-50毫米，碳化硅原料與上籽晶之間的間距為10-40毫米。
4.如權(quán)利要求I所述的雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，其特征在于所述的碳化硅原料為碳化硅晶錠或由碳化硅粉末和碳化硅多晶圓柱體組成的混合原料。
5.如權(quán)利要求4所述的雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，其特征在于所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圓柱體組成的混合原料中的碳化硅粉末置于碳化硅多晶圓柱體上，碳化硅多晶圓柱體的厚度為1-60毫米。
6.如權(quán)利要求5所述的雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，其特征在于所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圓柱體組成的混合原料中的碳化硅多晶圓柱體為碳化硅晶圓或固定在石墨架內(nèi)的碳化硅晶錠。
7.如權(quán)利要求4和6所述的雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)，其特征在于，所述的碳化硅晶錠為以碳化硅粉末為原料或以碳和硅的混合粉末為原料，采用常規(guī)的物理氣相傳輸技術(shù)在1800-2300°C在!!氣中生長的碳化娃多晶圓柱體,所述的晶圓為碳化硅晶錠切割而成的晶片。
全文摘要
本發(fā)明涉及晶體生長領(lǐng)域，具體涉及一種雙籽晶輔助氣相傳輸方法生長碳化硅單晶的技術(shù)和裝置，其特征在于，在碳化硅單晶的生長過程中兩片碳化硅籽晶分別置于坩堝的上部和下部，位于低溫區(qū)，碳化硅原料置于坩堝中部，位于高溫區(qū)，它們在坩堝內(nèi)的分布從下到上依次為坩堝底部、下籽晶、碳化硅原料、上籽晶和坩堝頂部。該技術(shù)在一個(gè)坩堝中能同時(shí)生長出兩塊碳化硅單晶，突破了一個(gè)生長爐只能生長一塊碳化硅單晶的限制，降低碳化硅晶體的生長成本。
文檔編號(hào)C30B29/36GK102732953SQ20111009033
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者李根法, 李汶軍 申請人:李根法, 李汶軍