山东大学公开一种调控碳化硅单晶生长面形的生长方法

1. 背景技术

碳化硅（SiC）是一种第三代半导体材料，凭借其耐高温、耐辐照、热导率高、禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、击穿电压高等优点，在5G、新能源等行业中得到了广泛应用，尤其是在高频、大功率射频及电力电子器件的需求快速增长的背景下。

现有的碳化硅单晶生长方法主要是物理气相传输（PVT）法。在该方法中，碳化硅粉料置于石墨坩埚底部，加热后升华，通过温度梯度作用传输至坩埚顶部的籽晶处进行结晶。生长过程中的温度梯度直接影响单晶的形状和质量。为了调控晶体的生长面形，现有技术主要通过调节坩埚内的温场分布来实现，但这会导致晶体内应力和位错密度增加，从而影响晶体质量。

2. 发明内容

本发明提出了一种通过限流板调控碳化硅单晶生长面形的方法和装置。限流板通过特定的内径和结构设计，对生长气相组分的传输区域进行限制，从而在不改变坩埚内温场分布的情况下，实现对晶体生长面形的调控，控制晶体的凸度。这种方法避免了传统调温场方法带来的晶体缺陷问题，提高了单晶的利用率和质量。

3. 实施方式

• 限流板的设计：限流板可以是中空的环形结构，或由外部环形结构和孔隙率更大的圆形结构组成。环形结构的内径为碳化硅籽晶直径的0.7～1.3倍，外径等于石墨坩埚的内径。圆形结构的直径为碳化硅籽晶直径的1～1.5倍。

• material：限流板的材料可以是石墨或金属碳化物，包括等静压石墨、挤压型石墨、碳化钽和碳化铌。

• 厚度和位置：限流板的厚度为石墨坩埚高度的0.5％～6％。当碳化硅粉料距籽晶距离小于坩埚高度的27％时，限流板放置在粉料表面；否则，放置在粉料上方25～45mm处。

图1：本发明中调控碳化硅单晶生长面形的生长装置示意图

4. 主要创新点

• 通过限流板设计，实现对生长气相组分传输区域的有效限制和集中。

• 在不改变坩埚内温场分布的情况下，实现对晶体生长面形的调控。

• 解决了晶体凸度与温度梯度高度耦合的问题，提高了晶体的利用率和质量。

• 与现有技术相比，本发明不需要复杂的温场调控设备，降低了工艺调整的复杂度和技术门槛。

5. 实施例

实施例1：使用中空环形结构的限流板，内径为籽晶直径的0.7，放置在粉料上方35mm处。结果显示，生长的碳化硅单晶凸度为1.8mm，应力分布均匀，位错密度低。

实施例2：使用内径为籽晶直径1.0的限流板。结果显示，单晶凸度为-0.3mm，应力分布均匀，位错密度低。

对比例1：不使用限流板，通过调控温场实现面形调控。结果显示，单晶的凸度为1.9mm，但应力和位错密度显著高于使用限流板的实施例。

图2：本发明中实施例1中生长得到的碳化硅单晶侧面轮廓图

图3：实施例1中生长得到的碳化硅单晶切片测试应力后得到的应力分布图

图4：实施例1中生长得到的碳化硅单晶切片测试位错后得到的总位错密度分布图

原文始发于微信公众号（半导体信息）：山东大学公开一种调控碳化硅单晶生长面形的生长方法