CN104233458A - 一种碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托，所述石墨籽晶托包括石墨基底和设置于石墨基底面向籽晶一侧的表面上的致密碳化硅多晶层，所述籽晶通过粘结剂连接至所述致密碳化硅多晶层。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅晶体领域，具体涉及一种碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托。
背景技术
目前生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输(PVT)法，坩埚由上部籽晶托和下部的料腔组成，上部的籽晶托用于粘结籽晶，下部料腔用于装SiC原料。生长SiC晶体所用的坩埚材料主要为三高石墨(高强度、高密度和高纯度)。由于石墨高温稳定、导热性好、加工方便、价格便宜，在生长SiC晶体中被广泛使用。
在生长SiC晶体过程中，SiC籽晶通过粘结剂直接粘到石墨籽晶托上，晶体生长结束后，晶体与石墨坩埚同时冷却，由于两种材料热膨胀系数差异，晶体受到石墨挤压易产生较大内应力，在后续加工中会发生开裂。另外，在粘籽晶的过程中，由于籽晶托表面机械加工精度较差，粘结剂粘结不均匀等因素，使得籽晶背面与与籽晶托间存在一些气孔。气孔与高温碳化后的粘合剂之间导热性的差异将导致籽晶背面温度分布不均匀。晶体生长时，通过改变石墨坩埚上部保温材料散热孔的大小和形状，使得生长室内形成一定大小的温度梯度，SiC原料处于高温区，籽晶处于低温区。将坩埚内的温度升至2000～230℃，使得SiC原料升华，升华所产生的气相Si2C、SiC2和Si在温度梯度的作用下从原料表面传输到低温籽晶处，结晶成块状晶体。然而，整个生长过程中温度梯度不仅只在原料和籽晶间形成，生长的晶体中以及晶体背面与籽晶托之间同样存在一定的温度梯度。生长的晶体中以及晶体背面与籽晶托之间存在的温度梯度对晶体生长是不利的。由于晶体背面与籽晶托之间存在温度梯度，晶体背面将会热蒸发。晶体背面蒸发和晶体生长是一个逆过程。背面蒸发优先在温度较高区域或缺陷密集区域产生。由于籽晶背面气孔区域的温度相对碳化粘合剂区域较高，因此背面蒸发容易在气孔区域发生。蒸发所产生的气相首先聚积在气孔区域。晶体生长过程中，尽管采用的石墨坩埚为三高石墨，但其孔隙率仍然高达10％以上。石墨盖中存在的孔隙将导致籽晶背面气孔区域所聚积的气相物质逸出。气相物质逸出是一个持续的过程。晶体背面局部区域不断地蒸发，蒸发所产生的气相物质不断地从石墨盖孔隙中逸出，导致在生长的晶体中产生平面六角缺陷。该缺陷是杀手型缺陷，它的形成将急剧降低晶片的质量和产率。因此，研发如何提供一种不仅有利于降低碳化硅晶体内部热应力，避免晶体开裂，同时又能降低晶体中的平面六角缺陷的籽晶托是非常必要的。
国内专利CN101580964B也公开一种生长碳化硅晶体的籽晶托，包括位于石墨基底内表面上的致密膜层，该致密膜层的材料为高熔点金属、高熔点金属合金、或者高熔点金属碳化物、硼化物或氮化物，或者碳，膜层主要通过沉积或外延的方法制备。与CN101580964B专利相比，本发明所述致密膜层为碳化硅多晶层膜，镀膜方法则通过简单的PVT法首先在石墨基底上沉积形成SiC多晶层膜，而后通过对其表面进行加工获得所需要求的膜层。另外，相比于国内专利CN103088411A通过在籽晶生长面的反面镀上多晶碳化硅膜，容易破坏籽晶的特点，本发明则是在石墨托上形成致密碳化硅多晶层，具有操作方法简单有效、且不易破坏籽晶的优点。
发明内容
本发明旨在克服现有碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托的缺陷，本发明提供了碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托。
本发明提供了一种碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托，所述石墨籽晶托包括石墨基底和设置于石墨基底面向籽晶一侧的表面上的致密碳化硅多晶层，所述籽晶通过粘结剂连接至所述致密碳化硅多晶层。
较佳地，所述碳化硅多晶层的厚度为0.1～15mm，优选0.2～8mm。
较佳地，所述碳化硅多晶层的平整度为1-200μm，优选1～50μm。
较佳地，所述粘合剂为高温石墨胶、AB胶、酚醛树脂胶、环氧树脂胶和/或糖胶。
较佳地，所述致密碳化硅多晶层面向籽晶的一侧的表面面积大于所述籽晶的底面积。
较佳地，所述致密碳化硅多晶层覆盖石墨基底面向籽晶一侧的表面。
本发明的有益效果：
本发明涉及碳化硅晶体领域，特别涉及一种用于PVT法碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托，所述的石墨籽晶托包括石墨基底和设置在石墨基底表面上的致密碳化硅多晶层。该致密碳化硅多晶层不仅阻止了碳化硅籽晶与石墨基底直接接触，降低了两者热膨胀差异所引起的热应力，避免了碳化硅晶体的开裂，而且该多晶层在高温下稳定且致密，可消除石墨基底由于多孔性带来的缺陷，极大地提高了碳化硅晶体的质量及成品率。，与其它专利(如：CN101580964B和CN103088411A)比较，本发明则是在石墨托上形成与籽晶性质一致的致密碳化硅多晶层，且具有操作方法简单有效、不易破坏籽晶以及成品率高等优点。
附图说明
图1示出了物理气相传输(PVT)法生长SiC晶体的生长室结构示意图；
其中，1-石墨盖，2-石墨坩埚，3-SiC原料，4-SiC多晶层，5-粘合剂，6-籽晶，7-生长的晶体；
图2示出不同生长条件下获得的晶体生长表面白光干涉显微镜图，其中，(a)具有现有的致密层的籽晶托生长的晶体；(b)不具有致密层的籽晶托生长的晶体。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
针对目前普遍使用的籽晶托在SiC晶体生长过程中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于生长高质量SiC晶体的籽晶托。本发明涉及碳化硅晶体领域，特别涉及一种用于PVT法碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托，为实现上述目的，本发明的用于物理气相传输法生长碳化硅晶体的籽晶托，包括石墨基底(石墨盖)和设置在石墨基底表面上的致密碳化硅多晶层。
所述致密碳化硅多晶层在SiC晶体生长温度下极其稳定；在SiC晶体生长温度下既不升华也不与生长室内的各种气氛反应，同时致密碳化硅多晶层在高温下极其致密，能阻止气体分子的通过；所述碳化硅多晶层的面积大于籽晶的底面积；所述碳化硅多晶层抑制了晶体背面蒸发所产生的蒸气从石墨基底孔隙中逸出，使得蒸发所产生的蒸气聚积在晶体背面，蒸气聚积产生的蒸气压能有效地抑制背面蒸发的进一步发生，从而消除了晶体生长过程中由背面蒸发导致的平面六角缺陷。而且本发明在石墨托上形成与籽晶性质一致的致密碳化硅多晶层，且具有操作方法简单有效、不易破坏籽晶以及成品率高等优点。
该致密碳化硅多晶层不仅阻止了碳化硅籽晶与石墨基底直接接触，降低了两者热膨胀差异所引起的热应力，避免了碳化硅晶体的开裂，而且该多晶层在高温下稳定且致密，可消除石墨基底由于多孔性带来的缺陷，极大地提高了碳化硅晶体的质量及成品率。
所述致密SiC多晶膜层面积大于籽晶的底面积，优选覆盖石墨基底整个内表面。
所述致密碳化硅多晶层主要通过PVT法生长出厚度可控的SiC多晶层在石墨基底上，SiC多晶层的平整度通过精细加工达到。
所述致密碳化硅多晶层还可通过热蒸发、磁控溅射、反应烧结、等离子喷涂、分子束外延、液相外延、激光沉积的方法沉积或外延在石墨基底上。
所述致密碳化硅多晶层厚度在1～300μm。
所述致密碳化硅多晶层平整度在1～200μm。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
如图1所示，籽晶6设置于石墨籽晶托1内，位于其顶部，在石墨籽晶托中石墨盖1的内部。工作时，石墨籽晶托中石墨盖1盖于底部放置碳化硅原料3的石墨料腔2上，随着温度的升高，碳化硅原料3逐渐升华，在籽晶6上生长成碳化硅晶体7。由于籽晶与石墨籽晶托之间存在一定厚度的SiC多晶层4，不仅大幅降低了由于籽晶与石墨托直接接触引起的热应力，而且还消除了晶体生长过程中由于籽晶背面背向分解蒸发导致的平面六方空洞缺陷，极大地提高了碳化硅晶体的质量与产率。
本发明中的致密膜层4优先通过PVT法制备获得，还可以通过热蒸发、物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发、反应烧结、等离子体涂层、分子束外延、液相外延、激光沉积等进行沉积和外延，这些方法都是制膜领域中公知的技术，在此不再赘述。该致密膜层在SiC晶体生长温度下极其稳定，膜层的厚度为1～5000μm，优选10～2000μm，膜层的平整度为1～200μm，优选1～50μm。
实施例1
首先将料区装有碳化硅原料，上部为未安装籽晶的石墨籽晶托的石墨坩埚至于保温碳毡中，然后放入晶体生长炉室中，真空度抽至1.0×10-2 Pa以下，充气至所需压强如30Torr，开始升温至目标温度如2100℃，生长一定时间如10h，程序降温冷却至室温，开炉在石墨籽晶托上获得厚度约0.5mm的多晶碳化硅层，最后通过机械加工在石墨籽晶托上获得可用于SiC晶体生长的平整度为30μm厚度为0.2mm的多晶碳化硅层。其中多晶碳化硅多晶层厚度可根据需要调节温度，压强，生长时间进行调节，多晶层平整度可通过改变加工工艺及参数进行调节。
实施例2
将上述实施例获得的表面沉积有多晶碳化硅层的石墨籽晶托用于PVT法进行晶体生长，通过白光干涉显微镜观察获得的晶体生长表面，如图2(a)所示可以明显看到晶体生长表面无微管、黑点及孔洞等缺陷。
对比例1
为了进行实验对比，将表面未沉积多晶碳化硅层的石墨籽晶托用于PVT法进行晶体生长，生长工艺参数同实施例2，通过白光干涉显微镜观察获得的晶体生长表面，如图2(b)所示可以明显看到晶体生长表面存在较多孔洞缺陷，这将在晶体中形成微管等缺陷。通过对比例，可说明本专利所发明的具有多晶碳化硅层的籽晶石墨托用于碳化硅晶体生长可有效抑制晶体缺陷的产生，提高SiC晶体的质量。
Claims (6)
1.一种碳化硅晶体生长用的石墨籽晶托，其特征在于，所述石墨籽晶托包括石墨基底和设置于石墨基底面向籽晶一侧的表面上的致密碳化硅多晶层，所述籽晶通过粘结剂连接至所述致密碳化硅多晶层。
2.根据权利要求1所述的石墨籽晶托，其特征在于，所述致密碳化硅多晶层的厚度为0.1-15mm，优选0.2-8mm。
3.根据权利要求1或2所述的石墨籽晶托，其特征在于，所述致密碳化硅多晶层的平整度为1-200μm，优选1～50μm。
4.根据权利要求1-3中任一所述的石墨籽晶托，其特征在于，所述粘合剂为高温石墨胶、AB胶、酚醛树脂胶、环氧树脂胶和/或糖胶。
5.根据权利要求1-4中任一所述的石墨籽晶托，其特征在于，所述致密碳化硅多晶层面向籽晶的一侧的表面面积大于所述籽晶的底面积。
6.根据权利要求1-5中任一所述的石墨籽晶托，其特征在于，所述致密碳化硅多晶层覆盖石墨基底面向籽晶一侧的表面。
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