一种改善晶体生长质量的方法与流程

本发明属于碳化硅晶体生长，涉及碳化硅的制备，尤其涉及一种简单有效，不会造成浪费，可以灵活控制应变层的形成提高了晶体生长的效率和质量的改善晶体生长质量的方法。

背景技术：

1、参见图3，现有技术中，生长初期通常3-5mm，形核区0.5-1.0mm，扩径区2.0-4.0mm，根据扩径所需要达到的直径以及扩径的角度，生长速率慢。

2、稳定生长区通常10-100mm，等径生长区直径维持不变，略大于所需直径，如需要150mm，则等径区直径156-160mm。生长速度高，0.3-0.5mm/hr，80-300hr→20-100mm。

3、随着生长过程、籽晶中的位错，如tsd、bpd、ted，从缓慢生长部分被复制进入快速生长部分，另一方面，由于一开始生长，籽晶表面受到热腐蚀作用，初期形核极易形成各种位错，通过缓慢的生长过程进行重排，位错密度才得以降低。

4、目前已有一些技术用于控制位错密度，例如通过选择高质量的籽晶来减少位错的遗传，或者在晶体生长过程中使用特定的生长条件(比如增加降压时间等)来控制位错的生成和复制。然而，这些解决方案存在一些局限性，如依赖高质量籽晶、生长条件复杂或者牺牲产能等，限制了晶体生长的效率和质量，且始终无法解决衬底位错密度高的问题。电动车主驱逆变器的应用，要求sic衬底有3000/cm2以下的位错密度，现有衬底水平在5000-8000/cm2(参见图6)。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种改善晶体生长质量的方法，本发明能够使用位错密度高的低质量籽晶来生长高质量低位错的晶体，减少了对高质量籽晶的依赖性，通过形成不同的应变层来抑制位错的复制和增殖，从而实现从籽晶生长出较低位错密度的晶体，提高了晶体的质量，本发明的方法简单有效，并且不会造成浪费，可以灵活控制应变层的形成，提高了晶体生长的效率和质量。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种改善晶体生长质量的方法，所述方法包括以下步骤：

4、1)准备所需籽晶，粉料，掺杂元素材料，生长基板以及加热坩埚，将粉料与掺杂元素材料混合均匀，得到混合粉料；

5、2)将混合粉料装入加热坩埚中，擦拭籽晶，将籽晶装入加热坩埚上部，保证混合粉料上表面与籽晶之间的高度差；密封；

6、3)将加热坩埚放入加热炉内，抽真空；

7、4)启动加热，持续充入高纯氩气；

8、5)稳定一端时间后，提升加热功率，充入氮气，保持一定氩气与氮气的比例；

9、6)继续提升功率，使得坩埚上部温度与下部温度的温差维持在70-100℃；

10、7)逐步降低加热炉内压力，提高氮浓度；

11、8)继续提升功率至生长温度，在5-15h内逐步降低氮浓度；

12、9)长晶结束后，缓慢提升炉内压力至600mbar，缓慢冷却炉内温度，直至常温，取出晶体。

13、作为本发明的一种优选方案，步骤1)中，所述的掺杂元素为b，掺杂元素材料为硼粉，硼粉和碳化硅的质量比为1.5-2.5g:2.5-4.5kg。

14、作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，混合粉料上表面与籽晶之间的高度差为80-110mm。

15、作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，氩气与氮气的流量比为500：15-30，氮气流量为10-20ml/min。

16、作为本发明的一种优选方案，步骤6)中，坩埚上部温度与下部温度的温差维持在80-100℃。

17、作为本发明的一种优选方案，步骤7)中，炉内压力为2-7mbar，氩气与氮气的流量比为80-100：5-8，氮浓度为5*1018/cm3-5*1020/cm3。

18、优选地，氩气与氮气的流量比为85-90：6-7。

19、作为本发明的一种优选方案，步骤8)中，下部温度在2250℃-2350℃，上部温度在2140℃-2260℃。

20、作为本发明的一种优选方案，步骤8)中，氮浓度降低至5*1017/cm3-5*1018/cm3，氩气与氮气的比例为90-110:3-5。

21、作为本发明的一种优选方案，在形核阶段形成高掺杂浓度的应变层，应变层的厚度为0.5-2mm。

22、优选地，，应变层的厚度为0.5-1.5mm。

23、本发明在整个生长过程中，在碳化硅原料中按一定比例掺入硼(b)，并控制生长气氛中氮(n)的浓度呈梯度变化，从而实现氮和硼元素的共掺，以下简称混合元素。如此可以形成最底层形核区的高掺杂浓度区到扩径区再过渡到快速生长部分，而快速生长部分的混合元素浓度满足导电型碳化硅衬底所需要的性能要求。其中n元素掺杂贯穿整生长过程，高浓度应变层的浓度为5*1018/cm3-5*1020/cm3，优选的在5*1019/cm3，快速生长区的浓度在5*1017/cm3-5*1018/cm3。而硼元素掺杂仅在高浓度应变区引入，其与碳化硅粉料质量比需控制在0-2.5g:2.5-4.5kg，优选的在1.5-2.5g:2.5-4.5kg。

24、通过控制混合元素浓度的突变，可以在形核阶段形成高掺杂浓度的应变层，该应变层与之前技术的差异在于，混合元素尤其是氮的掺入，可以使该层的晶格常数a小于籽晶的晶格常数，也小于快速生长部分的晶格常数。晶格常数的变化，使得高浓度区对扩径区和快速生长区形成压应力。晶体生长过程中，位错有减少其位错长度的趋势、减少其镜像力，趋向于无应力、或者能量最低(dislocation conversion in 4h silicon carbideepitaxy.journal of crystal growth，244(3-4)，257–266|10.1016/s0022-0248(02)01706-2)，而高浓度n掺杂所形成的压应力可以促进这种位错转变趋势，从而使位错在前期大部分改变其继承方向(不沿0001方向)，达到抑制位错的目的。因此在压应力的作用下，位错密度沿生长方向的继承被抑制，从而在一定程度上阻断了位错从籽晶向晶体的遗传。而b元素的少量掺杂的作用是：前期高n浓度会使得应变层大量c原子被n原子替代，造成其与籽晶区、快速生长区以及石墨存在晶格失配的问题，容易产生失配应力而造成层错等其它缺陷，而b元素的原子半径稍大于c原子，少量掺杂可以相对增大其晶格常数，达到抑制晶格匹配问题的目的。同时在本发明的方法的实践中发现，即使掺入b的剂量极低甚至不掺入b时，高浓度n的降低位错的效果依然存在。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

26、1)本发明可在生长初期形成高浓度应变层，对籽晶形成压应力，从而抑制晶锭生长过程中籽晶的位错继承到晶体中，从而生长出低位错高质量的碳化硅晶体。

27、2)本发明通过形成不同的应变层(压应力及拉应力)来抑制位错的复制和增殖，从而实现从阻断位错从籽晶到晶体的遗传及晶体中位错的降低从而生长出较低位错密度的晶体。相比现有技术中依赖高质量籽晶的方法，本发明不再受限于高质量籽晶的获取和使用成本较高的问题。

28、3)本发明可以使用位错密度高的低质量籽晶来生长高质量低位错的晶体，改变了当前技术中晶体质量强烈依赖籽晶质量的问题，将提高晶体生长的效率和质量。

29、4)本发明中的应变层可以在晶体加工过程中去除，因其本身是扩径的部分，未达到要求的直径并不形成浪费，相比现有技术中需要复杂的生长条件来控制位错的生成和复制的方法，本发明更加简单有效，并且不会造成浪费。

30、5)本发明的应变层通过调节掺杂浓度来调节晶格常数的变化，可以灵活控制应变层的形成。相比现有技术中依赖特定的生长条件来控制位错的生成和复制的方法，本发明具有更高的可控性和灵活性。