一种长晶熔体、碳化硅单晶的制备方法和碳化硅单晶与流程

本发明涉及碳化硅单晶生产，特别涉及一种长晶熔体、碳化硅单晶的制备方法和碳化硅单晶。

背景技术：

1、第三代半导体材料碳化硅具有更高饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，广泛应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等领域。常用的碳化硅晶片的制备方法主要是通过液相法使籽晶延伸生长。将单质碳在高温下溶于液态的单质硅和助溶剂至饱和，形成长晶熔体。通过温度梯度，使接触碳化硅籽晶的长晶熔体内的碳处于过饱和状态，从而在籽晶处析出，携带出硅原子，实现碳化硅晶体的生长。

2、但是，以现有长晶熔体生长出的晶体存在质量不稳定的情况。目前提高碳化硅晶体质量的方法主要通过调整长晶熔体的参数实现，例如：调整助溶剂的组成成分、调整原料的配比以及调整最大温度。然而，这些因素调整带来的晶体质量的变化是不可控的，有较大可能对晶体质量造成不利影响，不利于获得质量稳定的碳化硅晶体。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种在反应前即可判断晶体质量的碳化硅单晶生长方法、这种方法应用的长晶熔体以及制备得到的碳化硅单晶。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种长晶熔体，包括混合溶剂和溶于所述混合溶剂的单质碳，所述混合溶剂包括熔融状态的单质硅和助溶剂，所述长晶熔体的温度为预设温度时，所述单质碳处于饱和状态，且其内的硅碳活度比asi/ac为30-40中的任一值。

4、可选地，所述助溶剂包括单质铬，所述混合溶剂中所述单质铬的摩尔比为35％-55％中的任一值。

5、可选地，所述助溶剂还包括掺杂金属，所述掺杂金属为铝、锡、钪和钴中的一种或多种。

6、可选地，所述混合溶剂中所述掺杂金属的摩尔百分比为大于0且不大于10％的任一值。

7、本发明还提供了一种应用上述长晶熔体的制备碳化硅单晶的制备方法，包括：

8、在坩埚内形成所述长晶熔体并保温，使容置于所述坩埚底部的所述长晶熔体的温度为所述预设温度，并使所述长晶熔体的温度从所述坩埚底部至所述长晶熔体的液面处递减；

9、使籽晶与所述长晶熔体的液面接触，将所述籽晶以预设旋转速度在水平面内旋转，并以预设提拉速度竖直向上提拉，至提拉高度达到预设晶片厚度，得到碳化硅单晶。

10、可选地，所述使籽晶底部与所述长晶熔体的液面接触包括：

11、将籽晶竖直下沉至其底部沉入所述长晶熔体的液面内，静置预设时间，得到单晶面。

12、可选地，所述坩埚内所述长晶熔体与固态碳接触，所述固态碳溶于所述混合溶剂后转化为所述单质碳。

13、可选地，所述坩埚为石墨坩埚。

14、可选地，所述预设旋转速度为60rpm-80rpm中的任一值，所述预设提拉速度为100μm/h-200μm/h中的任一值，所述坩埚的底部至顶部的温度变化率为每毫米下降0.2℃-0.5℃中的任一值。

15、本发明还提供了一种应用上述制备方法制备得到的碳化硅单晶。

16、根据本发明的第一方面，在长晶熔体的体系中，单质碳在预设温度下的熔体底部始终保持在饱和状态，硅碳活度比asi/ac过高即意味着碳的活度过低，这会导致生长界面处碳的供应无法满足该处过饱和度，在碳化硅晶体析出时会由于单质碳供应不足导致溶剂的夹杂，使晶体的外观无法呈现六边形且出现沟壑结构。当硅碳活度比asi/ac过低时，会导致长晶熔体内碳的供应远大于生长界面所需的过饱和度，碳在未到达生长界面处即发生自发形核，产生微小晶体，这种晶体附着于籽晶表面，使碳化硅晶体发生多型夹杂，降低晶体质量。硅碳活度比asi/ac适中时，有助于碳化硅在生长界面稳定生长，降低碳化硅晶体中溶剂和多晶的夹杂，提高晶体质量。

17、进一步地，在混合溶剂中添加单质铬，有助于提高碳在溶剂中的溶解度，并提高碳的平衡浓度，以及其平衡浓度的温度依赖性，有助于通过长晶熔体内的温度梯度促进碳化硅的生长，通过对混合溶剂中铬的含量进行限定，不仅可以保证混合溶液的溶碳能力和籽晶的润湿能力，还能确保溶液具有适中的流动性，从而满足传质能力的需求，也有助于控制碳的溶解度，进而控制长晶熔体中的硅碳活度比asi/ac。

18、进一步地，在混合溶剂中添加掺杂元素可以改变碳化硅晶体的生长速率和生长模式。当掺杂元素被引入到溶剂中时，有助于控制晶体生长速率，可以减少晶体表面的不规则性，从而降低台阶高度，从而降低晶体缺陷，提高晶体质量。

19、进一步地，掺杂元素含量过高会破坏晶体的周期性结构，引入额外的应力和缺陷，从而降低晶体的结构完整性。因此，限定掺杂元素的添加量有助于提高晶体质量。

20、根据本发明的第二方面，使容置于坩埚底部的长晶熔体的温度为预设温度，此时长晶熔体中单质碳处于饱和状态。将长晶熔体的温度控制为从坩埚底部到液面处递减，使液面处的长晶熔体中单质碳处于过饱和状态。籽晶与长晶熔体的液面接触，并在水平面内旋转，使溶质再分配更加均匀，促进了溶质传输，从而使过饱和的单质碳携带硅原子以籽晶为晶核析出为晶胚，实现单晶外延。由于在预设温度下长晶熔体中碳硅活度比适中，降低了碳化硅晶体中的溶剂夹杂和多型夹杂，从而使延伸出的单晶具有接近六边形的形状和较为平整的表面，提高了晶体质量。

21、进一步地，籽晶表面与长晶熔体液面仅接触时，仅通过温度梯度实现溶质的转移，溶质搬运能力较弱，不发生晶体的析出。此时籽晶表面上附着的混合溶剂挥发生成的挥发物溶于长晶熔体，形成平整且无杂质附着的单晶面，为晶体外延提供质量较高的生长界面，有助于提高晶体质量。

22、进一步地，通过固态碳为长晶熔体源源不断地提供单质碳，防止长晶熔体内硅碳活度比asi/ac随晶体析出下降，产生溶剂夹杂，有助于提高晶体质量。

23、进一步地，通过对预设旋转速度和温度梯度进行限制，有助于控制长晶熔体的传质能力，降低溶剂及多晶夹杂，从而提高晶体质量。

24、根据本发明的第三方面，通过对制备方法进行优化，使制备得到的碳化硅单晶具有接近正六边形的形状和较为平整的表面，质量较高。

25、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

技术特征：

1.一种长晶熔体，用于生长碳化硅单晶，其特征在于，包括混合溶剂和溶于所述混合溶剂的单质碳，所述混合溶剂包括熔融状态的单质硅和助溶剂，所述长晶熔体的温度为预设温度时，所述单质碳处于饱和状态，且其内的硅碳活度比asi/ac为30-40中的任一值。

2.如权利要求1所述的长晶熔体，其特征在于，所述助溶剂包括单质铬，所述混合溶剂中所述单质铬的摩尔比为35％-55％中的任一值。

3.如权利要求2所述的长晶熔体，其特征在于，所述助溶剂还包括掺杂金属，所述掺杂金属为铝、锡、钪和钴中的一种或多种。

4.如权利要求3所述的长晶熔体，其特征在于，所述混合溶剂中所述掺杂金属的摩尔百分比为大于0且不大于10％的任一值。

5.一种应用权利要求1-4任一所述的长晶熔体的制备碳化硅单晶的制备方法，其特征在于，包括：

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述使籽晶底部与所述长晶熔体的液面接触包括：

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述坩埚内所述长晶熔体与固态碳接触，所述固态碳溶于所述混合溶剂后转化为所述单质碳。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述坩埚为石墨坩埚。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述预设旋转速度为60rpm-80rpm中的任一值，所述预设提拉速度为100μm/h-200μm/h中的任一值，所述坩埚的底部至顶部的温度变化率为平均每毫米下降0.2℃-0.5℃中的任一值。

10.一种碳化硅单晶，其特征在于，由权利要求5-9任一所述制备方法制备得到。

技术总结本发明涉及碳化硅单晶生产技术领域，特别涉及一种长晶熔体、碳化硅单晶的制备方法和碳化硅单晶，其中长晶熔体包括单质碳和混合溶剂。混合溶剂包括熔融状态的单质硅和助溶剂，且单质碳在预设温度下溶于混合溶剂形成饱和状态的长晶熔体，此时长晶熔体中的硅碳活度比a<subgt;Si</subgt;/a<subgt;C</subgt;为30‑40中的任一值，应用这种长晶熔体进行碳化硅单晶的生长，得到的碳化硅晶体溶剂夹杂和多晶夹杂较低，可以稳定生长具有较高质量的碳化硅单晶。技术研发人员：钱昊,刘源,杨倩倩,苏奕霖,李强,周珈司,陈雅薇,梁刚强受保护的技术使用者：苏州清研半导体科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11