專利名稱：一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種單晶處理的方法，特別是涉及一種碳化硅(SiC)單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法。
背景技術(shù)：
SiC是IV-IV族二元化合物半導(dǎo)體材料，它具有寬帶隙(2.4-3.3eV)、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(＞2.0×105V·cm-1)、高熱導(dǎo)率(5-7W·cm-1·K-1)、高載流子飽和漂移速率(2.0×107cm·s-1)等特性。與第一代半導(dǎo)體材料Si和第二代半導(dǎo)體材料GaAs相比，第三代半導(dǎo)體材料SiC在工作溫度、抗輻射、耐高擊穿電壓等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)異的性能能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高頻、高功率、高壓和抗輻射的更高要求。廣泛應(yīng)用于航空、航天探測(cè)、核能開發(fā)、衛(wèi)星、石油和地?zé)徙@井勘探、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、雷達(dá)、通信和廣播電視等軍事和民用領(lǐng)域(參考文獻(xiàn)Casady J B，et al.，Solid-State Electronics 39(1996)1409，本文結(jié)合參照)。
目前，大尺寸、高質(zhì)量SiC晶體最成熟的生長(zhǎng)方法是“物理氣相傳輸法(physical vapor transport method)”，即“PVT法”或“Modified-Lely法”(參考文獻(xiàn)Garcon I，et al.，Mater.Sci.Eng.B 29(1999)90，本文結(jié)合參照)。PVT法是1978年由Tairov和Tsvetkov提出的，其主要原理就是將SiC粉料加熱到2200℃-2400℃，使其升華至冷端籽晶上結(jié)晶成塊狀晶體(參考文獻(xiàn)Tairov Yu M and Tsvetkov V F，J.Cryst.Growth 43(1978)209；Tairov Yu M and Tsvetkov V F，J.Cryst.Growth 52(1978)146，本文結(jié)合參照)。由于PVT法生長(zhǎng)的SiC單晶需要控制的工藝參數(shù)較多，并且這些參數(shù)在晶體生長(zhǎng)過程中不斷發(fā)生變化，所以難以控制SiC單晶中缺陷的形成(參考文獻(xiàn)Li H Q，et al.，J.Cryst.Growth 258(2003)100；WellmannP J，et al.，Mater.Sci.Forum，457-460(2004)55，本文結(jié)合參照)。微管缺陷是SiC晶體中最具殺傷性的缺陷，國(guó)際上將微管密度視為表征SiC單晶質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一(參考文獻(xiàn)Neudeck P G，IEEE Electron Device Lett.15(1995)63，本文結(jié)合參照)。包裹物缺陷是SiC單晶中經(jīng)常出現(xiàn)的另一種缺陷，易于在晶體生長(zhǎng)過程中誘導(dǎo)微管缺陷的形成(參考文獻(xiàn)DudleyM，et al.，Appl.Phys.Lett.75(1999)784，本文結(jié)合參照)。因此，對(duì)SiC單晶中的微管和包裹物缺陷的數(shù)量進(jìn)行控制，具有很強(qiáng)的必要性和實(shí)用性。
降低SiC單晶中的微管和包裹物數(shù)量，目前主要采用的途徑有以下兩種優(yōu)化PVT法生長(zhǎng)工藝(參考文獻(xiàn)Li H Q，et al.，Diam.Relat.Mater.13(2004)151)，本文結(jié)合參照)和采用“重復(fù)a面生長(zhǎng)法”(RAF法)(參考文獻(xiàn)Nakamura D，et al.，Nature 430(2004)1009，本文結(jié)合參照)。這兩種技術(shù)都存在一定的不足之處前者對(duì)于SiC晶體中的微管和包裹物數(shù)量的減少效果有限，并且在晶體生長(zhǎng)的重復(fù)性和穩(wěn)定性方面存在不足；后者生長(zhǎng)方法復(fù)雜、對(duì)晶體后加工的要求較高、成本高、周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)室研究成果很難迅速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的就是提供一種工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、低成本的SiC單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，實(shí)現(xiàn)SiC單晶中微管和包裹物缺陷數(shù)量的降低，從而全面提高SiC單晶的質(zhì)量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種SiC單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，包括以下步驟1、稱取適當(dāng)配比的粉料；2、將SiC單晶表面覆碳膜；3、將粉料與SiC單晶裝入熱處理坩堝中，SiC單晶置于粉料中；4、將坩堝置于加熱爐中，封閉系統(tǒng)，將爐內(nèi)抽真空后，充入氬氣；5、升溫至預(yù)定熱處理溫度，并保溫一定時(shí)間，關(guān)閉電源，隨爐冷卻；6、打開加熱爐和熱處理坩堝，取出SiC單晶，并對(duì)SiC單晶表面進(jìn)行清洗、研磨和拋光，即可得到消除部分微管和包裹物缺陷的SiC單晶。
其中，上述步驟1中所述的粉料可以是SiC粉料，也可以是SiC粉料和Si粉料的混合物，SiC粉料和Si粉料的顆粒度在0.01毫米和1毫米之間，混合物中SiC粉料和Si粉料的重量比在100∶1與10∶1之間。
進(jìn)一步，步驟2中所述的碳膜，厚度在0.01毫米和0.1毫米之間。
又進(jìn)一步，步驟3中所述的坩堝，材料可以是石墨，也可以是金屬鉭。
再進(jìn)一步，步驟5中所述的預(yù)定熱處理溫度，可以在1400℃與2000℃之間，保溫時(shí)間可以在0.5小時(shí)與48小時(shí)之間。
在SiC單晶生長(zhǎng)后的熱處理過程中，SiC單晶表面的碳膜與熱處理室內(nèi)的富Si氣相可以發(fā)生SiC單晶的重結(jié)晶，重結(jié)晶的SiC單晶在微管缺陷內(nèi)生長(zhǎng)，從而填充微管缺陷。包裹物在熱處理過程中發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散過程，從而消除SiC單晶中的部分包裹物。SiC單晶中微管和包裹物數(shù)量的降低，同時(shí)提高了SiC單晶質(zhì)量。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用SiC單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，實(shí)現(xiàn)了微管和包裹物缺陷數(shù)量的降低，并全面提高了SiC單晶質(zhì)量，具有工藝簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本較低等特點(diǎn)。


圖1為實(shí)施例一中微管在熱處理前的光學(xué)顯微照片；圖2為實(shí)施例一中微管在熱處理后的光學(xué)顯微照片；圖3為實(shí)施例一中包裹物在熱處理前的光學(xué)顯微照片；圖4為圖3方框中包裹物的電子能譜分析結(jié)果；圖5為實(shí)施例一中圖3的包裹物區(qū)域在熱處理后的光學(xué)顯微照片；圖6為圖5的方框區(qū)域的電子能譜分析結(jié)果；圖7為實(shí)施例一中熱處理前在SiC單晶某一位置得到的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線；圖8為實(shí)施例一中熱處理后在SiC單晶中與圖5相同的位置處得到的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出了一種SiC單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，即將覆碳膜的SiC晶體和粉料置于坩堝中放入加熱爐內(nèi)，爐內(nèi)抽真空之后，充入Ar氣，然后升溫至預(yù)定熱處理溫度并保溫一定時(shí)間后，隨爐冷卻；對(duì)熱處理后的SiC單晶表面進(jìn)行清洗、研磨和拋光，即可得到消除部分微管和包裹物缺陷的SiC單晶。
以下通過實(shí)施例具體說明SiC晶體生長(zhǎng)后的熱處理方法『實(shí)施例一』將直徑為2英寸、厚度為1mm的SiC單晶表面覆0.1mm厚的碳膜，放入外徑80mm、高80mm、內(nèi)徑70mm、深75mm的石墨坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)裝高度為35mm的0.01mm粒徑SiC粉料和Si粉料的混合物，坩堝中SiC粉料和Si粉料的重量比為10∶1，已覆碳膜的SiC晶片置于距離坩堝底部?jī)?nèi)壁20mm高的粉料中。將石墨坩堝放入加熱爐中，對(duì)加熱爐抽真空后，通Ar氣，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)0.5atm。升溫使坩堝內(nèi)粉料溫度達(dá)2000℃，保溫0.5小時(shí)后隨爐冷卻，獲得消除部分微管和包裹物的SiC單晶。
本實(shí)施例中在熱處理前，SiC單晶中微管缺陷在光學(xué)顯微鏡下觀察到的典型形貌如圖1所示，為黑色六方孔洞。在熱處理后，SiC單晶的微管缺陷在光學(xué)顯微鏡下觀察到的典型形貌如圖2所示，微管的六方孔洞已經(jīng)被SiC單晶填充。本實(shí)施例在熱處理前，SiC單晶中的包裹物缺陷在光學(xué)顯微鏡下觀察到的典型形貌如圖3所示，圖3中的三個(gè)方框內(nèi)為包裹物缺陷。圖4所示為圖3中方框內(nèi)的包裹物的電子能譜分析結(jié)果，包裹物的主要成分為C、Si、O、N、S和Na元素。在熱處理后，圖3中的區(qū)域在光學(xué)顯微鏡下觀察到的典型形貌如圖5所示，熱處理前的包裹物已經(jīng)消失。圖5中的方框位置與圖3中的方框位置相同。圖6所示為圖5方框內(nèi)區(qū)域的電子能譜分析結(jié)果，主要成分為Si和C，且Si和C的原子百分比接近1∶1。圖7和圖8所示分別為熱處理前和熱處理后在SiC單晶的同一位置得到的X-射線衍射(006)晶面的搖擺曲線。熱處理前，圖7中所示的搖擺曲線為多個(gè)峰位疊加在一起，測(cè)得其高斯單峰擬合曲線的半峰寬為0.314°。熱處理后，圖8中所示的搖擺曲線為單峰曲線，測(cè)得其半峰寬為0.094°。
『實(shí)施例二』將直徑為1英寸、厚度為0.3mm的SiC單晶表面覆0.01mm厚的碳膜，放入外徑80mm、高80mm、內(nèi)徑70mm、深75mm的石墨坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)裝高度為28mm的1mm粒徑SiC粉料，已覆碳膜的SiC晶片置于距離坩堝底部?jī)?nèi)壁15mm高的SiC粉料中。將石墨坩堝放入加熱爐中，對(duì)加熱爐抽真空后，通Ar氣，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)0.5atm。升溫使坩堝內(nèi)SiC粉料溫度達(dá)1400℃，保溫48小時(shí)后隨爐冷卻，獲得消除部分微管和包裹物的SiC單晶。
本實(shí)施例中在熱處理前和熱處理后的微管形貌與實(shí)施例一相同，熱處理前的包裹物形貌和成分與實(shí)施例一相似，熱處理后包裹物區(qū)域的形貌和成分與實(shí)施例一相似。熱處理前SiC單晶的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，多峰疊加。熱處理后SiC單晶相同位置的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，為單峰曲線，且搖擺曲線的半峰寬比熱處理前的半峰寬小。
『實(shí)施例三』將直徑為1英寸、厚度為0.5mm的SiC單晶表面覆0.01mm厚的碳膜，放入外徑80mm、高80mm、內(nèi)徑70mm、深75mm的鉭坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)裝高度為33mm的1mm粒徑SiC粉料，已覆碳膜的SiC晶片置于距離坩堝底部?jī)?nèi)壁18mm高的SiC粉料中。將鉭坩堝放入加熱爐中，對(duì)加熱爐抽真空后，通Ar氣，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)0.5atm。升溫使坩堝內(nèi)SiC粉料溫度達(dá)2000℃，保溫0.5小時(shí)后隨爐冷卻，獲得消除部分微管和包裹物的SiC單晶。
本實(shí)施例中在熱處理前和熱處理后的微管形貌與實(shí)施例一相同，熱處理前的包裹物形貌和成分與實(shí)施例一相似，熱處理后包裹物區(qū)域的形貌和成分與實(shí)施例一相似。熱處理前SiC單晶的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，多峰疊加。熱處理后SiC單晶相同位置的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，為單峰曲線，且搖擺曲線的半峰寬比熱處理前的半峰寬小。
『實(shí)施例四』將直徑為2英寸、厚度為1mm的SiC單晶表面覆0.1mm厚的碳膜，放入外徑80mm、高80mm、內(nèi)徑70mm、深75mm的鉭坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)裝高度為30mm的0.01mm粒徑SiC粉料和Si粉料的混合物，坩堝中SiC粉料和Si粉料的重量比為100∶1，已覆碳膜的SiC晶片置于距離坩堝底部?jī)?nèi)壁16mm高的粉料中。將鉭坩堝放入加熱爐中，對(duì)加熱爐抽真空后，通Ar氣，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)0.5atm。升溫使坩堝內(nèi)粉料溫度達(dá)1400℃，保溫48小時(shí)后隨爐冷卻，獲得消除部分微管和包裹物的SiC單晶。
本實(shí)施例中在熱處理前和熱處理后的微管形貌與實(shí)施例一相同，熱處理前的包裹物形貌和成分與實(shí)施例一相似，熱處理后包裹物區(qū)域的形貌和成分與實(shí)施例一相似。熱處理前SiC單晶的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，多峰疊加。熱處理后SiC單晶相同位置的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，為單峰曲線，且搖擺曲線的半峰寬比熱處理前的半峰寬小。
『實(shí)施例五』將尺寸為10mm×10mm、厚度為0.8mm的SiC單晶表面覆0.05mm厚的碳膜，放入外徑80mm、高80mm、內(nèi)徑70mm、深75mm的石墨坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)裝高度為37mm的0.5mm粒徑SiC粉料和Si粉料的混合物，坩堝中SiC粉料和Si粉料的重量比為20∶1，已覆碳膜的SiC晶片置于距離坩堝底部?jī)?nèi)壁20mm高的粉料中。將石墨坩堝放入加熱爐中，對(duì)加熱爐抽真空后，通Ar氣，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)0.5atm。升溫使坩堝內(nèi)粉料溫度達(dá)1800℃，保溫4小時(shí)后隨爐冷卻，獲得消除部分微管和包裹物的SiC單晶。
本實(shí)施例中在熱處理前和熱處理后的微管形貌與實(shí)施例一相同，熱處理前的包裹物形貌和成分與實(shí)施例一相似，熱處理后包裹物區(qū)域的形貌和成分與實(shí)施例一相似。熱處理前SiC單晶的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，多峰疊加。熱處理后SiC單晶相同位置的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，為單峰曲線，且搖擺曲線的半峰寬比熱處理前的半峰寬小。
『實(shí)施例六』將尺寸為10mm×10mm、厚度為1mm的SiC單晶表面覆0.1mm厚的碳膜，放入外徑80mm、高80mm、內(nèi)徑70mm、深75mm的鉭坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)裝高度為35mm的0.5mm粒徑SiC粉料，已覆碳膜的SiC晶片置于距離坩堝底部?jī)?nèi)壁20mm高的粉料中。將鉭坩堝放入加熱爐中，對(duì)加熱爐抽真空后，通Ar氣，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)0.5atm。升溫使坩堝內(nèi)SiC粉料溫度達(dá)1700℃，保溫5小時(shí)后隨爐冷卻，獲得消除部分微管和包裹物的SiC單晶。
本實(shí)施例中在熱處理前和熱處理后的微管形貌與實(shí)施例一相同，熱處理前的包裹物形貌和成分與實(shí)施例一相似，熱處理后包裹物區(qū)域的形貌和成分與實(shí)施例一相似。熱處理前SiC單晶的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，多峰疊加。熱處理后SiC單晶相同位置的X-射線衍射(006)晶面搖擺曲線與實(shí)施例一相似，為單峰曲線，且搖擺曲線的半峰寬比熱處理前的半峰寬小。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于包括以下步驟(1)稱取適當(dāng)配比的粉料；(2)將SiC單晶表面覆碳膜；(3)將粉料與SiC單晶裝入熱處理坩堝中，SiC單晶置于粉料中；(4)將坩堝置于加熱爐中，封閉系統(tǒng)，爐內(nèi)抽真空后，充入氬氣；(5)升溫至預(yù)定熱處理溫度，并保溫一定時(shí)間，關(guān)閉電源，隨爐冷卻；(6)打開加熱爐和熱處理坩堝，取出SiC單晶，并對(duì)SiC單晶表面進(jìn)行清洗、研磨和拋光，即可得到消除部分微管和包裹物缺陷的SiC單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于步驟(1)所述粉料為SiC粉料或、SiC與Si粉料的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于步驟(1)所述粉料，其顆粒度在0.01毫米與1毫米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于步驟(1)所述的SiC粉料和Si粉料的重量比在100∶1與10∶1之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于步驟(2)所述的碳膜的厚度在0.01毫米與0.1毫米之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于步驟(3)所述的坩堝的材料為石墨或金屬鉭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于步驟(5)所述的預(yù)定熱處理溫度在1400℃與2000℃之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，其特征在于步驟(5)所述的保溫時(shí)間在0.5小時(shí)與48小時(shí)之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅單晶生長(zhǎng)后的熱處理方法，該方法將覆碳膜的SiC單晶和粉料置于坩堝中，在加熱爐中氬氣保護(hù)下升至預(yù)定熱處理溫度，并保溫一定時(shí)間，隨爐冷卻，即可通過熱處理過程中的SiC晶體重結(jié)晶和固態(tài)擴(kuò)散來消除部分微管和包裹物缺陷。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)了SiC單晶中微管和包裹物缺陷數(shù)量的降低，從而提高SiC單晶質(zhì)量。此外，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)SiC單晶缺陷的減少和質(zhì)量的提高具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C30B29/36GK1884639SQ20061008129
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者朱麗娜, 陳小龍, 倪代秦, 楊慧, 彭同華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所