CN101928982A - 双室结构碳化硅晶体生长装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双室结构碳化硅晶体生长装置，属于晶体生长装置领域。本发明采用进样室和晶体生长室，进样室和晶体生长室通过真空挡板阀连接分离，进样室和晶体生长室连接真空系统。本发明的晶体生长装置，能够克服现有技术的固有缺陷，保证了晶体生长室中的保温材料不和空气接触，最大程度减少了保温材料和生长室对氮及污染物的吸附，提高碳化硅晶体的纯度以及实现对杂质的精确控制，生长出高质量的导电型、掺杂半绝缘或高纯半绝缘等碳化硅晶体。
Description
技术领域
本发明涉及双室结构碳化硅晶体生长装置，属于晶体生长装置领域。
背景技术
碳化硅是我国第三代半导体材料的核心之一，与Si，GaAs相比，碳化硅具有很多优点，如带隙宽，热导率高，电子饱和漂移速率大，化学稳定性好等非常适于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成的电子器件。由于碳化硅的重要地位，因此受到各国的高度重视。
碳化硅单晶生长主要采用籽晶引导气相输运技术(PVT)，即高纯(电子级)的碳化硅粉料置于2000℃以上高温处，沿碳化硅籽晶方向有一温度梯度，使粉料与籽晶间有一个Si和C组分的气相输运，实现在籽晶上定向生长碳化硅晶体。碳化硅虽然有很多优点，但因其制备方法特殊，生长完美晶体的难度大而长久未得到广泛应用。碳化硅晶体生长技术目前面临的主要问题是提高晶体的纯度以及实现对杂质的精确控制，从而大幅度降低生长晶体的晶格缺陷密度。作为空气主要成分的氮在碳化硅中起提供电子的施主杂质作用，百万分之一的浓度也会对材料电阻率产生明显影响。因此，要想把碳化硅的杂质浓度做到高压硅晶闸管长基区的1013～1014cm-3的程度，还是十分困难的。目前，用升华法制备的n型6H-碳化硅晶体的有效杂质浓度一般还难于低到1016cm-3之下。
现有碳化硅晶体生长装置一般采用单室结构，例如美国专利(US6200917)采用石英玻璃作为真空生长室，感应线圈位于石英玻璃外，由密封圈、下法兰、石英管及顶盖构成真空生长室；例如中国专利(C N 200310113521.X)采用放置了感应线圈的金属腔体作为单一的真空生长室。每次晶体生长前的装料及生长结束后取出晶体都要打开真空生长室，引起真空生长室接触大气，极易受到大气的污染和氮吸附，很难实现高纯半绝缘碳化硅晶体生长以及对杂质精确控制的碳化硅晶体生长。
综上所述，在先技术中采用的碳化硅晶体生长装置结构，很难实现高纯半绝缘碳化硅晶体生长以及对杂质精确控制的碳化硅晶体生长，不能满足日益发展的功率器件对碳化硅晶体的要求。
发明内容
本发明的目的是克服在先技术的缺点，提出一种双室结构碳化硅晶体生长装置。
本发明的关键在于考虑到生长碳化硅晶体时，对生长系统的氮吸附要求很高，晶体生长室和送样室形成双室结构可有效避免碳化硅晶体生长体系在装料及取样时暴露在大气中，最大程度地减少生长室对氮和其它污染物的吸附，有效降低生长晶体中非故意掺杂氮施主杂质浓度。
本发明包括晶体生长室(1)、送样室(2)、真空插板阀(3)、生长坩埚(4)、保温材料(5)、真空系统(6)、进气系统(7)、传递装置(8)；
晶体生长室(1)和送样室(2)之间相互为上下排列方式或左右排列方式排列；
所述的排列方式优选上下排列；
真空插板阀(3)位于晶体生长室(1)与送样室(2)之间并连接晶体生长室(1)与送样室(2)，真空插板阀(3)可开启或关闭；
传递装置(8)连接于送样室上；生长坩埚(4)通过传递装置(8)由送样室(2)经真空插板阀(3)送入晶体生长室(1)；
所述晶体生长室(1)和送样室(2)分别连接有真空系统(6)和进气系统(7)；
所述晶体生长室(1)中包括有保温材料(5)；
所述晶体生长室(1)和送样室(2)的材质优选选用密封双层石英玻璃管或双层水冷不锈钢；
所述的保温材料(5)优选包覆在生长坩埚(4)周围；
所述的生长坩埚(4)优选石墨坩埚；
所述的进气系统(7)优选多路进气系统；
所述的传递装置(8)优选旋转式传递装置；
所述晶体生长室(1)和/或送样室(2)优选包括开门器或观测窗(9)。
本发明所采用的送样室和晶体生长室(双室)中间采用真空插板阀隔离；双室连接真空系统，来获得双室的高真空；生长坩埚在送样室和晶体生长室之间的传递依靠传递装置实现；双室上可以预留开门器或观测窗，实时观察晶体生长系统中的坩埚位置及生长情况；送样室和晶体生长室上分别连接进气系统，可实现Ar气气氛保护和生长压力调控，或掺杂气体进气量的精确控制。
本发明所述的碳化硅晶体生长装置结构，可实现高纯半绝缘碳化硅晶体生长以及对杂质精确控制的碳化硅晶体生长，生长出电阻率、掺杂浓度可控的导电型、掺杂半绝缘型碳化硅晶体，也可生长出高质量的高纯半绝缘碳化硅晶体；可以生长出4H、6H、15R、3C等晶型的碳化硅晶体；可以实现n型和p型掺杂的碳化硅晶体生长。
附图说明
图1是本发明所述的采用上下放置型双室结构的碳化硅晶体生长装置。图中，(1)为晶体生长室、(2)为送样室、(3)为插板阀、(4)为生长坩埚、(5)为保温材料、(6)为进气系统、(7)为真空系统、(8)为传递装置、(9)为开门器或观测窗。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的结构和特征，以采用上下放置型的双室结构(图1)为例，对本发明进行进一步的描述，但并非仅限于实施例。
在晶体生长准备阶段，保温材料(5)始终放置于晶体生长室(1)内，先用真空系统(6)抽晶体生长室(1)和送样室(2)的高真空，真空达到10-4Pa量级。关闭真空插板阀(3)，隔离晶体生长室(1)和送样室(2)，晶体生长室(1)通过进气系统(7)充高纯Ar气至一个大气压保护。打开送样室开门器(9)，在旋转传递装置(8)托上放置已装好原料及籽晶的石墨坩埚(4)，关闭送样室开门器(9)，用真空机组(6)抽送样室(2)的高真空，通过进气管(7)充高纯Ar气至一个大气压，打开真空插板阀(3)，使双室相通，运行旋转传递装置(8)，把石墨坩埚(4)送进晶体生长室(1)中，位于保温材料(5)内。
温度控制系统开始加热升温至2000℃以上恒温，同时降压至合适的压力左右，通过压力控制系统进行保压，开始碳化硅晶体生长，直至生长出预定尺寸的碳化硅晶体。晶体生长结束冷却至室温，旋转传递装置(8)把石墨坩埚(4)送回送样室(2)，关闭真空插板阀(3)，打开送样室的开门器(9)，取出碳化硅晶体。
整个方案保证了晶体生长室(3)中的保温材料在生长始末始终不和空气接触，常态下保持高真空状态，或充高纯Ar气进行气氛保护。最大程度减少了保温材料和生长室对氮的吸附，可实现高纯半绝缘碳化硅晶体生长以及对杂质精确控制的碳化硅晶体生长目的。
实施例1制备高纯半绝缘碳化硅晶体
按照上述具体实施方法，石墨坩埚(4)中放置的原料为高纯碳化硅粉料，或高纯Si粉和C粉料，进气系统(7)只通高纯Ar气进行气氛保护和压力调节。生长出的碳化硅晶体颜色为无色或近无色，晶体尺寸大于等于2英寸，电阻率大于105Ω·cm。
实施例2制备掺钒半绝缘碳化硅晶体
按照上述具体实施方法，石墨坩埚(4)中放置的原料为高纯碳化硅粉料，或高纯S i粉和C粉料，同时掺杂0.3％的碳化钒，进气系统(7)只通高纯Ar气进行气氛保护和压力调节。生长出碳化硅晶体颜色可随着钒掺杂浓度的增加，从淡黄色逐渐变为棕色，晶体尺寸大于等于2英寸，电阻率可控且大于105Ω·cm。
实施例3制备掺氮导电型碳化硅晶体
按照上述具体实施方法，石墨坩埚(4)中放置的原料，为高纯碳化硅粉料，或高纯Si粉和C粉料，多路进气管(7)通高纯Ar气进行气氛保护和压力调节，同时通过控制流量通入高纯氮气。生长出掺杂浓度可控的导电型碳化硅晶体，晶体颜色可随着氮掺杂浓度的增加从淡绿色逐渐变为深绿色，晶体尺寸大于等于2英寸，电阻率可控。
Claims (8)
1.双室结构碳化硅晶体生长装置，包括晶体生长室(1)、送样室(2)、真空插板阀(3)、生长坩埚(4)、保温材料(5)、真空系统(6)、进气系统(7)、传递装置(8)，其特征在于：
晶体生长室(1)和送样室(2)之间相互为上下排列方式或左右排列方式排列；
真空插板阀(3)位于晶体生长室(1)与送样室(2)之间并连接晶体生长室(1)与送样室(2)；
生长坩埚(4)通过传递装置(8)由送样室(2)送入晶体生长室(1)；
所述晶体生长室(1)和送样室(2)分别连接有真空系统(6)和进气系统(7)；
所述晶体生长室(1)中包括有保温材料(5)。
2.按权利要求1所述的双室结构碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述的排列方式为上下排列。
3.按权利要求1或2所述的双室结构碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述的晶体生长室(1)和送样室(2)的材质选用密封双层石英玻璃管或双层水冷不锈钢。
4.按权利要求1或2所述的双室结构碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述的保温材料(5)包覆在生长坩埚(4)周围。
5.按权利要求1或2所述的双室结构碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述的生长坩埚(4)为石墨坩埚。
6.按权利要求1或2所述的双室结构碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述的进气系统(7)为多路进气系统。
7.按权利要求1或2所述的双室结构碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述的传递装置(8)为旋转式传递装置。
8.按权利要求1或2所述的双室结构碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述晶体生长室(1)和/或送样室(2)包括开门器或观测窗(9)。
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