CN102912444A - 用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚，包括坩埚本体，坩埚本体内腔在水平方向上分成多个用于盛放碳化硅粉源的分装区域。本发明解决了现有技术中碳化硅粉源利用率不高、晶体平均生长速率低的问题。

Description

用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚

技术领域

本发明属于人工晶体生长技术领域，具体涉及一种用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚。

背景技术

第三代半导体材料碳化硅（SiC）具有禁带宽、临界雪崩击穿电场强度高、电子饱和漂移速度高、热导率高以及耐高温、抗辐照和耐腐蚀等特点，是制造高性能电力电子器件、大功率固体微波器件和固体传感器等新型器件以及耐高温集成电路的优选材料，从而广泛应用于石油、化学、汽车、航空、航天、通信、武器等行业。

碳化硅在正常的工程条件下无液相存在，低压下1800°C左右开始升华为气体，因而不能象锗、硅、砷化镓那样用籽晶从熔体中生长，也不能用区熔法进行提纯，并且存在一定条件下极易相互转变的不同结晶形态（即同质异晶型或同质多型体，Polytype），故碳化硅是当今世界人工晶体生长的难点之一。

目前主要有两种碳化硅晶体制备方法：以体单晶为目标的物理气相输运法（即籽晶升华法）和以薄膜制备为目标的外延法。外延法主要采用化学气相淀积法，即利用携带气体将含硅、碳的气体注入到反应室内，在适当高的温度下淀积源气体通过热解或置换等化学反应产生晶体生长所需要的物质源，然后原子沉积，衬底外延生长。化学气相淀积法的优点是可直接控制气氛中硅、碳的浓度和含量，可以连续地提供高纯的生长原材料，并且可在反应气体中引入适当比例掺杂气体参与气相反应，从而使生长出的外延层因含有适量的杂质而具有希望的导电类型和电阻率。但化学气相淀积法的生长速率低，在碳化硅器件工艺中常采用化学气相淀积法制备所需要的外延层，目前还难以采用该方法制备碳化硅体材料。

制备体单晶采用的物理气相输运法是将作为生长源的碳化硅粉（或硅、碳固态混合物）置于温度较高的坩埚底部，籽晶固定在温度较低的坩埚顶部，生长源在低压高温下升华分解产生气态物质，在由生长源与籽晶之间存在的温度梯度而形成的压力梯度的驱动下，这些气态物质自然输运到低温的籽晶位置，并由于超饱和度的产生而结晶生长，形成晶态的碳化硅。现有技术中物理气相输运法采用感应加热方式，使用的是普通直筒状坩埚。由于温场分布和单个碳化硅颗粒的逐步分解（指非一次性分解）的原因，制备碳化硅晶体过程中，粉源中存在结晶现象，随着晶体生长的持续，碳化硅粉源将逐渐致密化、分层，升华分解率降低，甚至停顿，以至于生长结束时，仍存在大量的未升华的碳化硅粉，剩余粉源一般占总量的二分之一多，严重时达三分之二多。这种情况一方面降低了粉源的利用率，另一方面影响了长晶体的制备和生长速率的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚，解决了现有技术中碳化硅粉源利用率不高、晶体平均生长速率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚，包括坩埚本体，其特征在于，坩埚本体内腔在水平方向上分成多个用于盛放碳化硅粉源的分装区域。

进一步地，各分装区域的横截面均为圆形且呈蜂窝状排列。

或者，各分装区域的横截面均为扇形且沿坩埚本体的中心周向分布。

坩埚本体为一体式结构。

本发明的有益效果是：在制备碳化硅晶体过程中，将碳化硅粉源分别盛放在各分装区域中，能减少粉源中的径向温度梯度，增大粉源与高温区的接触面积，提高坩埚中心的粉源温度，增加粉源的升华、分解率，减弱粉源中的二次结晶现象，抑制粉源的致密化、分层，从而提高粉源的利用率和晶体平均生长速率。

附图说明

图1是使用现有直筒状坩埚进行碳化硅晶体生长的工装示意图；

图2是本发明用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚的结构示意图之一；

图3是本发明的用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚的结构示意图之二；

其中，1.上测温孔，2.绝热套，3.籽晶，4.线圈，5.直筒状坩埚，6.碳化硅粉源，7.下测温孔，8.坩埚本体，81.圆形分装区域，82.扇形分装区域。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本发明包括外部形状为圆柱形、且石墨材质的坩埚本体8，坩埚本体内腔包括用于盛放碳化硅粉源的六个圆形分装区域81，该六个圆形分装区域81的横截面均为圆形且在水平方向上呈蜂窝状均匀排列，具体为：其中一个圆形分装区域81位于坩埚本体8的中心，另外五个周向分布在其外侧。坩埚本体8为一体式结构，即五个分装区域81之间的间隔为同材质且一体式结构，有利于减小碳化硅份源的径向温度梯度。

实施例2

如图3所示，本发明包括外部形状为圆柱形、且石墨材质的坩埚本体8，坩埚本体内腔包括用于盛放碳化硅粉源的四个扇形分装区域82，该四个扇形分装区域82的横截面均为扇形且在水平方向上沿坩埚本体的中心周向分布。坩埚本体8为一体式结构，即四个扇形分装区域82之间的间隔为同材质且一体式结构，有利于减小碳化硅份源的径向温度梯度。

本发明中根据需要选用不通内腔分区形式的坩埚，坩埚内腔中分装区域的形状和多少根据工况要求而定，如考虑计划填装粉源的质量、粉源中的温度分布、坩埚内部粉源填装部分的温度分布，粉源与石墨壁的接触面积、晶体生长时间等因素。在满足计划填装粉源容量要求的基础上，以增大粉源与石墨壁的接触面积、提高坩埚内部粉源填装部分温度分布的均匀性为目标，依据计算机温场模拟结果，确定粉源分装区的形状、大小、多少和具体分布。因此，除实施例1和实施例2所示的两个形式的分装区域外，本发明坩埚本体8内的各分装区域还可以为其他几何形状。

如图1所示，在物理气相输运法制备碳化硅晶体时，是将坩埚外部设置绝热套2，绝热套2的上下两端中心开孔并分别形成上测温孔1和下测温孔7，绝热套2的外侧设置有线圈4，在坩埚内盛放碳化硅粉源6，坩埚顶部盖板下方放置籽晶3。在由生长源与籽晶之间存在的温度梯度而形成的压力梯度的驱动下，这些气态物质自然输运到低温的籽晶位置，并由于超饱和度的产生而结晶生长，形成晶态的碳化硅。

直筒状坩埚5为普通石墨坩埚，其内腔为圆柱形。在制备碳化硅晶体过程中，碳化硅粉源升华、分解时，单个碳化硅颗粒（粒径一般为数百微米至1毫米）并不是一次全部分解、消失，而是从外向内逐步完成的。颗粒表面分解产生的碳将形成一个碳壳层，完全包裹住未分解的颗粒里层（以下简称为碳化硅核），而碳壳层的形成降低了粉源的有效热导率，并对碳化硅核分解产生的气态物质输运形成阻力，致使碳化硅核的分解速度降低。此外，靠近坩埚壁的碳化硅粉由于温度相对较高先升华、分解，然后随着晶体生长的持续，升华区域逐步向温度相对较低的粉源中心扩展，而粉源边缘升华、分解产生的碳以碳化硅赝型存在，降低了热量从坩埚壁向粉源中心传递的效率，致使粉源中心区域的碳化硅颗粒在生长结束时仍未完全升华分解。随着晶体生长的持续，粉源的升华分解率逐步降低，甚至停顿，以至于生长结束时，仍存在大量的未升华的碳化硅粉，剩余粉源一般占总量的二分之一多，严重时达三分之二多。这种情况一方面降低了粉源的利用率，另一方面影响了长晶体的制备和生长速率的提高。

本发明通过将坩埚本体内腔在水平方向上分成多个用于盛放碳化硅粉源的分装区域，在制备碳化硅晶体过程中，将碳化硅粉源分别盛放在各分装区域中，能减少粉源中的径向温度梯度，增大粉源与高温区的接触面积，提高坩埚中心的粉源温度，增加粉源的升华、分解率，减弱粉源中的结晶现象，抑制粉源的致密化、分层，从而提高粉源的利用率和晶体平均生长速率。

Claims (4)

1.一种用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚，包括坩埚本体，其特征在于，所述坩埚本体内腔在水平方向上分成多个用于盛放碳化硅粉源的分装区域。

2.按照权利要求1所述的用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚，其特征在于，所述各分装区域的横截面均为圆形且呈蜂窝状排列。

3.按照权利要求1所述的用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚，其特征在于，所述各分装区域的横截面均为扇形且沿坩埚本体的中心周向分布。

4.按照权利要求1所述的用于提高粉源利用率的碳化硅晶体生长坩埚，其特征在于，所述坩埚本体为一体式结构。

Images