CN106048729A - 一种pvt法大直径碳化硅单晶生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PVT法大直径碳化硅单晶生长装置。其包括真空腔体、设置在真空腔体内的生长室和加热器，真空腔体主要由依次密封连接的上盖、侧壁、下盖组成，其特征是：真空腔体的上盖、侧壁、下盖均为不锈钢材质，并均为中空结构，所述上盖、侧壁、下盖上均分别设有冷却水进水口和冷却水回水口，生长室的外部包覆有保温隔热材料，加热器为圆筒状结构并位于保温隔热材料的外侧，加热器与生长室同轴设置，加热器为电阻加热器，真空腔体上设有与真空系统连接的抽气口和与保护气体连接的进气口。本发明采用电阻加热器进行加热，加热均匀，可以提高温度控制的精确度，并且，本发明加工容易，温场尺寸不受限制，特别适合大尺寸碳化硅单晶的生长。

Description

一种PVT法大直径碳化硅单晶生长装置

技术领域

本发明涉及一种碳化硅单晶生长装置，尤其是一种PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，属于碳化硅晶体生产设备技术领域。

背景技术

碳化硅(SiC)是第三代宽带隙半导体材料，具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，与以硅为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料相比有着明显的优越性，加之其具有与GaN相似的晶格结构，因此其被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、高温电子器件等的理想半导体材料。在白光照明、屏幕显示、光存储、高压输电、石油勘探、自动化、雷达与通信、电动汽车、高铁动车等方面有广泛应用。因此生产高质量、大尺寸的碳化硅晶体是迫在眉睫的任务。

目前碳化硅生长的方法主要有气相传输法(PVT)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积法(CVD)等。其中PVT法是应用最成熟的方法，也是目前唯一的一种可以提供商用碳化硅衬底需求的生长方法。PVT法生长碳化硅单晶的生长炉一般都采用感应加热的方式，即在感应线圈中通中高频交流电，通过坩埚的感应发热对生长室内的原料进行加热，使原料分解，在温度较低的籽晶处结晶生长，从而实现晶体的生长。

感应加热装置的优点是加热速度快，效率较高，但是其劣势也比较明显。由于感应加热存在趋肤效应，发热区仅位于生长室的表面，加热不够均匀；当生长室尺寸不断扩大时，由于发热区与生长室中心距离较远，将产生过大的径向的温度梯度。而且感应加热的磁场受电源波动、线圈安装精度等因素的影响较大，较难实现精确的控制和稳定的输出。并且，感应加热式生长装置一般采用双层石英管作为真空腔体，但是大直径石英管的制作难度较大，因此现有技术中制作生长大直径碳化硅设备时存在较大的难度。由于在进行大直径的碳化硅单晶生长的过程中，要求的生长室内轴向以及径向温度梯度的控制更加精确，此时感应加热装置已基本无法满足需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种可以提供精确的温场控制，而且温场尺寸不受限制，加热均匀，特别适合大尺寸碳化硅单晶生长的碳化硅单晶生长装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，包括真空腔体、设置在所述真空腔体内的生长室和加热器，所述真空腔体主要由依次密封连接的上盖、侧壁、下盖组成，其特征是：所述真空腔体的上盖、侧壁、下盖均为不锈钢材质，并均为中空结构，所述上盖、侧壁、下盖上均分别设有与其内部空腔相通的冷却水进水口和冷却水回水口，所述生长室的外部包覆有保温隔热材料，所述加热器为圆筒状结构并位于保温隔热材料的外侧，所述加热器与所述生长室同轴设置，所述加热器为电阻加热器，所述真空腔体上设有与真空系统连接的抽气口和与保护气体连接的进气口。

进一步的，所述真空腔体上设有测温用的测温窗口，其上固定有石英玻璃。通过该测温窗口可利用红外测温设备进行测温。

进一步的，本发明中所述加热器的材质可为石墨或钨或钼或钽；或所述加热器的材质为高熔点低蒸汽压金属或合金。

进一步的，本发明中所述生长室的材质为石墨或钨或钼或钽或钨合金或钼合金或钽合金。

进一步的，为了保证生长室能被有效加热，所述加热器与生长室的直径比优选为：1.1:1-5:1。由于加热器与生长室之间需留有隔热材料的空间，因此，其直径比不能太小，而当直径比太大的时候，容易导致生长室无法有效的被加热，造成能源的浪费。因此，在保证隔热材料空间的条件下，考虑到保温隔热材料的布置对生长室内温度梯度的影响，加热器与生长室的直径比应进行合理选择，以有利于能源的充分利用。

进一步的，为了更好地保证生长室内的温度的均匀性，所述保温隔热材料在生长室的下部延伸至真空腔体的下盖处。

进一步的，所述保温隔热材料是由呈圆筒形的多层保温层构成，并且各保温层之间同轴设置，位于生长室下部的保温隔热材料采用保温性能好于位于生长室上部的保温隔热材料的保温性能的材料，且在位于生长室上部的保温隔热材料的中心开有贯穿至生长室上表面的孔。保温隔热材料通过上述配置，可以保证温度在圆周方向上的均匀性，通过对生长室上部和下部的保温隔热材料的选配，可以得到生长室内中心低、边缘高、上部低、下部高的温度分布。通过在生长室上部的保温隔热材料的中心开孔，通过该孔可以进行局部散热，以达到获得理想温度梯度的目的。优选的是，所述孔的直径为：20-80mm。

本发明的有益效果是：本发明采用圆筒状的电阻加热器对生长室进行加热，其不受电源波动、加热器安装精度等因素的影响，加热均匀，可以大大提高晶体生长过程中温度控制的精确度，通过保温的合理设计可得到所需的温度场分布，有利于提高大尺寸碳化硅单晶的质量。并且，本发明中的真空腔体不使用石英管制作而采用不锈钢材质，其加工容易，可大大降低装置的加工难度，而且温场尺寸不受限制，特别适合大尺寸碳化硅单晶的生长。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1是上盖、2是侧壁，3是下盖，4是加热器，5是保温隔热材料，6是生长室，7、13、15是冷却水进水口，8是抽气口，9是测温窗口，10是进气口，11、12、14是冷却水回水口，16是密封圈,17是孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，包括真空腔体、生长室6、加热器4、保温隔热材料5，生长室6、加热器4、保温隔热材料5均位于真空腔体的内部。所述真空腔体主要由上盖1、侧壁2、下盖3组成，其中，侧壁2为筒形结构，上盖1密封设置在侧壁2的上端，上盖1与侧壁2的上端面之间通过密封圈16密封，下盖2密封设置在侧壁2的下端，下盖2与侧壁2的下端面之间通过密封圈16密封。生长室6设置在真空腔体内，生长室6的外部包覆所述的保温隔热材料5，加热器4为圆筒状结构并位于保温隔热材料的外侧，加热器4与生长室6同轴固定设置，以保证温场轴向对称性，所述加热器4采用电阻加热器，加热器4与变压器的输出端相连，通过低电压高电流的方式进行加热。本实施例中，加热器4的材质可以为石墨或钨或钼或钽或其他高熔点低蒸汽压金属或合金，当采用石墨材质时，其可以采用碳碳复合材料或者高强度石墨等新型材料，这些材料的强度高，可以承受更高的电流密度，提高加热效率，而且可以提高加热器的高温强度，大大延长加热体的使用寿命，生长室6的材质可以为石墨或钨或钼或钽或钨合金或钼合金或钽合金等。上盖1、侧壁2、下盖3均为不锈钢材质，并均为中空结构，用于通入冷却水分别对上盖1、侧壁2、下盖3进行冷却。上盖1的外侧设有与其内部腔体相通的冷却水进口2和冷却水回水口11，上盖1上还设有贯通其厚度的抽气口8、进气口10、测温窗口9，抽气口8用于与真空系统连接，以提供真空，进气口10用于与保护气体连接，以提供生长时的惰性气体保护，测温窗口9上固定有石英玻璃，外侧可以连接红外测温仪进行测温。侧壁2的外侧设有与其内部腔体相通的冷却水进口13和冷却水回水口12。下盖3的外侧设有与其内部腔体相通的冷却水进口15和冷却水回水口14。上盖1、侧壁2、下盖3上的冷却水进水口和冷却水回水口分别接通冷却水系统后可分别对上盖1、侧壁2、下盖3进行冷却。本发明采用对上、下盖分别进行水冷却，一方面可防止高温对上、下盖本身的破坏，另一方面采用比热容较大的水作为一种温度的缓冲层，可防止温度产生较大的波动，影响生长室内部的温度场的状态。

为了在生长室内获得所需要的晶体生长温度，本发明中优选所述加热器4与生长室6的直径比为：1.1:1-5:1。在该条件下，既便于对保温隔热材料进行合理的优化装配，以保证获得理想的温度梯度，又有利于能源的充分利用。

同样，为了使生长室内的温场合理分布，所述保温隔热材料5在生长室6的下部延伸至真空腔体的下盖3处。

同样，为了保证生长室内的温度在圆周方向上的均匀性及为了得到生长室内中心低、边缘高，上部低、下部高的温度分布，所述保温隔热材料优选由呈圆筒形的多层保温层构成，并且各保温层之间同轴设置，在生长室上部的保温隔热材料采用保温性能稍差的材料，位于生长室下部的保温隔热材料采用较厚而且保温性能较好的材料。并且在位于生长室上部的保温隔热材料中心开有贯穿至生长室6上表面的孔17。通过孔17可以进行局部散热，以达到获得理想温度梯度的目的。孔17的直径大小根据生产需要进行设置，孔17的直径优选为：20-80mm。孔17也可用于进行温度测量。

本发明采用电阻加热的方式，其具有感应加热无法比拟的优点，特别是对于大直径PVT法SiC的晶体生长过程，采用感应加热的方式时，当生长室尺寸较大时存在边缘温度过高，中心温度过低的现象，即生长室的径向温度梯度过大，而过大的径向温度梯度采用优化保温材料装配的方式进行改进是无法实现的。此时，电阻加热的优势即可显现，其温度场均匀，稳定，采用保温材料优化装配的方式即可得到所需上部低，下部高，中心低，边缘高的温度场。

本实施例中的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，包括真空腔体、设置在所述真空腔体内的生长室(6)和加热器(4)，所述真空腔体主要由依次密封连接的上盖(1)、侧壁(2)、下盖(3)组成，其特征是：所述真空腔体的上盖(1)、侧壁(2)、下盖(3)均为不锈钢材质，并均为中空结构，所述上盖(1)、侧壁(2)、下盖(3)上均分别设有与其内部空腔相通的冷却水进水口和冷却水回水口，所述上盖(1)、侧壁(2)、下盖(3)均通冷却水进行冷却，所述生长室(6)的外部包覆有保温隔热材料，所述加热器(4)为圆筒状结构并位于保温隔热材料的外侧，所述加热器(4)与所述生长室(6)同轴设置，所述加热器(4)为电阻加热器，所述真空腔体上设有与真空系统连接的抽气口(8)和与保护气体连接的进气口(10)。

2.根据权利要求1所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述真空腔体上设有测温用的测温窗口(9)，其上固定有石英玻璃。

3.根据权利要求1或2所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述加热器的材质为石墨或钨或钼或钽。

4.根据权利要求1或2所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述加热器的材质为高熔点低蒸汽压金属或合金。

5.根据权利要求1或2所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述生长室(6)的材质为石墨或钨或钼或钽或钨合金或钼合金或钽合金。

6.根据权利要求1或2所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述加热器(4)与生长室(6)的直径比为：1.1:1-5:1。

7.根据权利要求1或2所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述保温隔热材料在生长室(6)的下部延伸至真空腔体的下盖(3)处。

8.根据权利要求1或2所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述保温隔热材料是由呈圆筒形的多层保温层构成，并且各保温层之间同轴设置，位于生长室下部的保温隔热材料采用保温性能好于位于生长室上部的保温隔热材料的保温性能的材料，且在位于生长室上部的保温隔热材料中心开有贯穿至生长室(6)上表面的孔(17)。

9.根据权利要求8所述的PVT法大直径碳化硅单晶生长装置，其特征是：所述孔(17)的直径为：20-80mm。