CN106119954A - 一种碳化硅单晶制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳化硅单晶制造装置，属于半导体机械设备技术领域。它解决了现有碳化硅单晶制造装置生长的单晶后期机械加工损失大的问题。本碳化硅单晶制造装置，包括炉体和设置在炉体内的坩埚，在坩埚的上部设置能够安装籽晶的籽晶保持架，籽晶保持架能够自转和上下升降，在炉体内还设有加热炉体使炉体形成环境温度梯度的炉体加热器，在籽晶保持架外设有能作用在碳化硅单晶上的加热冷却器。本碳化硅单晶制造装置能够在保证碳化硅单晶的高品质的前提下高速生长碳化硅单晶，实现碳化硅单晶的大口径生长，减少后期机械加工的损失。

Description

一种碳化硅单晶制造装置
技术领域
本发明属于半导体机械设备技术领域，涉及一种碳化硅单晶制造装置。
背景技术
升华法是目前制造碳化硅晶体的标准方法，一般采用中频感应加热方式，即对坩埚内的碳化硅进行加热升华，并在坩埚上方还设有籽晶，因此气态碳化硅上升并接触到籽晶后凝结并形成碳化硅单晶。加热器对炉体内的大环境进行加热，难以对晶体生长面的温度进行精准控制，且目前采用的方法是直接将晶体生长面的温度设置在2250℃左右，但是直接在该温度下生长的碳化硅单晶在后续的机械加工过程中容易出现破损，为了提高碳化硅单晶的品质，只能降低生长速度，同时减小生长口径，为了保证碳化硅晶体品质而降低生长速度以及减少生长口径也导致碳化硅单晶的成本过高。
另外还有一种CVD法制作碳化硅单晶，如中国发明专利申请(申请号：201110431762.3)公开了一种制造碳化硅单晶的装置，通过从籽晶的下面供应原料气体来在籽晶上生长碳化硅单晶，该装置包括加热容器和定位于加热容器中的基部，籽晶安装于基部上，该装置还包括用于引起净化气体沿着加热容器的内壁表面流动的第一入口、用于将净化气体供应至第一入口的净化气体源、用于引起净化气体沿着基部的外壁表面流动的第二入口、以及用于支撑基部以及用于将净化气体从基部的下面供应至基部的机构，该装置是高温CVD法制作碳化硅单晶的设备，通过气体作为原料并通过SiH4来制作碳化硅单晶，不使用粉末，气体污染大，与通过物理的升华法制作碳化硅单晶是完全不同的制作原理。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种碳化硅单晶制造装置，该碳化硅单晶制造装置能够在保证碳化硅单晶的高品质的前提下高速生长碳化硅单晶，实现碳化硅单晶的大口径生长，减少后期机械加工的损失。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种碳化硅单晶制造装置，包括炉体和设置在炉体内的坩埚，在坩埚的上部设置能够安装籽晶的籽晶保持架，所述籽晶保持架能够自转和上下升降，在炉体内还设有加热炉体使炉体形成环境温度梯度的炉体加热器，其特征在于，在籽晶保持架外设有能作用在碳化硅单晶上的加热冷却器。
坩埚内放置碳化硅粉末，炉体加热器能够对炉体进行加热，使得炉体内形成一个沿轴向呈梯度分布的环境温度，在炉体加热器的加热下坩埚内的碳化硅粉末升华成气态并上升至籽晶处，籽晶保持架上安装有籽晶，籽晶的下端面为晶体生长面，加热冷却器设置在籽晶保持架外部且对籽晶形成主要的温度影响因素。加热冷却器的下端处能够产生低于炉体温度的冷却温度来促进气态碳化硅在晶体生长面上凝结成碳化硅晶体。随着碳化硅单晶的生长生成，籽晶保持架向上旋转上升，由于采用冷却加热器对晶体生长面进行加速冷却结晶，在晶体生长面上产生了凹进或者凸出的不规则结晶面，或者生长出了针状的表面或出现毛细气孔，导致加快冷却产生了较坏的结晶和机械性能，此时，加热冷却器对这些不利的结晶面进行高于炉体温度的碳化硅升华温度进行加热，使得不利的结晶面气化升华并恢复至较为平整的结晶生长面，保证碳化硅单晶的品质，即减少其后的机械性加工损失，之后又进行快速冷却，如此冷却加热循环进行，达到快速长晶的效果，同时又能保持好好的机械性能。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述的加热冷却器能够形成沿着碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度。气态碳化硅能够在籽晶生正面上凝结，并逐渐凝结成柱状，该柱状的方向为单晶生长轴向，而加热冷却器内有一段沿碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度，该温度梯度能减少生成的碳化硅单晶在冷却后内部的应力，减少其后的机械性加工损失，即切割研磨时的破裂与破损。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述加热冷却器为频率为10KHz～50KHz的感应加热线圈，包括螺旋设置的铜管，上述籽晶保持架上升时能够穿过铜管。螺旋设置的铜管产生中高频电流进行加热，需要降低温度时在铜管内通入冷却介质使碳化硅单晶生长的区域温度低于炉体内环境温度，冷却介质可以是惰性气体氩气等常规的介质，而且冷却介质的流速大小能够形成梯度分布的温度区间。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述加热冷却器形成的温度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者减少。该温度梯度能减少生成的碳化硅单晶内部的应力，减少后期碳化硅单晶在机械加工中的损失。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述加热冷却器下端与坩埚端口之间的距离d等于或大于20cm。晶体生长面与坩埚端口之间的距离对碳化硅单晶品质有很大的影响，该距离的变化与原料的粒度分布、形状差异、晶体生长速度、气态碳化硅流速等因素存在复杂的关系，且会相互干涉，如籽晶保持架转速和气态碳化硅流速一定的情况下，晶体生长面与坩埚端口距离过小，则导致未完全气化的碳化硅粉末被带到晶体生长面上，碳化硅单晶生长速度过快，导致碳化硅单晶品质下降；反之，在籽晶保持架转速和气态碳化硅流速一定的情况下，若晶体生长面与坩埚端口之间的距离大于60cm，晶体生长面处气态碳化硅浓度过低，碳化硅单晶生长速度过慢，因此为了获得快速高品质的碳化硅单晶时晶体生长面与坩埚端口之间的理想距离为20cm～60cm。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，本碳化硅单晶制造装置还包括能使籽晶或者已经生长的碳化硅晶体的中央部分与周围部分的温度差变小的参数控制器，参数控制器能够设置籽晶保持架的旋转速度和提升速度以及加热冷却器下端处的气态碳化硅流速使碳化硅单晶的生长面形成横向温度梯度。横向温度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者减少，碳化硅单晶凝结后形成柱状，后续机械加工时需要沿径向切片成为晶片，然后对晶片长外延并进行横向和竖向切割形成芯片，其中如果在碳化硅晶体生长过程中中央部分与周围部分温度差较大，则会在碳化硅单晶内部产生较大的沿径向的应力，该应力会导致在碳化硅晶体后期的机械加工过程中，容易导致晶片破损，为此本制造装置设置有参数控制器，通过参数控制器来减小碳化硅晶体中央部分与周围部分的温度差，具体的，参数控制器通过控制籽晶保持架的旋转速度、提升速度以及气态碳化硅的流速来控制，如合理控制籽晶保持架的旋转速度能够使晶体生长面受热均匀、提升速度和气态碳化硅的流速将影响晶体生长面处的浓度，这些都是影响碳化硅晶体中央部分与周围部分的温度差的因素。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述坩埚的最小开口面积小于坩埚内腔横截面面积的一半，所述坩埚高度与直径的高宽比大于5:1。传统的坩埚端口较大，上升的气态碳化硅弥漫在炉体内，而晶体生长面仅仅是其中一小部分面积，因此难以精确控制晶体生长面处的气态碳化硅浓度，浓度稀薄，而本坩埚的端口面积较小，小于坩埚内腔横截面的一半，使得气态碳化硅具有一个较快的流速后提高浓度，因此上升的气态碳化硅能够直接流向晶体生长面，便于对晶体生长面处的气态碳化硅浓度进行精确控制，从而对碳化硅晶体的品质进行保障，进而提高长晶速度，坩埚高度与直径的比值为5:1，也可以增加，使坩埚内的粉末有充分时间气化。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，本碳化硅单晶制造装置还包括能控制炉体加热器形成的温度梯度的大小的温度控制器，该温度控制器能够控制炉体加热器平缓碳化硅晶型转变时对应的温度，使得温度的下降速度为0.5℃/min～30℃/min。本制造装置设置有温度控制器，能够感应温度梯度区间内的温度波动变化，从而及时的控制炉体加热器进行温度调节，进而提高碳化硅晶体的品质，随着碳化硅单晶凝结后的降温退火，碳化硅单晶晶型会发生相应的转变，如经过2200℃区间时晶体结构为15R菱面体对称结构、经过1900℃区间时晶体结构为6H六方晶、经过1700℃区间时晶体结构为4H立方晶、在1500℃时晶体凝结时的晶体结构为3C立方晶，而碳化硅单晶晶型转变时会产生应力，导致不同晶型之间出现扭曲等影响碳化硅单晶品质的不良因素，因此温度控制器控制炉体加热器产生合适大小的温度梯度，该呈梯度变化的温度环境能够平缓温度下降的速度，进而消除碳化硅单晶晶型转变时产生的应力，从而提高碳化硅单晶品质，其中炉体加热器有一个或者一个以上，可以根据需要对炉体的不同部位加热。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述坩埚的内底面上连接有若干喷气管，在喷气管的上端具有伞状的防尘部，所述喷气管的外壁上具有若干向下倾斜的支管，该若干支管位于防尘部下方，且支管的下端端口为喷气口，所述喷气管与气源相连通。气源能够为喷气管提供气体，使得气体从支管的喷气口喷出，而支管的喷气口均倾斜朝下，因此喷出的气体能够使沉降在坩埚底面上的碳化硅粉末或者细小颗粒飞扬漂浮，飞扬漂浮的碳化硅粉末或者细小颗粒能够更均匀和高效的受热升华，提高升华效率，只有保证气态碳化硅的生成效率才能够为气态碳化硅的流速和浓度控制提供基础，其中防尘部能够防止碳化硅粉末或者细小颗粒堵住支管的喷气口，保证机械结构的稳定性。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述炉体在坩埚的下方设有预热筒，所述预热筒下方设有对预热筒底部进行加热的热源，若干所述喷气管的下端伸出坩埚底面并伸入预热筒内，所述预热筒与气源相连通。预热筒通过热源进行加热，当气源的气体经过预热筒时能够被加热至设定温度，该具有设定温度的气体进入坩埚内时能够对碳化硅粉末或者细小颗粒进行加热，提高升华效率。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述预热筒内沿轴向水平固连有若干均热板，所述均热板之间形成供气体迂回流动的预热通道，该预热通道的进气端位于预热筒底部，出气端位于预热筒的顶部。气源进入的气体需要沿着预热通道流动至坩埚内，预热通道迂回设置，能够充分的利用预热筒有限的空间以及充分的利用有限数量的均热板，从而增加气体在预热筒的流通时间，使得气体被加热充分。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述均热板的边沿均开设有过气缺口，且相邻两均热板上的过气缺口分别位于预热筒轴心线的两侧，所述气源通过供气管与预热筒内腔的底部相连通，所述喷气管与预热筒内腔的顶部相连通。气体从预热筒内腔的底部流向顶部，而从一个过气缺口流向相邻的过气缺口时气体需要径向流动，因此增加气体流动行程。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述气源包括若干储气桶，所述供气管有若干根，该若干供气管的一端均伸入炉体并与预热筒相连通，另一端分别与若干储气桶相连通。供气管向预热筒输入的气体可以是H2、Ar、HCL、Air、C3H8，CH4，C2H6等中的一种或者多种，因此预设多个储气桶，用于储存上述的多种气体，多个储气桶通过各自的供气管与预热筒相连通，从而能够向预热筒输入其中的一种或者多种气体。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述籽晶保持架呈盘状，在籽晶保持架的下端面上具有用于安装籽晶的安装槽，所述籽晶保持架的上端面上具有平底凹腔或者向下弧形内凹或者向上弧形凸出。籽晶保持架能够吸收周围环境中的热量，并快速传递给碳化硅单晶，籽晶保持架的上端面向下弧形内凹时，籽晶保持架厚的地方热量传递慢，薄的地方热量传递快，由于碳化硅单晶导热性能非常好，使得籽晶保持架的形状在碳化硅单晶生长过程中对生长好的碳化硅单晶产生横向的温度梯度的影响，配合上述的参数控制器的设置，并通过加热冷却器对生长好的碳化硅单晶外部进行加热，使结晶面的温度梯度保持在1℃/mm～20℃/mm范围内增加或者减少；籽晶保持架上端面向上弧形凸出，籽晶保持架中心位置的厚度大于四周，导致碳化硅单晶外部的温度大于中央位置的温度，此时可以通过提高籽晶保持架的转速，使得碳化硅单晶外部空气流动加快，从而减小碳化硅单晶中央部分与周围部分的温度差，并使得结晶面的温度梯度保持在1℃/mm～20℃/mm范围内增加或者减少。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述炉体的上端转动连接有升降轴，该升降轴的下端伸入炉体内，所述籽晶保持架安装在升降轴下端，所述升降轴的上端分别连接有能够带动升降轴旋转的电机和能够带动升降轴上下升降的气缸一。即籽晶保持架通过气缸一带动升降，通过电机带动旋转，为普通的机械传动结构，本制造装置采用磁流体密封传动集成装置可简化上述结构。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述炉体加热器包括对预热筒进行加热的第一感应加热线圈、对坩埚内的碳化硅粉末进行加热的第二感应加热线圈、对加热冷却器下端和坩埚端口之间的区域进行加热的第三感应加热线圈和对加热冷却器所在炉体上部区域进行加热的第四感应加热线圈。第一感应加热线圈对预热筒进行加热，使进入坩埚的气体的温度最适化，进而对碳化硅粉末或者细小颗粒进行预热，第二感应加热线圈对坩埚进行加热，使得坩埚内漂浮的碳化硅粉末快速升华，第三感应加热线圈能够使流出坩埚的碳化硅保持气态，同时使随气流流出的部分未升华的碳化硅粉末升华，保证无粉末杂质进入结晶生长面，第四感应加热线圈能够为加热冷却器提供环境温度，然后通过加热冷却器来精准的控制温度梯度区间。
在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述加热冷却器上连接有调节轴，所述炉体上设有能够带动调节轴上下升降的气缸二。通过气缸二带动加热冷却器升降调节，也是一种普通现有的升降结构。
与现有技术相比，本碳化硅单晶制造装置具有以下优点：
1、由于随着碳化硅单晶的生长，籽晶保持架向上旋转上升，而加热冷却器能形成一段沿碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度，该温度梯度能减少生成的碳化硅单晶的应力，减少其后期在机械加工中的损失。
2、由于采用加热冷却器对晶体生长面进行加速冷却结晶，在晶体生长面上产生了凹进或者凸出的不规则结晶面，或者生长出了针状的表面，而加热冷却器对这些不利的结晶面进行高于炉体温度的碳化硅升华温度进行加热，使得不利的结晶面再次气化升华并恢复至较为平整的结晶生长面，保证碳化硅单晶的结晶品质，之后又进行快速冷却，如此加热冷却循环进行，达到快速长晶的效果，同时又能保持好好的机械性能，也能实现大口径的碳化硅单晶的生长。
3、由于本制造装置设置有参数控制器，通过参数控制器来减小碳化硅晶体中央部分与周围部分的温度差，因此能够在机械加工时减少晶片破损。
附图说明
图1是碳化硅单晶制造装置的立体结构示意图。
图2是碳化硅单晶制造装置使用状态的纵向剖视图。
图3是图2中A处的结构放大图。
图4是图2中B处的结构放大图。
图5是图2中C-C处的结构剖视图。
图6是碳化硅单晶制造装置使用状态的纵向剖视图。
图7是上端面向上弧形凸出的籽晶保持架的结构剖视图。
图8是上端面向下弧形内凹的籽晶保持架的结构剖视图。
图9是上端面具有平底凹腔的籽晶保持架的结构剖视图。
图中，1、炉体；2、坩埚；3、籽晶保持架；31、安装槽；32、升降轴；33、气缸一；34、电机；4、炉体加热器；41、第一感应加热线圈；42、第二感应加热线圈；43、第三感应加热线圈；44、第四感应加热线圈；5、加热冷却器；51、铜管；52、调节轴；53、气缸二；6、喷气管；61、防尘部；62、支管；7、预热筒；71、均热板；72、过气缺口；73、预热通道；74、热源；75、供气管；76、气源；77、储气桶；8、籽晶。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一：
如图1、图2、图3所示，一种碳化硅单晶制造装置，包括炉体1和设置在炉体1内的坩埚2，坩埚2内放置碳化硅粉末，在坩埚2的上部设置籽晶保持架3，籽晶保持架3上安装有籽晶8，籽晶保持架3能够自转和上下升降，即炉体1的上端转动连接有升降轴32，该升降轴32的下端伸入炉体1内，籽晶保持架3安装在升降轴32下端，升降轴32的上端分别连接有能够带动升降轴32旋转的电机34和能够带动升降轴32上下升降的气缸一33。在炉体1内还设有炉体加热器4，该炉体加热器4能够加热炉体1使炉体1内形成环境温度梯度，在籽晶保持架3外设有加热冷却器5，加热冷却器5呈筒状，固连有调节轴52，炉体1上固连有气缸二53，该气缸二53与调节轴52相连接，能够带动调节轴52上下升降，该加热冷却器5能作用在碳化硅单晶上且沿着碳化硅单晶生长轴向形成温度梯度。
具体来说，加热冷却器5为感应加热线圈，感应加热线圈的频率为10KHz～50KHz，在本实施例中采用频率为30KHz的感应加热线圈效果较佳，感应加热线圈包括螺旋设置的铜管51，籽晶保持架3上升时能够穿过铜管51，加热冷却器5沿晶体生长轴方向形成的温度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者减少，而本实施例中加热冷却器5沿晶体生长轴方向形成的温度梯度以10℃/mm增加或者减少，该温度梯度能减少生成的碳化硅单晶的应力，增加机械加工的性能。碳化硅单晶制造装置还包括能使籽晶8中央部分与周围部分的温度差变小的参数控制器，参数控制器能够设置籽晶保持架3的旋转速度和提升速度以及加热冷却器下端处的气态碳化硅流速使碳化硅单晶的生长面形成横向温度梯度。坩埚2的最小开口面积小于坩埚2内腔横截面面积的一半，而坩埚高度与直径的比值等于或大于5:1，在本实施例中选用高度与直径比值为5:1的坩埚。本碳化硅单晶制造装置还包括能控制炉体加热器4形成的温度梯度的大小的温度控制器，该温度控制器能够控制炉体加热器4平缓碳化硅晶型转变时对应的温度，使得温度的下降速度为0.5℃/min～30℃/min。
结合图4、图5所示，坩埚2的内底面上转动连接有若干喷气管6，在喷气管6的上端具有伞状的防尘部61，喷气管6的外壁上具有若干向下倾斜的支管62，该若干支管62位于防尘部61下方，且支管62的下端端口为喷气口，炉体1在坩埚2的下方设有预热筒7，预热筒7下方设有对预热筒7底部进行加热的热源74，若干喷气管6的下端伸出坩埚2底面并伸入预热筒7内，预热筒7内沿轴向水平固连有若干均热板71，均热板71之间形成供气体迂回流动的预热通道73，该预热通道73的进气端位于预热筒7底部，出气端位于预热筒7的顶部，均热板71的边沿均开设有过气缺口72，且相邻两均热板71上的过气缺口72分别位于预热筒7轴心线的两侧，气源76通过供气管75与预热筒7内腔的底部相连通，喷气管6与预热筒7内腔的顶部相连通，其中气源76包括若干储气桶77，供气管75有若干根，该若干供气管75的一端均伸入炉体1并与预热筒7相连通，另一端分别与若干储气桶77相连通，供气管向预热筒输入的气体可以是H2、Ar、HCL、C3H8，CH4，C2H6或空气中的一种或者多种，这些气体使得粉末漂浮起来。
结合图6所示，炉体加热器4包括对预热筒7进行加热的第一感应加热线圈41、对坩埚2内的碳化硅粉末进行加热的第二感应加热线圈42、对加热冷却器5下端和坩埚2端口之间的区域进行加热的第三感应加热线圈43和对加热冷却器5所在区域进行加热的第四感应加热线圈44。
如图7所示，籽晶保持架3呈盘状，在籽晶保持架3的下端面上具有用于安装籽晶8的安装槽31，籽晶保持架3的上端面向上弧形凸出，籽晶保持架3能够吸收周围环境中的热量，并快速传递给碳化硅单晶，籽晶保持架3厚的地方热量传递慢，薄的地方热量传递快，由于碳化硅单晶导热性能非常好，使得籽晶保持架3的形状在碳化硅单晶生长过程中对生长好的碳化硅单晶产生横向的温度梯度的影响，导致碳化硅单晶外部的温度大于中央位置的温度，此时可以通过提高籽晶保持架3的转速，使得碳化硅单晶外部空气流动加快，从而减小碳化硅单晶中央部分与周围部分的温度差，并使得结晶面的温度梯度保持在0.5℃/mm～20℃/mm范围内增加或者减少，因此采用籽晶保持架3上端面向上弧形凸出进行长晶时，籽晶保持架3的上升速度为0.5mm/秒，旋转速度为50转/分钟～2000转/分钟，气态碳化硅的流速为1L/分～10L/分，最佳为5L/分。
炉体加热器4能够对炉体1进行加热，使得炉体1内形成一个沿轴向呈梯度分布的环境温度，坩埚2内放置碳化硅粉末，气源76能够为喷气管6提供气体，气体在经过预热筒7并被预热后从喷气口喷出，喷出的气体能够使沉降在坩埚2底面上的碳化硅粉末飞扬漂浮，在第二感应加热线圈42的加热下坩埚2内的碳化硅粉末升华成气态并上升至籽晶8处，而第三感应加热线圈43能够使流出坩埚2的碳化硅保持气态，同时使随气流流出的未升华的碳化硅粉末升华，保证升华质量，籽晶保持架3上安装有籽晶8，籽晶8的下端面为晶体生长面，加热冷却器5设置在籽晶保持架3外部且对籽晶8形成主要的热源74影响因素。加热冷却器5的下端处能够产生低于炉体1温度的冷却温度来加快在晶体生长面上凝结碳化硅，随着碳化硅单晶的生成，籽晶保持架3向上旋转上升，在加热冷却器5内形成一段沿碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度，该温度梯度能减少生成的碳化硅单晶内部的应力，减少其后的机械性加工损失，即切割研磨时的破损。由于采用冷却加热器对晶体生长面进行加速冷却结晶，在晶体生长面上产生了凹进或者凸出的不规则结晶面，或者生长出了针状的表面或者毛细气孔，导致加快冷却产生了较坏的结晶和机械性能，此时，加热冷却器5对这些不利的结晶面进行高于炉体1温度的碳化硅升华温度进行加热，使得不利的结晶面气化升华并恢复至较为平整的结晶生长面，保证碳化硅单晶的品质，之后又进行快速冷却，如此冷却加热循环进行，达到快速长晶的效果，同时又能保持好好的机械性能。
晶体生长面与坩埚2端口之间的距离对碳化硅单晶品质有很大的影响该距离的变化与原料的粒度分布、形状差异、晶体生长速度、气态碳化硅流量等因素存在复杂的关系，且会相互干涉，为了获得高品质的碳化硅单晶时当晶体生长面与坩埚2端口之间的距离至少为20cm，经试验获得以下数据：
对比例1：籽晶保持架3的转速为1000转/分钟，籽晶保持架3的上升速度为5mm/小时，气态碳化硅的流速为5L/分时，不设置加热冷却器5，而是直接将晶体生长面的温度维持在2250℃，此时碳化硅单晶的生长速度为20um/hr，但是晶片在机械加工过程中出现破损。
对比例2：籽晶保持架3的转速为1000转/分钟，籽晶保持架3的上升速度为5mm/小时，气态碳化硅的流速为5L/分时，晶体生长面与坩埚2端口之间的距离d为10cm，此时碳化硅单晶的生长速度为1000um/hr，但是生长的碳化硅单晶中含有大量未升华的材料和其他杂质材料。
对比例3：籽晶保持架3的转速为1000转/分钟，籽晶保持架3的上升速度为5mm/小时，气态碳化硅的流速为5L/分，晶体生长面与坩埚2端口之间的距离d为10cm时，将加热冷却器5形成的温度梯度设定为1℃/mm～20℃/mm，此时在机械加工过程中晶片的破损明显减少。
对比例4：籽晶保持架3的转速为1000转/分钟，籽晶保持架3的上升速度为5mm/小时，气态碳化硅的流速为5L/分，晶体生长面与坩埚2端口之间的距离d为20cm～60cm时，将加热冷却器5形成的温度梯度设定为1℃/mm～20℃/mm，此时在机械加工过程中晶片不破损。
由此可以得出在籽晶保持架3转速和气态碳化硅流速设定的情况下，晶体生长面与坩埚2端口距离过小，则导致未完全气化的碳化硅粉末被带到晶体生长面上，碳化硅单晶生长速度过快，导致碳化硅单晶品质下降；反之，在籽晶保持架3转速和气态碳化硅流速设定的情况下，若晶体生长面与坩埚2端口之间的距离大于60cm，晶体生长面处气态碳化硅浓度过低，碳化硅单晶生长速度过慢，也会导致碳化硅单晶品质下降，因此为了获得高品质的碳化硅单晶时晶体生长面与坩埚2端口之间的理想距离为20cm～60cm。
实施例二：
该碳化硅单晶制造装置的结构与实施例一的结构基本相同，不同点在于如图8所示，籽晶保持架3的上端面向下弧形内凹，则配合参数控制器的设置，并通过加热冷却器5对生长好的碳化硅单晶外部进行加热，使结晶面的温度梯度保持在0.5℃/mm～20℃/mm范围内增加或者减少。
实施例三：
该碳化硅单晶制造装置的结构与实施例一的结构基本相同，不同点在于如图9所示，籽晶保持架3的上端面上具有平底凹腔。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了炉体1、坩埚2、籽晶保持架3等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (16)

1.一种碳化硅单晶制造装置，包括炉体(1)和设置在炉体(1)内的坩埚(2)，在坩埚(2)的上部设置能够安装籽晶(8)的籽晶保持架(3)，所述籽晶保持架(3)能够自转和上下升降，在炉体(1)内还设有加热炉体(1)使炉体(1)形成环境温度梯度的炉体加热器(4)，其特征在于，在籽晶保持架(3)外设有能作用在碳化硅单晶上的加热冷却器(5)。
2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述的加热冷却器(5)能够形成沿着碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度。
3.根据权利要求2所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述加热冷却器(5)为频率为10KHz～50KHz的感应加热线圈，包括螺旋设置的铜管(51)，上述籽晶保持架(3)上升时能够穿过铜管(51)。
4.根据权利要求2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述加热冷却器(5)沿晶体生长轴方向形成的温度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者减少。
5.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述加热冷却器(5)下端与坩埚(2)端口之间的距离d等于或大于20cm。
6.根据权利要求4所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述的炉体加热器(4)包括对加热冷却器(5)下端和坩埚(2)端口之间的区域进行加热和冷却的第三感应加热线圈(43)。
7.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，本碳化硅单晶制造装置还包括能使籽晶(8)或者已经生长的碳化硅晶体的中央部分与周围部分的温度差变小的参数控制器，参数控制器能够设置籽晶保持架(3)的旋转速度和提升速度以及加热冷却器(5)下端处的气态碳化硅流速使碳化硅单晶的生长面形成横向温度梯度。
8.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述坩埚(2)的最小开口面积小于坩埚(2)内腔横截面面积的一半，所述坩埚(2)高度与直径的高宽比大于5:1。
9.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，本碳化硅单晶制造装置还包括能控制炉体加热器(4)形成的温度梯度的大小的温度控制器，该温度控制器能够控制炉体加热器(4)平缓碳化硅晶型转变时对应的温度，使得温度的下降速度为0.5℃/min～30℃/min。
10.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述坩埚(2)的内底面上连接有若干喷气管(6)，在喷气管(6)的上端具有伞状的防尘部(61)，所述喷气管(6)的外壁上具有若干向下倾斜的支管(62)，若干支管(62)位于防尘部(61)下方，且支管(62)的下端端口为喷气口，所述喷气管(6)与气源(76)相连通。
11.根据权利要求10所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述炉体(1)在坩埚(2)的下方设有预热筒(7)，所述预热筒(7)下方设有对预热筒(7)底部进行加热的热源(74)，若干所述喷气管(6)的下端伸出坩埚(2)底面并伸入预热筒(7)内，所述预热筒(7)与气源(76)相连通。
12.根据权利要求11所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述预热筒(7)内沿轴向水平固连有若干均热板(71)，所述均热板(71)之间形成供气体迂回流动的预热通道(73)，该预热通道(73)的进气端位于预热筒(7)底部，出气端位于预热筒(7)的顶部。
13.根据权利要求12所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述均热板(71)的边沿均开设有过气缺口(72)，且相邻两均热板(71)上的过气缺口(72)分别位于预热筒(7)轴心线的两侧，所述气源(76)通过供气管(75)与预热筒(7)内腔的底部相连通，所述喷气管(6)与预热筒(7)内腔的顶部相连通。
14.根据权利要求13所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述气源(76)包括若干储气桶(77)，所述供气管(75)有若干根，该若干供气管(75)的一端均伸入炉体(1)并与预热筒(7)相连通，另一端分别与若干储气桶(77)相连通。
15.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述籽晶保持架(3)呈盘状，在籽晶保持架(3)的下端面上具有用于安装籽晶(8)的安装槽(31)，所述籽晶保持架(3)的上端面上具有平底凹腔或者向下弧形内凹或者向上弧形凸出。
16.根据权利要求6所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述炉体加热器(4)还包括对预热筒(7)进行加热的第一感应加热线圈(41)、对坩埚(2)进行加热的第二感应加热线圈(42)，和对加热冷却器(5)所在炉体上部区域进行加热的第四感应加热线圈(44)。
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