CN106367812A - 一种提高碳化硅粉源径向温度均匀性的石墨坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高碳化硅粉源径向温度均匀性的石墨坩埚，属于半导体芯片单晶制备技术领域。所述石墨坩埚包括：石墨坩埚本体、石墨坩埚盖和石墨槽，石墨槽空心，无底面，套在石墨坩埚本体内，高度低于石墨坩埚本体的高度，厚度小于所述石墨坩埚本体的壁面厚度，材质与石墨坩埚本体的材质相同。碳化硅籽晶固定于石墨坩埚盖上，碳化硅粉源放置于石墨槽内以及石墨坩埚本体与石墨槽之间。在生长单晶时，石墨坩埚本体和石墨槽在交变磁场中同时发热，使石墨坩埚中心以及石墨坩埚本体与石墨槽之间同时产生大量反应气氛，避免出现明显的冷热分区，提高碳化硅粉源径向温度的均匀性，从而提高碳化硅粉源的使用效率和单晶的生长速率。

Description

一种提高碳化硅粉源径向温度均匀性的石墨坩埚

技术领域

本发明涉及半导体芯片单晶制备技术领域，具体地，特别涉及一种提高碳化硅粉源径向温度均匀性的石墨坩埚。

背景技术

碳化硅作为一种新型的宽禁带半导体材料，包含高熔点、高导电性、高导热性及耐高电压等特点，成为高频率和高功率器件的重要材料，广泛应用于航空、航天、火箭及地质钻探等重要领域。

目前，生长碳化硅普遍采用物理气相输运法(PVT法)，将碳化硅籽晶贴在石墨坩埚盖上，石墨坩埚内装有作为生长原料的碳化硅粉源，粉源被加热到1800-2500℃，使其升华到冷端籽晶上生成单晶。PVT法生长碳化硅采用中频电源加热生长原料和籽晶，石墨坩埚放置于感应线圈中央，中频电源的交流电通过感应线圈产生交变磁场，石墨坩埚在交变磁场中产生涡流电，从而加热粉源和籽晶，且热量由坩埚壁向粉源传递。因此，在靠近坩埚壁位置为高温区，越靠近坩埚中心温度越低，为低温区，这就使得粉源具有较大的径向温度梯度。高温区为反应气氛主要产生的区域，低温区会使反应气氛重新沉积，较大的径向温度梯度会使集中在高温区的反应气氛中的很大一部分流向低温区并重新沉积。此现象会阻碍反应气氛的传输，进而降低粉源的使用效率，尤其是生长大尺寸单晶时，坩埚的直径较大，使得粉源的径向温度梯度较大，大大降低粉源的使用效率，进而降低了单晶的生长速率。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种提高碳化硅粉源径向温度均匀性的石墨坩埚，以解决碳化硅粉源径向温度梯度大而降低粉源使用效率和单晶生长速率的问题，并有利于生长大尺寸单晶。

本发明所述提高碳化硅粉源径向温度均匀性的石墨坩埚，包括石墨坩埚本体和石墨坩埚盖，石墨坩埚盖位于石墨坩埚本体上方封口处，石墨坩埚盖上固定有碳化硅籽晶，其中，所述石墨坩埚还包括石墨槽，所述石墨槽是空心，无底面的，套在所述石墨坩埚本体内，高度低于所述石墨坩埚本体的高度，厚度小于所述石墨坩埚本体的壁面厚度，材质与所述石墨坩埚本体的材质相同，碳化硅粉源放置于石墨槽内以及石墨槽与石墨坩埚本体之间。

优选的，所述石墨坩埚本体与所述石墨坩埚盖由高纯石墨制成。

优选的，所述石墨坩埚本体截面制作成圆形。

进一步地，优选的，所述石墨槽截面制作成圆形，且与所述石墨坩埚本体同圆心。

进一步地，优选的，所述石墨槽的直径为所述石墨坩埚本体直径的1/3～1/2。

优选的，所述石墨槽的高度为碳化硅粉源的初始高度的1/3～1/2，不与生长成的单晶接触，保持一定距离。

在生产碳化硅单晶时，在通过感应线圈产生的交变磁场中，石墨槽与石墨坩埚本体同时产生涡流电，加热碳化硅粉源和籽晶。位于石墨槽内以及石墨槽与石墨坩埚本体之间的碳化硅粉源同时被加热，在靠近石墨槽和石墨坩埚本体的壁面处形成高温区，而在石墨坩埚中心不会形成低温区，因此，避免了粉源出现明显的冷热分区，从而提高了粉源径向温度的均匀性，且反应气氛的传输不会受到阻碍，进而提高了粉源的使用效率，并加快了单晶的生长速率。

与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果如下：

一、石墨坩埚本体的壁面与石墨槽同时加热碳化硅粉源，避免出现明显的冷热分区，提高粉源径向温度的均匀性；

二、石墨坩埚直径较大时，粉源径向温度梯度较大，使用本发明可提高粉源径向温度的均匀性，有利于生长大尺寸单晶。

附图说明

图1为本发明所述石墨坩埚的正视剖面图；

图2为图1沿A-A线的剖面图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明做进一步的说明。

图1是本发明所述石墨坩埚的正视剖面图，如图1所示，本发明所述石墨坩埚包括：

石墨坩埚本体1和石墨坩埚盖2，其中，石墨坩埚盖2位于石墨坩埚本体1的上部封口处，并且在石墨坩埚盖2上固定有碳化硅籽晶3；

石墨槽4，石墨槽4是空心，无底面的，套在石墨坩埚本体1内，高度低于石墨坩埚本体1的高度，厚度小于石墨坩埚本体1的壁面厚度，材质与石墨坩埚本体1的材质相同，均可以在交变磁场中产生涡流电，加热碳化硅粉源5和碳化硅籽晶3，其中，碳化硅粉源5位于石墨槽4内以及石墨槽4与石墨坩埚本体1之间。

此外，石墨坩埚本体1与石墨坩埚盖2由相同材料的高纯石墨制作而成，则石墨槽4也由高纯石墨制作而成，其中，高纯石墨是指含碳量大于99.99％的石墨。

图2是图1沿A-A线的剖面图。由于使用感应线圈加热时，产生的交变磁场截面是圆形的，所以，优选的，如图2所示，石墨坩埚本体1与石墨槽4的截面均制作成圆形的，且两者同心，以保证经过石墨坩埚本体1与石墨槽4的磁场是均匀对称的。

其中，石墨槽4的直径为石墨坩埚本体1直径的1/3～1/2，直径均指外径，石墨槽4的高度为碳化硅粉源5初始高度的1/3～1/2，与生长成的碳化硅单晶保持一定距离而不相接触，以减小对碳化硅籽晶3生长时轴向温度梯度的影响。

此外，石墨槽4也可以为方形、矩形或椭圆形等其他形状。

使用感应线圈对本发明所述石墨坩埚进行加热时，石墨坩埚本体1和石墨槽4在交变磁场中产生涡流电，涡流电产生热量使石墨坩埚本体1和石墨槽4同时发热，对石墨槽4内以及石墨坩埚本体1和石墨槽4之间放置的碳化硅粉源5同时进行加热，从而避免碳化硅粉源5出现较大的径向温度梯度，提高了碳化硅粉源5径向温度的均匀性，而不会在石墨坩埚内出现明显的冷热分区。当对碳化硅粉源5加热到升华温度时，石墨坩埚中心以及石墨坩埚本体1与石墨槽4之间同时产生大量的反应气氛，且不会阻碍反应气氛的传输，从而提高了碳化硅粉源5的使用效率，并加快了碳化硅单晶的生长速率。

采用0.5mm厚的籽晶作为生长碳化硅的晶种，使其按照碳化硅晶体生长工艺进行生长，碳化硅生长系统中使用无石墨槽的石墨坩埚和本发明所述带石墨槽的石墨坩埚分别进行实验，其中，石墨坩埚顶部温度控制在2150℃，底部温度控制在2300℃，进行80小时的生长，得到实验结果如表1所示。

表1：

石墨坩埚种类	无石墨槽	带石墨槽
			碳化硅晶体厚度	23mm	30mm

从表1中可以看出，在碳化硅生长系统中使用本发明所述带石墨槽的石墨坩埚，得到的碳化硅晶体厚度较大。本发明通过在石墨坩埚本体中设置石墨槽，对靠近石墨坩埚本体壁面和石墨坩埚中心的碳化硅粉源同时加热，从而提高了碳化硅粉源径向温度的均匀性，进而可以加快碳化硅单晶的生长速率。

Claims (6)

1.一种提高碳化硅粉源径向温度均匀性的石墨坩埚，包括石墨坩埚本体和石墨坩埚盖，石墨坩埚盖位于石墨坩埚本体上方封口处，所述石墨坩埚盖上固定有碳化硅籽晶，其特征在于，还包括石墨槽，所述石墨槽是空心，无底面的，套在所述石墨坩埚本体内，高度低于所述石墨坩埚本体的高度，厚度小于所述石墨坩埚本体的壁面厚度，材质与所述石墨坩埚本体的材质相同，碳化硅粉源放置于所述石墨槽内以及所述石墨槽与所述石墨坩埚本体之间。

2.根据权利要求1所述的石墨坩埚，其特征在于，所述石墨坩埚本体与所述石墨坩埚盖由高纯石墨制成。

3.根据权利要求1所述的石墨坩埚，其特征在于，所述石墨坩埚本体截面制作成圆形。

4.根据权利要求3所述的石墨坩埚，其特征在于，所述石墨槽截面制作成圆形，且与所述石墨坩埚本体同圆心。

5.根据权利要求4所述的石墨坩埚，其特征在于，所述石墨槽的直径为所述石墨坩埚本体直径的1/3～1/2。

6.根据权利要求5所述的石墨坩埚，其特征在于，所述石墨槽的高度为碳化硅粉源的初始高度的1/3～1/2。