CN107604439A - 一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，该结构整体由坩埚、坩埚盖、籽晶杆、上部保温层结构、下部保温层结构、侧面保温层结构以及感应线圈组成。坩埚分为筒状无底结构和坩埚托两个部分，筒状无底结构放置于坩埚托上部，筒状无底结构为高纯石墨材料，坩埚托为耐高温绝缘材料；籽晶杆下端为籽晶托盘结构，可随升华过程中固体原料高度的降低而移动；侧面保温层结构外部的感应线圈结构可由上向下移动，以便保证晶体的生长界面与原料之间的合理间距。本发明热场结构降低了晶体开裂的几率，同时有效降低晶体内部的微管、应力等缺陷，实现大尺寸、半绝缘的碳化硅单晶的生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，具体涉及一种PVT法生长大尺寸碳化硅晶体的反向温度梯度控制的装置结构。
背景技术
碳化硅作为第三代半导体材料，具有高出传统硅材料数倍的禁带的优良特性，并且击穿电场强度高、热稳定性好等特点，在高温、高压、大功率、光电、微波性等电子应用领域和航天、军工、核能等极端环境应用有着不可替代的优势。
综上碳化硅晶体的优点，未来碳化硅将在各个领域替代硅材料的位置，因此对碳化硅材料的需求量也随之增大。目前碳化硅单晶生长的尺寸较小，并且生长较困难，导致晶体的价格较昂贵，拖延了碳化硅晶体材料发展的局势，因此解决大尺寸、高品质的碳化硅单晶的生长对碳化硅晶体材料发展有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PVT法生长大尺寸、半绝缘碳化硅单晶的，可控制生长末期快速生长碳化硅晶体的生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构。
本发明的目的是这样实现的：它包括坩埚、坩埚盖、籽晶杆、上部保温层结构、下部保温层结构、侧面保温层结构以及感应线圈结构组成，坩埚分为筒状无底结构和坩埚托两个部分，筒状无底结构放置于坩埚托上部；坩埚上方依次放置坩埚盖和上部保温层结构；籽晶杆下端设有籽晶托盘结构，并且籽晶杆可以轴向移动；侧面保温层结构围绕在坩埚的外部，侧面保温层结构外侧的感应线圈结构可轴向移动。
本发明还有这样一些特征：
1、所述的筒状无底结构的外径为Φ160~Φ240mm，内径为Φ100~Φ180mm，高度为330-430mm；坩埚托直径为Φ160~Φ240mm，厚度为80-140mm；筒状无底结构放置于坩埚托上部，用于盛放固体原料；
2、所述的坩埚盖位于坩埚的顶部，坩埚盖的直径为Φ180~Φ260mm，厚度为80-120mm，为了安装方便，坩埚盖中心留有放置籽晶杆的通孔，直径为Φ60~Φ81mm，并且向圆周的边缘方向开一个宽度为60-81mm、长度为90-130mm的通槽；通槽的一侧设置一个可关闭的扇形划片，坩埚装配后关闭划片，遮挡开口部分，避免热量流失，扇形划片的角度为90°，半径为Φ60~Φ90mm；
3、所述的籽晶杆的直径为Φ60~Φ80mm，长度为200-260mm；籽晶杆下端为籽晶托盘结构，托盘的直径为Φ100~Φ180mm，高度为30-50mm；籽晶杆可以轴向移动，该结构可以控制晶体生长界与原料之间的合理间距；
4、所述的上部保温层结构位于坩埚盖的顶部，上部保温层结构的直径为Φ200~Φ280mm，高度为90-150mm；中心留有放置籽晶杆的通孔，直径为Φ60~Φ81mm，并且向圆周的边缘方向开一个宽度为60-81mm、长度为100-140mm的通槽；通槽的一侧设置一个扇形划片，上部保温层装配后关闭划片，遮挡开口部分，避免热量流失，扇形划片的角度为90°，半径为Φ70~Φ100mm；所述的下部保温层结构位于坩埚托的底端，支撑坩埚和侧部保温层结构，下部保温层结构的直径为Φ270~Φ410mm，厚度为90-120mm；
5、所述的侧面保温层结构为筒状结构分布于坩埚的外侧，与坩埚距离为10-20mm，侧面保温层结构的外径为Φ270~Φ410mm，厚度为60-120mm，高度为650-800mm；
6、所述的感应线圈结构分布在侧面保温层结构的外部，距离为20-30mm，感应线圈的线径为Φ5~Φ8mm，绕线间距为2-5mm，绕线高度为30-100mm；在感应线圈外部设有滑道，可由机械系统控制轴向移动，滑道置于整体热场的五分之二至五分之四处，与内部坩埚位置一致，高度为400-450mm，在生长过程中控制顶部线圈与晶体生长界面的距离，避免生长的晶体融化。
本发明有益效果有：
1.坩埚分为筒状无底结构和坩埚托两个部分，筒状无底结构为导电的高纯石墨材料，可以利用电磁感应进行加热，坩埚自身为加热体，对坩埚内的原料进行加热，而坩埚托为耐高温绝缘材料，可避免线圈对坩埚底部的感应，产生热量。这样的结构可保证坩埚内上部分原料加热升华，避免下部分的原料自行成核。
2.升华过程中，籽晶杆可随着原料高度下降而向下移动，该结构可以控制晶体生长界与原料之间的合理间距，保证生长的可持续性，增加晶体轴向生长动力，从而生长出轴向尺寸较大的碳化硅晶体。
3.侧部保温层外部的感应线圈可以轴向移动，在生长过程中可以控制顶部线圈与晶体生长界面的距离，避免生长的晶体融化。并且控制生长初期慢速生长碳化硅晶体，保证生长初期提升晶体的质量，降低开裂、微管密度等缺陷。可控制生长末期快速生长碳化硅晶体，从而生长出大尺寸、高质量的碳化硅单晶。
附图说明
图1为生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构示意图；
图2-3为坩埚盖的结构示意图；
图4-5为上部保温层的结构示意图；
图6为籽晶杆、坩埚盖与上部保温结构安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
结合图1，本实施例结构由坩埚1、坩埚盖4、籽晶杆5、上部保温层结构9、下部保温层结构13、侧面保温层结构14以及感应线圈结构15组成。其中坩埚1分为筒状无底结构2和坩埚托3两个部分，筒状无底结构放置于坩埚托上部，坩埚内部用来盛放固体原料；籽晶杆5下端设有籽晶托盘6结构，用于固定籽晶，籽晶杆通过机械系统控制可以轴向移动；坩埚上方依次放置坩埚盖和上部保温结构；为了方便籽晶杆安装，图2-3中坩埚盖4上设有通孔6和通槽7，通槽7的一侧设有扇形划片结构8，坩埚盖安装后，关闭划片可遮挡通槽，放止热量散失；图4-5中，上部保温结构9设有通孔10和通槽11，通槽的一侧设有扇形划片结构12，上部保温层结构安装时，通槽的开口位置与坩埚盖通槽的开口位置错开，避免同一位置热量流失如图6所示；下部保温层结构13位于坩埚托的底端，支撑坩埚和侧部保温层结构，尺寸与侧面保温层结构14的外径相同为Φ270~Φ410mm；侧面保温层结构14为筒状结构，分布于坩埚的外侧；感应线圈15外部设有滑道16，滑道置于整体热场的五分之二至五分之四处，与内部坩埚位置一致，感应线圈可随坩埚内原料高度的下降而向下移动。
Claims (9)
1.一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于它包括坩埚、坩埚盖、籽晶杆、上部保温层结构、下部保温层结构、侧面保温层结构以及设置在侧面保温层结构外侧的感应线圈结构组成，坩埚分为筒状无底结构和坩埚托两个部分，筒状无底结构放置于坩埚托上部；坩埚上方依次放置坩埚盖和上部保温层结构；籽晶杆下端设有籽晶托盘结构，并且籽晶杆可以轴向移动；侧面保温层结构围绕在坩埚的外部，侧面保温层结构外侧的感应线圈结构可轴向移动，上部保温层结构位于坩埚盖的顶部，下部保温层结构位于坩埚托的底端。
2.根据权利要求1所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的筒状无底结构的外径为Φ160~Φ240mm，内径为Φ100~Φ180mm，高度为330-430mm。
3.根据权利要求2所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的坩埚托直径为Φ160~Φ240mm，厚度为80-140mm；筒状无底结构放置于坩埚托上部。
4.根据权利要求3所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的坩埚盖的直径为Φ180~Φ260mm，厚度为80-120mm，坩埚盖中心留有放置籽晶杆的通孔，直径为Φ60~Φ81mm，并且向圆周的边缘方向开一个宽度为60-81mm、长度为90-130mm的通槽；通槽的一侧设置一个可关闭的扇形划片，扇形划片的角度为90°，半径为Φ60~Φ90mm。
5.根据权利要求4所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的籽晶杆的直径为Φ60~Φ80mm，长度为200-260mm；籽晶杆下端为籽晶托盘结构，托盘的直径为Φ100~Φ180mm，高度为30-50mm；籽晶杆可以轴向移动。
6.根据权利要求5所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的上部保温层结构的直径为Φ200~Φ280mm，高度为90-150mm；中心留有放置籽晶杆的通孔，直径为Φ60~Φ81mm，并且向圆周的边缘方向开一个宽度为60-81mm、长度为100-140mm的通槽；通槽的开口位置与坩埚盖通槽的开口位置错开，通槽的一侧设置一个可关闭的扇形划片，扇形划片的角度为90°，半径为Φ70~Φ100mm。
7.根据权利要求6所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的侧面保温层结构为筒状结构分布于坩埚的外侧，与坩埚距离为10-20mm，侧面保温层结构的外径为Φ270~Φ410mm，厚度为60-120mm，高度为650-800mm。
8.根据权利要求7所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的感应线圈结构分布在侧面保温层结构的外部，与侧面保温层结构的距离为20-30mm，感应线圈的线径为Φ5~Φ8mm，绕线间距为2-5mm，绕线高度为30-100mm；在感应线圈外部设有由机械系统控制轴向移动的滑道，滑道置于整体热场的五分之二至五分之四处，与内部坩埚位置一致，高度为400-450mm。
9.根据权利要求8所述的一种生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的下部保温层结构位于坩埚托的底端，直径为Φ270~Φ410mm，厚度为90-120mm。
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