CN109234810A - 一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，包括籽晶盒和坩埚；坩埚内部设置有架层；架层用于放置籽晶盒；籽晶盒采用圆柱形状；籽晶盒的顶部设有环形结构的盖子；籽晶盒侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔；籽晶盒底部设有大圆孔；籽晶盒底部连接有裙带。本发明无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置能应用于4寸、6寸，甚者更大尺寸的晶体生长，大幅度降低晶体中的平面六角缺陷，得到了高质量的碳化硅单晶晶体；可以减少在取拿晶体过程中，人员身体受伤和因操作不当而导致晶体受损的风险。

Description

一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置

技术领域

本发明涉及半导体制造装置技术领域，具体涉及一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置。

背景技术

碳化硅单晶材料因其自身宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，其制成的半导体器件能够满足对当今对高功率和强辐射器件的需求，是制备高温、高频、高功率和抗辐射器件的理想衬底材料，并在混合动力汽车、高压输电、LED照明和航天航空等领域崭露头角，而生长高质量的SiC晶体则是实现这些SiC基器件的优异性能的基础。

SiC晶体不会出现在大自然中，只能通过合成的方法来获得SiC晶体。目前碳化硅单晶的方法主要有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相外延法等。其中物理气相传输法是发展最成熟的，这种方法被世界上绝大多数研究机构和公司所采用。物理气相沉积法(PVT)其难度非常高，必须在2100℃以上温度与低压环境下将碳化硅粉末直接升华成Si、Si₂C、SiC₂等气体，并沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶处沉积结晶成碳化硅单晶。

物理气相沉积法(PVT)生长碳化硅单晶中籽晶的固定方式中大多采用用胶粘贴籽晶方式，然而在机械粘贴的过程中，时常会在籽晶的背面留下划痕。而且在粘贴的过程中，籽晶的背面和坩埚盖之间会因气泡而产生空洞，导致晶体中缺陷的产生，这将对晶体的质量产生很大的影响。而且，籽晶和坩埚盖热膨胀系数的差异也会导致籽晶中产生内应力。如何将籽晶很好地粘贴到坩埚盖，然后将整个籽晶托放置到坩埚中能够适合晶体生长的位置，成了至关重要的步骤。然而整个反应单元所使用的材料和籽晶又不一样，这种机械而僵硬的粘贴方法很容易就在晶体生长过程中引入内引力。例如，目前物理气相沉积法(PVT)使用粘结剂将籽晶粘结到坩埚盖上，这种方法很可能在粘结的过程中是籽晶发生弯曲形变，这就导致晶体中引入不良的内应力，而在SiC晶体生长过程中产生的内应力容易造成晶体在后续加工过程中破裂，严重影响晶体的良率。

目前物理气相沉积法(PVT)籽晶以胶粘贴在坩埚盖上进行生长，但存在四个问题：

1、掉片率高，一般的胶无法承受如此高的温度，导致掉片率非常高；

2、成本高，能承受该温度的胶昂贵，且粘胶后需要高真空或惰性气氛下1800-2300℃高温处理，成本高昂且耗时长，需要高温炉或者需要大量惰性气体及1-4天周期处理周期，导致该方法成本高昂；

3、由于籽晶与籽晶托之间存在温度梯度，籽晶背面将会热蒸发，籽晶背面热蒸发和晶体生长是一个逆过程，背面蒸发优先在温度较高区域或缺陷密集区域产生；由于籽晶背面气孔区域的温度相对碳化粘合剂区域较高，因此背面蒸发容易在气孔区域发生，蒸发所产生的气相首先聚积在气孔区域，晶体生长过程中，尽管采用的石墨坩埚为三高石墨，但其孔隙率仍然高达10％以上，石墨盖中存在的空隙将导致籽晶背面气孔区域所聚积的气相物质逸出，气相物质逸出是一个持续的过程，籽晶背面局部区域不断地蒸发，蒸发所产生的气相物质不断地从石墨盖孔隙中逸出，导致在生长的晶体中产生平面六角缺陷，该缺陷是致命缺陷，它的形成将急剧降低晶片的质量和产率；

4、现有工艺，当晶体生长结束后需动用机械来切割坩埚盖来取下晶体，而本装置仅需在打开坩埚后，拿出盒子便能轻松取下晶体，能够减少人员因切割所带来的风险，如人员因操作不当而受伤或晶体受损的风险。

中国专利CN107829134A公开了一种无需籽晶粘接技术的氮化铝单晶生长装置及方法，生长装置包括：加热系统、红外测温系统、籽晶、生长坩埚、坩埚隔板和双层嵌套式坩埚；加热系统置于最外侧；坩埚底部与顶部具有温度差；坩埚置于保温材料内；在坩埚的底部放置籽晶；双层嵌套式坩埚竖直放置在坩埚隔板的上侧，包括内层坩埚和外层坩埚；内外层坩埚的壁的高度保持相同；内外层坩埚的侧壁之间填充高纯氮化铝粉。但是该专利的装置复杂，不易于控制。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，包括籽晶盒1和坩埚2；坩埚2内部设置有架层8；架层8用于放置籽晶盒1；籽晶盒1采用圆柱形状；籽晶盒1的顶部设有环形结构的盖子4；籽晶盒1侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔5；籽晶盒1底部设有大圆孔9；籽晶盒1底部连接有裙带6。其中，籽晶盒底部裙带上设置的半圆形小孔与侧壁上拱门形小孔的作用均是为了在晶体生长是起到导流气体的作用，气体从底部流入裙带上的半圆形小孔，在流入拱门形的小孔，最后从顶部流出；籽晶盒底部起到放置籽晶的作用，且保证籽晶在受热弯曲和受热膨胀的同时依然能处于理想的位置；石墨盒顶部的环形盖子为了保持籽晶的垂直位置和防止籽晶与坩埚盖直接接触；架层通过坩埚上部的内径比籽晶盒大，下部的内径比籽晶盒小，两个内径差来形成。

进一步的，坩埚2上部内径为150mm～170mm，下部的内径为130mm～150mm。

进一步的，籽晶盒1的材料选自金属钼和石墨中的一种。

更进一步的，籽晶盒1的材料为石墨。

更进一步的，籽晶盒1的表面镀有碳化钽、碳化铌或碳化钨中的任一种。其中，在籽晶盒表面镀有碳化钽、碳化铌或碳化钨中的任一种可以延长石墨盒的使用寿命。

进一步的，籽晶盒1的尺寸为：直径140mm～160mm，高15mm～25mm，壁厚3mm～8mm。

进一步的，小孔5在籽晶盒侧壁上呈两层排布。

进一步的，大圆孔9上放置籽晶3。

进一步的，裙带6为中空结构。

进一步的，裙带6上设有与裙带高度相同的半圆形小孔。

本发明的优点是：

(1)本发明无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置通过籽晶盒来放置碳化硅籽晶，取消使用胶粘贴，克服了使用胶粘贴带来的诸多问题，且在生长完成取下晶体后，盒子经过后期高温煅烧除去多晶可重复多次使用；

(2)本发明无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置能应用于4寸、6寸，甚者更大尺寸的晶体生长；大幅度降低晶体中的平面六角缺陷，得到了高质量的碳化硅单晶晶体；可以减少在取拿晶体过程中，人员身体受伤和因操作不当而导致晶体受损的风险。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置俯视图。

图2是无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置A-A面剖视图。

图3是籽晶盒的主视图。

图中标记为：1、籽晶盒；2、坩埚；3、籽晶；4、盖子；5、小孔；6、裙带；7、碳化硅原料；8、架层；9、大圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，包括籽晶盒和坩埚；坩埚上部内径为150mm，下部的内径为130mm；坩埚内部设置有架层，架层用于放置籽晶盒；籽晶盒采用圆柱形状，籽晶盒的材料选自金属钼，籽晶盒的尺寸为：直径140mm，高15mm，壁厚3mm；籽晶盒的顶部设有环形结构的盖子，盖子的内径为100mm，外径为130mm；籽晶盒侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔，小孔在籽晶盒侧壁上呈两层排布，小孔的尺寸设置为：宽1mm，高2mm，小孔间隔为1mm；籽晶盒底部设有直径为100mm的大圆孔，大圆孔上放置籽晶；籽晶盒底部连接有裙带，裙带为中空结构，裙带的高度为3mm，厚度为3mm，裙带上设有高度为3mm的半圆形小孔。

实施例2

一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，包括籽晶盒和坩埚；坩埚上部内径为170mm，下部的内径为150mm；坩埚内部设置有架层，架层用于放置籽晶盒；籽晶盒采用圆柱形状，籽晶盒的材料为石墨，籽晶盒的表面镀有碳化钽，籽晶盒的尺寸为：直径160mm，高25mm，壁厚5mm；籽晶盒的顶部设有环形结构的盖子，盖子的内径为110mm，外径为150mm；籽晶盒侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔，小孔在籽晶盒侧壁上呈两层排布，小孔的尺寸设置为：宽2mm，高3mm，小孔间隔为4mm；籽晶盒底部设有直径为120mm的大圆孔，大圆孔上放置籽晶；籽晶盒底部连接有裙带，裙带为中空结构，裙带的高度为7mm，厚度为5mm，裙带上设有高度为7mm的半圆形小孔。

实施例3

一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，包括籽晶盒和坩埚；坩埚上部内径为160mm，下部的内径为140mm；坩埚内部设置有架层，架层用于放置籽晶盒；籽晶盒采用圆柱形状，籽晶盒的材料选为石墨；籽晶盒的表面镀有碳化铌，籽晶盒的尺寸为：直径150mm，高18mm，壁厚6mm；籽晶盒的顶部设有环形结构的盖子，盖子的内径为120mm，外径为130mm；籽晶盒侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔，小孔在籽晶盒侧壁上呈两层排布，小孔的尺寸设置为：宽4mm，高5mm，小孔间隔为2mm；籽晶盒底部设有直径为110mm的大圆孔，大圆孔上放置籽晶；籽晶盒底部连接有裙带，裙带为中空结构，裙带的高度为5mm，厚度为6mm，裙带上设有高度为5mm的的半圆形小孔。

实施例4

一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，包括籽晶盒和坩埚；坩埚上部内径为150mm，下部的内径为140mm；坩埚内部设置有架层，架层用于放置籽晶盒；籽晶盒采用圆柱形状，籽晶盒的材料为石墨；籽晶盒的表面镀有碳化钨，籽晶盒的尺寸为：直径145mm，高20mm，壁厚8mm；籽晶盒的顶部设有环形结构的盖子，盖子的内径为100mm，外径为140mm；籽晶盒侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔，小孔在籽晶盒侧壁上呈两层排布，小孔的尺寸设置为：宽3mm，高4mm，小孔间隔为3mm；籽晶盒底部设有直径为100mm的大圆孔，大圆孔上放置籽晶；籽晶盒底部连接有裙带，裙带为中空结构，裙带的高度为4mm，厚度为8mm，裙带上设有高度为4mm的的半圆形小孔。

实施例5

一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，包括籽晶盒和坩埚；坩埚上部内径为170mm，下部的内径为130mm；坩埚内部设置有架层，架层用于放置籽晶盒；籽晶盒采用圆柱形状，籽晶盒的材料为石墨；籽晶盒的表面镀有碳化钽，籽晶盒的尺寸为：直径140mm，高22mm，壁厚4mm；籽晶盒的顶部设有环形结构的盖子，盖子的内径为115mm，外径为135mm；籽晶盒侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔，小孔在籽晶盒侧壁上呈两层排布，小孔的尺寸设置为：宽2mm，高3mm，小孔间隔为2mm；籽晶盒底部设有直径为120mm的大圆孔，大圆孔上放置籽晶；籽晶盒底部连接有裙带，裙带为中空结构，裙带的高度为4mm，厚度为5mm，裙带上设有高度为4mm的半圆形小孔。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置包括籽晶盒(1)和坩埚(2)；所述坩埚(2)内部设置有架层(8)；所述架层(8)用于放置籽晶盒(1)；所述籽晶盒(1)采用圆柱形状；所述籽晶盒(1)的顶部设有环形结构的盖子(4)；所述籽晶盒(1)侧壁上设有均匀排布的拱门形的小孔(5)；所述籽晶盒(1)底部设有大圆孔(9)；所述籽晶盒(1)底部连接有裙带(6)。

2.根据权利要求1所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述坩埚(2)上部内径为150mm～170mm，下部的内径为130mm～150mm。

3.根据权利要求1所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述籽晶盒(1)的材料选自金属钼和石墨中的一种。

4.根据权利要求3所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述籽晶盒(1)的材料为石墨。

5.根据权利要求4所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述籽晶盒(1)的表面镀有碳化钽、碳化铌或碳化钨中的任一种。

6.根据权利要求1所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述籽晶盒(1)的尺寸为：直径140mm～160mm，高15mm～25mm，壁厚3mm～8mm。

7.根据权利要求1所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述小孔(5)在籽晶盒侧壁上呈两层排布。

8.根据权利要求1所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述大圆孔(9)上放置籽晶(3)。

9.根据权利要求1所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述裙带(6)为中空结构。

10.根据权利要求1所述的无需粘结籽晶的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述裙带(6)上设有与裙带高度相同的半圆形小孔。