CN110331437B - 碳化硅单晶生长装置及制造碳化硅单晶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体材料长晶领域，具体涉及一种碳化硅单晶生长装置，包括：顶部开口的坩埚，放置碳化硅原料；基座，一侧表面为单晶生长面；翻转板，翻转板和基座一起设置于坩埚的顶部开口处；第一驱动机构，使得翻转板带动基座的单晶生长面在朝向坩埚内部和背离坩埚内部之间进行切换。本发明实施例通过设置供料机构，将富碳的非化学计量比的碳化硅加以调整，调整回富硅的非化学计量比的碳化硅。同时设置翻转板，籽晶在翻转板的带动下背向碳化硅原料，这样可以避免未平衡的碳化硅源升华至籽晶表面，造成晶体质量不佳。从而解决了碳化硅从富硅朝富碳变化导致的晶体质量下降的问题，增加了晶体生长长度、提升了长晶效益、提高了碳化硅单晶的质量。

Description

碳化硅单晶生长装置及制造碳化硅单晶的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料长晶领域，具体涉及一种碳化硅单晶生长装置及制造碳化硅单晶的方法。

背景技术

第三代半导体的碳化硅为高温生长的单晶体，其硬度仅次于金刚石，熔点为2830℃。困难的生长条件，造就昂贵的碳化硅晶体成本。碳化硅晶体制作的碳化硅衬底大量用于电子电力器件与氮化物外延生长，可广泛应用于电动车、混动车、轨道交通、高频器件、微波器件等，经济效益与国防价值非常高。

从硅-碳二元相图得知，碳化硅长晶因熔点太高及没法直接从单一液体固化，仅能靠碳化硅粉在1900～2400℃间，将之升华。因此，学者研发出一套物理气相输运法(Physical Vapor Transportation,PVT)。该长晶法将碳化硅源置于坩埚中，升温至2000℃以上，非化学计量比的碳化硅源升华并输运至腔体内部，包括碳化硅籽晶表面，进行结晶。由于硅比碳优先蒸发，因此坩埚内非剂量碳化硅源将从富硅比例朝富碳的比例变化，此变化造成籽晶结晶的剂量碳化硅成份不受控制，只能提早结束长晶过程，导致晶体生长长度无法有效增长。

由此可知，碳化硅生长晶体长度一般15～40毫米，非化学计量比碳化硅成份跑偏是造成长晶终止的主要原因，解决碳化硅源从富硅比例朝富碳的比例变化导致的晶体质量下降是目前我们亟需解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题。为此，本发明提出一种碳化硅单晶生长装置及制造碳化硅单晶的方法，解决了碳化硅从富硅朝富碳变化导致的晶体质量下降的问题，增加晶体生长长度，提升长晶效益，从而得到高质量的碳化硅单晶。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种碳化硅单晶生长装置，包括：

顶部开口的坩埚，内部用于放置碳化硅原料；

基座，基座一侧表面为单晶生长面；

翻转板，翻转板与基座的另一侧表面连接；且翻转板和基座一起设置于坩埚的顶部开口处；第一驱动机构，用于驱动翻转板，使得翻转板带动基座的单晶生长面在朝向坩埚内部和背离坩埚内部之间进行切换；

供料机构，用于向坩埚内输送原料。

为了实现上述目的，本发明第二方面还提供了一种采用如上所述的碳化硅单晶生长装置制造碳化硅单晶的方法，包括以下步骤：

将碳化硅原料倒入坩埚的底部，并将籽晶安装在单晶生长面；

升温至预设温度进行长晶，当检测到坩埚内碳化硅原料处于富碳状态时，第一驱动机构驱动翻转板运动至预设位置，以使籽晶背向碳化硅原料；

供料机构朝坩埚内输送原料，直至坩埚中碳化硅原料处于富硅状态，第一驱动机构再次驱动翻转板回到初始位置，气化后的碳化硅继续在籽晶表面进行长晶。

与现有技术相比，本发明实施例通过设置供料机构，将富碳的非化学计量比的碳化硅加以调整，调整回富硅的非化学计量比的碳化硅。同时通过设置翻转板，籽晶在翻转板的带动下背向碳化硅原料，这样可以避免未平衡的碳化硅源升华至籽晶表面，造成晶体质量不佳。从而解决了碳化硅从富硅朝富碳变化导致的晶体质量下降的问题，增加了晶体生长长度、提升了长晶效益、提高了碳化硅单晶的质量。

另外，根据本发明上述碳化硅单晶生长装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，第一驱动机构包括滑动设置于坩埚上的齿轮条、与翻转板固定连接且与齿轮条啮合的齿轮。

根据本发明的一个实施例，供料机构包括：

原料承载桶；

供料管，供料管与原料承载桶连通；基座上开设有与供料管位置对应的供料孔；

第二驱动机构，用于驱动供料管进、出坩埚内部；

根据本发明的一个实施例，供料开关，供料开关设置于供料管上。

根据本发明的一个实施例，第二驱动机构为气缸或液压缸，第二驱动机构的传动杆与供料管传动连接。

根据本发明的一个实施例，供料机构还包括：

承载桶抽真空机构，用于对原料承载桶进行抽真空。

根据本发明的一个实施例，供料开关支架，用于支撑供料开关，设置于原料承载桶的桶底与供料开关之间；

根据本发明的一个实施例，第二驱动机构支架，用于支撑第二驱动机构。

根据本发明的一个实施例，碳化硅单晶生长装置还包括：

顶部具有一上盖的长晶炉，坩埚安装于长晶炉内；供料机构设置于长晶炉体之外，且供料管贯穿上盖，第二驱动机构支架安装于第二驱动机构与上盖上表面之间。

根据本发明的一个实施例，原料承载桶的桶壁上设置有刻度。

根据本发明的一个实施例，坩埚的开口处还盖设外环座，于外环座相对的两侧分别设置第一安装槽，翻转板包括圆形板以及于圆形板的相对两侧凸出设置的支脚，齿轮安装于其中一个第一安装槽内，且与其中一个支脚固定连接，另外一个支脚活动安装于另一个第一安装槽内，于基座临近其中一个安装槽处设置第二安装槽，齿轮条滑动安装于第二安装槽内。

根据本发明的一个实施例，翻转板的翻转角度为0～180°。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明第一方面实施例中碳化硅单晶生长装置的截面图；

图2为本发明第一方面实施例中供料机构的结构示意图；

图3为本发明第一方面实施例中翻转板、基座、外环座与第一驱动机构的装配截面图；

图4为本发明第一方面实施例中图3的俯视图；

图5为本发明第一方面实施例中翻转板与齿轮的装配示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和及或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、元件、部件、和及或它们的组合。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“底”、“前”、“上”、“倾斜”、“下”、“顶”、“内”、“水平”、“外”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中机构的不同方位。例如，如果在图中的机构翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。

如图1所示，根据本发明第一方面的实施例，本发明的第一方面提供了一种碳化硅单晶生长装置100，包括：

顶部开口的坩埚10，内部用于放置碳化硅原料；

基座11，基座11一侧表面为单晶生长面；单晶生长面上设置有籽晶200；

翻转板12，翻转板12与基座11的另一侧表面连接；且翻转板12和基座 11一起设置于坩埚10的顶部开口处；

第一驱动机构(下面会对其进行详细说明)，用于驱动翻转板12，使得翻转板12带动基座11的单晶生长面在朝向坩埚10内部和背离坩埚10内部之间进行切换；

供料机构13，用于向坩埚10内输送原料。

在本实施例中，第一驱动机构包括滑动设置于坩埚10上的齿轮条14、与翻转板12固定连接且与齿轮条14啮合的齿轮15。齿轮条14可以相对于坩埚 10滑动，在齿轮条14滑动的过程中，带动齿轮15进行转动，进而实现翻转板 12的翻转。具体地，齿轮条14可以相对于坩埚10上下滑动，这样翻转板12 在齿轮15的带动下可以以齿轮15的水平转轴为中心进行的翻转运动，翻转板 12的翻转角度可以为0～180°，籽晶200在翻转板12的带动下朝着朝向坩埚内部和背离坩埚内部的方向运动，从而解决了在加料时，富碳的碳化硅原料升华至籽晶表面造成的晶体质量不佳。

值得一提的是，翻转板12在齿轮15的带动下还可以相对于坩埚10进行左右、上下翻转或者水平移动的方式以达到单晶生长面在朝向坩埚内部和背离坩埚内部之间的切换。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，供料机构13包括：

原料承载桶130；

供料管131，供料管131与原料承载桶130连通；

第二驱动机构132，用于驱动供料管131进、出坩埚10内部；

供料开关133，供料开关133设置于供料管131上。

具体地，供料管131的材质可以是钨、钼、钌、铱、锇等熔点高于2300℃的金属或合金。填料时，第二驱动机构132将供料管131、联动原料承载桶130 与供料开关133一并向下移动，直至到达坩埚10内的设定位置，开启供料开关 133，硅原料由原料承载桶130到达供料管131内，再经由供料开关133流入坩埚10内。

优选地，原料承载桶130的桶壁上设置有刻度，这样方便测量硅原料的添加量。

在本实施例中，第二驱动机构132可以为气缸，当然也可以是液压缸，具体地，第二驱动机构132的传动杆与供料管131传动连接，进而驱动供料管131 做上下往复运动。

根据本发明的一个实施例，供料机构13还包括：

承载桶抽真空机构134，用于对原料承载桶130进行抽真空。

供料开关支架135，用于支撑供料开关133，设置于原料承载桶130的桶底与供料开关133之间；

第二驱动机构支架136，用于支撑第二驱动机构132。

根据本发明的一个实施例，碳化硅单晶生长装置100还包括：

顶部具有一上盖160的长晶炉16，坩埚10安装于长晶炉16内；供料机构 13设置于长晶炉16之外，且供料管131贯穿上盖160，第二驱动机构支架136 安装于第二驱动机构132与上盖160上表面之间。

值得一提的是，坩埚10呈筒状，其安装在筒状的长晶炉16的底部，且长晶炉16与坩埚10同轴而设，围绕整个长晶炉16设置有磁感应加热线圈17，通过磁感应加热线圈17的加热将坩埚10内的碳化硅原料进行升温气化。

值得一提的是，如图3～5所示，坩埚10的开口处还盖设外环座18，外环座18上开设有与供料管131位置对应的供料孔180，于外环座18相对的两侧分别设置第一安装槽181，翻转板12包括圆形板120以及于圆形板120的相对两侧凸出设置的支脚121，圆形板120上凸出设置有基座11，籽晶200设置于基座11上，基座11可以固定连接于翻转板12，其中，固定连接可以是焊接、粘接等，当然，基座11与翻转板12也可以一体成型，本发明对两者的设置方式不做限定，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。

进一步地，齿轮14安装于其中一个第一安装槽181内，且与其中一个支脚 121固定连接，另外一个支脚121活动安装于另一个第一安装槽181内，于外环座18临近其中一个安装槽181处设置第二安装槽，齿轮条14滑动安装于第二安装槽内。

本发明实施例通过设置供料机构，将富碳的非化学计量比的碳化硅加以调整，调整回富硅的非化学计量比的碳化硅。同时通过设置翻转板，籽晶在翻转板的带动下背向碳化硅原料，这样可以避免未平衡的碳化硅源升华至籽晶表面，造成晶体质量不佳。从而解决了碳化硅从富硅朝富碳变化导致的晶体质量下降的问题，增加了晶体生长长度、提升了长晶效益、提高了碳化硅单晶的质量。

根据本发明第二方面的实施例，本发明第二方面还提供了一种采用如上所述的碳化硅单晶生长装置制造碳化硅单晶的方法，包括以下步骤：

将碳化硅原料倒入坩埚的底部，并将籽晶安装在单晶生长面；

升温至预设温度进行长晶，当检测到坩埚内碳化硅原料处于富碳状态时，第一驱动机构驱动翻转板运动至预设位置，以使籽晶背向碳化硅原料；

供料机构朝坩埚内输送原料，直至坩埚中碳化硅原料处于富硅状态，第一驱动机构再次驱动翻转板回到初始位置，气化后的碳化硅继续在籽晶表面进行长晶。需要说明的是，碳化硅原料中碳、硅的消耗与长晶的时间或者长晶的厚度有关，通常长晶超过20小时时，碳化硅原料可能处于富碳状态，此时需要进行供料；或者当晶体长到预设的厚度时，碳化硅原料可能处于富碳状态，此时需要进行供料。

在本实施例中，翻转板的翻转角度可以为0～180°，在翻转板翻转之前，即翻转板的翻转角度为0°，单晶生长面朝向坩埚内部，当翻转板翻转的角度为180°时，单晶生长面背离坩埚内部。

需要说明的是，供料机构朝坩埚内可以持续性或者间歇性地输送硅原料，其中，硅原料可以选自添加熔融硅液体或微纳米级的硅粉或微纳米级的富硅成份的碳化硅粉。

在本实施例中，供料机构可以当长晶处于升温时、恒温时、降温时朝坩埚内输送硅原料。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于，包括：

顶部开口的坩埚，内部用于放置碳化硅原料；

基座，所述基座一侧表面为单晶生长面；

翻转板，所述翻转板与所述基座的另一侧表面连接；且所述翻转板和所述基座一起设置于所述坩埚的顶部开口处；

第一驱动机构，用于驱动所述翻转板，使得所述翻转板带动所述基座的单晶生长面在朝向坩埚内部和背离坩埚内部之间进行切换；

供料机构，用于向所述坩埚内输送原料，

所述第一驱动机构包括滑动设置于所述坩埚上的齿轮条、与所述翻转板固定连接且与所述齿轮条啮合的齿轮；

所述供料机构包括：

原料承载桶；

供料管，所述供料管与所述原料承载桶连通；

第二驱动机构，用于驱动所述供料管进、出所述坩埚内部；

供料开关，所述供料开关设置于所述供料管上。

2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述第二驱动机构为气缸或液压缸，所述第二驱动机构的传动杆与所述供料管传动连接。

3.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述供料机构还包括：

承载桶抽真空机构，用于对所述原料承载桶进行抽真空；

供料开关支架，用于支撑所述供料开关，设置于所述原料承载桶的桶底与所述供料开关之间；

第二驱动机构支架，用于支撑所述第二驱动机构。

4.根据权利要求3所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述碳化硅单晶生长装置还包括：

顶部具有一上盖的长晶炉，所述坩埚安装于所述长晶炉内；所述供料机构设置于所述长晶炉体之外，且所述供料管贯穿所述上盖，所述第二驱动机构支架安装于所述第二驱动机构与所述上盖上表面之间。

5.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述原料承载桶的桶壁上设置有刻度。

6.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述坩埚的开口处还盖设外环座，所述外环座上开设有与所述供料管位置对应的供料孔，于所述外环座相对的两侧分别设置第一安装槽，所述翻转板包括圆形板以及于所述圆形板的相对两侧凸出设置的支脚，所述齿轮安装于其中一个所述第一安装槽内，且与其中一个支脚固定连接，另外一个支脚活动安装于另一个所述第一安装槽内，于所述外环座临近其中一个所述第一安装槽处设置第二安装槽，所述齿轮条滑动安装于所述第二安装槽内。

7.一种采用权利要求1～6任一项所述的碳化硅单晶生长装置制造碳化硅单晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将碳化硅原料倒入坩埚的底部，并将籽晶安装在单晶生长面；

升温至预设温度进行长晶，当检测到所述坩埚内碳化硅原料处于富碳状态时，第一驱动机构驱动翻转板运动至预设位置，以使所述籽晶背向所述碳化硅原料；

供料机构朝所述坩埚内输送原料，直至所述坩埚中碳化硅原料处于富硅状态，第一驱动机构再次驱动翻转板回到初始位置，气化后的碳化硅继续在籽晶表面进行长晶。

8.根据权利要求7所述的制造碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述翻转板的翻转角度为0～180°。

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