CN110359087A - 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，具体涉及提供了一种碳化硅单晶生长装置，包括：承料坩埚，用于放置碳化硅原料；第一感应加热线圈，设置于整个承料坩埚的外周；第二感应加热线圈，设置于第一感应加热线圈的外周；第二感应加热线圈的位置靠近承料坩埚的底部，且第二感应加热线圈的频率大于第一感应加热线圈的频率。通过在第一感应加热线圈的外侧设置第二感应加热线圈，通过控制器根据温度数据独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以达到承料坩埚内部轴向温度梯度的“微调”，从而实现精确控制轴向温度梯度、获得理想晶体生长界面、得到高质量的碳化硅单晶的目的。

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℃多度，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。但是碳化硅源升华的移动方向主要受温度梯度影响，由高温往低温方向移动。而碳化硅源升华原子的移动速度，也受温度梯度所影响。移动越快，在籽晶表面结晶速度越快；但结晶太快，原子在籽晶表面没法有序排列，造成晶体结晶缺陷、质量不佳。

石墨坩埚内碳化硅升华，主要靠石墨坩埚受中频感应线圈感应加热升温而成。在传统PVT长晶过程中，坩埚受中频感应线圈感应加热，形成高温区，使得坩埚内碳化硅升华气化，籽晶沾于冷却基座上，为低温区。在长晶过程中，气化的碳化硅源自坩埚高温区向籽晶的低温区扩散，进而在籽晶上长晶。随着籽晶逐渐长厚，坩埚中碳化硅源逐渐减少，中频感应线圈会逐步往下移动，仅能借由中频感应线圈逐渐远离感应热区，来减少中频感应线圈对坩埚的感应加热，此方式只能起到“粗调”作用，无法精确的控制轴向温度梯度，造成碳化硅单晶质量差的问题。

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，可以精确控制轴向温度梯度，获得理想的晶体生长界面，以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：

承料坩埚，用于放置碳化硅原料；

第一感应加热线圈，设置于整个承料坩埚的外周；

第二感应加热线圈，设置于第一感应加热线圈的外周；第二感应加热线圈的位置靠近承料坩埚的底部，且第二感应加热线圈的频率大于第一感应加热线圈的频率；

测温器，用于采集承料坩埚顶部与底部的温度数据；

控制器，用于接收测温器发送的温度数据，并独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以调整承料坩埚内部的轴向温度梯度。

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：

将碳化硅原料倒入承料坩埚的底部，并将碳化硅籽晶安装在坩埚盖上；

控制第一感应加热线圈对整个承料坩埚进行加热，待承料坩埚升温至碳化硅长晶预设温度时；采集承料坩埚顶部与底部的温度数据；接收测温器发送的温度数据，并独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以调整承料坩埚内部的轴向温度梯度；

碳化硅原料加热升华气化后形成气态碳化硅，气态碳化硅上升后在碳化硅籽晶结晶，形成碳化硅单晶。

与现有技术相比，本发明实施例通过在第一感应加热线圈的外侧设置第二感应加热线圈，通过控制器根据温度数据独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以达到承料坩埚内部轴向温度梯度的“微调”，从而实现精确控制轴向温度梯度、获得理想晶体生长界面、得到高质量的碳化硅单晶的目的，

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，第一感应加热线圈的频率为1～20kHz，优选地，第一感应加热线圈的频率为8kHz，第二感应加热线圈的频率为40～200kHz，优选地，第二感应加热线圈的频率为40～80kHz。

根据本发明的一个实施例，第一感应加热线圈的功率大于第二感应加热线圈。

根据本发明的一个实施例，控制器分别控制第二感应加热线圈的功率和/或第一感应加热线圈与第二感应加热线圈的轴向相对位置。

根据本发明的一个实施例，还包括盖设于承料坩埚开口上的坩埚盖，坩埚盖靠近开口的一侧安装有碳化硅籽晶。

根据本发明的一个实施例，第一感应加热线圈、第二感应加热线圈内填充有冷却介质。

根据本发明的一个实施例，测温器为红外线测温器。

根据本发明的一个实施例，将承料坩埚底部与顶部的温度差与碳化硅长晶预设温度进行比对，并根据比对结果独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈。

根据本发明的一个实施例，将承料坩埚底部与顶部的温度差与预设温度差进行比对，并根据比对结果独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈。

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为本发明第二方面实施例中三种情况下温度梯度-位置曲线图。

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：

承料坩埚10，用于放置碳化硅原料200；

第一感应加热线圈11，设置于整个承料坩埚10的外周；

第二感应加热线圈12，设置于第一感应加热线圈11的外周；第二感应加热线圈12的位置靠近承料坩埚10的底部，且第二感应加热线圈12的频率大于第一感应加热线圈11的频率；

测温器13，用于采集承料坩埚10顶部与底部的温度数据；

控制器(图内未示)，用于接收测温器13发送的温度数据，并独立控制第一感应加热线圈11和/或第二感应加热线圈12，以调整承料坩埚10内部的轴向温度梯度。

在本实施例中，承料坩埚10呈筒状，其安装在筒状的长晶石英壳体14的底部，且长晶石英壳体14与承料坩埚10同轴而设，第一感应加热线圈11以及第二感应加热线圈12均设置在长晶石英壳体14的外周，其中，第一感应加热线圈的频率11为1～20kHz，优选地，第一感应加热线圈11的频率为8kHz，第二感应加热线圈12的频率为40～200kHz，优选地，第二感应加热线圈12的频率为40～80kHz。即第一感应加热线圈属于中频感应加热线圈，第二感应加热线圈属于高频感应加热线圈。值得一提的是，第一感应加热线圈11的功率大于第二感应加热线圈12的功率，这样第一感应加热线圈11的加热效率更高。

值得一提的是，承料坩埚10的加热主要以第一感应加热线圈11为主，第二感应加热线圈12主要是针对承料坩埚10的区域性加热，在第一感应加热线圈11温度调节的基础上，第二感应加热线圈12对温度再进行“微调”，将温度梯度变得较缓和，增加了承料坩埚10内碳化硅原料温度调节的弹性。

进一步地，第一感应加热线圈11、第二感应加热线圈12内填充有冷却介质。具体地，冷却介质可以是水、冷却液、冷却气体或其他能带走热量的介质。

此外，第一感应加热线圈11的截面尺寸与第二感应加热线圈12的截面尺寸相比或大、小或相等，本实施例在此不做限定，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。

根据本发明的一个实施例，控制器可以通过分别控制第二感应加热线圈12的功率、第一感应加热线圈11与第二感应加热线圈12的轴向相对位置来调整承料坩埚内部的轴向温度梯度，以实现承料坩埚10内的温度梯度的“微调”。

举例来说，控制器可以根据温度数据调大或者调小第二感应加热线圈12的功率，与此同时，第一感应加热线圈11、第二感应加热线圈12上分别设置有升降装置，控制器可以通过控制升降装置实现第一感应加热线圈11、第二感应加热线圈12的上下移动，从而达到控制第一感应加热线圈11与第二感应加热线圈12的轴向相对位置的目的。

需要说明的是，控制器可以对第一感应加热线圈11、第二感应加热线圈12进行独立的控制，即第一感应加热线圈11、第二感应加热线圈12的控制互不影响。

值得一提的是，控制器还可以通过单独控制第二感应加热线圈12的功率或者第一感应加热线圈11与第二感应加热线圈12的轴向相对位置来调整承料坩埚内部的轴向温度梯度。

在本实施例中，测温器13可以为红外线测温器，数量可以设两个，分别架设于承料坩埚10的顶部中心以及承料坩埚10的底部中心，长晶石英壳体14的顶部和底部对应测温器13的位置分别开设通孔。

根据本发明的一个实施例，碳化硅单晶生长装置100还包括盖设于承料坩埚10开口上的坩埚盖15，坩埚盖15靠近开口的一侧安装有碳化硅籽晶16。

本发明实施例通过在第一感应加热线圈的外侧设置第二感应加热线圈，测温器可分别测量承料坩埚顶部、底部的温度，得到承料坩埚的上下温差，进而算出轴向温度梯度，通过控制器根据温度数据独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以达到承料坩埚内部轴向温度梯度的“微调”，从而实现精确控制轴向温度梯度、获得理想晶体生长界面、得到高质量的碳化硅单晶的目的。

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：

将碳化硅原料倒入承料坩埚的底部，并将碳化硅籽晶安装在坩埚盖上；

控制第一感应加热线圈对整个承料坩埚进行加热；待承料坩埚升温至碳化硅长晶预设温度时；采集承料坩埚顶部与底部的温度数据；接收测温器发送的温度数据，并独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以调整承料坩埚内部的轴向温度梯度；

碳化硅原料加热升华气化后形成气态碳化硅，气态碳化硅上升后在碳化硅籽晶结晶，形成碳化硅单晶。

根据本发明的一个实施例，将承料坩埚底部与顶部的温度差与碳化硅长晶预设温度进行比对，并根据比对结果独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈。举例来说，若承料坩埚底部与顶部的温度差与碳化硅长晶预设温度相比较小，则缓慢调整第一感应加热线圈朝下移动，第二感应加热线圈朝上移动，直至承料坩埚底部与顶部的温度差与碳化硅长晶预设温度相等。

根据本发明的一个实施例，将承料坩埚底部与顶部的温度差与预设温度差进行比对，并根据比对结果独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈。举例来说，若承料坩埚底部与顶部的温度差与预设温度差相比变大了，则调小第二感应加热线圈的功率、第一感应加热线圈与第二感应加热线圈的相对位置直至承料坩埚底部与顶部的温度差与预设温度差相等。

为了验证本发明实施例中第二感应加热线圈的“微调”效果，本发明分别在以下三种情况下对承料坩埚不同位置的温度梯度进行了统计，并以承料坩埚的轴向位置为纵坐标，以温度梯度为横坐标绘制了温度梯度-位置曲线，具体如图2中的A、B、C所示。

其中，图2中的A、B、C分别针对以下三种情况：

1、传统碳化晶长晶装置中仅设置第一感应加热线圈所形成的温度梯度-位置曲线图；

2、本实施例中的碳化硅单晶生长装置，未对第一感应加热线圈、第二感应加热线圈进行调整所形成的温度梯度-位置曲线图；

3、本实施例中的碳化硅单晶生长装置，增加第二感应加热线圈的功率，且控制第一感应加热线圈、第二感应加热线圈朝靠近所述承料坩埚底部的方向移动一段距离后所形成的温度梯度-位置曲线图。

对比图2中的温度梯度-位置曲线可知，三者的温度梯度的变化逐渐平稳，A中的温度梯度变化最为陡峭，这样导致籽晶生长速率突变，晶体质量差，C中的温度梯度变化最为平稳，说明本实施例中第二感应加热线圈的“微调”效果明显，使得温度梯度的变化更加的精细、平稳，从而达到了制造高质量的碳化硅单晶的目的。

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 (10)

1.一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于，包括：

承料坩埚，用于放置碳化硅原料；

第一感应加热线圈，设置于整个所述承料坩埚的外周；

第二感应加热线圈，设置于所述第一感应加热线圈的外周；所述第二感应加热线圈的位置靠近所述承料坩埚的底部，且所述第二感应加热线圈的频率大于所述第一感应加热线圈的频率；

测温器，用于采集所述承料坩埚顶部与底部的温度数据；

控制器，用于接收所述测温器发送的温度数据，并独立控制所述第一感应加热线圈和/或所述第二感应加热线圈，以调整所述承料坩埚内部的轴向温度梯度。

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，所述第一感应加热线圈的频率为1～20kHz，优选地，所述第一感应加热线圈的频率为8kHz，所述第二感应加热线圈的频率为40～200kHz，优选地，所述第二感应加热线圈的频率为40～80kHz。

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，所述第一感应加热线圈的输出功率大于所述第二感应加热线圈的输出功率。

4.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述控制器分别控制所述第二感应加热线圈的功率和/或所述第一感应加热线圈与所述第二感应加热线圈的轴向相对位置。

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，还包括盖设于所述承料坩埚开口上的坩埚盖，所述坩埚盖靠近所述开口的一侧安装有碳化硅籽晶。

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，所述第一感应加热线圈、第二感应加热线圈内填充有冷却介质。

7.根据权利要求1～6任一项所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述测温器为红外线测温器。

8.一种采用权利要求5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：

将碳化硅原料倒入承料坩埚的底部，并将碳化硅籽晶安装在坩埚盖上；

控制第一感应加热线圈对整个所述承料坩埚进行加热，待所述承料坩埚升温至碳化硅长晶预设温度时；采集所述承料坩埚顶部与底部的温度数据；接收所述测温器发送的温度数据，并独立控制所述第一感应加热线圈和/或所述第二感应加热线圈，以调整所述承料坩埚内部的轴向温度梯度；

所述碳化硅原料加热升华气化后形成气态碳化硅，所述气态碳化硅上升后在所述碳化硅籽晶结晶，形成碳化硅单晶。

9.根据权利要求8所述的制造碳化硅单晶的方法，其特征在于，将所述承料坩埚底部与顶部的温度差与所述碳化硅长晶预设温度进行比对，并根据比对结果独立控制所述第一感应加热线圈和/或所述第二感应加热线圈。

10.根据权利要求8所述的制造碳化硅单晶的方法，其特征在于，将所述承料坩埚底部与顶部的温度差与预设温度差进行比对，并根据比对结果独立控制所述第一感应加热线圈和/或所述第二感应加热线圈。