CN110408987A - 晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种晶体生长炉。该晶体生长炉用于碳化硅晶体的生长，包括：坩埚及设置于坩埚内环形石墨片；坩埚的顶部用于承载待加工件，环形石墨片与坩埚的底壁之间的空间用于容置碳化硅原料；环形石墨片的外边缘与坩埚内壁贴合，用于阻挡坩埚内壁处的碳化硅原料高温碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面。本申请实施例可以有效防止在碳化硅晶体生长工艺时坩埚内壁处碳化硅原料碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面，从而可以有效减少碳化硅晶体中的碳包裹物，提升碳化硅晶体质量。

Description

晶体生长炉

技术领域

本申请涉及半导体加工技术领域，具体而言，本申请涉及一种晶体生长炉。

背景技术

目前，碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、化学性能稳定、高硬度及抗磨损等特点，使得碳化硅器件在航空、航天探测、核能开发、石油、地热钻井勘探及汽车发动机等领域有着重要的应用。

在碳化硅晶体生长技术方面，目前主要采用物理气相传输(Physical VaporTransport，PVT)法生长碳化硅晶体。物理气相传输法生长碳化硅晶体的基本原理，即使碳化硅原料处温度较高，待加工件处温度稍低，进而处于温度较高处的碳化硅原料发生分解，产生Si_XC_y气相物质(主要包含Si、Si₂C、SiC₂等)，这些气相物质在温度梯度的驱动下运输到籽晶处，在籽晶处形核、长大，最终结晶形成碳化硅晶体。物理气相传输法生长碳化硅晶体过程中，碳化硅晶体中的碳包裹物往往会导致微管、位错等缺陷的形成，碳包裹物是影响碳化硅晶体质量的重要因素，减少碳化硅晶体中的碳包裹物，对提升碳化硅晶体质量是非常必要的。实验表明，碳化硅晶体生长过程中碳包裹物，主要来源于石墨坩埚内壁处碳化硅原料的碳化。如何阻止碳化硅原料碳化后形成的碳颗粒进入晶体生长界面，是减少碳化硅晶体碳包裹物的关键。

发明内容

本申请针对现有方式的缺点，提出一种晶体生长炉，用以解决现有技术存在如何减少碳化硅晶体碳包裹物的技术问题。

本申请实施例提供了一种晶体生长炉，用于碳化硅晶体的生长，包括：坩埚及设置于所述坩埚内的环形石墨片，所述坩埚的顶部用于承载待加工件，所述环形石墨片与所述坩埚的底壁之间的空间用于容置碳化硅原料；所述环形石墨片的外边缘与所述坩埚内壁贴合，用于阻挡所述坩埚内壁处的碳化硅原料高温碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面。

于本申请的一实施例中，所述环形石墨片的内径为70毫米～100毫米。

于本申请的一实施例中，所述环形石墨片轴向的厚度为2毫米～4毫米。

于本申请的一实施例中，所述环形石墨片轴向上贯穿有多个通孔，且多个所述通孔均匀分布于所述环形石墨片上，多个所述通孔的直径均为1毫米～3毫米。

于本申请的一实施例中，所述环形石墨片的材料为多孔石墨，所述多孔石墨的孔隙率为10％～15％。

于本申请的一实施例中，所述坩埚内壁沿径向凸设有台阶，所述台阶用于承载所述环形石墨片。

于本申请的一实施例中，所述环形石墨片为经过预烧处理的后环形石墨片。

于本申请的一实施例中，所述预烧处理的温度为2250℃～2400℃之间，并且所述预烧处理的时间为4小时～10小时。

于本申请的一实施例中，所述环形石墨片为清洗且烘干处理后的环形石墨。

于本申请的一实施例中，所述晶体生长炉还包括热场、石墨板、石墨纸以及如第一个方面提供的晶体生长炉，所述热场包覆于所述坩埚的外侧；所述石墨板及所述石墨纸依次设置于所述坩埚内的顶部，所述石墨纸用于承载所述待加工件。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：

本申请实施例通过在晶体生长炉内增设环形石墨片，进行工艺时，使得待加工件和碳化硅原料之间设置有环形石墨片，由于环形石墨片的边缘与坩埚的内壁贴合，可以有效防止在碳化硅晶体生长工艺时坩埚内壁处碳化硅原料碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面，从而可以有效减少碳化硅晶体中的碳包裹物，提升碳化硅晶体质量。另外由于环形石墨片的中空结构设计，还可以避免由于非环形石墨片的中心腐蚀从而引入新的碳源，能进一步的减少碳化硅晶体中的碳包裹物，从而可以进一步的提升碳化硅晶体质量。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的一种晶体生长炉的剖视示意图；

图2为本申请实施例提供的一种环形石墨片的立体示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

第一个方面，本申请实施例提供了一种晶体生长炉，用于碳化硅晶体的生长，该晶体生长炉的结构如图1所示，具体包括：坩埚1及设置于坩埚1内的环形石墨片2；坩埚1的顶部用于承载待加工件4，环形石墨片2与坩锅1的底壁之间的空间用于容置碳化硅原料，环形石墨片2的外边缘与坩埚1内壁贴合，用于阻挡坩锅1内壁处的碳化硅原料3高温碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面。

如图1所示，坩埚1具体来说可以采用石墨材质的坩埚1。具体来说，坩埚1具体可以包括本体11及盖体12，盖体12与本体11外径相同，盖体12可以与本体11配合以形成容置空间。在实际应用时，碳化硅原料3可以设置于容置空间的底部，而待加工件4则可以设置于容置空间的顶部，并且可以设置于盖体12上。环形石墨片2设置于坩埚1的内部，即设置于容置空间内，并且环形石墨片2设置于碳化硅原料3及待加工件4之间。环形石墨片2的外边缘可以与坩埚1的内壁贴合设置，当实际应用时环形石墨片2可以阻挡坩埚1的内壁处碳化硅原料4在高温状态下形成的碳颗粒进入晶体生长晶面。

为便于理解本申请实施例，以下结合物理气相传输原理对本申请实施例进行说明。如图1所示，碳化硅原料3在高温条件下由固相升华形成气相碳和硅的化合物，在待加工件4表面沉积结晶形成碳化硅晶体。物理气相传输生长碳化硅晶体采用中频感应加热，由于坩埚1内壁处温度较高，造成坩埚1内壁的碳化硅原料3碳化，形成大量残留的碳颗粒，这些碳颗粒在气体对流与热泳力的作用下，可以克服重力到达晶体生长界面，在碳化硅晶体表面形成碳包裹物。而采用环形石墨片2，可以挡住坩埚1内壁附近的碳颗粒进入晶体生长界面；另外由于坩埚1边缘温度高中间温度低，造成非环形石墨片2中部容易腐蚀，但是由于本申请实施例的环形石墨片2具有中空结构，可以避免引入新的碳源，不会在碳化硅晶体中心形成碳包裹物。

本申请实施例通过待加工件和碳化硅原料之间增加环形石墨片，由于环形石墨片的边缘与坩埚的内壁贴合，可以有效防止在碳化硅晶体生长工艺时坩埚内壁处的碳化硅原料碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面，从而可以有效减少碳化硅晶体中的碳包裹物，提升碳化硅晶体质量。另外由于环形石墨片的中空结构设计，还可以避免由于非环形石墨片的中心腐蚀从而引入新的碳源，能进一步的减少碳化硅晶体中的碳包裹物，从而可以进一步的提升碳化硅晶体质量。

于本申请的一实施例中，环形石墨片2的外径与坩埚1的内径相同，并且环形石墨片2的内径为70毫米～100毫米。可选地，坩埚内壁沿径向凸设有台阶，台阶用于承载环形石墨片。

如图1及图2所示，环形石墨片2可以采用一圆环结构，环形石墨片2的外径尺寸可以与坩埚1的内径尺寸相匹配。具体来说，环形石墨片2可以位于碳化硅原料3的上方，并且坩埚1内壁上可以凸设有台阶，而环形石墨片2可以设置于台阶上并且与坩埚1内壁贴合。在实际应用时，由于坩埚1内壁处的温度较高会导致碳化硅原料3碳化而形成碳颗粒，而环形石墨片2则可以阻挡碳颗粒进入晶体生长界面，从而可以有效减少碳化硅晶体中的碳包裹物，进而可以有效提升碳化硅晶体质量。采用上述设计，可以使得环形石墨片2与坩埚1的内壁贴合效果更佳，防止碳颗粒通过环形石墨片2进入晶体生长界面，从而可以提高碳化硅晶体的质量，进而还可以有效提高经济效益。可选地，环形石墨片2的内径可以为75毫米、80毫米或者90毫米，环形石墨片2内径可以根据坩埚1的尺寸对应设置，本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

需要说明的是，本申请实施例并不限定环形石墨片与坩埚的配合方式，例如环形石墨片可以直接卡合于坩埚的内壁上，因此本申请实施例对此并不进行限定，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置

于本申请的一实施例中，如图1及图2所示，环形石墨片2轴向的厚度为2毫米～4毫米。采用上述设计，可以避免环形石墨片2较厚从而影响气化的碳化硅原料3传输至待加工件4，从而可以提高本申请实施例的工作效率。另一方面采用上述设计还可以节省成本，从而提高本申请实施例的经济效益。可选地，环形石墨片2的厚度还可以是3毫米。需要说明的是，本申请实施例对于环形石墨片2的厚度并不限定，本领域技术人员可以根据工艺需求自行调整设置。

于本申请的一实施例中，环形石墨片2轴向上贯穿有多个通孔21，且多个通孔21均匀分布于环形石墨片2上，多个通孔21的直径为1毫米～3毫米。如图2所示，多个通孔21可以均匀的分布于环形石墨片2上，多个通孔21的直径可以为1毫米～3毫米之间，气化后的碳化硅原料3可以通过多个通孔21进入晶体生长界面。采用上述设计，可以有效的降低晶体生长界面的硅碳比，从而有利于碳化硅晶体生长晶型的稳定，进而可以有效提高碳化硅晶体的质量。需要说明的是，本申请实施例并不限定多个通孔21的具体实施方式，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置，例如多个通孔21的直径不同，且采用无序方式排布于环形石墨片2上，因此本申请实施例并不以此为限。

于本申请的一实施例中，如图2所示，环形石墨片2的材料为多孔石墨，多孔石墨的孔隙率为10％～15％。环形石墨片2可以采用多孔石墨材料制成，其本身的孔隙率可以为10％、12％、13％，由于环形石墨片2可以设置有多个通孔21，因此气相后的碳化硅原料可以经多个通孔21穿过，因此环形石墨片2本身的孔隙率可以为上述数值。采用上述设计，使得本申请实施例可以采用相对较低孔隙率的环形石墨片，可以有效降低本申请实施例的成本，进而还可以有效提高本申请实施例的成本。需要说明的是，本申请实施例对于环形石墨片2本身的孔隙率并不进行限定，本领域技术人员可以根据实际工艺需求自行调整设置。

于本申请的一实施例中，环形石墨片为经过预烧处理后的环形石墨片。可选地,预烧处理的温度为2250℃～2400℃之间，并且预烧处理的时间为4小时～10小时。预烧处理可以有效去除对环形石墨片2表面及孔隙内的杂质，并且可以将预烧处理后的环形石墨片2进行清洗，可以进一步去除环形石墨片2吸附的杂质，进而可以提高环形石墨片2的洁净率，因此环形石墨片2可以采用预烧处理并且清洗后的环形石墨片。进一步的，环形石墨片2预烧处理的温度可以采用2250℃、2300℃、2350℃及2400℃的任意一个；预烧时间可以4小时、5小时、7小时、9小时或者10小时。于本申请的一些实施例中，预烧处理的温度与预烧处理的时间可呈反比，即预烧处理的温度越高则预烧处理的时间越短。需要说明的是，本申请实施例对于预烧温度及时间并不进行限定，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，预烧处理后的环形石墨片2可以在预烧处理完成后置入有机溶剂内进行清洗，有机溶剂可以是酒精或者丙酮。采用上述有机溶剂可以有效清除环形石墨片表面的杂质，从而可以有效提高环形石墨片表面的清洁率。

于本申请的一实施例中，环形石墨片为清洗且烘干处理后的环形石墨。具体来说，在环形石墨片2进行预烧处理之前，可以预先对环形石墨片2进行清洗并烘干处理。为了避免环形石墨片2孔隙内吸附有杂质，可以将环形石墨片2置入清洗液中进行清洗，以去除环形石墨片2表面及孔隙内吸附的杂质。对环形石墨片2进行烘干可以避免表面及孔隙内吸附有清洗液。采用上述设计，可以有效的提高本申请实施例的清洁率，进而可以有效提高碳化硅晶体的质量。可选地，将环形石墨片2置入去离子水中进行超声波清洗，将清洗后的环形石墨片2在真空状态下加热烘干。采用上述设计，可以进一步提高环形石墨片的清洁率，进而可以有效提高碳化硅晶体的质量。

但是本申请实施例对于环形石墨片的清洗并烘干的处理并不进行限定，例如也可以采用其它方式，或者也可以直接省略对环形石墨片的清洗并烘干处理。因此本申请实施例对此并不进行限定,本领域技术人员也可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，该晶体生长炉还包括热场5、石墨板6及石墨纸7，热场5包覆于所述坩埚1的外侧，石墨板6及石墨纸7依次设置于坩埚1内的顶部，所述石墨纸7用于承载待加工件4。

如图1所示，热场5可以是由保温材料制成的保温层，其可以包覆于坩埚1的外侧以对坩埚1进行保温，例如热场5可以是由保温毡制成。热场5可以提高坩埚1进入碳化硅晶体生长工艺所需要的条件的速度，从而可以提高本申请实施例的效率。需要说明的是，本申请实施例并不限定热场5的具体实施方式，例如在一些其他实施例中，热场5也可以是充入坩埚1外侧封闭空间内的惰性气体，因此本申请实施例并不以此为限。石墨板6可以采用粘接的方式设置于坩埚1的顶部，例如设置坩埚1的盖体12上。石墨纸7同样可以设置于石墨板6上，石墨纸7的下方用于设置待加工件4。采用上述设置，可以使得本申请实施结构简单使用方便。

于本申请的一实施例中，碳化硅晶体为4H碳化硅晶体。本申请实施例可以应用多种类型的碳化硅晶体的生长，例如其可以是4H碳化硅或者其它类型的碳化硅晶体。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况对本申请实施例作出调整。

基于相同的发明构思，第二个方面，本申请实施例提供一晶体生长炉的应用方法，该应用方法包括：

提供设置有碳化硅原料和待加工件的晶体生长炉，其中，晶体生长炉为第一个方面提供的晶体生长炉，碳化硅原料和待加工件分别位于环形石墨片的两侧。

具体来说，可以提供如第一个方面提供的晶体生长炉，并且预先可以在坩埚内设置有碳化硅原料和待加工件，然后再将环形石墨片设置于坩埚内，其具体设置方式可以参照前述实施例，于此不再赘述。需要说明的是，本申请实施例并不限定装入碳化硅原料、待加工件及环形石墨片的具体顺序，本领域技术人员可以根据实际需求自行调整设置。由于环形石墨片的结构还可以设置好环形石墨片之后再将碳化硅原料装入坩锅内，因此有效提高了本申请实施例的易用性及便捷性，进而可以有效提高本申请实施例的工作效率。

可选地，对设置有碳化硅原料和待加工件的晶体生长炉进行加热，以使得晶体生长炉达到工艺温度。

例如，可以将晶体生长炉设置于生长设备的炉室中，并且在炉室内进行加热，以使得晶体生长炉可以达到工艺温度。但是本申请实施例并不以此为限，也可以通过其他方式对晶体生长炉进行加热，以使得其可以达到工艺温度，因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据工艺需求自行调整设置。

应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：

本申请实施例通过在晶体生长炉内设置环形石墨片，使得环形石墨片设置于待加工件和碳化硅原料之间，由于环形石墨片的边缘与坩埚的内壁贴合，可以有效防止在碳化硅晶体生长工艺时坩埚内壁处碳化硅原料碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面，从而可以有效减少碳化硅晶体中的碳包裹物，提升碳化硅晶体质量。另外由于环形石墨片的中空结构设计，还可以避免由于非环形石墨片的中心腐蚀从而引入新的碳源，能进一步的减少碳化硅晶体中的碳包裹物，从而可以进一步的提升碳化硅晶体质量。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶体生长炉，用于碳化硅晶体的生长，其特征在于，包括：坩埚及设置于所述坩埚内的环形石墨片，所述坩埚的顶部用于承载待加工件，所述环形石墨片与所述坩埚的底壁之间的空间用于容置碳化硅原料；所述环形石墨片的外边缘与所述坩埚内壁贴合，用于阻挡所述坩埚内壁处的碳化硅原料高温碳化后的碳颗粒进入晶体生长界面。

2.如权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，所述环形石墨片的内径为70毫米～100毫米。

3.如权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，所述环形石墨片轴向的厚度为2毫米～4毫米。

4.如权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，所述环形石墨片轴向上贯穿有多个通孔，且所述多个通孔均匀分布于所述环形石墨片上，多个所述通孔的直径均为1毫米～3毫米。

5.如权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，所述环形石墨片的材料为多孔石墨，所述多孔石墨的孔隙率为10％～15％。

6.如权利要求1至5的任一项所述的晶体生长炉，其特征在于，所述坩埚内壁沿径向凸设有台阶，所述台阶用于承载所述环形石墨片。

7.如权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，所述环形石墨片为经过预烧处理的后环形石墨片。

8.如权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，所述预烧处理的温度为2250℃～2400℃之间，并且所述预烧处理的时间为4小时～10小时。

9.如权利要求7所述的晶体生长炉，其特征在于，所述环形石墨片为清洗且烘干处理后的环形石墨。

10.如权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，还包括热场、石墨板及石墨纸，所述热场包覆于所述坩埚的外侧，所述石墨板及所述石墨纸依次设置于所述坩埚内的顶部，所述石墨纸用于承载所述待加工件。