CN111394787A - 一种pvt法生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种PVT法生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构。它包括中频加热线圈、石墨毡保温层、内坩埚、籽晶托、外坩埚、气体冷却装置和外坩埚盖，中频加热线圈设置在石墨毡保温层外圈，石墨毡保温层设置在外坩埚外圈，内坩埚与外坩埚构成可分离式嵌套结构的坩埚，内坩埚内装填碳化硅原料，籽晶托为内坩埚盖设置在内坩埚上方，外坩埚的坩埚壁呈梯度分布，由下至上直径逐渐变小，外坩埚盖上部设有均匀的气体冷却装置。本发明能够提高热场稳定性，使得工艺重现性大幅提高，从而提高大尺寸碳化硅晶体的质量，解决现有技术中的问题。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅单晶生长领域，具体涉及一种PVT法生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构。
背景技术
碳化硅晶体作为重要的第三代宽禁带半导体材料而受到广泛关注，碳化硅单晶具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场和高电子饱和迁移速率等优点，适用于高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀、耐高温等极端条件下功率电子器件。
目前，碳化硅晶体的生长普遍采用行物理气相传输法(Physical VaporTransport-PVT)，通过感应线圈加热石墨坩埚使碳化硅粉末升华，在石墨坩埚内部轴向温度梯度的驱动下输运到坩埚盖上籽晶处结晶生长。PVT法很难生长大尺寸（4英寸以上）的碳化硅晶体，且由于石墨坩埚在生长过程中提供碳源，存在设备温场的稳定性差、工艺重现性概率低、籽晶背向蒸发以及生长碳化硅晶体的过程难于控制等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高热场稳定性，使得工艺重现性大幅提高，从而提高大尺寸碳化硅晶体的质量，解决现有技术中问题的PVT法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：它包括中频加热线圈、石墨毡保温层、内坩埚、籽晶托、外坩埚、气体冷却装置和外坩埚盖，中频加热线圈设置在石墨毡保温层外圈，石墨毡保温层设置在外坩埚外圈，内坩埚与外坩埚构成可分离式嵌套结构的坩埚，内坩埚内装填碳化硅原料，籽晶托为内坩埚盖设置在内坩埚上方，外坩埚的坩埚壁呈梯度分布，由下至上直径逐渐变小，外坩埚盖上部设有均匀的气体冷却装置。
外坩埚盖设置有气体冷却装置，在晶体生长过程中能够控制晶体生长速率及避免籽晶背向蒸发。在晶体生长过程中外坩埚提供稳定的热场结构，内坩埚提供碳源，内、外坩埚可分离的设计可以保证外坩埚的稳定性，从而保证热场的稳定性。外坩埚盖上部设有均匀的气体冷却装置，在晶体生长过程中，通过调节轴向的温度梯度来避免籽晶的背向蒸发，从而进一步提高晶体质量。
本发明还有这样一些特征：
1、所述的外坩埚的坩埚壁由下至上直径渐变角度为10~40°范围内。
2、所述的气体冷却装置内包括呈环形均匀分布在外坩埚盖上部的冷却管，冷却管直径为10-20mm，冷却管排布间隙为50-100mm范围内，冷却管为钨管或钼管，冷却管内填充的冷却气体为氩气或氮气。
3、所述的外坩埚内侧设置有保证内、外坩埚可分离的铱金镀层。
本发明采用中频感应加热线圈的加热原理类似于加工电磁炉。中频感应加热线圈是常用于工业生产的设备，其原理为将工频50Hz交流电转变为中频（300Hz以上至20K Hz）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流供给感应线圈，在感应圈中产生高密度的磁力线，磁力线切割感应线圈中导体（石墨坩埚），在坩埚中产生很大的具有中频电流性质的涡流，坩埚自身的自由电子在有电阻的石墨坩埚里流动从而满足焦耳定律产生热量。本发明为热场结构，中频感应加热线圈为常用工业加热设备。
本发明晶体生长过程中调节轴向温度梯度的过程与方法是通过气体冷却装置实现的，气体冷却装置能够对坩埚顶部进行冷却，从而调节了坩埚内部轴向（竖直方向）的温度梯度。外坩埚的坩埚壁呈梯度分布，根据生长情况，可对外坩埚进行加工，更改坩埚底部保温能力，从而调节坩埚内的轴向温场。这样做的好处在于仅通过外坩埚调节温场，内坩埚盛放原料，改变外坩埚单一变量能获得更好的设备稳定性。
本发明的有益效果在于：
1、内坩埚与外坩埚成可分离式嵌套结构，外坩埚提供稳定的热场结构，极大的提高了热场稳定和工艺重现性。
2、内坩埚与外坩埚成可分离式嵌套结构，在晶体生长过程中内坩埚装填碳化硅原料以及在晶体生长过程中提供碳源，在设备维修上仅需要更换内坩埚，从而降低生产成本。
3、外坩埚盖上部设有均匀的气体冷却装置，能够快速调节设备轴向热场，避免籽晶的背向蒸发，保证晶体质量。
四、附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为气体冷却装置冷却系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1，本实施例包括中频加热线圈1、石墨毡保温层2、内坩埚3、籽晶托4、外坩埚5、气体冷却装置6和外坩埚盖7，中频加热线圈1设置在石墨毡保温层2外圈，石墨毡保温层2设置在外坩埚5外圈，内坩埚3与外坩埚5构成可分离式嵌套结构的坩埚，其中内坩埚装填碳化硅原料，籽晶托4为内坩埚盖设置在内坩埚3上方。外坩埚由下至上直径逐渐变小，通过中心加热线圈1感应加热以形成合理的温度梯度，外坩埚盖7带有气体冷却装置6，坩埚放置于石墨毡保温层2内。双层坩埚嵌套结构能够保证热场的稳定性，在晶体生长过程中能够提供合理的温场、控制晶体生长速率。通过气体冷却装置调节轴向温度梯度，避免籽晶背向蒸发，从而提高碳化硅晶体质量。本实施例外坩埚的坩埚壁呈梯度分布，由下至上直径逐渐变小，渐变角度为25-30°范围内。外坩埚内侧设置有保证内、外坩埚可分离的铱金镀层。
结合图2，气体冷却装置内包括呈环形均匀分布在外坩埚盖上部的冷却管，冷却管直径为15mm，冷却管排布间隙为80mm范围内，冷却管为钨管或钼管，冷却管内填充的冷却气体为氩气或氮气。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于具有本发明所属领域基础知识的人员来讲，可以很容易对本发明进行变更和修改，这些变更和修改都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (4)
1.一种PVT法生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于它包括中频加热线圈、石墨毡保温层、内坩埚、籽晶托、外坩埚、气体冷却装置和外坩埚盖，中频加热线圈设置在石墨毡保温层外圈，石墨毡保温层设置在外坩埚外圈，内坩埚与外坩埚构成可分离式嵌套结构的坩埚，内坩埚内装填碳化硅原料，籽晶托为内坩埚盖设置在内坩埚上方，外坩埚的坩埚壁呈梯度分布，由下至上直径逐渐变小，外坩埚盖上部设有均匀的气体冷却装置。
2.根据权利要求1所述的一种PVT法生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的外坩埚的坩埚壁由下至上直径渐变角度为10~40°范围内。
3.根据权利要求2所述的一种PVT法生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的气体冷却装置包括呈环形均匀分布在外坩埚盖上部的冷却管，冷却管直径为10-20mm，冷却管排布间隙为50-100mm范围内，冷却管为钨管或钼管，冷却管内填充的冷却气体为氩气或氮气。
4.根据权利要求3所述的一种PVT法生长大尺寸碳化硅单晶的热场结构，其特征在于所述的外坩埚内侧设置有保证内、外坩埚可分离的铱金镀层。
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