CN111663184A - 一种新型等离子升华结晶炉及碳化硅晶体棒的制备方法 - Google Patents

一种新型等离子升华结晶炉及碳化硅晶体棒的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种新型等离子升华结晶炉及碳化硅晶体棒的制备方法，其中，所述新型等离子升华结晶炉包括密封腔体，设置在所述密封腔体内的结晶模具以及等离子加热器，所述等离子加热器用于对放置在密封腔体内的碳化硅进行加热生成气化碳化硅，所述结晶模具用于将所述气化碳化硅聚集并结晶生成碳化硅晶体棒。本发明采用等离子加热器直接对碳化硅进行加热使其气化，能够提升热能利用效率，使得碳化硅晶体棒的制备效率更高，更节能；所述等离子加热器可根据不同的材质调节不同的温度，操作方便；且所述等离子加热器的加热区域可调。

Description

一种新型等离子升华结晶炉及碳化硅晶体棒的制备方法
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体棒的制备领域，特别涉及一种新型等离子升华结晶炉及碳化硅晶体棒的制备方法。
背景技术
碳化硅(俗称金刚砂)半导体材料已经被广泛应用，由于其耐高压、可以承受大电流以及高频率开关等特性，新型二极管、MOS或者IGBT都在开发以碳化硅为衬底的半导体材料。碳化硅的结晶过程尤其复杂繁琐，它是以碳化硅粉体或者颗粒为原料，在保护气体的保护下高温加热到2700℃左右的时候，碳化硅会气化，在加热碳化硅的上方放置一个温度较低的冷却物体，则所述碳化硅气体会在所述冷却物体的表面重新结晶形成完整的晶体结构。
然而，传统加热通常是通过电阻丝加热炉子底部，整个炉子都要升高温度后，被加热的碳化硅才会温度升高，且远离加热电阻丝的金刚砂需要经过其他金刚砂的传导才能升温，这种加热方式热能利用率低，且结晶效率低下，通过需要经过7天左右的加热以及重新结晶，才可长成一根碳化硅晶体棒。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型等离子升华结晶炉及碳化硅晶体棒的制备方法，旨在解决现有制备碳化硅晶体棒的方法存在效率低、耗能大的问题。
本发明的技术方案如下：
一种新型等离子升华结晶炉，其中，包括密封腔体，设置在所述密封腔体内的结晶模具以及等离子加热器，所述等离子加热器用于对放置在密封腔体内的碳化硅进行加热生成气化碳化硅，所述结晶模具用于将所述气化碳化硅聚集并结晶生成碳化硅晶体棒。
所述的新型等离子升华结晶炉，其中，所述结晶模具为棒状结构。
所述的新型等离子升华结晶炉，其中，所述密封腔体内还设置有通入惰性气体的充气孔。
一种基于新型等离子升华结晶炉的碳化硅晶体棒的制备方法，其中，包括步骤：
向密封空间内通入惰性气体；
采用等离子加热器对放置在所述密封腔体内的碳化硅进行加热，得到气化碳化硅；
通过所述结晶模具使气化碳化硅重新结晶，形成完整的碳化硅晶体棒。
所述碳化硅晶体棒的制备方法，其中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或氖气中的一种。
所述碳化硅晶体棒的制备方法，其中，所述等离子加热器的加热温度为2000-3000℃。
有益效果：本发明提供了一种新型等离子升华结晶炉，其包括密封腔体，设置在所述密封腔体内的结晶模具以及等离子加热器，所述等离子加热器用于对放置在密封腔体内的碳化硅进行加热生成气化碳化硅，所述结晶模具用于将所述气化碳化硅聚集并结晶生成碳化硅晶体棒。本发明通过等离子加热器直接对碳化硅进行加热使其气化，能够提升热能利用效率，使得碳化硅晶体棒的制备效率更高，更节能。
附图说明
图1为本发明一种新型等离子升华结晶炉较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明一种碳化硅晶体棒的制备方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种新型等离子升华结晶炉及碳化硅晶体棒的制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术通常将碳化硅放置在加热炉中，通过设置在所述加热炉底部的电阻丝对整个加热炉进行加热，整个加热炉都升高温度后，位于其中的碳化硅才会升温，并且远离加热电阻丝的碳化硅需要经过其他碳化硅的传导才能升温，这种加热方式热能利用率低，且结晶效率低下，通过需要经过7天左右的加热以及重新结晶，才可长成一根碳化硅晶体棒。
基于现有技术所存在的问题，本发明提供了一种新型等离子升华结晶炉，如图1所示，其包括密封腔体10，设置在所述密封腔体10内的结晶模具20以及等离子加热器30，所述等离子加热器30用于对放置在密封腔体10内的碳化硅进行加热生成气化碳化硅，所述结晶模具20用于将所述气化碳化硅聚集并结晶生成碳化硅晶体棒。
本实施例采用等离子加热器直接对碳化硅进行加热使其气化，能够提升热能利用效率，使得碳化硅晶体棒的制备效率更高，更节能；所述等离子加热器可根据不同的材质调节不同的温度，操作方便；且所述等离子加热器的加热区域可调。
在一些实施方式中，所述结晶模具为棒状结构，但不限于此。本实施例中，所述结晶模具为温度较低的冷却物体，所述气化碳化硅遇到温度较低的所述结晶模具后，在其表面重新结晶生成与所述结晶模具相应形状的碳化硅晶体棒。
在一些实施方式中，所述密封腔体内还设置有通入惰性气体的充气孔。
在一些实施方式中，所述等离子加热器30是利用工作气体电离形成等离子体的高温和等离子体中自由电子与正离子复合时释放的能量进行的电加热，工作气体根据使用要求有氮、氢、氩，或氮和氩、氩和氢的混合气体等。气体电离形成的等离子体是由未电离的气体分子、原子以及总电荷量相等的正离子、自由电子和负离子组成的，其聚集态列在固态、液态和气态之后，称为物质的第四态。等离子体在总体上呈中性，但有较大的导电率，其运动主要受电磁力的支配。等离子体有很高的温度，气体电离的程度愈高，等离子体的温度也愈高。
在一些实施方式中，采用等离子加热器对碳化硅进行加热具有温度高、功率密度大、热量集中的特点，且等离子体一般呈中性，可避免待净化材料的氧化和还原，还可在真空或惰性气氛中加热，与电子束加热和激光加热相比，设备和生产费用都较低。因此，本实施例采用等离子加热器对碳化硅直接加热使其气化，可有效提升热利用率，从而达到节能的目的。
在一些实施方式中，根据电离度的不同，等离子体分为超高温、超高能量密度的完全电离等离子体(如核聚度)和电离度不足1％的弱电离等离子体(如电弧放电等)两大类，本实施例应用的等离子体属后者，这种弱电离等离子体根据其中性粒子、离子、电子三者之间是否呈热平衡态，又分为平衡等离子体，即高温等离子体和非平衡等离子体(即低温等离子体)两类。高温等离子体的温度很高，约为4500℃至数万摄氏度，热容量也非常大，可用于物料的加热、熔化；低温等离子体是在真空条件下，用高压电场或灯丝电子发射等方法使工作气体电离而成，温度较低，一般不超过1000℃，而且热容量也非常小，主要用于材料表面处理。
在一些实施方式中，所述等离子加热器可以为等离子加热枪。所述等离子加热枪包括电弧等离子枪和高频等离子枪两种，所述等离子加热枪的原理为：阴极(通常用钍钨或铈钨电极)与作为阳极的铜喷嘴之间产生由工作气体弧光放电而形成的电弧，电弧等离子体由于工作气体的压力和喷嘴口的压缩而形成小直径的流束，其温度在3000℃左右，气流速率一般在10m/s以上，可高达5000m/s。因为电弧没有转移到被加热物料上，所以叫非转移弧式；若电极与喷嘴之间产生的电弧在生成后即被转移到接电源阳极的物料上，则叫转移弧式。在阴极与物料间的电弧由于机械压缩效应(由喷嘴口引起)、热收缩效应(由于弧柱中心比其外围温度高、电离度高、导电率大，电流自然趋于弧柱中心)和磁压缩效应(由弧柱本身的磁场引起)三者的联合作用，而受到强烈压缩，弧柱变得细长(细如针，也可长到1m以上)。在与弧柱内部膨胀压力保持平衡的条件下，弧柱中心气体高度电离，其温度可达10000～52000℃，气流速度可高达10000m/s。转移弧等离子枪在等离子加热中用得最广。在实际应用中，有时除阴极与物料之间的电弧-主电弧外，仍保留阴极与铜喷嘴间的电弧-维持电弧。
工作气体分别通过高频感应线圈和电容式电极激发电离，所生成的等离子体可经由喷口喷出形成等离子体焰，也可留在工作区内供加热物料用。高频等离子体的优点是不受电极材料的污染，但生产成本高，发生器功率小，用得较少。电弧等离子枪的电源一般用具有陡降外特性的直流电源，正接，也有用三相交流电源的，其空载电压:用于机械加工的一般在75～400V范围内，用于熔炼的可高到3000V以上，高频等离子枪的电源通常用高频电子管振荡器，频率在0.4～75MHz范围内。加热装置随设备用途而异，如等离子熔炼炉具有耐火材料炉衬或水冷结晶器的炉体；等离子切割和喷涂装置的工作台或工作小车。
在一些实施方式中，还提供一种基于新型等离子升华结晶炉的碳化硅晶体棒的制备方法，如图2所示，其包括步骤：
S10、向密封空间内通入惰性气体；
S20、采用等离子加热器对放置在所述密封腔体内的碳化硅进行加热，得到气化碳化硅；
S30、通过所述结晶模具使气化碳化硅重新结晶，形成完整的碳化硅晶体棒。
具体来讲，通过充气孔向所述密封空间内充入氮气、氩气、氦气或氖气中的一种，然后设定所述等离子加热器的加热温度为2000-3000℃，启动所述等离子加热器对所述密封腔体内的碳化硅进行加热，得到气化碳化硅，所述气化碳化硅遇到所述温度较低的结晶模具后重新结晶，生成完整的碳化硅晶体棒。
进一步地，将所述碳化硅晶体棒取出后，通过切片抛光处理即可制备生产集成电路芯片的晶圆衬底。
本实施例采用等离子加热器直接对碳化硅进行加热使其气化，能够提升热能利用效率，使得碳化硅晶体棒的制备效率更高，更节能；所述等离子加热器可根据不同的材质调节不同的温度，操作方便；且所述等离子加热器的加热区域可调。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型等离子升华结晶炉，其特征在于，包括密封腔体，设置在所述密封腔体内的结晶模具以及等离子加热器，所述等离子加热器用于对放置在密封腔体内的碳化硅进行加热生成气化碳化硅，所述结晶模具用于将所述气化碳化硅聚集并结晶生成碳化硅晶体棒。
2.根据权利要求1所述的新型等离子升华结晶炉，其特征在于，所述结晶模具为棒状结构。
3.根据权利要求1所述的新型等离子升华结晶炉，其特征在于，所述密封腔体内还设置有通入惰性气体的充气孔。
4.一种基于权利要求1-3任一所述新型等离子升华结晶炉的碳化硅晶体棒的制备方法，其特征在于，包括步骤：
向密封空间内通入惰性气体；
采用等离子加热器对放置在所述密封腔体内的碳化硅进行加热，得到气化碳化硅；
通过所述结晶模具使气化碳化硅重新结晶，形成完整的碳化硅晶体棒。
5.根据权利要求4所述碳化硅晶体棒的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或氖气中的一种。
6.根据权利要求4所述碳化硅晶体棒的制备方法，其特征在于，所述等离子加热器的加热温度为2000-3000℃。
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