CN111676516B - 熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳化硅晶体生长装置领域，具体而言，涉及一种熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置。熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置包括坩埚本体和碳源块；所述坩埚本体内设置有熔体；所述碳源块放置在所述坩埚本体的内部的底部，且被所述熔体覆盖，所述熔体用于将所述碳源块溶解为碳化硅晶体生长所需的碳源。本发明的有益效果是：通过在坩埚本体内的底部放置碳源块，熔体覆盖碳源块，能够使碳源块进行充分溶解，进而通过碳源块给碳化硅晶体生长提供稳定的、足够的碳源，形成稳定的碳供应。

Description

熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体生长装置领域，具体而言，涉及一种熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置。

背景技术

碳化硅是受到广泛关注的宽带隙半导体材料之一，具有密度低、禁带宽度大、击穿场强高、热稳定性和化学稳定性好、频率响应特性优良等优点，是制作高频、高压、大功率器件和蓝光发光二极管的理想衬底材料。

碳化硅目前的主要生长方法是物理气相传输法，虽然该方法较为成熟，目前能为市场供应大量碳化硅单晶衬底，但由于生长环境不稳定性，其晶体中还存在着例如微管，包裹等缺陷，在扩径、P型晶体生长方面难以实现等问题。与之对比，熔体法生长所需生长温度低，生长环境相对平稳，且在P型晶体与扩径等方面具有良好前景。

碳化硅熔体生长过程中，需要在顶部籽晶处与坩埚底部形成温差，在坩埚底(温度较高处)进行溶质的熔解，即从石墨坩埚中溶解碳，形成富碳溶液，从而形成稳定的碳的供应。

但是，在现有技术中，从石墨坩埚中溶解碳的效率较低，使得在进行碳化硅晶体生长的时候，无法形成稳定的碳供应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其能够通过在坩埚本体内的底部放置碳源块，通过碳源块给碳化硅晶体生长提供稳定的、足够的碳源，形成稳定的碳供应。

本发明的技术方案是这样的：

一种熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其包括坩埚本体和碳源块；

所述坩埚本体内设置有熔体；

所述碳源块放置在所述坩埚本体的内部的底部，且被所述熔体覆盖，所述熔体用于将所述碳源块溶解为碳化硅晶体生长所需的碳源。

优选的，所述碳源块包括外置碳层和内置重核，所述外置碳层包覆设置在所述内置重核外；所述内置重核的密度大于所述外置碳层的密度。

优选的，所述外置碳层的材质为石墨或碳化硅，所述内置重核的材质为高密度高熔点物质。

优选的，所述内置重核的材质为钨、钼、铌、钽或合金。

优选的，所述内置重核的形状包括球体、正方体、长方体、圆柱体、多棱柱、角锥和圆锥中的至少一种。

优选的，所述碳源块的形状包括球体、正方体、长方体、圆柱体、多棱柱、角锥和圆锥中的至少一种。

优选的，所述坩埚本体的内壁上涂覆有惰性层，所述惰性层用于隔绝所述熔体与所述坩埚本体。

优选的，所述惰性层的材质包括氮化硼、碳化钽、碳化钨、碳化钼、碳化铌和碳化硅中的至少一种。

优选的，熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置还包括定位装置，所述定位装置用于对籽晶杆在所述坩埚本体内的部分的长度进行定位。

优选的，所述坩埚本体的外壁上包覆有保温层。

本发明的有益效果是：

通过在坩埚本体内的底部放置碳源块，熔体覆盖碳源块，能够是碳源块进行充分溶解，进而通过碳源块给碳化硅晶体生长提供稳定的、足够的碳源，形成稳定的碳供应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置的碳源块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置的碳源块的另一种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置的另一种结构示意图。

图中：

1：坩埚本体；2：熔体；3：保温层；4：碳源块；5：籽晶杆；6：惰性层；7：内置重核；8：外置碳层；9：固定机构；10：传动机构；11：驱动装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，如图1所示，其包括坩埚本体1和碳源块4；坩埚本体1内设置有熔体2；碳源块4放置在坩埚本体1的内部的底部，且被熔体2覆盖，熔体2用于将碳源块4溶解为碳化硅晶体生长所需的碳源。

具体的，在本实施例中，在进行碳化硅晶体生长时，在坩埚本体1内设置有熔体2，将籽晶杆5的一端设置在坩埚本体1内，并与熔体2接触，并在籽晶杆5与熔体2接触的位置设置碳化硅籽晶。

由于在坩埚本体1的内部的底部设置有碳源块4，能够在熔体2的作用下，溶解为碳化硅晶体生长所需的碳源，提高了碳化硅的生长速度。

具体的，在本实施例中，碳源块4的数量为多块，其数量越多，能够提供的碳源越多。

具体的，在本实施例中，碳源块4的体积与碳源块4的数量根据坩埚本体1的内部空间进行设置，能够最优化的为碳化硅晶体的生长提供所需的碳源。

更具体的，碳源块4的数量较多时，其相互堆积后，在多块碳源块4的作用下，会产生间隙，进而能够使得增加各个碳源块4与熔体2之间的接触面积，即在总体积一定的情况下，数量越多，其与熔体2接触的面积越大，能够更快的被熔体2溶解，为碳化硅晶体的生长提供稳定的碳源。

在本发明优选的实施方式中，碳源块4包括外置碳层8和内置重核7，外置碳层8包覆设置在内置重核7外；内置重核7的密度大于外置碳层8的密度。

在本实施例中，熔体2的主要成分为硅，由于碳的密度小于熔体2的密度，当碳源块4为纯碳结构时，其会漂浮在熔体2的表面，进而会影响到籽晶与熔体2的固液界面的有效接触，且熔体2的表面温度相对低于坩埚本体1的底部温度，当碳源块4漂浮在熔体2表面时，会影响到碳的溶解速度，使碳的溶解速度大大降低，也就降低了在碳化硅晶体生长过程中的碳的有效供应，最终会降低碳化硅晶体的生长速度。

因此，为了将碳源块4沉入到熔体2内，即将碳源块4放置在坩埚本体1的内部的底部，需要增加碳源块4的密度。

具体的，在本实施例中，将碳源块4分为两部分，外部为外置碳层8，其能够为碳化硅晶体生长提供足够的碳源，内部为内置重核7，其密度大于外置碳层8，且内置重核7和外置碳层8所构成的碳源块4的密度，大于熔体2的密度，使得碳源块4能够在重力的作用下，沉入到熔体2内，被熔体2完全覆盖，增加熔体2与碳源块4的接触面积。

具体的，在本实施例中，在保证碳源块4的密度大于熔体2的密度情况下，外置碳层8的体积尽量增大，或尽量降低内置重核7的体积，以保证足够多的碳源供应。

具体的，在本实施例中，外置碳层8的材质为石墨或碳化硅，内置重核7的材质为金属。

由于碳源块与熔体充分接触，因此其溶解速度较快，外置碳层8为石墨时，能够提高碳的供应速度，进而提高碳化硅晶体的生长速度。

金属的密度相对较大，将内置重核7的材质为高密度高熔点物质，具体为金属，能够用较小体积的内置重核7与较大体积的外置碳层8配合，实现整体碳源块4密度大于熔体2密度的要求。

需要指出的是，外置碳层的材质可以是使用石墨，但其不仅仅局限于石墨，其还可以是其他的材质，如还可以是使用碳化硅，或其他含碳物质，其只要能够给碳化硅晶体的生长提供碳源即可。

还需要指出的是，内置重核7的材质可以是金属，但其不仅仅局限于金属，其还可以是其他具有较大密度的材质，其只要能够与外置碳层8配合后，使得整体的碳源块4的密度大于熔体2的密度即可。

更具体的，在本实施例中，内置重核7的材质为钨、钼、铌、钽或合金。

由于钨、钼、铌、钽或合金等金属材料具有高密度、高熔点的特点，能够有效的提高碳源块4的密度。

需要指出的是，内置重核7的材质可以是上述几种金属材质，但其不仅仅局限于上述几种金属材质，其只要能够与外置碳层8配合后，使得整体的碳源块4的密度大于熔体2的密度即可。

由上述可以看出，本实施例中的碳源块4需要满足以下两个条件：

1.内置重核7的熔点高于碳化硅晶体的生长温度，能够避免在碳化硅晶体的生长过程中，内置重核7不会被熔解。

2.碳源块4的整体密度大于熔体2的平均密度，能够保证在碳化硅晶体的生长过程中，碳源块4始终保持在坩埚本体1的内部的底部。

在本实施例中，内置重核7的形状包括球体、正方体、长方体、圆柱体、多棱柱、角锥和圆锥中的至少一种，如图2和图3所示。

由于内置重核7设置在碳源块4的内部，其不与熔体2接触，因此，其对形状没有要求，其只要能够提供足够的高密度金属，使碳源块4的密度大于熔体2的密度即可。

需要指出的是，内置重核7的形状可以是上述形状，但其不仅仅局限于上述几种形状，其话可以是其他的规则形状，也可以是不规则形状，其只要能够与外置碳层8配合后，使得整体的碳源块4的密度大于熔体2的密度即可。

还需要指出的是，各个碳源块4的内置重核7的形状可以是相同的，也可以是不相同的，其只要能够与外置碳层8进行配合，使得整体的碳源块4的密度大于熔体2的密度即可。

优选的，碳源块4的形状包括球体、正方体、长方体、圆柱体、多棱柱、角锥和圆锥中的至少一种。

碳源块4的形状具体为外置碳层8的外观形状，其中，在本实施例中，碳源块4的形状为球体，如图2和图3所示，相邻球体之间的接触面积较小，进而能够在相邻球体之间形成较大的间隙，增加碳源块4与熔体2之间的接触面积，增加了碳的溶解速度，提高了碳化硅晶体的生长速度。

需要指出的是，碳源块4的形状可以是上述形状，但其不仅仅局限于上述几种形状，其话可以是其他的规则形状，也可以是不规则形状，其只要能够在多个碳源块4之间形成间隙，能够为碳源块4和熔体2提供更大的接触面积即可。

还需要指出的是，各个碳源块4的形状可以是相同的，其也可以是不相同的，其只要能够为碳源块4和熔体2提供更大的接触面积即可。

还需要指出的是，碳源块4的外观形状与内置重核7的形状可以是相同的，其也可以是不相同的，其同样只要能够为碳源块4和熔体2提供更大的接触面积即可。

优选的，坩埚本体1的内壁上涂覆有惰性层6，惰性层6用于隔绝熔体2与坩埚本体1。

在现有技术中，石墨坩埚的内壁会不断的被熔体2溶解，而由于石墨坩埚的内部的不同位置，其温度不相同，进而导致内壁的溶解速度不均匀，在经过一段时间后，石墨坩埚的内壁会变得凹凸不平，进而导致温场被破坏。

在本实施例中，在坩埚本体1的内壁上涂覆惰性层6后，利用惰性层6将熔体2与坩埚本体1的内壁隔绝，进而避免了坩埚本体1与熔体2接触，当坩埚本体1的材质为石墨时，在惰性层6的作用下，能够有效的避免坩埚本体1被熔体2溶解，使得坩埚本体1的内壁不会产生凹凸不平的变化，进而能够避免温场变化的效应，使得碳化硅晶体长时间、稳定的生长，大大的提高了碳化硅晶体的品质及厚度。

在本实施例中，惰性层6还可以同时涂覆在坩埚本体1的外壁上。

具体的，在本实施例中，惰性层6的材质包括氮化硼、碳化钽、碳化钨、碳化钼、碳化铌和碳化硅中的至少一种。

需要指出的是，在本实施例中，惰性层6的材质使用的是上述几种材质，但其不仅仅局限于上述几种材质，其也可以是其他的材质，其只要不与包含硅材质的熔体2产生溶解反应即可。

在本发明中，还可以是将坩埚本体1的材质整体使用氮化硼或碳化硅，进而不需要涂覆惰性层6也不会被熔体2所溶解，避免了温场变化的效应，使得碳化硅晶体长时间、稳定的生长，大大的提高了碳化硅晶体的品质及厚度。

优选的，熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置还包括定位装置，定位装置用于对籽晶杆5在坩埚本体1内的部分的长度进行定位。

通过定位装置的设置，能够带动籽晶杆5进行缓慢的上下移动，进而能够对籽晶杆5在坩埚本体1内的长度进行调节和定位，保障碳化硅晶体的生长流程控制。

具体的，定位装置的设置方式有很多种，如图4所示，其主要有驱动装置11、传动机构10和固定机构9组成。

更具体的，在本实施例中，驱动装置11为电机，固定机构9为爪结构或钳结构，通过爪结构或钳结构对籽晶杆5进行抓取或钳住后固定，电机通过传动机构10连接爪结构或钳结构，传动机构10将电机的转动转换为固定机构9的上下移动。在电机的转动下，传动机构10将驱动力传递给固定机构9，固定机构9带动籽晶杆5进行上下方向的移动和定位。

优选的，坩埚本体1的外壁上包覆有保温层3。

具体的，在本实施例中，保温层3的材质为石墨，能够较好的保证坩埚本体1内的温度，减少热量的逸散，提高了碳化硅晶体的生长效率。

本发明的有益效果是：

通过在坩埚本体1内的底部放置碳源块4，熔体2覆盖碳源块4，能够是碳源块4进行充分溶解，进而通过碳源块4给碳化硅晶体生长提供稳定的、足够的碳源，形成稳定的碳供应。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，包括坩埚本体和碳源块；

所述坩埚本体内设置有熔体；

所述碳源块放置在所述坩埚本体的内部的底部，且被所述熔体覆盖，所述熔体用于将所述碳源块溶解为碳化硅晶体生长所需的碳源；

所述碳源块包括外置碳层和内置重核，所述外置碳层包覆设置在所述内置重核外；

所述内置重核的密度大于所述外置碳层的密度；

所述碳源块的数量为多块；

所述坩埚本体的内壁上涂覆有惰性层，所述惰性层用于隔绝所述熔体与所述坩埚本体。

2.根据权利要求1所述的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，所述外置碳层的材质为石墨或者碳化硅，所述内置重核的材质为高密度高熔点物质。

3.根据权利要求2所述的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，所述内置重核的材质为钨、钼、铌、钽或合金。

4.根据权利要求1所述的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，所述内置重核的形状包括球体、正方体、长方体、圆柱体、多棱柱、角锥和圆锥中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，所述碳源块的形状包括球体、正方体、长方体、圆柱体、多棱柱、角锥和圆锥中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，所述惰性层的材质包括氮化硼、碳化钽、碳化钨、碳化钼、碳化铌和碳化硅中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，还包括定位装置，所述定位装置用于对籽晶杆在所述坩埚本体内的部分的长度进行定位。

8.根据权利要求1所述的熔体法生长碳化硅单晶用碳源供应装置，其特征在于，所述坩埚本体的外壁上包覆有保温层。