CN111676518A - 碳化硅晶体生长用熔体装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳化硅晶体生长装置领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长用熔体装置。碳化硅晶体生长用熔体装置包括锅体和含碳熔体；所述含碳熔体设置在锅体内。本发明的有益效果是：通过在锅体内设置含碳熔体，提高了碳的供应，进而保证了在碳化硅晶体生长时的碳供应。

Description

碳化硅晶体生长用熔体装置

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体生长装置领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长用熔体装置。

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)进行溶质的溶解，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碳化硅晶体生长用熔体装置，其能够通过在锅体内设置含碳熔体，提高了碳的供应，进而保证了在碳化硅晶体生长时的碳供应。

本发明的技术方案是这样的：

一种碳化硅晶体生长用熔体装置，其包括锅体和含碳熔体；

所述含碳熔体设置在锅体内。

在本发明中所指的含碳熔体，是指在原有的含硅熔体中，增加含碳熔体，或在熔体物质中，既包含碳元素又包含硅元素，也就是说，本发明中所指的含碳熔体中，即具有硅，又具有碳，使得在熔体溶解后，形成的熔体成分中的C：Si的比例接近1:1，能够有效的保证碳源的供应，有利于碳化硅晶体生长速度的提高。

优选的，碳化硅晶体生长用熔体装置还包括补料坩埚，所述补料坩埚设置在所述锅体的上方，所述补料坩埚与所述锅体内部连通，用于向所述锅体内补充所述含碳熔体。

优选的，碳化硅晶体生长用熔体装置还包括移动装置，所述移动装置与所述补料坩埚连接，用于将所述补料坩埚放置在所述锅体上，或用于将所述补料坩埚从所述锅体上移走。

优选的，所述移动装置包括操作杆、固定支点和控制杆；

所述操作杆的一端与所述固定支点铰接，所述控制杆的一端与所述固定支点铰接，所述操作杆与所述控制杆固定连接；

所述控制杆的另一端连接所述补料坩埚。

优选的，所述移动装置还包括坩埚连接杆；

所述坩埚连接杆的一端与所述控制杆连接，另一端与所述补料坩埚连接。

优选的，所述坩埚连接杆与所述控制杆铰接。

优选的，所述补料坩埚的相对两端分别设置有进料口和出料口，所述出料口处设置有出料盖，所述坩埚连接杆依次穿过所述进料口和所述出料口，以与所述出料盖连接。

优选的，所述锅体上设置有支架，所述支架用于对所述补料坩埚进行支撑。

优选的，所述锅体外设置有保温层。

优选的，所述锅体的材质为不含碳材料。

本发明的有益效果是：

通过在锅体内设置含碳熔体，提高了碳的供应，进而保证了在碳化硅晶体生长时的碳供应。

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碳化硅晶体生长用熔体装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的碳化硅晶体生长用熔体装置的补料坩埚闭合状态示意图；

图3为本发明实施例提供的碳化硅晶体生长用熔体装置的补料坩埚补料状态示意图。

图中：

1：锅体；2：液态含碳熔体；3：保温毡；4：籽晶杆；5：出料盖；6：出料口；7：支架；8：补料坩埚；9：坩埚连接杆；10：进料口；11：控制杆；12：固定支点；13：操作杆；14：支撑杆；15：固体含碳熔体。

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。

在现有技术中，由于石墨坩埚与熔体接触面积有限，同时石墨坩埚比较致密不易溶解，导致总体溶解碳的速度慢，效率低。并且，石墨坩埚内壁的碳不断被溶解，由于内壁不同区域温度不一样，导致内壁溶碳速度不均匀，一段时间后石墨坩埚内壁会变得凹凸不平，导致温场被破坏，这是晶体生长的大忌。再有，熔体主要包括多晶硅、金属铬、金属铝和稀土元素的混合物，起始状态都是颗粒状或者块状体，坩埚装满压实熔化后仅仅只有一半坩埚被充满熔体，装填量过少，不利于生长更厚的晶体。

为解决上述问题，本申请提供了一种碳化硅晶体生长用熔体装置，如图1所示，其包括锅体1和含碳熔体；含碳熔体设置在锅体1内。

具体的，在本实施例中，含碳熔体一般为碳化物或碳酸盐，这样只要生长温度高于含碳熔体中所有成分的熔点后，就可以完全熔解成液态含碳熔体2，再通过合理配比熔体成分，就可以使得C：Si比接近1:1，保证碳源的有效供应，改变以前方法中C：Si比远远小于1的情形，从而有利于碳化硅晶体生长速度的提高。

当含碳熔体溶解后，再将籽晶杆4置入锅体1内的液态含碳熔体2内即可。

由于通过含碳熔体提供碳源，故锅体1可以不用石墨材质，本实施例中，锅体1的材质为氮化硼，或者在石墨材质的锅体1内壁涂覆一层氮化硼层。

氮化硼不会被熔体溶解，锅体1的内壁不会发生变化，因此温场破坏的问题也得到解决。可以使碳化硅晶体长时间的、稳定的生长，大大提高碳化硅晶体的品质及碳化硅晶体的厚度。

也就是说，在本实施例中，锅体1的材质为不含碳材料，或至少内壁上具有不含碳的材质，能够有效的避免温场变化的效应。

需要指出的是，锅体1的材质可以是不含碳材料，但其不仅仅局限于这种材料，其也可以是含碳的碳化硅等材料，其只要能够不被锅体1内的熔体溶解即可。

在本实施例中，碳化物或碳酸盐类型的选择，要满足以下两个条件：

熔点不要超过2300度，沸点远高于熔点；

C:Si比接近1:1。

其中，碳化物可以是如碳化铬或碳化铁等，碳酸盐可以是如碳酸硅、碳酸铝、碳酸铬或碳酸铈等。

在本实施例中，碳化物与碳酸盐自由组合，使得C:Si的比例接近1:1即可。

具体的，在本实施例中，如图2和图3所示，碳化硅晶体生长用熔体装置还包括补料坩埚8，补料坩埚8设置在锅体1的上方，补料坩埚8与锅体1内部连通，用于向锅体1内补充含碳熔体。

更具体的，在锅体1的上方设置补料坩埚8后，能够在熔体完全溶解后成液态后，只有一半坩埚充满熔体，也就是说，此时的熔体并不能填满坩埚，通过补料坩埚8再次向锅体1内部补充熔体，进而能够增加锅体1内部的熔体容量，能够重复利用坩埚的容量，待补充的原料也熔化后，再下籽晶进行碳化硅晶体的生长流程。

这样的设置，使得原料增加，最终能够生长更厚的晶体。

具体的，在本实施例中，补料坩埚8的材质可以是氮化硼、石墨或者碳化硅，或其他材质。

在优选的实施方式中，碳化硅晶体生长用熔体装置还包括移动装置，移动装置与补料坩埚8连接，用于将补料坩埚8放置在锅体1上，或用于将补料坩埚8从锅体1上移走。

具体的，通过移动装置的设置，能够实现对补料坩埚8的移动。

当锅体1内的含碳熔体溶解为液态含碳熔体2后，将盛放有固体含碳熔体15的补料坩埚8移动到锅体1的上方，之后将补料坩埚8内的固体含碳熔体15置入锅体1内后，再通过移动装置，将补料坩埚8移走。当锅体1内的含碳熔体再次全部溶解为液态含碳熔体2后，还具有可置入新的含碳熔体的空间时，还可以通过补料坩埚8再次向其内补充含碳熔体，进而能够充分的利用锅体1内的空间，提高最终的碳化硅晶体的厚度。

通过移动装置的设置，可以不需要直接接触补料坩埚8，也不需要将人体肢体靠近锅体1，进而避免了高温的锅体1对人体造成烫伤等情况的出现，提高了在通过补料坩埚8向锅体1内部补充含碳熔体的过程中，操作人员的安全性。

移动装置的设置方式具有很多种。

优选的，在本实施例中，移动装置通过铰接的操作杆13和控制杆11来带动补料坩埚8移动。

具体的，在本实施例中，移动装置包括操作杆13、固定支点12和控制杆11；操作杆13的一端与固定支点12铰接，控制杆11的一端与固定支点12铰接，操作杆13与控制杆11固定连接；控制杆11的另一端连接补料坩埚8。

在使用的过程中，固定支点12固定不动，控制杆11和操作杆13连接处与固定支点12铰接，控制杆11的另一端与补料坩埚8连接，使得在向下压动操作杆13时，操作杆13远离固定支点12的一端向下移动，而控制杆11远离固定支点12的一端向上移动，进而带动补料坩埚8向上移动；当取消对操作杆13施加的下压力时，补料坩埚8在重力的作用下，向下移动，带动控制杆11远离固定支点12的一端向下移动，进而带动操作杆13远离固定支点12的一端向上移动。

根据上述的操作，实现了将补料坩埚8从锅体1上方靠近锅体1和远离锅体1的方向移动的功能，进而能够实现通过补料坩埚8对锅体1内进行补充含碳熔体。

只是上下方向的移动，使得在向补料坩埚8内增加固体含碳熔体15时，可能会与下方的锅体1产生误接触，进而产生如烫伤等意外发生。

而本实施例中，操作杆13与控制杆11的连接处与固定支点12进行铰接，当通过对操作杆13进行的操作，使补料坩埚8向上移动后，可以水平推动操作杆13，使得操作杆13和控制杆11均绕固定支点12进行水平转动，在控制杆11的带动下，将补料坩埚8从锅体1的上方移开，使其远离加热的锅体1，避免了在向补料坩埚8中添加固体含碳熔体15时，人体与锅体1的误接触，提高了安全性。

具体的，在本实施例中，固定支点12可以是设置在支撑杆14顶端的球体或其他能够与操作杆13、控制杆11进行铰接的固定结构。

需要指出的是，移动装置可以是上述的设置方式，但其不仅仅局限于上述设置方式，其还可以是其他的结构，如还可以是通过伸缩机构与轨道的结合等，其只要能够实现将补料坩埚8从锅体1上方移开，或将补料坩埚8移动的锅体1上方对锅体1内补充含碳熔体即可。

优选的，移动装置还包括坩埚连接杆9；坩埚连接杆9的一端与控制杆11连接，另一端与补料坩埚8连接。

在本实施例中，坩埚连接杆9的设置方式有三种。

第一种设置方式中，坩埚连接杆9的上端与控制杆11转动连接或铰接，坩埚连接杆9的下端与补料坩埚8固定连接。

这样的设置方式，在使用的时候，坩埚连接杆9与补料坩埚8为一个整体，其能够在控制杆11上进行摆动，当补料坩埚8在操作杆13的作用下，进行上下移动的时候，控制杆11在绕固定支点12进行上下方向的转动，此时控制杆11与坩埚连接杆9的连接处的移动轨迹为圆弧线，补料坩埚8的上下移动轨迹也会弧形，由于坩埚连接杆9与控制杆11转动连接，使得坩埚连接杆9始终竖直设置，进而便于补料坩埚8与锅体1进行对接，便于江补料坩埚8内的固体含碳熔体15置入到锅体1内。

第二种设置方式中，坩埚连接杆9的上端与控制杆11固定连接，坩埚连接杆9的下端与补料坩埚8转动连接或铰接。

这样的设置，其效果与第一种设置方式相同。

第三种设置方式中，坩埚连接杆9的上端与控制杆11转动连接或铰接，坩埚连接杆9的下端与补料坩埚8转动连接或铰接。

上下连接方式均为转动连接或铰接，使得补料坩埚8更为灵活。

优选的，补料坩埚8的相对两端分别设置有进料口10和出料口6，出料口6处设置有出料盖5，坩埚连接杆9依次穿过进料口10和出料口6，以与出料盖5连接。

具体的，通过进料口10实现对补料坩埚8进行补充固体含碳熔体15，通过出料口6将补料坩埚8内的固体含碳熔体15置入到锅体1内。

更具体的，在本实施例中，进料口10在补料坩埚8的上端，出料口6在补料坩埚8的下端，将固体含碳熔体15通过进料口10放入到补料坩埚8内后，将补料坩埚8移动至锅体1的上方，打开出料口6，利用重力作用，使固体含碳熔体15进入到锅体1内，经加热熔化为液态含碳熔体2。

补料坩埚8放置在锅体1上后，由于锅体1内为液态含碳熔体2，其产生的蒸汽温度较高，在打开出料盖5时，需要考虑远离补料坩埚8，避免对人体产生烫伤。

具体的，在本实施例中，在出料口6的下方设置有出料盖5，出料盖5的上侧与坩埚连接杆9连接，当补料坩埚8放置在锅体1上方后，出料盖5在重力的作用下继续下落，进而能够将出料口6打开，此时，坩埚连接杆9也会跟随出料盖5一同下落。

当出料盖5下落到一定程度时，通过操作杆13的操控，使坩埚连接杆9停止向下移动，当补料坩埚8内的固体含碳熔体15进入到锅体1内后，向下压动操作杆13，带动另一端的操作杆13、坩埚连接杆9上移，进而带动出料盖5上移，使出料盖5将出料口6封堵，继续使坩埚连接杆9上移，带动补料坩埚8上移，再通过操作杆13的水平转动，将补料坩埚8带离锅体1的上方，完成向锅体1内补充含碳熔体的目的。

在本发明优选的实施方式中，锅体1上设置有支架7，支架7用于对补料坩埚8进行支撑。

具体的，在本实施例中，支架7的横截面为三角形，其能够很稳定的实现对补料坩埚8的支撑。

更具体的，支架7为环形，其内环与补料坩埚8的下端相匹配。

优选的，锅体1外设置有保温层。

通过保温层的设置，能够对加热后的锅体1进行保温处理。

具体的，在本实施例中，保温层的材质为保温毡3，通过保温毡3对锅体1的外壁进行全方位包覆。

本发明的有益效果是：

通过在锅体1内设置含碳熔体，提高了碳的供应，进而保证了在碳化硅晶体生长时的碳供应。

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 (10)

1.一种碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，包括锅体和含碳熔体；

所述含碳熔体设置在锅体内。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，还包括补料坩埚，所述补料坩埚设置在所述锅体的上方，所述补料坩埚与所述锅体内部连通，用于向所述锅体内补充所述含碳熔体。

3.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，还包括移动装置，所述移动装置与所述补料坩埚连接，用于将所述补料坩埚放置在所述锅体上，或用于将所述补料坩埚从所述锅体上移走。

4.根据权利要求3所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，所述移动装置包括操作杆、固定支点和控制杆；

所述操作杆的一端与所述固定支点铰接，所述控制杆的一端与所述固定支点铰接，所述操作杆与所述控制杆固定连接；

所述控制杆的另一端连接所述补料坩埚。

5.根据权利要求4所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，所述移动装置还包括坩埚连接杆；

所述坩埚连接杆的一端与所述控制杆连接，另一端与所述补料坩埚连接。

6.根据权利要求5所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，所述坩埚连接杆与所述控制杆铰接。

7.根据权利要求5所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，所述补料坩埚的相对两端分别设置有进料口和出料口，所述出料口处设置有出料盖，所述坩埚连接杆依次穿过所述进料口和所述出料口，以与所述出料盖连接。

8.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，所述锅体上设置有支架，所述支架用于对所述补料坩埚进行支撑。

9.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，所述锅体外设置有保温层。

10.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长用熔体装置，其特征在于，所述锅体的材质为不含碳材料。

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