CN112126975A - 碳化硅单晶生长装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅单晶生长装置，包括：用于容纳碳化硅原料和碳化硅籽晶的坩埚，所述坩埚外周包裹有隔热层，所述坩埚包括上部的碳化硅原料区和下部的碳化硅单晶生长区；在所述的碳化硅原料区，坩埚内外壁之间设置有开口向上的碳化硅原料槽，碳化硅原料槽内侧槽壁上端与坩埚上端内壁形成石墨通道；在所述的碳化硅单晶生长区，坩埚内腔中设置有石墨管，石墨管的管壁上端与碳化硅原料区的坩埚内壁下端无缝对接，碳化硅籽晶位于坩埚底部且位于石墨管的内腔中，石墨管的内腔构成碳化硅单晶生长室；经加热，升华的碳化硅原料通过石墨通道沿重力方向移动至碳化硅单晶生长室。本发明提供缩短工艺时间和降低成本的方式制造高品质碳化硅晶的装置。
Description
技术领域
本发明涉及半导体长晶领域，尤其涉及碳化硅单晶生长装置。
背景技术
1960年以后至今硅(Si)为代表的半导体元件材料因物理特性表现出了自身局限性，为了克服其局限性业界在研究各种半导体元件材料的化合物半导体材料。
在第三代半导体元件材料里普遍看好的有SiC，GaN，ZnO等宽禁带半导体材料。但是其第三代半导体材料中目前能够生长出单晶晶体(Ingot)并且能用在4英寸以上衬底晶圆上的材料只有SIC单晶晶体。特别是因为SiC在1500℃以下时热稳定性优秀，在氧化环境下稳定性也突出，而且有4.6W/cm℃左右的大热导率的特，所以需要在高温下长时间保持稳定性的环境下相比同是Ⅲ-Ⅴ族的GaAs和GaN等化合物半导体更加有优势，也借助其优势在电动汽车、宽禁带高速无线通信、新再生能源电力传送等领域积极的推广使用。
SiC虽然电子迁移率相比硅(Si)较小，但禁带宽度是硅的2～3倍，而且动作极限温度是650℃，相比动作极限温度不到200℃的硅比起来有动作极限温度更高等优点。另外由于在化学及机械性能上强度较高，因此可以制作为在极限环境下可以使用的元件。
为了在上述元件上使用碳化硅单晶体均匀并且高品质是很重要的事项。但是一般传统工艺是采用碳化硅单晶籽晶粘贴在坩埚顶部的方式，这种工艺所带来的粘贴籽晶问题没有得到有效解决(尤其多发生在直径大于4英寸的大尺寸长晶时)所导致的大量多晶(Polytype)碳化硅及其他缺陷无法克服造成高品质晶体生长相当困难。另外碳化硅单晶生长初期开发使用的碳化硅单晶籽晶安装在坩埚底部的长晶方式因为安装作为原料气体通道的多孔石墨泡沫(Porous graphite foam)而无法抑制工程中产生的无用碳元素粒子的流入，为了同时解决上述两种设备的各种问题想要开发新型坩埚装置。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供碳化硅单晶生长装置，碳化硅单晶籽晶粘贴在坩埚上部的工艺下，解决粘贴籽晶问题来抑制微管密度等大的缺陷和大量多晶形态碳化硅的生成来实现高品质单晶体的生长；在坩埚上部放置原料的位置和单晶生长的空间里制作狭长的高密度石墨通道的方式可以抑制使用传统多孔石墨泡沫时工艺途中发生的无用碳粒子的流入。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：碳化硅单晶生长装置，包括：用于容纳碳化硅原料和碳化硅籽晶的坩埚，所述坩埚外周包裹有隔热层，所述坩埚包括上部的碳化硅原料区和下部的碳化硅单晶生长区；在所述的碳化硅原料区，坩埚内外壁之间设置有开口向上的碳化硅原料槽，碳化硅原料槽内侧槽壁上端与坩埚上端内壁形成石墨通道；在所述的碳化硅单晶生长区，坩埚内腔中设置有石墨管，石墨管的管壁上端与碳化硅原料区的坩埚内壁下端无缝对接，碳化硅籽晶位于坩埚底部且位于石墨管的内腔中，石墨管的内腔构成碳化硅单晶生长室；经加热，升华的碳化硅原料通过石墨通道沿重力方向移动至碳化硅单晶生长室。
所述的碳化硅单晶生长区对应的坩埚内腔纵向剖面为上边长小于下边长的等腰梯形。
所述的碳化硅原料区周向设置有至少一个碳化硅原料槽，碳化硅原料槽内侧槽壁上端向内横向延伸与坩埚上端内壁形成石墨通道。
所述的碳化硅原料区设置有至少一个石墨通道，所述石墨通道内径为1-10mm。
所述升华的碳化硅原料通过石墨通道进入碳化硅原料区对应的坩埚内腔中，然后进入碳化硅单晶生长室。
所述的坩埚采用线圈感应加热组和/或电阻加热。
所述碳化硅原料区和碳化硅单晶生长区均设置有测温部件。
所述石墨管的纵向剖面为长方形或梯形。
所述碳化硅原料区温度区间为2100-2500℃；所述碳化硅单晶生长区温度区间为1800-2350℃。
所述碳化硅单晶生长区温度曲线斜率为一常数。
本发明一个较佳实施例中，生长用的晶种是3C、4H、6H、15R，由此晶种生长的结晶多形(同质异形)为3C,4H,6H,15R。
本发明是将加热的碳化硅原料中蒸发的原料气体穿过安装在坩埚上部的一定长度的高密度石墨通道来造出不含无用碳粒子的原料气体，原料气体移动到放在坩埚底部的碳化硅晶种上并生长出高品质碳化硅单晶。
另外，安装在坩埚底部的碳化硅单晶籽晶周围制作圆筒形石墨管，石墨管的纵截面还可以是梯形结构，更换不同直径的石墨管，从而实现控制生长所需要的碳化硅单晶体的直径。
碳化硅单晶是用升华法和化学气相法沉积法中的任何一种方法都可以实现晶体生长。这里使用的上述两种长晶方式可以使用两种加热方式，即线圈感应加热方式和电阻加热方式都可以使用。
所述坩埚壁是石墨或碳元素，两种都必须由高密度材质制作并且耐热性能要强。
本本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)碳化硅单晶籽晶粘贴在坩埚上部的工艺下解决粘贴籽晶问题来抑制微管密度等大的缺陷和大量多晶形态碳化硅的生成来实现高品质单晶体的生长。
(2)在坩埚上部放置原料的位置和单晶生长的空间里制作狭长的高密度石墨通道的方式可以抑制使用传统多孔石墨泡沫时工艺途中发生的无用碳粒子的流入。
(3)安装在坩埚底部的碳化硅单晶籽晶周围制作圆筒形石墨管，从而实现控制生长所需要的碳化硅单晶体的直径。
(4)根据本发明制作的设备在坩埚底部放置碳化硅单晶籽晶，生长晶体时坩埚上部的碳化硅原料升华所产生的原料气体移动到坩埚底部实现生长出高品质碳化硅单晶，使用本发明的设备和传统晶种粘贴在上部的方法相比较在长晶时抑制碳化硅多晶的效果会更好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1是本发明的单晶生长装置的侧视图；
图2是本发明里使用的新型单晶生长设备沿长度方向的温度梯度示意图；
图3是本发明中位于坩埚底部的石墨管的立体图；
图中：坩埚1；隔热层2；碳化硅原料3；碳化硅单晶籽晶4；碳化硅单晶5；石墨管6；碳化硅单晶生长室7。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在居中的部件。当一个部件被认为是“连接”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。本文所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
如图1-3所示，碳化硅单晶生长装置，包括：用于容纳碳化硅原料3和碳化硅籽晶的坩埚，坩埚外周包裹有隔热层2，坩埚包括上部的碳化硅原料3区和下部的碳化硅单晶生长区；在的碳化硅原料3区，坩埚内外壁之间设置有开口向上的碳化硅原料槽，碳化硅原料槽内侧槽壁上端与坩埚上端内壁形成石墨通道；在的碳化硅单晶生长区，坩埚内腔中设置有石墨管6，石墨管6的管壁上端与碳化硅原料3区的坩埚内壁下端无缝对接，碳化硅籽晶位于坩埚底部且位于石墨管6的内腔中，石墨管6的内腔构成碳化硅单晶生长室7；经加热，升华的碳化硅原料3通过石墨通道沿重力方向移动至碳化硅单晶生长室7。的碳化硅单晶生长区对应的坩埚内腔纵向剖面为上边长小于下边长的等腰梯形。
碳化硅原料3区周向设置有至少一个碳化硅原料3槽，碳化硅原料3槽内侧槽壁上端向内横向延伸与坩埚上端内壁形成石墨通道。
碳化硅原料3区设置有至少一个石墨通道，石墨通道内径为1-10mm。
升华的碳化硅原料3通过石墨通道进入碳化硅原料3区对应的坩埚内腔中，然后进入碳化硅单晶生长室7。
坩埚采用线圈感应加热组和/或电阻加热。
碳化硅原料3区和碳化硅单晶生长区均设置有测温部件。
石墨管6的纵向剖面为长方形或梯形。
碳化硅原料3区温度区间为2100-2500℃；碳化硅单晶生长区温度区间为1800-2350℃。
碳化硅单晶生长区温度曲线斜率为一常数。
本发明一个较佳实施例中，生长用的晶种是3C、4H、6H、15R，由此晶种生长的结晶多形(同质异形)为3C,4H,6H,15R。
本发明是将加热的碳化硅原料3中蒸发的原料气体穿过安装在坩埚上部的一定长度的高密度石墨通道来造出不含无用碳粒子的原料气体，原料气体移动到放在坩埚底部的碳化硅晶种上并生长出高品质碳化硅单晶。
另外，安装在坩埚底部的碳化硅单晶籽晶4周围制作圆筒形石墨管6，石墨管6的纵截面还可以是梯形结构，更换不同直径的石墨管6，从而实现控制生长所需要的碳化硅单晶体的直径。
碳化硅单晶是用升华法和化学气相法沉积法中的任何一种方法都可以实现晶体生长。这里使用的上述两种长晶方式可以使用两种加热方式，即线圈感应加热方式和电阻加热方式都可以使用。
SiC单晶使用升华法生长时籽晶可以放置在包括坩埚盖板的坩埚上部或也可以放置在坩埚底部，此发明属于升华法的一种。
SiC单晶使用化学气相沉积法生长时籽晶可以放在坩埚上部、底部以及侧面等内侧表面。
坩埚壁是石墨，且由高密度石墨制作，耐热性能要强。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.碳化硅单晶生长装置，包括：用于容纳碳化硅原料和碳化硅籽晶的坩埚，所述坩埚外周包裹有隔热层，其特征在于，所述坩埚包括上部的碳化硅原料区和下部的碳化硅单晶生长区；在所述的碳化硅原料区，坩埚内外壁之间设置有开口向上的碳化硅原料槽，碳化硅原料槽内侧槽壁上端与坩埚上端内壁形成石墨通道；在所述的碳化硅单晶生长区，坩埚内腔中设置有石墨管，石墨管的管壁上端与碳化硅原料区的坩埚内壁下端无缝对接，碳化硅籽晶位于坩埚底部且位于石墨管的内腔中，石墨管的内腔构成碳化硅单晶生长室；经加热，升华的碳化硅原料通过石墨通道沿重力方向移动至碳化硅单晶生长室。
2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述的碳化硅单晶生长区对应的坩埚内腔纵向剖面为上边长小于下边长的等腰梯形。
3.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述的碳化硅原料区周向设置有至少一个碳化硅原料槽，碳化硅原料槽内侧槽壁上端向内横向延伸与坩埚上端内壁形成石墨通道。
4.根据权利要求3所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述的碳化硅原料区设置有至少一个石墨通道，所述石墨通道内径为1-10mm。
5.根据权利要求4所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述升华的碳化硅原料通过石墨通道进入碳化硅原料区对应的坩埚内腔中，然后进入碳化硅单晶生长室。
6.根据权利要求1或2所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述的坩埚采用线圈感应加热组和/或电阻加热。
7.根据权利要求1或2所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述碳化硅原料区和碳化硅单晶生长区均设置有测温部件。
8.根据权利要求1或2所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述石墨管的纵向剖面为长方形或梯形。
9.根据权利要求1或2所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述碳化硅原料区温度区间为2100-2500℃；所述碳化硅单晶生长区温度区间为1800-2350℃。
10.根据权利要求9所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述碳化硅单晶生长区温度曲线斜率为一常数。
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