CN112725886A

CN112725886A - 碳化硅晶体生长装置及其生长方法、碳化硅晶锭

Info

Publication number: CN112725886A
Application number: CN202011511534.2A
Authority: CN
Inventors: 徐良; 曹力力; 蓝文安; 刘建哲; 余雅俊; 郭炜; 李京波; 夏建白
Original assignee: Zhejiang Bolante Semiconductor Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Fuxin Microelectronics Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本发明提供了一种碳化硅晶体生长装置及其生长方法、碳化硅晶锭，该碳化硅晶体生长装置包括石墨坩埚和加热装置，石墨坩埚包括呈上大下小圆台状的坩埚本体，所述坩埚本体包括具有开口的容纳腔；所述加热装置可上下移动的设置在所述坩埚本体外部。该碳化硅晶体生长装置采用外形呈上大下小圆台状的石墨坩埚，相对于直立结构坩埚其能够改变坩埚本体内部晶体生长的温度场，有利于生长形状平整的大尺寸高质量碳化硅晶锭，同时更加节约碳化硅晶体生长原料，而且加热装置可以相对于坩埚上下移动，能够进一步有利于晶锭长度的增加。

Description

碳化硅晶体生长装置及其生长方法、碳化硅晶锭

技术领域

本发明涉及电子工业和半导体材料技术领域，具体涉及一种碳化硅晶体生长装置及其生长方法、碳化硅晶锭。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体材料，碳化硅(SiC)由于其自身优异的性能一直是人们研究的热点。SiC具有优越的物理化学性质，是制作大功率、高温、高频、抗辐照等器件的理想衬底材料，在电力电子、交通运输、清洁能源、国防军事等领域具有广阔的应用前景。

物理气相传输法(PVT)是目前世界上公认的生长碳化硅单晶最成熟的方法，该技术生长的碳化硅单晶已经在很多国家实现了商业化量产。该方法是通过电磁感应线圈对石墨坩埚加热，生长原料(碳化硅粉体)在石墨坩埚中高温下通过升华分解并在温度梯度的驱动下向低温区移动，最终在石墨坩埚的籽晶上形核成晶，生长成碳化硅晶体。在实际的晶体生长中，靠近籽晶生长界面的温度场中间温度低，四周温度高，因此，在晶体生长结束后往往会形成中间凸起，四周多晶的碳化硅晶锭。

但是上述这种晶锭在加工时会造成大量的浪费，特别是在生长大尺寸碳化硅晶体时，由于温度场的分布不均，这种现象更加的明显。因此，如何改善坩埚内部的温度场，优化晶体生长方法对于碳化硅晶体生长具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳化硅晶体生长装置及其生长方法、碳化硅晶锭，该碳化硅晶体生长装置采用外形呈上大下小圆台状的石墨坩埚，相对于直立结构坩埚其能够改变坩埚本体内部晶体生长的温度场，有利于生长形状平整的大尺寸高质量碳化硅晶锭，同时更加节约碳化硅晶体生长原料，而且加热装置可以相对于坩埚上下移动，能够进一步有利于晶锭长度的增加，以解决现有技术的碳化硅晶体生长装置中坩埚内部温度场分布不均，易生成中间凸起且四周多晶的碳化硅晶锭的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种碳化硅晶体生长装置。

该碳化硅晶体生长装置包括：

石墨坩埚，包括呈上大下小圆台状的坩埚本体，所述坩埚本体包括具有开口的容纳腔；

加热装置，所述加热装置可上下移动的设置在所述坩埚本体外部。

进一步的，所述坩埚本体的外侧壁与所述坩埚本体底部所在水平面的夹角α为75～80°。

进一步的，所述坩埚本体开口处的内径为175～185mm。

进一步的，所述石墨坩埚还包括坩埚盖，所述坩埚盖盖设在所述坩埚本体的开口处。

进一步的，所述坩埚盖朝向容纳腔的一侧设置有碳化硅籽晶。

进一步的，所述加热装置包括电磁感应线圈，所述电磁感应线圈环绕所述坩埚本体设置。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种碳化硅晶体的生长方法。

该碳化硅晶体的生长方法是利用上述的碳化硅晶体生长装置，包括以下步骤：

将碳化硅晶体生长原料放置于坩埚本体内；

调整加热装置，并升温至晶体生长温度；

生长开始，并在晶体生长过程中调整加热装置按一定速率向下移动；

生长结束，得到碳化硅晶锭。

进一步的，所述加热装置相对所述石墨坩埚以0.05～0.1mm/h的速率向下移动。

进一步的，所述生长温度为2000～2300℃。

为了实现上述目的，根据本发明的第三方面，提供了一种碳化硅晶锭。

利用上述的碳化硅晶体的生长方法得到的碳化硅晶锭，所述碳化硅晶锭的长度为25～30mm。

在本发明的实施例中，石墨坩埚外形呈上大下小的圆台状，其与传统石墨坩埚结构不同，在实际使用中能够改变石墨坩埚中晶体生长的温度场，使得低温点向上偏移，而且能够减小籽晶生长界面的径向温度差，更加有利于生长形状平整的大尺寸高质量碳化硅晶锭。

同时，这样的坩埚设计相较传统的直立形坩埚，在碳化硅粉体的原料上也更加的节约。

另外，在晶体生长过程中，随着晶体不断增长，晶体生长界面温度不断升高，生长界面的升华和凝华达到平衡会阻止晶体的继续生长，因此，在生长过程中采取不断微调移动加热感应线圈的方式，能够进一步有利于晶锭长度的增加。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中碳化硅晶体生长用坩埚的结构示意图；

图2为本发明实施例中碳化硅晶体生长装置的结构示意图；

图2～图3为本发明实施例中碳化硅晶体生长方法中加热装置移动的示意图。

图中：

1、坩埚本体；2、坩埚盖；3、碳化硅籽晶；4、加热装置；5、碳化硅晶体生长原料。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明公开了一种碳化硅晶体生长装置，结合图1和图2所示，该碳化硅晶体生长装置包括石墨坩埚和加热装置4，其中：

石墨坩埚包括呈上大下小圆台状的坩埚本体1，坩埚本体1包括具有开口的容纳腔，该容纳腔内可以盛放碳化硅晶体生长原料5；

加热装置4能够上下移动的设置在坩埚本体1外部。

在上述实施例中，坩埚本体1呈上大下小的圆台状，该结构的坩埚本体1在实际使用中能够改变坩埚本体1中晶体生长的温度场，使得低温点向上偏移，而且能够减小籽晶生长界面的径向温度差，更加有利于生长形状平整的大尺寸高质量碳化硅晶锭。同时，该结构设计的坩埚本体1相较传统的直立形坩埚，在碳化硅粉体的原料上也更加的节约。

加热装置4可以相对于坩埚本体1上下移动，由于在晶体生长过程中，随着晶体不断增长，晶体生长界面温度不断升高，生长界面的升华和凝华达到平衡会阻止晶体的继续生长，因此，在生长过程中采取不断微调移动加热装置4(如电磁感应线圈)的方式，能够进一步有利于晶锭长度的增加。

当然电磁感应线圈与坩埚本体1的相对位置不作具体限定，可以根据实际需要进行相应调整。

作为本发明的一种优选实施方式，在晶体生长过程中，随着生长的进行，调整电磁感应线圈向下移动，并且移动速率V在0.05～0.1mm/h范围内，能够保证坩埚内晶体生长表面持续的温度梯度和生长动力，移动速率V过小则会效果不明显，移动速率V过大则会造成坩埚内温度场的波动，容易引起晶体缺陷。

作为本发明的另一种实施例，坩埚本体1的外侧壁与坩埚本体1底部所在水平面的夹角α为75～80°，如图1所示，夹角α在75～80°范围内，能够保证坩埚本体1内籽晶表面温度场的均匀和较小的径向温差，夹角α过小则会效果不明显，夹角α过大则会影响生长原料的量和电磁感应加热的效率。

作为本发明的另一种实施例，坩埚本体1开口的内径Φ为175～185mm，如图1所示，开口的内径Φ在175～185mm范围的坩埚本体1主要应用于6英寸晶体生长。

作为本发明的另一种实施例，石墨坩埚还包括坩埚盖2，坩埚盖2盖设在坩埚本体1的开口处，用于将坩埚本体1密封。

作为本发明的另一种实施例，坩埚盖2朝向容纳腔的一侧设置有碳化硅籽晶3，如图1所示，碳化硅籽晶3设置在坩埚盖2的内侧面上，当坩埚盖2密封在坩埚本体1的开口处时，碳化硅籽晶3位于坩埚内部，且位于碳化硅晶体生长原料5的上部。

作为本发明的另一种实施例，加热装置4包括电磁感应线圈，如图2所示，电磁感应线圈环绕坩埚本体1设置，提高了加热效率且加热更均匀。

以下将通过具体实施例对本发明中的碳化硅晶体生长装置及其生长方法作进一步说明。

实施例1：

采用如图1结构的石墨坩埚进行大尺寸晶体生长，石墨坩埚的上口内径Φ为175mm，石墨坩埚的外壁与平面的倾斜夹角α为80°，石墨坩埚内装有适量的生长原料，该尺寸用于6英寸碳化硅晶体的生长。当电磁感应线圈对石墨坩埚进行加热时，石墨坩埚的侧表面由于集肤效应迅速加热，相对普通直立坩埚而言，这种带倾角的斜壁石墨坩埚结构能够改变石墨坩埚中晶体生长的温度场，使得低温点向上偏移，而且能够减小籽晶生长界面的径向温度差，更加有利于生长形状平整的大尺寸高质量碳化硅晶锭。同时，这样的坩埚设计相较传统的直立形坩埚，在碳化硅粉体的原料上也更加的节约。另外，当坩埚内部温度达到晶体生长温度2000℃时，晶体生长开始，同时调节感应线圈相对石墨坩埚以速率V为0.1mm/h向下移动，这样就能够避免晶锭向下生长时温度上升引起的生长界面的升华和凝华达到平衡，进而会阻止晶体的继续生长，因此，在生长过程中采取不断微调移动加热感应线圈的方式，能够进一步有利于晶锭长度的增加。

实施例2：

采用如图1结构的石墨坩埚进行大尺寸晶体生长，石墨坩埚的上口内径Φ为185mm，石墨坩埚的外壁与平面的倾斜夹角α为75°，石墨坩埚内装有适量的生长原料，该尺寸用于6英寸碳化硅晶体的生长。另外，当坩埚内部温度达到晶体生长温度2300℃时，晶体生长开始，同时调节感应线圈相对石墨坩埚以速率V为0.05mm/h向下移动，这样就能够避免晶锭向下生长时温度上升引起的生长界面的升华和凝华达到平衡，进而会阻止晶体的继续生长，因此，在生长过程中采取不断微调移动加热感应线圈的方式，能够进一步有利于晶锭长度的增加。

对比例1：

采用传统直立的石墨坩埚进行大尺寸晶体生长，石墨坩埚的内径为185mm，石墨坩埚内装有适量的生长原料，该尺寸用于6英寸碳化硅晶体的生长。另外，当坩埚内部温度达到晶体生长温度2300℃时，晶体生长开始，同时调节感应线圈相对石墨坩埚以速率V为0.05mm/h向下移动，直至生长反应结束。

对比例2：

采用如图1结构的石墨坩埚进行大尺寸晶体生长，石墨坩埚的上口内径Φ为175mm，石墨坩埚的外壁与平面的倾斜夹角α为80°，石墨坩埚内装有适量的生长原料，该尺寸用于6英寸碳化硅晶体的生长。当坩埚内部温度达到晶体生长温度2000℃时，晶体生长开始，直至生长反应结束。

以下将具体实施例1～2和对比例1～2中得出的有益效果进行汇总，如表1所示。

表1：

结合实施例和对比例可以得出，本发明中的石墨坩埚在实际使用中能够改变石墨坩埚内部晶体生长的温度场，使得低温点向上偏移，而且能够减小籽晶生长界面的径向温度差，更加有利于生长形状平整的大尺寸高质量碳化硅晶锭。同时，这样的坩埚设计相较传统的直立形坩埚，在碳化硅粉体的原料上也更加的节约。另外，在晶体生长过程中采取不断微调移动加热感应线圈的方式，保持生长界面的温度差，能够进一步有利于晶锭长度的增加。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括：

石墨坩埚，包括呈上大下小圆台状的坩埚本体(1)，所述坩埚本体(1)包括具有开口的容纳腔；

加热装置(4)，所述加热装置(4)可上下移动的设置在所述坩埚本体(1)外部。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚本体(1)的外侧壁与所述坩埚本体(1)底部所在水平面的夹角α为75～80°。

3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚本体(1)开口的内径为175～185mm。

4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述石墨坩埚还包括坩埚盖(2)，所述坩埚盖(2)盖设在所述坩埚本体(1)的开口处。

5.根据权利要求4所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚盖(2)朝向容纳腔的一侧设置有碳化硅籽晶(3)。

6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述加热装置(4)包括电磁感应线圈，所述电磁感应线圈环绕所述坩埚本体(1)设置。

7.一种碳化硅晶体的生长方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述的碳化硅晶体生长装置，包括以下步骤：

将碳化硅晶体生长原料放置于坩埚本体内；

调整加热装置，并升温至晶体生长温度；

生长结束，得到碳化硅晶锭。

8.根据权利要求7所述的碳化硅晶体的生长方法，其特征在于，所述加热装置相对所述石墨坩埚以0.05～0.1mm/h的速率向下移动。

9.根据权利要求7所述的碳化硅晶体的生长方法，其特征在于，所述生长温度为2000～2300℃。

10.利用权利要求7-9任一项所述的碳化硅晶体的生长方法得到的碳化硅晶锭，其特征在于，所述碳化硅晶锭的长度为25～30mm。