CN112760712A - 一种晶体生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种晶体生长装置，涉及半导体技术领域。晶体生长装置包括坩埚体、坩埚盖及隔板组件，坩埚盖与坩埚体连接并形成生长腔，隔板组件设置于生产腔内，并将生长腔分隔成原料腔及晶体腔，原料腔用于容置原料，晶体腔用于收集原料升华后形成的晶体，隔板组件上设置有连接槽，连接槽连通原料腔及晶体腔。在碳化硅升华的过程中，碳化硅原料碳化完细小杂质颗粒会随着碳化硅晶体的生长气氛沿着升华纹路向靠近晶体腔运动，设置在原料腔与晶体腔之间的隔板组件能够对杂质颗粒进行阻挡，阻止杂质颗粒进入到晶体腔内，避免杂质颗粒附着在碳化硅晶体表面，污染碳化硅晶体，从而提高了碳化硅晶体的纯度，保证碳化硅晶体的性能。

Description

一种晶体生长装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种晶体生长装置。
背景技术
在碳化硅晶体生长过程中，虽然原料为颗粒的碳化硅，但随着生长的进行，生长室内气相蒸气压下降，原料中的硅成分首先升华，然后部分碳也升华，原料细小化及碳化，碳化的细颗粒有可能在生长室内气相气氛的对流作用下带到生长界面，从而在晶体中开始产生包裹物。但由于此时生长刚开始不久，原料刚开始石墨化，石墨颗粒较少，此时包裹物的密度较低。随着生长的进一步进行，原料石墨化严重，大量的石墨颗粒产生，这些细小的石墨颗粒很容易被升华的气流及气相蒸汽的对流带动晶体生长表面，从而形成包裹物及包裹物衍生出微管，严重影响碳化硅晶体的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种晶体生长装置，其能够对杂质颗粒进行阻挡，阻止杂质颗粒进入到晶体腔内，避免杂质颗粒附着在碳化硅晶体表面，污染碳化硅晶体，从而提高了碳化硅晶体的纯度，保证碳化硅晶体的性能。
本发明的实施例可以这样实现：
本发明实施例提供了一种晶体生长装置，所述晶体生长装置包括：坩埚体、坩埚盖及隔板组件，所述坩埚盖与所述坩埚体连接并形成生长腔，所述隔板组件设置于所述生产腔内，并将所述生长腔分隔成原料腔及晶体腔，所述原料腔用于容置原料，所述晶体腔用于收集所述原料升华后形成的晶体，所述隔板组件上设置有连接槽，所述连接槽连通所述原料腔及所述晶体腔。
在本发明可选的实施例中，所述隔板组件包括安装架及隔板件，所述安装架环设在所述隔板件上，所述安装架与所述坩埚体连接，所述连接槽设置在所述隔板件上。
在本发明可选的实施例中，所述隔板件包括多个，多个所述隔板件依次设置在所述安装架上，多个所述隔板件的所述连接槽错位设置。
在本发明可选的实施例中，所述隔板件包括隔板及支撑部，所述支撑部设置在所述隔板上，所述连接槽设置在所述隔板上，所述支撑部与相邻的所述隔板件的所述隔板选择性地抵持。
在本发明可选的实施例中，所述隔板件上设置有连接孔，多个所述隔板件的所述连接孔同心设置。
在本发明可选的实施例中，所述连接孔的直径为10mm～25mm。
在本发明可选的实施例中，所述连接槽的长度为20mm～80mm。
在本发明可选的实施例中，所述连接槽的宽度为5mm～20mm。
在本发明可选的实施例中，所述隔板件包括金属层及石墨层，所述金属层包覆于所述石墨层。
在本发明可选的实施例中，所述坩埚盖朝向所述坩埚体的一侧设置有籽晶层。
本发明实施例的有益效果：晶体生长装置包括坩埚体、坩埚盖及隔板组件，坩埚盖与坩埚体连接并形成生长腔，隔板组件设置于生产腔内，并将生长腔分隔成原料腔及晶体腔，原料腔用于容置原料，晶体腔用于收集原料升华后形成的晶体，隔板组件上设置有连接槽，连接槽连通原料腔及晶体腔。
在本发明实施例中，碳化硅原料放置在原料腔内，并对原料腔进行加压加热，使碳化硅原料逐渐升华，从连接槽内进入到晶体腔内，在晶体腔内结晶。在碳化硅升华的过程中，碳化硅原料碳化完细小杂质颗粒会随着碳化硅晶体的生长气氛沿着升华纹路向靠近晶体腔运动，设置在原料腔与晶体腔之间的隔板组件能够对杂质颗粒进行阻挡，阻止杂质颗粒进入到晶体腔内，避免杂质颗粒附着在碳化硅晶体表面，污染碳化硅晶体，从而提高了碳化硅晶体的纯度，保证碳化硅晶体的性能。
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为本发明的实施例提供的晶体生长装置的结构示意图。
图2为本发明的实施例提供的晶体生长装置的隔板组件的隔板件的第一视角的结构示意图。
图3为本发明的实施例提供的晶体生长装置的隔板组件的隔板件的第二视角的结构示意图。
图标：100-晶体生长装置；110-坩埚体；112-生长腔；114-原料腔；116-晶体腔；120-坩埚盖；122-籽晶层；130-隔板组件；131-连接槽；133-安装架；135-隔板件；136-隔板；138-支撑部；139-连接孔。
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，若出现术语“上”、“下”、“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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
实施例
请参阅图1，本实施例提供了一种晶体生长装置100，本实施例提供的晶体生长装置100能够对杂质颗粒进行阻挡，阻止杂质颗粒进入到晶体腔116内，避免杂质颗粒附着在碳化硅晶体表面，污染碳化硅晶体，从而提高了碳化硅晶体的纯度，保证碳化硅晶体的性能。
本实施例提供的晶体生长装置100主要用于生长碳化硅晶体，目前的碳化硅晶体主要以物理气相沉积法为主要生长方式，其应用在生长N型碳化硅晶体时是将碳化硅粉料加热到2200℃～2500℃，在惰性气氛的保护下，使其升华结晶成为块状晶体。过程不仅需要建立一个合适的温场，形成稳定的气相Si、Si2C、SiC2等气氛气体从高温到低温的输运流，又使得气相SiC可以形成良好的生长界面生长。
在碳化硅晶体生长过程中，虽然原料为颗粒的碳化硅，但随着生长的进行，生长室内气相蒸气压下降，原料中的硅成分首先升华，然后部分碳也升华，原料细小化及碳化，碳化的细颗粒有可能在生长室内气相气氛的对流作用下带到生长界面，从而在晶体中开始产生包裹物。但由于此时生长刚开始不久，原料刚开始石墨化，石墨颗粒较少，此时包裹物的密度较低。随着生长的进一步进行，原料石墨化严重，大量的石墨颗粒产生，这些细小的石墨颗粒很容易被升华的气流及气相蒸汽的对流带动晶体生长表面，从而形成包裹物及包裹物衍生出微管，严重影响碳化硅晶体的性能，本实施例提供的晶体生长装置100能够解决这一问题。
容易理解的是，本实施例提高的晶体生长装置100还可以生长其他的晶体，为了方便描述，本实施例均以碳化硅晶体为例进行描述，当晶体生长装置100生长其他晶体时可以以此类推。
请参阅图1及图2，在本实施例中，晶体生长装置100包括：坩埚体110、坩埚盖120及隔板组件130，坩埚盖120与坩埚体110连接并形成生长腔112，隔板组件130设置于生产腔内，并将生长腔112分隔成原料腔114及晶体腔116，原料腔114用于容置原料，晶体腔116用于收集原料升华后形成的晶体，隔板组件130上设置有连接槽131，连接槽131连通原料腔114及晶体腔116。
在本实施例中，碳化硅原料放置在原料腔114内，并对原料腔114进行加压加热，使碳化硅原料逐渐升华，从连接槽131内进入到晶体腔116内，在晶体腔116内结晶。在碳化硅升华的过程中，碳化硅原料碳化完细小杂质颗粒会随着碳化硅晶体的生长气氛沿着升华纹路向靠近晶体腔116运动，设置在原料腔114与晶体腔116之间的隔板组件130能够对杂质颗粒进行阻挡，阻止杂质颗粒进入到晶体腔116内，避免杂质颗粒附着在碳化硅晶体表面，污染碳化硅晶体，从而提高了碳化硅晶体的纯度，保证碳化硅晶体的性能。
在本实施例中，杂质壳体可能是碳化硅的碳化物，也有可能是其他杂质。
将碳化硅原料放置到原料腔114内后，对碳化硅原料进行压填，需要夯实碳化硅原料并使碳化硅原料的料面固定，保证固定的料面与晶体腔116之间的距离。将碳化硅原料烧结呈一个整体，不容易分离，在气相结晶的过程中不容易吹起碳化硅原料粉末。
填装完成后，在碳化硅原料上压上重石墨块进行预烧结，压力在200-500mbar，温度在2200度，进行预烧结去杂质和形成升华纹路。
在本实施例中，坩埚盖120朝向坩埚体110的一侧设置有籽晶层122。籽晶采用光刻胶镀膜后粘贴在石墨纸上后形成籽晶层122，石墨纸具有较强缓冲效果能够保护籽晶的蚀刻效果。
其中，籽晶是具有和碳化硅晶体相同的小晶体，是生长碳化硅的种子，能够提高碳化硅晶体的生长速度。
在本实施例中，隔板组件130包括安装架133及隔板件135，安装架133环设在隔板件135上，安装架133与坩埚体110连接，连接槽131设置在隔板件135上。
在本实施例中，安装架133安装在坩埚体110的内壁上，主要用于安装隔板件135，当碳化硅原料在升华为碳化硅晶体的过程中从连接槽131内进入到晶体腔116内，并在籽晶层122结晶。隔板件135能够对杂质颗粒进行阻挡，尽可能防止杂质颗粒进入到晶体腔116内，提高碳化硅晶体的纯度，保证碳化硅晶体的性能。
其中，连接槽131为多个，多个连接槽131均匀地设置在隔板件135上，能够提高碳化硅原料在升华的过程中进入到晶体腔116内的速度，提高碳化硅晶体的成型速度。
连接槽131的数量越多，碳化硅原料升华到晶体腔116内的速度越快，但是连接槽131的数量过多会使杂质颗粒进入到晶体腔116内，为了平衡升华速度和碳化硅晶体的精度，连接槽131的数量为6～16个。优选地，连接槽131为16个。
在本实施例中，隔板件135包括多个，多个隔板件135依次设置在安装架133上，多个隔板件135的连接槽131错位设置。
其中，多个隔板件135的连接槽131错位设置，当杂质颗粒从最下方的隔板件135的连接槽131进入到两个隔板件135之间时，设置在上方的隔板件135能够对进入到隔板件135之间的杂质颗粒进行阻挡，避免杂质颗粒进入到晶体腔116内。
容易理解的是，隔板件135越多，杂质颗粒进入到晶体腔116内的可能性越小，优选地，隔板件135应大于或等于3个。
请参阅图1及图3，在本实施例中，隔板件135包括隔板136及支撑部138，支撑部138设置在隔板136上，连接槽131设置在隔板136上，支撑部138与相邻的隔板件135的隔板136选择性地抵持。
支撑部138与相邻的隔板件135的隔板136抵持，使相邻的两个隔板136之间具有一定的流动空间使升华后的气相蒸汽能够穿过多个隔板136的连接槽131进入到晶体腔116内，并在籽晶层122上结晶。
在本实施例中，隔板件135上设置有连接孔139，多个隔板件135的连接孔139同心设置。
在本实施例中，连接孔139设置在隔板136上，连接孔139设置在隔板136的中心，多个连接槽131均匀的环设在隔板136上。多个隔板136的连接孔139同心设置，使气相蒸汽的部分能够从连接槽131中进入到晶体腔116内，气相蒸汽的另一部从连接孔139内进入到晶体腔116内，能够平衡整个坩埚体110内的气压，避免碳化硅原料升华形成的气相蒸汽仅从隔板136的边缘进入到晶体腔116内，原料腔114内的气压不均衡。
在本实施例中，连接孔139的直径为10mm～25mm。
连接孔139的孔径不能过大，由于多个隔板136的连接孔139是同心设置，当连接孔139的孔径过大时，杂质颗粒容易通过连接孔139进入到晶体腔116内，从而附着在碳化硅晶体的表面。因此，连接孔139的直径应相对较小，优选地，连接孔139的耗子精为15mm。
在本实施例中，支撑部138为环状，并设置在隔板136的中间位置，为了使多个连接孔139能同轴设置，支撑部138的直径应大于连接孔139的直径，支撑部138的直径为25mm～50mm，优选40mm。
为了使相邻两个隔板136之间能够形成气相蒸汽的流动空间，支撑部138的长度不应该过小，大致为10mm～20mm，优选10mm。整个隔板件135的厚度为20mm～40mm，优选25mm，隔板136的厚度15mm。
在本实施例中，连接槽131的长度为20mm～80mm。同样的，连接槽131的长度不能过大，连接槽131的长度过大，杂质颗粒容易进入到晶体腔116内，优选地，连接槽131的长度为50mm。
在本实施例中，连接槽131的宽度为5mm～20mm。同样的，连接槽131的宽度不能过大，连接槽131的宽度过大，杂质颗粒容易进入到晶体腔116内，优选地，连接槽131的宽度为8mm。
由于多个隔板136的连接槽131是错位设置，而连接孔139是同轴设置，因此，连接槽131的开口面积可以稍微大于连接孔139的孔径。其中，开口面积为连接槽131的长度和宽度的乘积。
在本实施例中，隔板件135包括金属层及石墨层，金属层包覆于石墨层。
可以理解成在石墨层的外表面设置一个金属层，金属层将石墨层包裹起来。其中金属层采用NbC、TaC镀层，具有耐高温耐蚀刻，可反复多次回收利用，可多层叠加具有良好的渗透过滤作用。
本实施例提供的晶体生长装置100的工作原理：采用5～20mm厚度的坩埚体110，将碳化硅粉末装入坩埚体110，装上至少三个隔板件135，在装入安装架133，盖上具有籽晶层122的坩埚盖120。
首先抽真空到压力5x10-2mbar以下，充入氩气控制压力在600～800mbar环境之下，打开水冷式感应线圈通电感应加热坩埚体110同时通过同气管通入200-800sccm的气体，该气体可以是惰性气体，也可以是氢气或者氢气氩气混合物，加热到温度1950-2050℃，持温1-5h后，停止向通气管通入氩气，并调节充入腔内的氩气流量控制压力在5～100mbar，温度继续加热到2050-2250℃，这个时候碳化硅粉末开始升华变成碳化硅气体，沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶处沉积结晶，经过5～10天的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶生长。
综上所述，本实施例提供的晶体生长装置100，在本实施例中，碳化硅原料放置在原料腔114内，并对原料腔114进行加压加热，使碳化硅原料逐渐升华，从连接槽131内进入到晶体腔116内，在晶体腔116内结晶。在碳化硅升华的过程中，碳化硅原料碳化完细小杂质颗粒会随着碳化硅晶体的生长气氛沿着升华纹路向靠近晶体腔116运动，设置在原料腔114与晶体腔116之间的隔板组件130能够对杂质颗粒进行阻挡，阻止杂质颗粒进入到晶体腔116内，避免杂质颗粒附着在碳化硅晶体表面，污染碳化硅晶体，从而提高了碳化硅晶体的纯度，保证碳化硅晶体的性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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 (10)

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：坩埚体、坩埚盖及隔板组件，所述坩埚盖与所述坩埚体连接并形成生长腔，所述隔板组件设置于所述生产腔内，并将所述生长腔分隔成原料腔及晶体腔，所述原料腔用于容置原料，所述晶体腔用于收集所述原料升华后形成的晶体，所述隔板组件上设置有连接槽，所述连接槽连通所述原料腔及所述晶体腔。
2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述隔板组件包括安装架及隔板件，所述安装架环设在所述隔板件上，所述安装架与所述坩埚体连接，所述连接槽设置在所述隔板件上。
3.根据权利要求2所述的晶体生长装置，其特征在于，所述隔板件包括多个，多个所述隔板件依次设置在所述安装架上，多个所述隔板件的所述连接槽错位设置。
4.根据权利要求3所述的晶体生长装置，其特征在于，所述隔板件包括隔板及支撑部，所述支撑部设置在所述隔板上，所述连接槽设置在所述隔板上，所述支撑部与相邻的所述隔板件的所述隔板选择性地抵持。
5.根据权利要求3所述的晶体生长装置，其特征在于，所述隔板件上设置有连接孔，多个所述隔板件的所述连接孔同心设置。
6.根据权利要求5所述的晶体生长装置，其特征在于，所述连接孔的直径为10mm～25mm。
7.根据权利要求2所述的晶体生长装置，其特征在于，所述隔板件包括金属层及石墨层，所述金属层包覆于所述石墨层。
8.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述连接槽的长度为20mm～80mm。
9.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述连接槽的宽度为5mm～20mm。
10.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚盖朝向所述坩埚体的一侧设置有籽晶层。
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