CN112831841A - 一种碳化硅单晶生长装置及其生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅单晶生长装置及其生长方法，涉及碳化硅生长技术领域。该碳化硅单晶生长装置包括坩埚、顶盖、碳化硅多晶过渡层和碳化硅耔晶。顶盖盖设于坩埚上，且与坩埚共同围成生长空腔，碳化硅多晶过渡层设置于顶盖靠近生长空腔的一侧，碳化硅耔晶粘接于碳化硅多晶过渡层远离顶盖的一侧。与现有技术相比，本发明提供的碳化硅单晶生长装置由于采用了设置于顶盖上的碳化硅多晶过渡层，所以能够防止顶盖与碳化硅耔晶直接接触，降低由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。

Description

一种碳化硅单晶生长装置及其生长方法

技术领域

本发明涉及碳化硅生长技术领域，具体而言，涉及一种碳化硅单晶生长装置及其生长方法。

背景技术

目前，碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料的代表，由于其优越的电学特性，故特别适用于制成耐高温的电子元件或者高压大功率元件。同时，碳化硅的导热特性优于其他半导体材料，碳化硅优良的特性使其在工业和军事上有很大的应用范围，主要体现在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器以及其他等领域。

现在，生长碳化硅单晶的方法以物理气相传输法为主，首先将碳化硅耔晶粘接在石墨坩埚的埚盖上，再将埚盖盖设于石墨坩埚上，并加热至高温，以使高纯碳化硅原料升华且在碳化硅耔晶处(该处的温度较低)重新结晶。但是在高温条件下，由于石墨和碳化硅的热膨胀差异性，导致在碳化硅单晶生长初期产生较大的热应力，该热应力会造成碳化硅单晶的位错缺陷，严重时还会导致碳化硅单晶中裂纹的产生。

有鉴于此，设计制造出一种能够降低热应力的碳化硅单晶生长装置及其生长方法特别是在碳化硅单晶生长中显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅单晶生长装置，能够防止顶盖与碳化硅耔晶直接接触，降低由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。

本发明的另一目的在于提供一种碳化硅单晶生长方法，能够防止顶盖与碳化硅耔晶直接接触，降低由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。

本发明是采用以下的技术方案来实现的。

一种碳化硅单晶生长装置，包括坩埚、顶盖、碳化硅多晶过渡层和碳化硅耔晶，顶盖盖设于坩埚上，且与坩埚共同围成生长空腔，碳化硅多晶过渡层设置于顶盖靠近生长空腔的一侧，碳化硅耔晶粘接于碳化硅多晶过渡层远离顶盖的一侧。

进一步地，碳化硅多晶过渡层的厚度范围为500微米至2000微米。

进一步地，碳化硅耔晶的厚度范围为350微米至1000微米。

进一步地，顶盖的中部设置有凸台，凸台朝生长空腔内延伸设置，碳化硅多晶过渡层设置于凸台上。

进一步地，碳化硅单晶生长装置还包括加热线圈和保温碳毡，加热线圈围设于保温碳毡外，保温碳毡包裹于坩埚和顶盖外。

进一步地，保温碳毡包括顶部保温部、侧壁保温部和底壁保温部，顶部保温部通过侧壁保温部与底壁保温部连接，顶部保温部贴设于顶盖上，侧壁保温部套设于坩埚的外周面，底壁保温部贴设于坩埚的底部。

一种碳化硅单晶生长方法，应用于上述的碳化硅单晶生长装置，碳化硅单晶生长方法包括：在顶盖上制备碳化硅多晶过渡层；在碳化硅多晶过渡层上粘接碳化硅耔晶；将碳化硅原料放入坩埚，且盖上顶盖；在预设条件下升华碳化硅原料，以使升华形成的碳化硅气体在碳化硅耔晶上重新结晶。

进一步地，在顶盖上制备碳化硅多晶过渡层的步骤包括：利用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式在顶盖上沉积碳化硅多晶过渡层。

进一步地，将碳化硅原料放入坩埚，且盖上顶盖的步骤后，碳化硅单晶生长方法还包括：将生长空腔内的空气抽出，并向生长空腔通入氩气；对坩埚进行加热。

进一步地，在预设条件下升华碳化硅原料，以使升华形成的碳化硅气体在碳化硅耔晶上重新结晶的步骤中，预设条件为温度大于或者等于2000摄氏度，并且压力范围为1毫巴至100毫巴。

本发明提供的碳化硅单晶生长装置及其生长方法具有以下有益效果：

本发明提供的碳化硅单晶生长装置，顶盖盖设于坩埚上，且与坩埚共同围成生长空腔，碳化硅多晶过渡层设置于顶盖靠近生长空腔的一侧，碳化硅耔晶粘接于碳化硅多晶过渡层远离顶盖的一侧。与现有技术相比，本发明提供的碳化硅单晶生长装置由于采用了设置于顶盖上的碳化硅多晶过渡层，所以能够防止顶盖与碳化硅耔晶直接接触，降低由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。

本发明提供的碳化硅单晶生长方法，应用于碳化硅单晶生长装置，能够防止顶盖与碳化硅耔晶直接接触，降低由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。

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单晶生长装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的碳化硅单晶生长装置中保温碳毡的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的碳化硅单晶生长方法的步骤框图。

图标：100-碳化硅单晶生长装置；110-坩埚；120-顶盖；121-凸台；130-碳化硅多晶过渡层；140-碳化硅耔晶；150-加热线圈；160-保温碳毡；161-顶部保温部；162-侧壁保温部；163-底壁保温部；170-生长空腔；200-碳化硅原料。

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“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”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。

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”、“相连”、“安装”、“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，下述的实施例中的特征可以相互组合。

请结合参照图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种碳化硅单晶生长装置100，用于生长碳化硅单晶。其能够防止顶盖120与碳化硅耔晶140直接接触，降低由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。

碳化硅单晶生长装置100包括坩埚110、顶盖120、碳化硅多晶过渡层130、碳化硅耔晶140、加热线圈150和保温碳毡160。顶盖120盖设于坩埚110上，且与坩埚110共同围成生长空腔170，生长空腔170用于放置碳化硅原料200，且用于供碳化硅单晶生长。碳化硅多晶过渡层130设置于顶盖120靠近生长空腔170的一侧，碳化硅耔晶140粘接于碳化硅多晶过渡层130远离顶盖120的一侧，碳化硅多晶过渡层130设置于顶盖120和碳化硅耔晶140之间，以将顶盖120和碳化硅耔晶140隔绝开来，防止顶盖120与碳化硅耔晶140直接接触。

需要说明的是，坩埚110和顶盖120均由高纯度、高密度的石墨材料制成，在高温条件下，由于石墨材料的热膨胀系数和碳化硅材料的热膨胀系数不同，导致在碳化硅单晶生长初期顶盖120和碳化硅耔晶140的热膨胀变形不同，从而使得碳化硅单晶生长初期会产生较大的热应力，该热应力会造成碳化硅单晶的位错缺陷，严重时还会导致碳化硅单晶中裂纹的产生。本实施例中，利用碳化硅多晶过渡层130将顶盖120和碳化硅耔晶140隔开，避免顶盖120与碳化硅耔晶140直接接触，从而降低碳化硅单晶生长初期产生的热应力，防止碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹，提高碳化硅单晶的生长质量。

本实施例中，加热线圈150围设于保温碳毡160外，保温碳毡160包裹于坩埚110和顶盖120外。保温碳毡160用于对坩埚110和顶盖120进行保温，加热线圈150用于通过保温碳毡160对坩埚110和顶盖120进行加热，以使生长空腔170内的碳化硅原料200在高温状态下升华。具体地，加热线圈150通过电磁感应加热的方式对坩埚110和顶盖120进行加热，加热效率高，加热效果好。

需要说明的是，碳化硅多晶过渡层130的厚度范围为500微米至2000微米。碳化硅耔晶140的厚度范围为350微米至1000微米。坩埚110的壁厚范围为10毫米至20毫米。顶盖120的厚度范围为10毫米至20毫米。合理的碳化硅多晶过渡层130、碳化硅耔晶140、坩埚110和顶盖120的厚度能够优化碳化硅单晶生长所需的温度分布，保证碳化硅单晶的生长质量。

本实施例中，顶盖120的中部设置有凸台121，凸台121朝生长空腔170内延伸设置，碳化硅多晶过渡层130设置于凸台121上，碳化硅耔晶140粘接于碳化硅多晶过渡层130上，以便于成型碳化硅单晶。

保温碳毡160包括顶部保温部161、侧壁保温部162和底壁保温部163。顶部保温部161通过侧壁保温部162与底壁保温部163连接，顶部保温部161贴设于顶盖120上，顶部保温部161用于对顶盖120进行保温，侧壁保温部162套设于坩埚110的外周面，侧壁保温部162用于对用于对坩埚110的侧面进行保温，底壁保温部163贴设于坩埚110的底部，底壁保温部163用于对用于对坩埚110的底面进行保温。

具体地，顶部保温部161和底壁保温部163的厚度范围为10毫米至30毫米，侧壁保温部162的壁厚范围为20毫米至50毫米。合理的顶部保温部161、侧壁保温部162和底壁保温部163的厚度能够增强保温效果，保证碳化硅单晶的生长质量。

本发明实施例还提供了一种碳化硅单晶生长方法，应用于上述的碳化硅单晶生长装置100，该碳化硅单晶生长方法包括以下步骤：

步骤S101：在顶盖120上制备碳化硅多晶过渡层130。

需要说明的是，在步骤S101中，利用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式在顶盖120上沉积碳化硅多晶过渡层130，以使碳化硅多晶过渡层130设置于顶盖120的凸台121上。

步骤S102：在碳化硅多晶过渡层130上粘接碳化硅耔晶140。

需要说明的是，在步骤S102中，碳化硅多晶过渡层130设置于碳化硅耔晶140和顶盖120之间，以防止碳化硅耔晶140与顶盖120直接接触，降低碳化硅单晶由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。

步骤S103：将碳化硅原料200放入坩埚110，且盖上顶盖120。

需要说明的是，在步骤S103中，碳化硅原料200为高纯度的碳化硅原料200，碳化硅原料200的颗粒度范围为100微米至2000微米。

步骤S104：将生长空腔170内的空气抽出，并向生长空腔170通入氩气。

需要说明的是，在步骤S104中，首先对生长空腔170内抽真空，以使生长空腔170内的压力低于0.05毫巴，再向生长空腔170通入氩气，以使生长空腔170内的压力达到400毫巴至800毫巴之间，从而实现对生长空腔170内惰性气体的输入。

步骤S105：对坩埚110进行加热。

需要说明的是，在步骤S105中，利用加热线圈150通过电磁感应加热的方式对坩埚110和顶盖120进行加热，从而对生长空腔170内的碳化硅原料200进行加热，直至碳化硅原料200的温度达到2000摄氏度以上。

步骤S106：在预设条件下升华碳化硅原料200，以使升华形成的碳化硅气体在碳化硅耔晶140上重新结晶。

需要说明的是，在步骤S106中，预设条件为温度大于或者等于2000摄氏度，并且压力范围为1毫巴至100毫巴。当碳化硅原料200的加热温度达到2000摄氏度以上时，对生长空腔170内抽真空，以使生长空腔170内的压力达到1毫巴至100毫巴之间，此时碳化硅原料200开始升华，变成碳化硅气体，并沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的碳化硅耔晶140处沉积结晶，经过100至200小时的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶生长。

本发明实施例提供的碳化硅单晶生长装置100，顶盖120盖设于坩埚110上，且与坩埚110共同围成生长空腔170，碳化硅多晶过渡层130设置于顶盖120靠近生长空腔170的一侧，碳化硅耔晶140粘接于碳化硅多晶过渡层130远离顶盖120的一侧。与现有技术相比，本发明提供的碳化硅单晶生长装置100由于采用了设置于顶盖120上的碳化硅多晶过渡层130，所以能够防止顶盖120与碳化硅耔晶140直接接触，降低由于热膨胀而引起的热应力，避免碳化硅单晶产生位错缺陷和裂纹。使得碳化硅单晶生长方法生长得到的碳化硅单晶位错缺陷较少，且无裂纹存在，质量好。

以上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)

1.一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于，包括坩埚、顶盖、碳化硅多晶过渡层和碳化硅耔晶，所述顶盖盖设于所述坩埚上，且与所述坩埚共同围成生长空腔，所述碳化硅多晶过渡层设置于所述顶盖靠近所述生长空腔的一侧，所述碳化硅耔晶粘接于所述碳化硅多晶过渡层远离所述顶盖的一侧。

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，所述碳化硅多晶过渡层的厚度范围为500微米至2000微米。

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，所述碳化硅耔晶的厚度范围为350微米至1000微米。

4.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述顶盖的中部设置有凸台，所述凸台朝所述生长空腔内延伸设置，所述碳化硅多晶过渡层设置于所述凸台上。

5.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述碳化硅单晶生长装置还包括加热线圈和保温碳毡，所述加热线圈围设于所述保温碳毡外，所述保温碳毡包裹于所述坩埚和所述顶盖外。

6.根据权利要求5所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述保温碳毡包括顶部保温部、侧壁保温部和底壁保温部，所述顶部保温部通过所述侧壁保温部与所述底壁保温部连接，所述顶部保温部贴设于所述顶盖上，所述侧壁保温部套设于所述坩埚的外周面，所述底壁保温部贴设于所述坩埚的底部。

7.一种碳化硅单晶生长方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述的碳化硅单晶生长装置，所述碳化硅单晶生长方法包括：

在所述顶盖上制备所述碳化硅多晶过渡层；

在所述碳化硅多晶过渡层上粘接所述碳化硅耔晶；

将碳化硅原料放入所述坩埚，且盖上所述顶盖；

在预设条件下升华所述碳化硅原料，以使升华形成的碳化硅气体在碳化硅耔晶上重新结晶。

8.根据权利要求7所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述在所述顶盖上制备所述碳化硅多晶过渡层的步骤包括：

利用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式在所述顶盖上沉积所述碳化硅多晶过渡层。

9.根据权利要求7所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述将碳化硅原料放入所述坩埚，且盖上所述顶盖的步骤后，所述碳化硅单晶生长方法还包括：

将所述生长空腔内的空气抽出，并向所述生长空腔通入氩气；

对所述坩埚进行加热。

10.根据权利要求7所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述在预设条件下升华所述碳化硅原料，以使升华形成的碳化硅气体在碳化硅耔晶上重新结晶的步骤中，所述预设条件为温度大于或者等于2000摄氏度，并且压力范围为1毫巴至100毫巴。

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