CN113106549A - 一种采用pvt法制备碳化硅单晶的生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，涉及碳化硅单晶的制备及晶体生长技术领域，包括密封腔、加热结构、保温结构、测温机构、旋转机构和升降机构；保温结构设于密封腔内；加热结构设于保温结构内，测温机构设于密封腔上；坩埚设于保温结构内，籽晶托设于坩埚内；旋转机构用于驱动坩埚的旋转，升降机构用于驱动坩埚的升降，或，所述旋转机构用于驱动所述籽晶托的旋转，所述升降机构用于驱动所述籽晶托的升降。加热结构能实现对坩埚的底部、四周和顶部的分别加热，并能够通过调整单个加热电阻的功率实现径向温度梯度和轴向温度梯度的调节，使坩埚周围的径向温度梯度和轴向温度梯度处于最合适的状态，能更好的促进晶体的生长。

Description

一种采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置
技术领域
本发明涉及碳化硅单晶的制备及晶体生长技术领域，特别是涉及一种采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置。
背景技术
碳化硅是一种优质的宽带隙半导体材料，具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高饱和电子漂移速率等优点，可以满足高温、大功率、低损耗大直径器件的需求。碳化硅单晶无法经过熔融法形成，而基于改进型Lely法的升华生长技术——物理气相传输法是获得碳化硅单晶的常用方法。PVT法制备碳化硅单晶的生长原理是：高纯碳化硅粉源在高温下分解形成气态物质(主要为Si、SiC2、Si2C等)，这些气态物质在过饱和度的驱动下，升华至冷端的籽晶处进行生长。过饱和度是由籽晶与粉源之间的温度梯度引起的。
对于现有技术的生长装置，加热方式多采用单线圈中频感应加热，晶体生长过程中，感应线圈通过调整线圈的功率和线圈与坩埚的相对位置来进行温度的控制，使坩埚中碳化硅源料处和籽晶处产生适当的温度梯度，使晶体能持续生长，感应线圈加热的温度调节的灵活性非常局限，当感应线圈进行轴向移动时，一方面可以调整轴向温度，同时，径向的温度梯度也会随之改变，感应线圈在调节温度时有一定的联动性，在生长中温度的控制不够准确，这样会影响晶体的生长质量和生长速度，不利于大尺寸高质量晶体的生长，而石墨加热的方式则可以解决这一问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，使用石墨电阻加热，使晶体生长的温度调节更加灵活可控，更加简单精确地控制坩埚达到适宜的轴向和径向温度梯度；可有效降低晶体生长的缺陷，保证了晶体的质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，包括密封腔、加热结构、保温结构、测温机构、旋转机构和升降机构；所述保温结构设置于所述密封腔内；所述加热结构设置于所述保温结构内，所述测温机构设置于所述密封腔上；坩埚设置于所述保温结构内，籽晶托设置于所述坩埚内；
所述旋转机构用于驱动所述坩埚的旋转，所述升降机构用于驱动所述坩埚的升降，或，所述旋转机构用于驱动所述籽晶托的旋转，所述升降机构用于驱动所述籽晶托的升降。
可选的，所述旋转升降机构设置于所述坩埚的底部或顶部；或，所述旋转升降机构设置于所述坩埚内上部，所述籽晶托设置于所述旋转升降机构底部。
可选的，所述密封腔包括腔体、上法兰和下法兰，所述上法兰可开启的设置于所述腔体顶部，所述下法兰可开启的设置于所述腔体底部；所述腔体上设置有抽气口。
可选的，所述加热结构包括上部加热区域、下部加热区域和中部加热区域；所述上部加热区域、所述下部加热区域和所述中部加热区域独立运行或组合运行；所述上部加热区域设置于所述保温结构内上部；所述下部加热区域设置于坩埚的底部；所述中部加热区域设置于所述坩埚的四周。
可选的，所述上部加热区域、所述下部加热区域和所述中部加热区域均包括多个独立运行或组合运行的加热电阻。
可选的，所述测温机构包括上部测温设备、下部测温设备和中部测温设备，所述上部测温设备和所述下部测温设备分别设置于所述密封腔顶部和底部，所述中部测温设备位于密封腔的中部。
可选的，所述上部测温设备、所述下部测温设备和中部测温设备为红外测温仪或者热电偶。
可选的，所述密封腔为双夹套水冷结构。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明中的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，主要结构包括密封腔、加热结构、保温结构、测温机构和旋转升降机构；加热结构能够实现对坩埚的底部、四周和顶部的分别加热，并能够通过调整单个或组合加热电阻的功率实现径向温度梯度和轴向温度梯度准确调节，并且有较大的调节幅度，从而有利于SiC源料处温度的控制，能更好的促进晶体的生长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置的结构示意图；
图2为本发明采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置中加热结构的结构示意图；
图3为本发明采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置中上部加热区域或者下部加热区域的电阻数为2的结构示意图俯视图；
图4为本发明采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置中上部加热区域或者下部加热区域的电阻数为2的另一种结构示意图俯视图；
图5为本发明采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置中旋转升降机构的第一种布置位置的结构示意图；
图6为本发明采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置中旋转升降机构的第二种布置位置的结构示意图；
图7为本发明采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置中旋转升降机构的第三种布置位置的结构示意图。
图8为本发明制备碳化硅单晶的生长装置中加热装置组合调节(两组)的原理示意图。
附图标记说明：1、上部测温设备；2、下部测温设备；3、加热结构；31、上部加热区域；32、中部加热区域；33、下部加热区域；4、籽晶托；5、坩埚；6、保温结构；7、密封腔；8、旋转机构；9、中部测温设备；10、升降机构；11、籽晶旋转机构；12、籽晶升降机构；13、电机。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，包括密封腔7、加热结构3、保温结构6和测温机构；所述保温结构6设置于所述密封腔7内；所述加热结构3设置于所述保温结构6内，所述测温机构设置于所述密封腔7上；坩埚5设置于所述保温结构6内，籽晶托4设置于所述坩埚5内；
所述密封腔为双夹套水冷结构。
所述加热结构3包括上部加热区域31、下部加热区域33和中部加热区域32；所述上部加热区域31、所述下部加热区域33和所述中部加热区域32独立运行；所述上部加热区域31设置于所述保温结构6内上部；所述下部加热区域33设置于坩埚5的底部；所述中部加热区域32设置于所述坩埚5的四周。
所述上部加热区域31、所述下部加热区域33和所述中部加热区域32，三个加热区域的电阻组数为0～n组，至少有两个区域的电阻数大于0。对于上部加热区域31，当电阻数为多个时，分别控制每个加热电阻的电源，可调整每个电源的功率，可调节籽晶径向温度梯度，当上部加热区域31的电阻个数足够多时，籽晶的径向温度梯度可趋近0；对于中部加热区域32，当电阻数为多个时，可分别控制每个加热电阻的电源，调整每个电源的功率，可调节坩埚5的轴向温度梯度，当中部加热区域32的电阻个数足够多时，坩埚5的轴向温度梯度可实现均匀变化，且轴向温度梯度能更准确控制；对于下部加热区域33，当电阻数为多个时，可分别控制每个加热电阻的电源，调整每个电源的功率，可调整坩埚5底部(SiC源料处)的径向温度梯度，当下部加热区域33的电阻个数足够多时，坩埚5底部的径向温度梯度可趋近于0；或者，每个区域的各个电阻可组合调节，例如，设置一组电阻为主加热电阻，其他电阻为辅助加热电阻，辅助加热电阻的功率通过电器方式实现功率的输出为主加热电阻的百分比，结构示意图可如图8所示。这样有利于SiC源料处温度的控制，能更好的促进晶体的生长。上述方式需要说明的是，当上部加热电阻和下部加热电阻的电阻数为2时，电阻结构示意图俯视图可以如图3或图4所示方式。
所述加热结构包括上部加热区域、下部加热区域和中部加热区域；所述上部加热区域、所述下部加热区域和所述中部加热区域独立运行或组合运行；所述上部加热区域设置于所述保温结构内上部；所述下部加热区域设置于坩埚的底部；所述中部加热区域设置于所述坩埚的四周。
所述上部加热区域31、所述下部加热区域33和所述中部加热区域32均包括多个独立运行或组合运行的加热电阻。组合调节的其中一种方式：设置一组电阻为主加热电阻，其他电阻为辅助加热电阻，辅助加热电阻的功率通过电器方式实现功率的输出为主加热电阻的百分比，当电阻为两组时结构示意图可如图8所示。
当n＝2时，上部加热区域31或下部加热区域33的结构如图3和图4所示，两个加热电阻可以独立运行，也可以组合运行。
所述测温机构包括上部测温设备1、下部测温设备2和中部测温设备9，所述上部测温设备1和所述下部测温设备2分别设置于所述密封腔7顶部和底部，所述中部测温设备9位于密封腔7的中部。测温设备的数量取决于独立或者组合运行的发热电阻的数量。
所述上部测温设备1、所述下部测温设备2和所述中部测温设备均为红外测温仪或者热电偶。
实施例二：
本实施例是在实施例一的基础上改进的实施例。
如图5和图6所示，所述旋转机构8用于驱动所述坩埚5的旋转，所述升降机构10用于驱动所述坩埚5的升降，旋转轴与密封腔采用波纹管密封。
于更具体的实施例中，所述旋转机构8设置于所述坩埚5的底部或顶部(图5或图6)。旋转机构8可以包括旋转电机及传动机构，旋转电机通过传动机构与坩埚5传动连接，驱动坩埚5旋转；传动机构可采用皮带轮的方式，也可采用齿轮等其他传动方式。
升降机构10包括丝杠和传动机构，驱动坩埚5沿竖直方向升降，可采用运动模组，也可以采用其他方式。
传动机构为常规技术，具体结构不再赘述。
在晶体生长过程中，通过坩埚5的整体升降，配合加热装置，调节坩埚5的轴向温度，促进晶体的持续生长，同时，通过坩埚5的匀速旋转，使坩埚5处于一种均匀的热场，使晶体的生长更加均匀。
如图7所示，本实施例中，所述籽晶旋转机构11用于驱动所述籽晶托4的旋转，所述籽晶升降机构12用于驱动所述籽晶托4的升降。
在晶体生长过程中，通过籽晶托4的升降，配合加热结构3，调节籽晶的温度，使籽晶表面与SiC源料处有适当的温度梯度，从而促进晶体持续生长。当SiC源料在加热状态下发生升华，SiC气体上升到籽晶处，同时籽晶旋转机构11带动籽晶匀速转动，籽晶升降机构12带动籽晶托4上下移动，使的籽晶表面或者已生长出的碳化硅晶体表面有新鲜且具有流速的SiC气体，从而使SiC气体能与籽晶均匀接触和生长，在一定程度上能提高碳化硅的生长速度，同时提高碳化硅的生长质量。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，包括密封腔、加热结构、保温结构、测温机构、旋转机构和升降机构；所述保温结构设置于所述密封腔内；所述加热结构设置于所述保温结构内，所述测温机构设置于所述密封腔上；坩埚设置于所述保温结构内，籽晶托设置于所述坩埚内；
所述旋转机构用于驱动所述坩埚的旋转，所述升降机构用于驱动所述坩埚的升降，或，所述旋转机构用于驱动所述籽晶托的旋转，所述升降机构用于驱动所述籽晶托的升降。
2.根据权利要求1所述的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述旋转升降机构设置于所述坩埚的底部或顶部；或，所述旋转升降机构设置于所述坩埚内上部，所述籽晶托设置于所述旋转升降机构底部。
3.根据权利要求1所述的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述密封腔包括腔体、上法兰和下法兰，所述上法兰可开启的设置于所述腔体顶部，所述下法兰可开启的设置于所述腔体底部；所述腔体上设置有抽气口。
4.根据权利要求1所述的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述加热结构包括上部加热区域、下部加热区域和中部加热区域；所述上部加热区域、所述下部加热区域和所述中部加热区域独立运行或组合运行；所述上部加热区域设置于所述保温结构内上部；所述下部加热区域设置于坩埚的底部；所述中部加热区域设置于所述坩埚的四周。
5.根据权利要求4所述的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述上部加热区域、所述下部加热区域和所述中部加热区域均包括多个独立运行或组合运行的加热电阻。
6.根据权利要求1所述的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述测温机构包括上部测温设备、下部测温设备和中部测温设备，所述上部测温设备和所述下部测温设备分别设置于所述密封腔顶部和底部，所述中部测温设备位于密封腔的中部。
7.根据权利要求6所述的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述上部测温设备、所述下部测温设备和中部测温设备为红外测温仪或者热电偶。
8.根据权利要求1所述的采用PVT法制备碳化硅单晶的生长装置，密封腔结构为双夹套水冷结构。
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Applicant before: NINGBO HIPER VACUUM TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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Address after: No. 365, Xinxing 1st Road, Cixi hi tech Industrial Development Zone, Ningbo City, Zhejiang Province, 315300

Applicant after: Ningbo Hengpu Technology Co.,Ltd.

Address before: No. 365, Xinxing 1st Road, Cixi hi tech Industrial Development Zone, Ningbo City, Zhejiang Province, 315300

Applicant before: Ningbo Hengpu Vacuum Technology Co.,Ltd.

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