CN113151897A - 一种坩埚结构 - Google Patents
一种坩埚结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113151897A CN113151897A CN202110452826.1A CN202110452826A CN113151897A CN 113151897 A CN113151897 A CN 113151897A CN 202110452826 A CN202110452826 A CN 202110452826A CN 113151897 A CN113151897 A CN 113151897A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crucible
- flow guide
- crucible body
- ring
- guide ring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 103
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 47
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 abstract description 46
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 45
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 32
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 230000009471 action Effects 0.000 description 9
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 4
- 102000029749 Microtubule Human genes 0.000 description 3
- 108091022875 Microtubule Proteins 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 210000004688 microtubule Anatomy 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 3
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical group [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 2
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 244000000626 Daucus carota Species 0.000 description 1
- 235000002767 Daucus carota Nutrition 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010189 synthetic method Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/36—Carbides
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种坩埚结构，涉及碳化硅单晶制备装置领域；该坩埚结构包括坩埚本体、第一导流组件和分流组件；坩埚本体的底部用于放置SiC粉料，坩埚本体的顶部具有用于放置SiC籽晶的放置区域；第一导流组件设置于坩埚本体内，与坩埚本体的内侧壁贴合，且第一导流组件包括第一导流环，第一导流环两端均具有正对放置区域的第一开口，且第一导流环在坩埚本体底部至顶部方向上尺寸逐渐减小；分流组件包括盖体，盖体盖设于靠近坩埚本体顶部的第一开口外，且与第一导流环间隔设置并与第一导流环形成用于与第一开口连通的间隙，间隙用于供SiC粉料升华后的气氛流通。该坩埚结构能显著减少碳包裹物产生且能有效地减少晶体生长过程中螺旋错位产生。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅单晶制备装置领域，具体而言，涉及一种坩埚结构。
背景技术
碳化硅单晶材料因其自身宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，其制成的半导体器件能够满足对当今对高功率和强辐射器件的需求，是制备高温、高频、高功率和抗辐射器件的理想衬底材料，并在混合动力汽车、高压输电、LED照明和航天航空等领域崭露头角，而生长高质量的SiC晶体则是实现这些SiC基器件的优异性能的基础。
SiC晶体不会出现在大自然中，只能通过合成的方法来获得SiC晶体。目前碳化硅单晶的方法主要有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相外延法等。其中物理气相传输法是发展最成熟的，这种方法被世界上绝大多数研究机构和公司所采用。物理气相沉积法(PVT)采用中频感应加热，高密度石墨坩埚作为发热体。SiC粉料放置在石墨坩埚底部，SiC籽晶处于石墨坩埚顶部，生长4H-SiC普遍采用C面作为生长面进行晶体生长，以使得碳化硅粉末直接升华成Si、Si2C、SiC2等气体，并传输到籽晶处沉积结晶成碳化硅单晶。
然而，现有技术中，在SIC晶体生长过程中，尽管所用的SiC原料平均颗粒尺寸约200um，但原料的粒度分布范围较宽，最细颗粒直径只有几微米，粗的可达几百微米甚至毫米量级。晶体生长初期，由于此时生长温度相对较低，生长室内气相蒸气压较低，因此生长速度较慢，原料石墨化还未开始。随着生长的进行，生长室内气相蒸气压逐渐增大，细颗粒的原料石墨化也逐渐开始，石墨化后的细颗粒有可能在生长室内气相蒸气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。由于生长室内的蒸气压有几百Pa，在温度梯度的作用下生长室内将会产生一定的对流，完全石墨化的细颗粒极有可能在对流的作用下到达生长界面，从而在生长的晶体中产生碳包裹物。
研究发现，微管是SiC晶体中的“杀手型”缺陷，该缺陷的存在将严重影响SiC器件的性能，微管密度已成为SiC晶片最重要的指标参数之一。碳包裹物是晶体中微管的一个来源，观察发现，碳包裹物既能够终止微管，也能够诱导微管的产生。因此要减少微管密度，除了选用高质量籽晶和抑制多型相变的发生外，还要抑制晶体中碳包裹物的产生。
发明内容
本发明的实施例提供了一种能显著减少碳包裹物产生且能有效地减少晶体生长过程中螺旋错位产生的目的坩埚结构。
本发明的实施例可以这样实现：
本发明提供一种坩埚结构，包括：
坩埚本体，坩埚本体的底部用于放置SiC粉料，坩埚本体的顶部具有用于放置SiC籽晶的放置区域；
第一导流组件，第一导流组件设置于坩埚本体内，与坩埚本体的内侧壁贴合，且第一导流组件包括第一导流环，第一导流环两端均具有正对放置区域的第一开口，且第一导流环在坩埚本体底部至顶部方向上尺寸逐渐减小；
分流组件，包括盖体，盖体盖设于靠近坩埚本体顶部的第一开口外，且与第一导流环间隔设置并与第一导流环形成用于与第一开口连通的间隙，间隙用于供SiC粉料升华后的气氛流通。
在可选的实施方式中，第一导流环呈倒置的圆锥状结构设置，且第一导流环靠近坩埚本体底部的第一开口的直径大于第一导流环靠近坩埚本体顶部的第一开口的直径。
在可选的实施方式中，第一导流组件还包括第一安装环，第一安装环具有第一安装内腔，第一导流环安装于第一安装内腔内；第一安装环的外径与坩埚本体的内径相匹配，以使第一安装环的外周面能与坩埚本体的内周面贴合。
在可选的实施方式中，沿坩埚本体的底部至顶部的方向上，第一安装环的尺寸大于或等于第一导流环的尺寸。
在可选的实施方式中，盖体包括盖本体和延伸盖，盖本体与坩埚本体的底壁平行设置，延伸盖绕盖本体周向边缘设置，且一端与盖本体连接，另一端向远离盖本体且靠近坩埚本体的底部的方向倾斜延伸。
在可选的实施方式中，分流组件还包括多个连接件，多个连接件间隔设置于盖体与第一导流环之间。
在可选的实施方式中，坩埚本体还包括第二导流组件，第二导流组件设置于坩埚本体内，与坩埚本体的内侧壁贴合；第二导流组件盖设于分流扣靠近坩埚本体顶部的一端，与盖体间隔设置；第二导流组件包括第二导流环，第二导流环两端均具有正对放置区域的第二开口，且第二导流环在坩埚本体底部至顶部方向上的尺寸逐渐减小，以使从间隙流出的气氛能通过第二开口后向放置区域流动。
在可选的实施方式中，第二导流环呈倒置的圆锥状结构设置，且第二导流环靠近坩埚本体底部的第二开口的直径大于第二导流环靠近坩埚本体顶部的第二开口的直径。
在可选的实施方式中，第二导流组件还包括第二安装环，第二安装环具有第二安装内腔，第二导流环安装于第二安装内腔内；第二安装环的外径与坩埚本体的内径相匹配，以使第二安装环的外周面能与坩埚本体的内周面贴合。
在可选的实施方式中，第二安装环的底部与第一安装环的顶部抵接配合，且沿坩埚本体的底部至顶部的方向上，第二安装环的尺寸大于或等于第二导流环的尺寸。
本发明的实施例至少具备以下优点或有益效果：
本发明的实施例提供了一种坩埚结构，其包括坩埚本体、第一导流组件和分流组件；坩埚本体的底部用于放置SiC粉料，坩埚本体的顶部具有用于放置SiC籽晶的放置区域；第一导流组件设置于坩埚本体内，与坩埚本体的内侧壁贴合，且第一导流组件包括第一导流环，第一导流环两端均具有正对放置区域的第一开口，且第一导流环在坩埚本体底部至顶部方向上尺寸逐渐减小；分流组件包括盖体，盖体盖设于靠近坩埚本体顶部的第一开口外，且与第一导流环间隔设置并与第一导流环形成用于与第一开口连通的间隙，间隙用于供SiC粉料升华后的气氛流通。
该坩埚结构通过第一导流组件的设置能导流原料升华出的气氛，并引导其向上扩散至分流组件处，并通过分流组件的作用向四周扩散，从而使得扩散出分流组件后的气氛能在轴向温梯的作用下继续向上扩散至放置区域所形成的生长面。也即，通过第一导流组件和分流组件的设置能限制原料表面附近的对流，从而很好的将大部分碳颗粒的活动区域限制在其组合的区域内，从而有效地减少碳包裹物的生成。并且，通过分流组件的设置，还能有效遮蔽来自原料表面的热辐射，减少晶体晶格间内应力的产生，从而减少螺旋位错的产生。
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坩埚结构的剖面示意图；
图2为本发明的实施例提供的坩埚结构的分解示意图；
图3为本发明的实施例提供的坩埚结构的第一导流组件的结构示意图；
图4为本发明的实施例提供的坩埚结构的分流组件的结构示意图。
图标：100-坩埚结构；101-坩埚本体；102-坩埚盖；103-放置区域；104-筒体；105-第一导流组件；107-第一导流环；109-第一安装环；111-第一安装内腔；113-第一开口；115-间隙；116-分流组件；117-盖体；118-盖本体；119-延伸盖；121-连接件；123-第二导流组件；125-第二安装环；127-第二导流环；129-第二安装内腔；131-第二开口；133-敞口。
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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，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。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
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”、“安装”、“相连”、“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。
相关技术中，在利用坩埚进行碳化硅单晶的制备过程中，容易由于原料表面的对流而使得晶体中产生碳包裹物。碳包裹物的出现是晶体中微管的一个来源，而微管已经成为晶片缺陷的指标，严重影响了SiC器件的性能。有鉴于此，本实施例提供了一种坩埚结构，其通过导流组件与分流组件的设置，不仅能有效地减少晶体中碳包裹物的生成，还能有效地减少晶体生长过程中螺旋错位产生，从而有效地保证晶体质量。下面对该坩埚结构的结构和工作原理进行详细地介绍。
图1为本实施例提供的坩埚结构100的剖面示意图；图2为本实施例提供的坩埚结构100的分解示意图。请参阅图1与图2，在本实施例提供的坩埚结构100包括坩埚本体101、第一导流组件105以及分流组件116。
详细地，坩埚本体101呈圆筒状结构，坩埚本体101具体包括筒体104和坩埚盖102。筒体104的顶部为敞口133，筒体104的底部为底壁，坩埚盖102可开合地设置于筒体104的敞口133处，用于打开或关闭敞口133。同时，当坩埚盖102封闭敞口133时，坩埚盖102靠近筒体104底部的一端设置有放置区域103，放置区域103用于放置SiC籽晶，筒体104的底壁用于放置SiC粉料，然后通过给坩埚加热，使得SiC粉料能在2100℃以上温度与低压环境下直接升华成Si、Si2C、SiC2等气体，并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成碳化硅单晶在进行碳化硅晶体。
详细地，第一导流组件105设置于坩埚本体101内，与坩埚本体101的内侧壁贴合，且第一导流组件105包括第一导流环107，第一导流环107两端均具有正对放置区域103的第一开口113，且第一导流环107在坩埚本体101底部至顶部方向上尺寸逐渐减小，从而使得原料在高温情况下升华形成的原料气氛能在第一导流环107的引导下向中部以及上方运动。
详细地，分流组件116包括盖体117，盖体117盖设于靠近坩埚本体101顶部的第一开口113外，且与第一导流环107间隔设置并与第一导流环107形成用于与第一开口113连通的间隙115，间隙115用于供SiC粉料升华后的气氛流通。通过分流组件116的盖体117的设置，能有效地阻挡原料表面对流所带出的细小碳颗粒，使得升华后的气氛能通过间隙115后继续往上到达籽晶处，而细小碳颗粒则慢慢沉积于第一导流环107的表面，则不会向籽晶方向运动，则可从根源上解决晶体的碳包裹物的形成的问题。下面对第一导流组件105和分流组件116的设置能从根本上解决碳包裹物的形成的原理进行详细地介绍。
由于坩埚本体101加热后轴向温度分布为，原料中心处温度最高，其次是坩埚本体101的底部，而坩埚本体101顶部，也就是坩埚盖102放置籽晶的位置温度最低。因而，在SiC晶体生长时，原料中心位置的SiC原料最先分解，生成的SiC气相物质向低温处扩散，也就是向籽晶和坩埚底部扩散，当籽晶处的SiC气相物质大于其饱和蒸气压时，籽晶处就开始结晶生长。在SiC原料供应充足的情况下，原料中心处与坩埚本体101的顶部的温度相差越大，也就是生长室的轴向梯度越大，籽晶处的SiC气相物质过饱和度就越大，晶体生长速度也就越快。因而，轴向温度梯度主要影响SiC晶体的生长速度。并且，由于坩埚本体101加热后轴向温度分布为，能够在晶体表面形成一个恒温的等温面，在晶体的同一横切面上，中心位置的温度最低，边缘温度最高，因而中心温度与边缘温度差别越大，也就是晶体的径向温度梯度越大，晶体生长面就越凸。
所以在原料上部的气相区域，靠近坩埚本体101的内壁的温度最高，温梯最大，气体流速也最快，而中心区域的温度最低，这会导致靠近坩埚本体101的内壁升华出的生长气氛在上升后又往中心区域流去，由于中心温度又较低，气流冷凝导致密度较大，气流又向下沉积，形成一个气体对流，该对流只存在于原料表面附近，然而对原料表面的细小碳颗粒产生严重影响，这些细小的石墨颗粒很容易被气相蒸汽的对流带动晶体生长表面，从而形成包裹物。
而本发明的实施例提供的坩埚结构100由于通过第一导流组件105和分流组件116的设置能有效地阻挡原料表面对流所带出的细小碳颗粒，使得升华后的气氛能通过间隙115后继续往上到达籽晶处，而细小碳颗粒则慢慢沉积于第一导流环107的表面，则不会向籽晶方向运动。因而可以使得原料升华出的气氛首先在第一导流环107的作用下向上扩散，扩散至分流组件116后在分流组件116的分流作用下向四周扩散，扩散出分流扣后在轴向温梯作用下继续向上扩散至生长面。同时，坩埚本体101的内壁由于温度高，温梯大，升华气氛流速快，且该区域最先碳化，所以最易吹起碳颗粒；而中心区域的温度最低，这会导致靠近坩埚本体101的内壁升华出的生长气氛在上升后又往中心区域流去，由于中心温度又较低，气流冷凝导致密度较大，气流又向下沉积，形成一个气体对流，但通过第一导流组件105和分流组件116能很好的将大部分碳颗粒的活动区域限制在其组合的区域内。虽然仍然有部分细小碳颗粒能达到分流组件116处，但分流组件116也能根据盖设于第一开口113外的特征改变气氛的扩散方向，进而也改变气氛对碳颗粒的升力方向，继而使得碳颗粒在重力作用下慢慢沉积于第一导流环107上表面，从而从根本上解决晶体的碳包裹物形成的问题。
同时，还需要指出的是，由于现有技术在利用坩埚制备碳化硅晶体的过程中，在晶体生长过程中，由于杂质或者热应力的不均匀分布，在晶格内产生内应力，当内应力超过一定限度时，晶格便沿着某个面网发生相对剪切位移，位移截止处形成一条位错线，即螺旋位错。衬底中的TSD会成为外延胡萝卜缺陷的成核点或者形成一些深坑，当碳化硅器件中包含胡萝卜缺陷时，会使得通过晶体制备形成的器件表现出过大的漏电流以及明显降低的击穿电压；如果外延深坑形成其几何效应，例如电场聚集，会严重影响器件性能。而本发明的实施例提供的坩埚结构100，由于在第一开口113处盖设有分流组件116，因而能还能有效遮蔽来自原料表面的热辐射，减少晶体晶格间内应力的产生，从而还能有效地减少晶体的螺旋位错的产生。并且，由于从理论上将增加原料和籽晶的间距也能有效减少碳包裹物，而本发明的实施例通过热场结构的改变，也变相增加碳颗粒从原料表面到籽晶生长面的距离，从而能有更进一步地避免碳颗粒扩散至晶体生长面，因而能更进一步地改善碳包裹物形成的问题。
综上，本发明的实施例通过第一导流组件105和分流组件116的设置，不仅能改善碳包裹物形成的问题，还能解决晶体螺旋错位产生的问题。
图3为本发明的实施例提供的坩埚结构100的第一导流组件105的结构示意图。请参阅图1至图3，在本实施例中，第一导流环107呈倒置的圆锥状结构设置，且第一导流环107靠近坩埚本体101底部的第一开口113的直径大于第一导流环107靠近坩埚本体101顶部的第一开口113的直径。通过圆锥状结构设置，使得原料在升华后形成的气氛能沿着第一导流环107的延伸方向向靠近坩埚本体101的中部的位置流动，从而保证其能在分流组件116的分流作用下向四周溢出。
详细地，在本实施例中，第一导流组件105还包括第一安装环109，第一安装环109具有第一安装内腔111，第一导流环107安装于第一安装内腔111内，且第一导流环107的下方与第一安装环109的下方固定连接，且二者可一体成型。同时，第一安装环109的外径与坩埚本体101的内径相匹配，以使第一安装环109的外周面能与坩埚本体101的内周面贴合，从而避免原料粉末升华后形成的气氛从其他途径流动至生长面，从而保证第一导流组件105和分流组件116能有效地阻挡碳颗粒向生长面运动，避免碳包裹物的形成，同时减少晶体螺旋错位的产生。
更详细地，在本实施例中，沿坩埚本体101的底部至顶部的方向上，第一安装环109的尺寸大于或等于第一导流环107的尺寸，本实施例具体为二者尺寸相同，使得第一安装环109的高度尺寸和第一导流环107的高度尺寸相匹配，不仅便于加工和生产，还便于引导原料升华后的气氛流动。当然，在其他实施例中，二者的高度尺寸还可以根据需求进行调整，本实施例不做限定。
图4为本实施例提供的坩埚结构100的分流组件116的结构示意图。请参阅图1至图4，在本实施例中，盖体117包括盖本体118和延伸盖119，盖本体118与坩埚本体101的底壁平行设置，延伸盖119绕盖本体118周向边缘设置，且一端与盖本体118连接，另一端向远离盖本体118且靠近坩埚本体101的底部的方向倾斜延伸，使得盖体117大致呈一个倒置的碗状结构设置。通过将盖体117设置为倒置的碗装结构设置，使得盖体117能改变气氛的流向，同时能阻止碳颗粒到达籽晶处，还能减少热辐射，因而能保证减少碳包裹物的形成的同时减少晶体螺旋错位的产生。
作为可选的方案，在本实施例中，为了保证盖体117的稳定性，分流组件116还包括多个连接件121，多个连接件121间隔设置于盖体117与第一导流环107之间。并且，连接件121具体选择为连接柱，连接柱可与盖体117可一体成型，同时，连接件121与第一导流环107能插接、粘结、扣接或固定连接，保证盖体117的稳定性即可，本实施例不做限定。
请再次参阅图1与图2，在本实施例中，由于生长气氛硅碳原子的冷凝沉积和结晶潜热的释放，在晶体生长面周围生长气氛中的硅碳原子浓度是相对较小的，导致气流向上移动，离生长面稍远处的生长气流往生长面流动由此在晶体侧面形成气旋，气旋使生长晶体的物质供应不均匀。因而，本实施例根据需求还在坩埚本体101内设置有第二导流组件123，第二导流组件123与第一导流组件105的结构以及放置方向均相同，第二导流环127能引导经过分流组件116分流后溢出的气流，使得气氛沿着第二导流环127的内壁向上扩散并在内壁的支持力作用下不断调整扩散方向，并不断汇聚在一起最后从上孔流出和中间的气氛汇集一同向生长面流去，以一种相对均匀的方式到达晶体生长，并持续将生长气氛传输至生长面，保持生长面附近气氛的过饱和，同时避免气旋的产生。也使得晶体越稳定生长，其晶格间内应力越少，从而充分保证螺旋位错TSD也较少。
详细地，第二导流组件123设置于坩埚本体101内，与坩埚本体101的内侧壁贴合。第二导流组件123盖设于分流扣靠近坩埚本体101顶部的一端，与盖体117间隔设置；第二导流组件123包括第二导流环127，第二导流环127两端均具有正对放置区域103的第二开口131，且第二导流环127在坩埚本体101底部至顶部方向上的尺寸逐渐减小，以使从间隙115流出的气氛能通过第二开口131后向放置区域103流动，从而使得气氛沿着第二导流环127的内壁向上扩散并在内壁的支持力作用下不断调整扩散方向，并不断汇聚在一起最后从上孔流出和中间的气氛汇集一同向生长面流去，以一种相对均匀的方式到达晶体生长，进而保证晶体的生长质量。
更详细地，在本实施例中，第二导流环127呈倒置的圆锥状结构设置，且第二导流环127靠近坩埚本体101底部的第二开口131的直径大于第二导流环127靠近坩埚本体101顶部的第二开口131的直径，以使得气氛在经过分流组件116分流后能沿着第二导流环127的内壁向上扩散并在内壁的支持力作用下不断调整扩散方向，并不断汇聚在一起最后从上孔流出和中间的气氛汇集一同向生长面流去，从而能保证晶体生长质量。
请再次参阅图1与图2，与第一导流组件105的结构类似，第二导流组件123还包括第二安装环125，第二安装环125具有第二安装内腔129，第二导流环127安装于第二安装内腔129内，且第二导流环127的底部与第二安装环125的底部固定连接，二者可一体成型。同时，第二安装环125的外径与坩埚本体101的内径相匹配，以使第二安装环125的外周面能与坩埚本体101的内周面贴合，避免气氛沿其他路径到达籽晶位置，从而充分保证气氛能依次经过第一导流组件105、分流组件116和第二导流组件123后到达籽晶位置，以保证晶体生长质量。
详细地，在本实施例中，第二安装环125的底部与第一安装环109的顶部抵接配合，且沿坩埚本体101的底部至顶部的方向上，第二安装环125的尺寸大于或等于第二导流环127的尺寸。通过将第二安装环125的底部与第一安装环109的顶部抵接配合，使得气氛能依次经过第一导流组件105、分流组件116和第二导流组件123后到达籽晶位置，保证导流和分流效果。同时，本实施例具体将第二安装环125的高度尺寸设置为等于第二导流环127的高度尺寸，能在保证加工便捷的同时进一步地保证导流效果，从而保证晶体生长质量。
下面对本发明提供的坩埚结构100制备碳化硅单晶的制备过程和有益效果进行详细地介绍：
在使用上述的坩埚结构100进行晶体制备时，可向坩埚本体101的底部内填装原料至工艺填装高度，完成烧结制程后，检查并记录原料表面情况，在将第一导流环107放置于坩埚内的架层，将分流组件116放置在第一导流环107上方，接着再将第二导流环127放置于坩埚内的架层，最后将粘接好籽晶的坩埚盖102与内部放置好热场的坩埚进行密封，生长坩埚周围、顶部、底部会包裹1～4层厚度5～10mm的石墨软毡保温层，然后将生长坩埚放入长晶炉中，首先抽真空到压力5x10-2mbar以下，充入氩气控制压力在1～50mbar环境之下，水冷式感应线圈通电，以电磁感应原理加热石墨坩埚，当加热温度达到2100℃以上，碳化硅粉末开始升华变成Si、Si2C、SiC2等气体，并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形成碳化硅单晶，经过5～10天的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶生长。
采用该坩埚结构100的热场结构生长4英寸掺N的4H-SiC晶体，晶体为单一晶型4H，晶体表面无杂晶、密集性微管等宏观缺陷。晶体经过切磨抛后得到晶片，将晶体放置于光学显微镜下观察，可以看到SiC晶体中基本没有包裹物，碳包裹物的密度由原本的5-10个/cm2降低至＜1个/cm2；KOH溶液蚀刻衬底并计算蚀刻片缺陷密度，发现TSD密度由原本的300-500cm-2降低至＜50cm-2，BPD和TED缺陷密度也均有些许改善。表明利用该原料筒热场结构进行晶体生长可有效降低降低晶体中的碳包裹物密度和TSD密度。
综上所述，采用本发明的实施例提供的坩埚结构100制备碳化硅单晶，原料升华出的气氛首先在第一导流环107的作用下向上扩散，扩散至分流组件116后在分离组件的分流作用下向四周扩散，扩散出分流扣后在轴向温梯和第二个导流环的作用下继续向上扩散至生长面。因而，能通过第一导流组件105和分流组件116的设置能限制原料表面附近的对流，从而很好的将大部分碳颗粒的活动区域限制在其组合的区域内，从而有效地减少碳包裹物的生成。并且，通过分流组件116的设置，还能有效遮蔽来自原料表面的热辐射，减少晶体晶格间内应力的产生，从而减少螺旋位错的产生。
综上所述，本发明的实施例提供了一种能显著减少碳包裹物产生且能有效地减少晶体生长过程中螺旋错位产生的目的坩埚结构100。
以上，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权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种坩埚结构，其特征在于，包括：
坩埚本体，所述坩埚本体的底部用于放置SiC粉料，所述坩埚本体的顶部具有用于放置SiC籽晶的放置区域；
第一导流组件，所述第一导流组件设置于所述坩埚本体内，与所述坩埚本体的内侧壁贴合，且所述第一导流组件包括第一导流环，所述第一导流环两端均具有正对所述放置区域的第一开口，且所述第一导流环在所述坩埚本体底部至顶部方向上尺寸逐渐减小；
分流组件，包括盖体，所述盖体盖设于靠近所述坩埚本体顶部的所述第一开口外，且与所述第一导流环间隔设置并与所述第一导流环形成用于与所述第一开口连通的间隙，所述间隙用于供所述SiC粉料升华后的气氛流通。
2.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：
所述第一导流环呈倒置的圆锥状结构设置，且所述第一导流环靠近所述坩埚本体底部的所述第一开口的直径大于所述第一导流环靠近所述坩埚本体顶部的所述第一开口的直径。
3.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：
所述第一导流组件还包括第一安装环，所述第一安装环具有第一安装内腔，所述第一导流环安装于所述第一安装内腔内；所述第一安装环的外径与所述坩埚本体的内径相匹配，以使所述第一安装环的外周面能与所述坩埚本体的内周面贴合。
4.根据权利要求3所述的坩埚结构，其特征在于：
沿所述坩埚本体的底部至顶部的方向上，所述第一安装环的尺寸大于或等于所述第一导流环的尺寸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的坩埚结构，其特征在于：
所述盖体包括盖本体和延伸盖，所述盖本体与所述坩埚本体的底壁平行设置，所述延伸盖绕所述盖本体周向边缘设置，且一端与所述盖本体连接，另一端向远离所述盖本体且靠近所述坩埚本体的底部的方向倾斜延伸。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的坩埚结构，其特征在于：
所述分流组件还包括多个连接件，多个所述连接件间隔设置于所述盖体与所述第一导流环之间。
7.根据权利要求3或4所述的坩埚结构，其特征在于：
所述坩埚本体还包括第二导流组件，所述第二导流组件设置于所述坩埚本体内，与所述坩埚本体的内侧壁贴合；所述第二导流组件盖设于所述分流扣靠近所述坩埚本体顶部的一端，与所述盖体间隔设置；所述第二导流组件包括第二导流环，所述第二导流环两端均具有正对所述放置区域的第二开口，且所述第二导流环在所述坩埚本体底部至顶部方向上的尺寸逐渐减小，以使从所述间隙流出的气氛能通过所述第二开口后向所述放置区域流动。
8.根据权利要求7所述的坩埚结构，其特征在于：
所述第二导流环呈倒置的圆锥状结构设置，且所述第二导流环靠近所述坩埚本体底部的所述第二开口的直径大于所述第二导流环靠近所述坩埚本体顶部的所述第二开口的直径。
9.根据权利要求7所述的坩埚结构，其特征在于：
所述第二导流组件还包括第二安装环，所述第二安装环具有第二安装内腔，所述第二导流环安装于所述第二安装内腔内；所述第二安装环的外径与所述坩埚本体的内径相匹配，以使所述第二安装环的外周面能与所述坩埚本体的内周面贴合。
10.根据权利要求9所述的坩埚结构，其特征在于：
所述第二安装环的底部与所述第一安装环的顶部抵接配合，且沿所述坩埚本体的底部至顶部的方向上，所述第二安装环的尺寸大于或等于所述第二导流环的尺寸。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110452826.1A CN113151897B (zh) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 一种坩埚结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110452826.1A CN113151897B (zh) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 一种坩埚结构 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113151897A true CN113151897A (zh) | 2021-07-23 |
| CN113151897B CN113151897B (zh) | 2022-08-26 |
Family
ID=76870760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110452826.1A Active CN113151897B (zh) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 一种坩埚结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113151897B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114645317A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-06-21 | 国宏中宇科技发展有限公司 | 晶体制备装置和碳化硅晶体制备方法 |
| CN114990696A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-02 | 北京天科合达半导体股份有限公司 | 一种生长低夹杂包裹物碳化硅单晶的装置 |
| CN115838963A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-03-24 | 浙江晶越半导体有限公司 | 一种应用于升华法生长碳化硅单晶的坩埚装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109629001A (zh) * | 2019-02-02 | 2019-04-16 | 福建北电新材料科技有限公司 | 碳化硅单晶生长装置及碳化硅单晶制备设备 |
| CN110424052A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-11-08 | 福建北电新材料科技有限公司 | 坩埚 |
| CN212610986U (zh) * | 2020-07-01 | 2021-02-26 | 广州南砂晶圆半导体技术有限公司 | 一种用于减少碳化硅单晶中的碳包裹体的坩埚 |
-
2021
- 2021-04-26 CN CN202110452826.1A patent/CN113151897B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109629001A (zh) * | 2019-02-02 | 2019-04-16 | 福建北电新材料科技有限公司 | 碳化硅单晶生长装置及碳化硅单晶制备设备 |
| CN110424052A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-11-08 | 福建北电新材料科技有限公司 | 坩埚 |
| CN212610986U (zh) * | 2020-07-01 | 2021-02-26 | 广州南砂晶圆半导体技术有限公司 | 一种用于减少碳化硅单晶中的碳包裹体的坩埚 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114645317A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-06-21 | 国宏中宇科技发展有限公司 | 晶体制备装置和碳化硅晶体制备方法 |
| CN114990696A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-02 | 北京天科合达半导体股份有限公司 | 一种生长低夹杂包裹物碳化硅单晶的装置 |
| CN114990696B (zh) * | 2022-05-25 | 2023-12-26 | 北京天科合达半导体股份有限公司 | 一种生长低夹杂包裹物碳化硅单晶的装置 |
| CN115838963A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-03-24 | 浙江晶越半导体有限公司 | 一种应用于升华法生长碳化硅单晶的坩埚装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113151897B (zh) | 2022-08-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113151897B (zh) | 一种坩埚结构 | |
| CN107059130B (zh) | 一种减少碳化硅单晶中包裹体的坩埚及利用坩埚生长单晶的方法 | |
| US8313720B2 (en) | Guided diameter SiC sublimation growth with multi-layer growth guide | |
| CN214572367U (zh) | 一种碳化硅晶体生长装置 | |
| US9068277B2 (en) | Apparatus for manufacturing single-crystal silicon carbide | |
| CN111088524B (zh) | 一种大尺寸碳化硅单晶、衬底及制备方法和使用的装置 | |
| US10153207B2 (en) | Method for manufacturing a silicon carbide wafer using a susceptor having draining openings | |
| CN112466929B (zh) | 碳化硅衬底、晶锭及其制备方法 | |
| CN109234797B (zh) | 一种碳化硅单晶生长装置 | |
| EP3382068A1 (en) | Silicon carbide substrate and method of growing sic single crystal boules | |
| TW202117107A (zh) | 碳化矽晶圓以及碳化矽晶圓之製備方法 | |
| US11421339B2 (en) | Method of manufacturing SiC single crystal and covering member | |
| CN110129880A (zh) | 一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置及生长方法 | |
| CN111819311A (zh) | 碳化硅单晶的制造方法 | |
| JP7258355B2 (ja) | 炭化珪素インゴットの製造方法、炭化珪素ウエハの製造方法及びその成長システム | |
| CN113122924B (zh) | 晶体生长组件、晶体生长装置和方法 | |
| CN111349971B (zh) | 晶体原料盛载装置及晶体生长装置 | |
| JP5761264B2 (ja) | ＳｉＣ基板の製造方法 | |
| KR20190058963A (ko) | 탄화규소 단결정 성장 장치 | |
| CN113122915B (zh) | 镀层方格、坩埚装置和晶体生长方法 | |
| CN115386950B (zh) | 晶体生长装置 | |
| CN112626619B (zh) | 一种碳化硅单晶锭、衬底及其制备方法 | |
| PL238539B1 (pl) | Sposób wytwarzania kryształów węglika krzemu | |
| CN112501694B (zh) | 碳化硅晶片、晶锭及其制备方法 | |
| CN112501687B (zh) | 碳化硅晶片、晶锭及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240306 Address after: 410000 No. 399, Changxing Road, high tech Development Zone, Changsha, Hunan Province Patentee after: Hunan San'an Semiconductor Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 362200 Jiangpu community enterprise operation center building, Chendai Town, Jinjiang City, Quanzhou City, Fujian Province Patentee before: FUJIAN NORSTEL MATERIAL TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Country or region before: China |
|
| TR01 | Transfer of patent right |