CN113249783A - 一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置 - Google Patents

一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，包括石墨坩埚，感应加热线圈和驱动机构。所述驱动机构位于所述石墨坩埚外部上方，所述感应加热线圈位于所述石墨坩埚外部，所述的石墨坩埚呈圆柱状，包括位于下部的主腔室和位于上部的辅助腔室。主腔室的底部承装碳化硅源粉，辅助腔室包括底部承装碳化硅源粉的第一辅料槽和底部承装卤化物辅料的第二辅料槽。本发明通过生长装置结构的特殊设计，来满足多个碳化硅单晶生长过程中对生长环境的相应要求，同一批次获得多个高质量的碳化硅单晶，从而显著提高当前碳化硅单晶的生长效率。

Description

一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置
技术领域
本发明涉及碳化硅单晶生长领域，具体涉及一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置。
背景技术
随着绿色发展和节能减排的理念深入人心，人们对功率半导体器件的性能指标要求日益增高。以碳化硅为代表的第三代半导体材料因为具有高热导率，高临界击穿电场等众多独特优势，其发展和推广越来越受到重视。目前，一些技术领先国家和国际大型企业已经投入到第三代半导体碳化硅的研发和生产中。然而，当前高昂的价格和较低的生产效率成为了阻碍碳化硅晶体在市场上更为广泛应用的壁垒，因此开发新的晶体生长技术装置仍然具有非常重要的现实意义。
PVT法生长碳化硅单晶目前被公认为最为成熟的碳化硅单晶生长方法。然而，在PVT法中，生长时间长，生长条件苛刻，但是一个生长炉中只能生长出一块碳化硅单晶，生产效率不高。因此，开发具有多个碳化硅单晶同时生长的设备具有很好的应用前景，但是需要对多个碳化硅单晶在同一个生长炉中同时生长所需的环境要求做好相应的保证。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，提供了一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，并通过结构特殊设计来满足多个碳化硅单晶生长过程中对生长环境的相应要求，同一批次获得多个高质量的碳化硅单晶。
本发明公开的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其主要技术方案如下：
包括石墨坩埚，感应加热线圈和驱动机构，所述驱动机构位于所述石墨坩埚外部上方，所述驱动机构可通过支撑柱调节籽晶在石墨坩埚中的位置，所述感应加热线圈位于所述石墨坩埚外部；所述石墨坩埚包括位于下部的主腔室和位于上部的辅助腔室，主腔室的底部承装碳化硅源粉，辅助腔室包括第一辅料槽和第二辅料槽，所述第一辅料槽的底部承装碳化硅源粉，所述第二辅料槽的底部承装卤化物辅料，所述石墨坩埚顶部与驱动机构之间设有第一盖板，所述第一盖板中部设有第一通孔，所述第一辅料槽和第二辅料槽之间设有第二盖板，所述第二盖板中部设有第二通孔，所述主腔室和辅助腔室之间设有第三盖板，所述第三盖板表面设有贯通的气孔，所述第三盖板下表面设有多个籽晶托，所述气孔位于所述籽晶托之间，至少为一个，所述第三盖板上方固定连接有支撑柱，所述支撑柱与所述驱动机构相连，所述第一辅料槽和第二辅料槽通过气管与所述第三盖板表面的气孔相通，任一所述气管可同时与一个或多个气孔相通。
所述气管内部设有单向阀，所述单向阀分为水平单向阀和竖直单向阀，所述单向阀包括阀板、进气口、排气口和支块，所述单向阀采用内嵌或外部连接的方式安装到所述气管上，可控制气体只能从进气口到出气口流动，所述进气口和排气口均为管状结构，所述进气口的内径小于所述排气口的内径，所述阀板为空心石墨圆板，所述阀板的外部设有贯通的小孔，所述阀板表面与所述进气口末端面贴合后可封闭所述进气口，所述阀板与所述出气口内壁间隙配合，所述间隙可供阀板在出气口轴向移动，所述支块至少为三块，所述阀板下表面与所述支块接触后，所述阀板上表面与所述进气口末端面之间存在间隙，所述间隙不超过0.5 mm。
所述第一盖板中部设有第一通孔，所述支撑柱通过所述第一通孔与驱动机构连接；所述第二盖板中部设有第二通孔，所述支撑柱和所述气管通过所述第二通孔与第三盖板连接。
所述第一辅料槽和第二辅料槽共同使用同一根所述气管或分别采用单独的所述气管。
所述驱动机构可以通过所述支撑柱带动所述第三盖板在所述石墨坩埚内部上下移动，进而调整籽晶生长面在石墨坩埚内部生长气氛中的位置，进而间接调控生长气氛中的碳硅比例，获得高质量的碳化硅单晶。
感应加热线圈采用独立分体式设计，包括第一加热线圈组、第二加热线圈组和第三加热线圈组，所述一加热线圈组、第二加热线圈组和第三加热线圈组分别连接各自的独立电源；第一加热线圈组位于所述主腔室的外侧，第二加热线圈组位于所述第一辅料槽的外侧，第三加热线圈组位于所述第二辅料槽的外侧。
相比现有技术，本发明技术方案具有显著的优点，并产生了有益的效果，具体阐述如下：
第一，本发明技术方案利用特殊的结构设计，很好地解决了多个碳化硅单晶同时生长可能出现的相邻籽晶托之间气相硅和气相碳的“竞争”和不足问题。在同一个石墨坩埚内采用多个籽晶托，同时在石墨坩埚底部的主腔室和顶部的辅助腔室中设置碳化硅源粉，使得处于主腔室和辅助腔室之间的多个籽晶托上面的碳化硅单晶可以获得充足而可控的气相硅和气相碳，完全可以满足多个碳化硅单晶的同时正常生长需求；气管及单向阀的设计使得气体只能利用辅助腔室受热后产生的气相通过单向阀的小孔和气管进入主腔室，而主腔室中的气体组分则由于单向阀的阀板对进气口的封闭，而不能进入到辅助腔室中，从而确保辅助腔室内气相物质不受“污染”，使得对籽晶托周围生长气氛调整和控制更为精准可靠。
第二，本发明技术方案还对不同位置采用了各自独立加热组件的设计，使得生长气氛的调节变得精准可控。所述第一加热线圈组、第二加热线圈组和第三加热线圈组分别连接各自的独立电源，三组加热线圈之间互不干扰，第一加热线圈组可实现所述主腔室内碳化硅源粉的加热，第二加热线圈组可实现所述第一辅料槽中碳化硅辅料的加热，第三加热线圈组可实现所述第二辅料槽中卤化物辅料的加热。其中，籽晶托上的碳化硅单晶生长所需原料主要以主腔室中的碳化硅源粉升华获得，而通过调节第一加热线圈组的功率，可以控制第一辅料槽中碳化硅辅料的加热温度和加热速度，进而控制和补充不同籽晶托之间所需的硅蒸气和碳蒸气，可以很好的解决相邻籽晶之间的竞争问题可能导致的晶体缺陷；另一方面，第二辅料槽和第三加热线圈组的设立，可以使得卤化物辅料（或者吸附有卤素气体的多孔材料）受热产生氯气或氯化氢等卤素气体，进而在籽晶托上方能够及时提供和调整卤素气体的供应，通过与碳化硅单晶生长面上的气相硅进行化学反应来消耗气相硅，避免在生长面形成硅液滴，从而提高碳化硅单晶生长质量。
第三，本发明技术方案可以更方便地进行生长气氛的调节，更适合于多个碳化硅单晶同时生长。采用驱动机构和支撑柱的设计，使得籽晶托可以在石墨坩埚内上下移动，结合辅助腔室和相应独立加热线圈组的设计，从而可以更为精准地调整温度梯度和浓度梯度，从而有助于多个碳化硅单晶同时生长环境下进行所需生长气氛的及时调节，可以同时获得更高质量的多个碳化硅单晶。
附图说明
图1为本发明一个实施例的整体结构示意图。
图2为本发明中第一盖板俯视图。
图3为本发明中第二盖板俯视图。
图4为本发明A—A横截面剖视图。
图5为本发明B—B横截面剖视图。
图6为水平单向阀的结构示意图。
图7为竖直单向阀的结构示意图。
图8为阀板的结构示意图。
其中，1：驱动机构；2：第一盖板；3：第二盖板 ；4：水平单向阀 ；5：气管； 6：竖直单向阀 ；7：气孔；8：感应加热线圈：8-1：第二加热线圈组； 8-2：第三加热线圈组；8-3：第一加热线圈组；9：碳化硅源粉；10：主腔室；11：籽晶托；12：第三盖板；13：卤化物辅料；14：第二辅料槽；15：碳化硅辅料；16：第一辅料槽；17：辅助腔室；18：支撑柱；19：第一通孔；20：第二通孔；21：石墨坩埚；22：进气口；23：阀板；24：支块；25：排气口；26：小孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
参照图1至图8，本发明一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，包括石墨坩埚21、感应加热线圈8和驱动机构1；所述驱动机构1位于所述石墨坩埚21外部上方，所述感应加热线圈8位于所述石墨坩埚21外部；所述石墨坩埚21包括位于下部的主腔室10和位于上部的辅助腔室17，主腔室10的底部承装碳化硅源粉9，辅助腔室17包括第一辅料槽16和第二辅料槽14，所述第一辅料槽14的底部承装碳化硅源粉9，所述第二辅料槽14的底部承装卤化物辅料13，所述石墨坩埚21顶部与驱动机构1之间设有第一盖板2，所述第一辅料槽16和第二辅料槽14之间设有第二盖板3，所述主腔室10和辅助腔室17之间设有第三盖板12，所述第三盖板12表面设有贯通的气孔7，所述第三盖板12下表面设有多个籽晶托11，所述第三盖板12上方固定连接有支撑柱18，所述支撑柱18与所述驱动机构1相连，所述第一辅料槽16和第二辅料槽14通过气管5与所述第三盖板12表面的气孔7相通。所述支撑柱18可在驱动机构1带动下在石墨坩埚21中进行上下移动，从而可以更为精准地调整温度梯度和浓度梯度，更有助于多个碳化硅单晶在生长环境下进行所需生长气氛的及时调节，利于同时获得高质量的多个碳化硅单晶。
所述气孔7位于所述籽晶托11之间，所述气孔7至少为一个，任一所述气管5可同时与一个或多个气孔7相通。
参见图6和图7，进一步，所述气管5内部设置有单向阀，所述单向阀采用内嵌或外部连接的方式安装到所述气管上，所述单向阀根据放置方向和位置可分为水平单向阀4和竖直单向阀6，其结构一致，所述水平单向阀4和竖直单向阀6均包括进气口22、阀板23、支块24、排气口25，所述进气口22和排气口25均为管状结构，所述进气口22的内径小于所述排气口25的内径，所述阀板23为空心石墨圆板，所述阀板23的外部设有贯通的小孔26，所述阀板23表面与所述进气口22末端面贴合后可封闭所述进气口22，所述阀板23与所述出气口25内壁间隙配合，所述间隙可供阀板23在出气口25轴向移动，所述支块24至少为三块，所述阀板23下表面与所述支块24接触后，所述阀板23上表面与所述进气口22末端面之间存在间隙。
单向阀工作过程中，所述阀板23表面与所述进气口22末端面贴合后可封闭所述进气口22，使得所需补充的物料只能利用在第一辅料槽16或第二辅料槽13受热后产生的气相通过单向阀的小孔26和气管5进入所述主腔室10，而主腔室10中的气体组分则由于单向阀的阀板23对进气口22的封闭，而不能进入第一辅料槽16或第二辅料槽14，从而确保辅助腔室17内的气相物质不受“污染”，使得对籽晶托11周围生长气氛调整和控制更为精准可靠；所述阀板23与所述排气口25内壁间隙配合，所述间隙可供阀板23在排气口25轴向移动，所述进气口22的内径小于所述排气口25的内径，所述单向阀阀板23设计为空心石墨圆板，可使阀板23质量较轻，因而易受气体影响浮动，所述支块24至少为三块，可以对所述单向阀板23形成有效支撑，同时支块同一层面内的其它区域会和单向阀板24之间形成供气体通过的间隙，所述阀板23下表面与所述支块24接触后，所述阀板23上表面与所述进气口22末端面之间存在间隙，所述间隙较小，设定为不超过0.5 mm，优选的，所述间隙为0.1mm或0.2mm或0.5mm，该间隙设计可使阀板位置易受气体浮动影响；所述单向阀也可采用其他机械结构代替。
参见图1，所述感应加热线圈8包括第一加热线圈组8-3、第二加热线圈组8-1和第三加热线圈组8-2，所述第一加热线圈组8-3设置于主腔室10外侧，用于加热主腔室10底部的碳化硅源粉9，以提供碳化硅单晶生长的主要原料，所述第二加热线圈组8-1设置于所述第一辅料槽16外侧，所述第二加热线圈组8-1用于加热所述第一辅料槽16底部的碳化硅辅料15，加热后的碳化硅辅料15以气相形式进入所述主腔室10，以补充相邻籽晶托间所需的硅蒸气等气相组分，所述第三加热线圈组8-2设置于所述第二辅料槽14外侧，用于加热所述第二辅料槽14底部的卤化物辅料13，所述卤化物辅料13受热产生氯气或氯化氢等卤素气体，从而通过化学反应来消耗多余的气相硅来提高晶体生长质量；所述第一加热线圈组8-3、第二加热线圈组8-1和第三加热线圈组8-2分别连接各自的独立电源，可使三组加热线圈互不干扰，调节不同加热线圈组的功率可进而控制不同反应的加热温度和反应速度。
本发明技术方案采用上下分段式感应线圈加热的方式，相比以前的单个整体型加热器，具有显著的优势：上下热场更加稳定，能更好的控制晶体生长的温度梯度;能有效降低长晶时需要的功率，同时提高设备的加热效率，减少不必要的热量损耗，还能节约电费成本;降低晶体生长过程中原料的泄漏率，提高晶体的产晶率。
所述驱动机构1可通过电动、液压、气动等方式带动支撑柱18在石墨坩埚21内上下移动，其内部结构和原理对本领域技术人员来说是清晰明确的，故不额外赘述。
参见图2，所述第一盖板2中部设有第一通孔19，所述支撑柱18通过所述第一通孔19与驱动机,1连接；参见图3，所述第二盖板3中部设有第二通孔20，所述支撑柱18和所述气管5通过所述第二通孔20与第三盖板12连接。
所述第一辅料槽16和第二辅料槽14共同使用同一根所述气管5或分别采用单独的所述气管5。所述驱动机构1可以通过所述支撑柱18带动所述第三盖板12在所述石墨坩埚21内部上下移动，进而实现籽晶生长面的位置调整。
以本技术领域的常规设置来看，石墨坩埚整体还需要置于石英管中，这些结构都不会对本发明的技术方案构成实质影响。
本发明技术方案采用驱动机构和支撑柱的设计，使得籽晶托可以在石墨坩埚内上下移动，结合辅助腔室和相应独立加热线圈组的设计，从而可以更为精准地调整温度梯度和浓度梯度，从而有助于多个碳化硅单晶同时生长环境下进行所需生长气氛的及时调节，可以同时获得更高质量的多个碳化硅单晶。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，包括石墨坩埚，感应加热线圈和驱动机构，所述驱动机构位于所述石墨坩埚外部上方；所述石墨坩埚包括位于下部的主腔室和位于上部的辅助腔室，主腔室的底部承装碳化硅源粉，辅助腔室包括第一辅料槽和第二辅料槽，所述第一辅料槽的底部承装碳化硅源粉，所述第二辅料槽的底部承装卤化物辅料，所述石墨坩埚顶部与驱动机构之间设有第一盖板，所述第一辅料槽和第二辅料槽之间设有第二盖板，所述主腔室和辅助腔室之间设有第三盖板，所述第三盖板表面设有贯通的气孔，所述第三盖板下表面设有多个籽晶托，所述第三盖板上方固定连接有支撑柱，所述支撑柱与所述驱动机构相连，所述第一辅料槽和第二辅料槽通过气管与所述第三盖板表面的气孔相通。
2.如权利要求1所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，感应加热线圈包括第一加热线圈组、第二加热线圈组和第三加热线圈组，所述第一加热线圈组、第二加热线圈组和第三加热线圈组分别连接各自的独立电源。
3.如权利要求2所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，第一加热线圈组位于所述主腔室的外侧，第二加热线圈组位于所述第一辅料槽的外侧，第三加热线圈组位于所述第二辅料槽的外侧。
4.如权利要求1所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，所述气孔位于所述籽晶托之间，所述气孔至少为一个，任一所述气管可同时与一个或多个气孔相通。
5.如权利要求1所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，所述气管内部设有单向阀。
6.如权利要求5所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，所述单向阀包括阀板、进气口、排气口和支块，所述单向阀分为水平单向阀和竖直单向阀。
7.如权利要求5所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，所述进气口和排气口均为管状结构，所述进气口的内径小于所述排气口的内径，所述阀板为空心石墨圆板，所述阀板的外部设有贯通的小孔，所述阀板表面与所述进气口末端面贴合后可封闭所述进气口，所述支块至少为三块，所述阀板下表面与所述支块接触后，所述阀板上表面与所述进气口末端面之间存在间隙，所述间隙不超过0.5 mm。
8.如权利要求1所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，所述第一盖板中部设有第一通孔，所述支撑柱通过所述第一通孔与驱动机构连接；所述第二盖板中部设有第二通孔，所述支撑柱和所述气管通过所述第二通孔与第三盖板连接。
9.如权利要求1所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，所述第一辅料槽和第二辅料槽共同使用同一根所述气管或分别采用单独的所述气管。
10.如权利要求1所述的一种可供多个碳化硅单晶同时生长的装置，其特征在于，所述驱动机构可以通过所述支撑柱带动所述第三盖板在所述石墨坩埚内部上下移动。
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