CN113249784B - 一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，包括石墨坩埚，所述石墨坩埚用于承装碳化硅粉料，并通过对所述碳化硅进行加热，以使所述碳化硅粉料升华分解为气相组分；籽晶托，用于盛装能够生长碳化硅单晶的籽晶；气管，包括外气管和内气管，用于将升华上升的气相组分捕捉吸收，从气管底部缓释到碳化硅粉料中；卤素气体气管，用于消耗结晶生长初期较多的硅组分，两者共同实现配合实现碳化硅单晶生长过程中气相硅、碳组分在升华过程中动态平衡，保持晶体生长区域的碳、硅比例处于最佳范围，提高碳化硅单晶生长质量。

Description

一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置

技术领域

本发明涉及碳化硅单晶制备领域，更具体地，涉及一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置。

背景技术

碳化硅属于第三代半导体材料，是宽禁带半导体材料的一种，主要特点是高热导率、高饱和以及电子漂移速率和高击场强等，因此被应用于各种半导体材料当中，是制备高温、高频、大功率器件的主要材料之一，在电动汽车、通信、高铁、以及航空航天等领域有着广阔的前景。

目前，制备碳化硅单晶的方法有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相外延法，其中物理气相传输法可以获得大尺寸、高质量SiC单晶，通过将碳化硅原料在高温下发生分解-升华反应，分解产生的气相组分在合适温度场中轴向温度梯度驱动下输送至温度降低的冷凝区，经形核、长大后成为碳化硅单晶。

在现有的碳化硅单晶生长装置中，碳化硅粉料在高温（≧1800℃）作用下分解升华为Si、SiC₂以及Si₂C，但是Si组分的分压高于SiC₂和Si₂C这两种含碳气相组分，这使得在气相升华的过程是富硅的气相组分占多数，而富硅蒸气在轴向温度梯度的作用下输送至温度较低的结晶区域，气相硅饱和蒸气压降低，硅含量过高时会在晶体生长表面形成硅液滴，导致晶体内部结晶缺陷的形成，而富硅蒸气在高温下还会与石墨坩埚表面发生反应，对石墨坩埚内壁有腐蚀作用。同时未蒸发的碳化硅粉料会变得越来越富碳，导致生长过程中发生粉料的碳化。碳化的固态碳颗粒被输运到生长面上，在碳化硅晶体内会形成碳包裹物。此外，生长后期籽晶表面的硅流量较低时，生长表面会发生碳化；籽晶表面的气相组分发生改变，也会导致微观缺陷的产生。因此，在碳化硅单晶生长过程中，如何有效调控其硅含量和碳含量的比例，具有很重要的意义。

发明内容

就上述现有技术的问题，本发明的目的就是提出一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，首先在结晶初期通过卤素气体气管将卤素气体通入石墨坩埚中，进而实现消耗结晶体生长初期较多硅组分的目的，然后通过气管吸气与排气之间的配合实现碳化硅单晶生长过程中气相硅、碳组分在升华过程中动态平衡的目的，由此可以解决晶体生长区域硅蒸气含量过高的问题，减少碳化硅单晶内部缺陷，降低石墨坩埚内壁的腐蚀现象发生，同时为碳化硅粉末中补充了硅组分，改善碳化硅粉末的碳化现象，提高碳化硅单晶生长质量。

为实现上述目的，本发明提出了一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，主要采用如下技术方案：

包括石墨坩埚，所述石墨坩埚用于承装碳化硅粉料，所述石墨坩埚外部设有感应加热线圈，并通过感应加热线圈对所述碳化硅粉料进行加热，以使所述碳化硅粉料升华分解为气相组分；籽晶托，所述籽晶托位于所述石墨坩埚顶部，用于盛装能够生长碳化硅单晶的籽晶；气管，位于所述石墨坩埚内，靠近所述石墨坩埚内壁直立，用于捕捉吸收生长气氛中升华的气相组分，并从所述排气段排出，晶体生长区域的气相组分为富硅蒸气，以此平衡所述碳化硅单晶生长体系气氛。

所述气管包括外气管和内气管，所述外气管和内气管表面设有气孔，所述外气管下端部与所述石墨坩埚的底部固定连接，所述外气管的顶部与所述籽晶托下表面齐平，所述内气管穿过所述石墨坩埚的底部延伸到所述石墨坩埚外部，所述外气管的内表面和所述内气管的外表面紧贴配合，所述内气管在所述外气管内可转动，所述内气管配套设有活塞杆。所述活塞杆可在所述内气管中上下往复运动，从而在内气管中产生压力和吸力。

所述外气管包括进气段和排气段，所述进气段的直径小于所述排气段的直径；所述内气管包括吸气段、出气段和外延段，所述吸气段的直径小于所述出气段的直径，所述吸气段和所述进气段相对应，所述出气段和所述排气段相对应，所述外延段处于所述石墨坩埚的外部，所述活塞杆位于所述外延段内部；所述出气段上表面与所述排气段上表面密封贴合。

所述外延段外表面从石墨坩埚底部外表面向下依次设有保温层、隔热层和冷却套，所述冷却套中设有电机，所述电机与所述活塞杆相连，所述活塞杆的上端部在上下移动过程中不进入石墨坩埚内部。

所述进气段的表面设有均匀排布的第一气孔，所述排气段设有均匀排布的第二气孔；所述吸气段的表面设有第三气孔，所述出气段的表面设有第四气孔；所述吸气段和所述出气段连接处设有吸气单向阀，所述出气段的内表面设有出气单向阀，所述出气单向阀与所述第四气孔一一对应。

任一所述第三气孔和任一所述第一气孔重合时，所述内气管的吸气段与所述石墨坩埚的内部连通；任一所述第四气孔和任一所述第二气孔重合，且所述出气单向阀开启时，所述内气管的出气段与所述石墨坩埚底部的碳化硅原料内部连通；只要任一所述第三气孔和任一所述第一气孔出现重合，所述第四气孔和所述第二气孔必然存在至少一对气孔相互重合。

所述第三气孔分列依次排布，不同列的气孔数量各不相同，通过旋转内气管可控制第三气孔的不同列气孔的位置，实现吸气段从高到低不同位置均可单独或同时与石墨坩埚内部相通；所述外延段的底部边缘设有刻线，所述刻线与所述第三气孔的各列气孔一一对应。

所述吸气单向阀包括单向阀板和支撑台，所述单向阀板的直径介于吸气段内径和出气段内径之间，所述单向阀板为空心石墨材料，所述单向阀板外表面制备有耐高温的碳化钨涂层；所述支撑台至少为三个，所述支撑台位于所述出气段内表面，所述支撑台位于所述单向阀板的下方；所述单向阀板与所述支撑台接触时，所述单向阀板与所述支撑台之间的空间可供气体通过；所述单向阀板上表面与所述吸气段的下端面之间存在不超过0.5 mm的间隙，所述单向阀板紧贴吸气段下端面时，吸气段被封闭。

所述吸气单向阀包括单向阀球和支撑网板，所述单向阀球的直径介于吸气段内径和出气段内径之间，所述单向阀球为空心石墨材料，所述单向阀球外表面制备有耐高温的碳化钨涂层；所述支撑网板表面设有贯通的小孔，所述支撑网板位于所述单向阀球的下方；所述单向阀球与所述支撑网板接触时，所述单向阀球上表面与所述吸气段的下端面边缘之间有不超过0.5 mm的间隙，所述单向阀球紧贴吸气段下端面时，吸气段被封闭。

所述出气单向阀结构与所述吸气单向阀结构相同，所述出气单向阀与所述吸气单向阀呈反向安装，且所述出气单向阀外部安装过滤网罩，防止排气结束阀门即将闭合时有碳化硅粉末落入气管之中。

所述外气管、内气管、活塞杆和过滤网的材料均为表面制备有耐高温涂层的高纯石墨。

所述石墨坩埚内部还包括至少一个卤素气体气管，所述卤素气体气管的上端与所述籽晶托的下表面齐平，使得卤素气体可以在石墨坩埚内部任意高度进行排放，所述卤素气管靠近石墨坩埚内壁直立，从而避开石墨坩埚腔室上部中间籽晶表面碳化硅单晶的生长；所述卤素气体气管的下端延伸至所述石墨坩埚外部，并与卤素气体腔室相连，由卤素气体腔室提供氯气等卤素气体；所述卤素气体气管表面设有微孔，所述卤素气体气管为双层结构，当内层和外层表面的微孔重合时，卤素气体气管和石墨坩埚内部连通，卤素气体可以通过微孔进入石墨坩埚内部；通过内层和外层的相对转动调节内层和外层气管表面微孔的重合位置，来控制卤素气体的排出高度。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

第一，本发明技术方案利用在石墨坩埚中设置气管，并通过气管不同高度处气相组分的抽吸和底部碳化硅粉末中的排放，可控地实现了硅含量的调节和自平衡。本发明在石墨坩埚中设置自平衡装置，当石墨坩埚中的碳化硅粉料受热升华后，由于分压不同的原因，在结晶生长区附近充满富硅蒸汽，此时通过旋转内气管来使其表面气孔和外气管表面的气孔相重合，实现与石墨坩埚内部的连通，同时利用活塞杆在内气管中的向下运动产生吸力，来抽吸和捕捉结晶生长区的富硅蒸汽，由于通孔单向开关的作用，被捕捉的富硅蒸气进入内气管后，只能在活塞杆的压力作用下通过气管底部排放到石墨坩埚中的碳化硅粉料中，从而减少结晶生长区的富硅组分；同时将富硅组分从自平衡装置下部释放减少了碳化硅粉料的碳化，最终实现减少碳化硅单晶内部缺陷和石墨坩埚内壁的腐蚀的问题，提高碳化硅晶体的生长质量，减少碳化硅单晶中的微管缺陷，降低碳化硅单晶中的晶体位错密度。

第二，本发明技术方案利用内气管和外气管的双层气管设计，以及不同气管表面气孔的排布设计，使得在气氛调节过程中，可以控制对不同位置处气相组分的抽吸，可以更好地满足不同石墨坩埚提及和不同碳化硅单晶生长速度等的需求。在内气管的底部外延段的底部边缘设有刻线，所述刻线与所述第三气孔的各列气孔一一对应，而不同列的第三气孔各不相同，有的列只有特定位置有一个气孔，有的列在不同位置不止一个气孔，通过在石墨坩埚外部队内气管进行位置的微调，可以使得不同列的第三气孔与外气管表面的第一气孔相通，进而就可以根据需要来连通相应位置的坩埚内部空间。

第三，本发明技术方案采用了单向阀结构的特殊设计，有效实现了气相组分的单向流通。吸气单向阀使得石墨坩埚内部生长腔的气相组分只能够进入内气管中，而出气单向阀使得内气管内的气相组分则只能够进入石墨坩埚底部的碳化硅粉末中。吸气单向阀和出气单向阀的结构相通，在安装过程中只需要将吸气段朝向需要吸入的气体即可，因此在本发明中吸气单向阀和出气单向阀的安装方向相反，安装简单方便。

第四，本发明技术方案的卤素气体气管设计，结合双层气管，利用内层和外层的相对转动调节内层和外层气管表面微孔的重合位置，来控制卤素气体的排出高度，利用卤素气体和气相硅之间的化学反应来消耗气相硅，进一步对不同高度生长气氛中的多余气相硅进行调控。在结晶生长区附近充满富硅蒸气，释放卤素气体至石墨坩埚内，利用硅蒸气具有高化学活性，可以与卤素，卤化氢气体发生反应的特点，使释放的卤素气体可以和生长体系中多余的硅蒸气发生反应。

附图说明

图1为本发明的的整体结构示意图。

图2为本发明的外气管的结构示意图。

图3为本发明的内气管的结构示意图。

图4为本发明的外气管侧面展开示意图。

图5为本发明的内气管侧面展开示意图。

图6为本发明的吸气单向阀结构一示意图。

图7为本发明的吸气单向阀结构二示意图。

附图标记说明：

1、籽晶托；2、石墨坩埚；3、碳化硅粉料；4、气管；5、保温层；6、隔热层；7、活塞杆；8、电机；9、冷却套；10、第一气孔；11、进气段；12、外气管；13、第二气孔；14、排气段；15、第三气孔；16、吸气段；17、内气管；18、吸气单向阀；19、出气段；20、外延段；21、出气单向阀；22、第四气孔；23、刻线；24、单向阀板；25、支撑台；26、单向阀球；27、支撑网板。

具体实施方式

参见图1，根据本发明的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，包括石墨坩埚2，石墨坩埚2用于盛装碳化硅粉料3，并通过对碳化硅粉料3进行加热，以使碳化硅粉料3升华分解为气相组分；籽晶托1，用于盛装能够生长碳化硅单晶的籽晶。石墨坩埚2内的顶部设置籽晶托1，用于盛装生长碳化硅单晶的籽晶，石墨坩埚2能够在感应加热线圈（附图未示出）作用下发热，从而对其内部盛装的碳化硅粉料3进行加热，使其升华为气相组分，气管4位于石墨坩埚3内，靠经石墨坩埚2内壁直立，不会与籽晶表面生长的碳化硅单晶产生接触。

参见图2-图5，所述气管4包括外气管12和内气管17，所述外气管12和内气管17表面设有气孔，所述外气管12下端部与所述石墨坩埚2的底部固定连接，所述外气管12的顶部与所述籽晶托1下表面齐平，从而可以将整个生长气氛全部覆盖，所述内气管17穿过所述石墨坩埚2的底部延伸到所述石墨坩埚2外部，所述外气管12的内表面和所述内气管17的外表面紧贴配合，所述内气管17在所述外气管12内可转动，所述内气管17配套设有活塞杆7。所述活塞杆7在上下移动过程中，可以在内气管17内部产生压力和吸力，进而带动内气管17内的气体排出和吸入。内气管17用于捕捉吸收碳化硅粉料3受热分解升华到结晶生长区的气相组分，主要是富硅组分，外气管12用于配合内气管17捕捉吸收升华的气相组分且将其缓释到石墨坩埚2中的碳化硅粉料3内部，以此平衡所述碳化硅单晶生长体系气氛。

外气管12包括进气段11和排气段14，进气段11位于上端，排气段14位于下端，且进气段11的直径小于排气段14的直径，所述内气管17包括吸气段16、出气段19和外延段20，所述吸气段16的直径小于所述出气段19的直径，所述吸气段16和所述进气段11相对应，所述出气段19和所述排气段14相对应，所述外延段20处于所述石墨坩埚2的外部，所述活塞杆7位于所述外延段20内部；所述出气段19上表面与所述排气段14上表面密封贴合。所述外气管12和所述内气管17都存在一个直径变化的圆环台阶，所述内气管17和所述外气管12在该台阶处贴紧，所述内气管17和所述外气管12之间的微小间隙仅可实现两者之间缓慢的相对转动，气体不能在所述内气管17和所述外气管12的管壁之间通过，气体只能从内气管17和外气管12相互连通的气孔中通过。

所述外延段20外表面从石墨坩埚2底部外表面向下依次设有保温层5、隔热层6和冷却套9，所述冷却套9中设有电机8，所述电机8与所述活塞杆7相连，所述活塞杆7的上端部在上下移动过程中不进入石墨坩埚2内部。

进气段11上分布有均匀排布的第一气孔10，第一气孔10分布于出气段19的中上部，位于碳化硅粉料3之上，排气段14 上分布有均匀排布的第二气孔13，第二气孔13位于碳化硅粉料3之中；吸气段16上分布有均匀排布的第三气孔15，吸气段16与外气管12中的进气段11对应，第三气孔15所分布的高度与第一气孔10所分布的高度相对应，出气段19上分布有均匀排布的第四气孔22，出气段19与外气管12中的排气段14对应，第四气孔22所分布的高度与第二气孔13所分布的高度相对应。

所述吸气段16和所述出气段19连接处设有吸气单向阀18，所述出气段19的内表面设有出气单向阀21。吸气单向阀18位于内气管17的吸气段16的下表面台阶处，即吸气段16与出气段19之间，出气单向阀21位于出气段19的内表面且与第四气孔22一一对应，内气管17外表面与外气管12内表面呈紧密贴合。

任一所述第三气孔15和任一所述第一气孔10重合时，所述内气管17的吸气段16与所述石墨坩埚2的内部连通；任一所述第四气孔22和任一所述第二气孔13重合，且所述出气单向阀21开启时，所述内气管17的出气段19与所述石墨坩埚2底部的碳化硅原料内部连通；只要任一所述第三气孔15和任一所述第一气孔10出现重合，所述第四气孔22和所述第二气孔13必然存在至少一对气孔相互重合。

当电机8开始运行驱动活塞7向下运动时，内气管17下端内部压力降低产生吸力，此时吸气单向阀18由于受到吸力向下打开，且进气段11中任一第一气孔10与吸气段16中任一第三气孔15重合，此时内气管17的吸气段16与石墨坩埚2的内部连通，将气管4外部石墨坩埚2生长气氛中向上升华的富硅蒸气吸入内气管17的吸气段16中，然后通过开启的吸气单向阀18进入内气管17的下部空间；接着活塞杆7向上运动，吸气段16下端面处的吸气单向阀18受到压力上升浮动，自动闭合的吸气段16下端面，在任一所述第三气孔15和任一第一气孔10已经出现重合的前提下，第四气孔22和第二气孔13必然存在至少一对气孔相互重合，所以在压力的作用下位于第四气孔22的出气单向阀21由闭合状态向外打开，由此，将内气管17下端内部的富硅蒸气通过开启的出气单向阀21从第四气孔22与第二气孔13的重合气孔中排出，缓释到碳化硅粉料3之中，由此通过活塞杆7循环往复的运动，实现了气管4吸气与排气的交替完成，通过此方式可以减少结晶生长区的富硅组分，改善晶体内部缺陷情况、降低石墨坩埚2内壁的腐蚀现象发生，同时将富硅组分从外气管12的排气段14释放进入碳化硅粉料3之中，为碳化硅粉料3补充了硅组分，减少了碳化硅粉料3的碳化，减少晶体中的杂质缺陷，进而提高碳化硅晶体生长的质量。在整个活塞杆7运动过程中，吸气单向阀18和出气单向阀21在任意时刻的开启和关闭状态相反。

所述第三气孔15分列依次排布，不同列的气孔数量各不相同，通过旋转内气管17可控制第三气孔15的不同列气孔的位置，实现吸气段16从高到低不同位置均可单独或同时与石墨坩埚2内部相通；所述外延段20的底部边缘设有刻线23，所述刻线23与所述第三气孔15的各列气孔一一对应。

进一步地，本实例中外气管12的进气段11上第一气孔10的气孔列数是少于第三气孔15的气孔列数，第一气孔10气孔列数优选四列，且四列气孔等距排列，每列气孔数目优选五个，且每列中的五个气孔等距排列，第三气孔15气孔列数优选八列，且每列气孔个数不一，但每列气孔中每个气孔所在高度与第一气孔10中的每个气孔高度一对应，故每列气孔数目最多为五个，本实例优选第一列为五个气孔然后由下至上逐一递减一个，到第五列时为单一气孔，剩余三同样为单一气孔，且每列中单一气孔的位置为从第五列单一气孔位置开始逐一向下移动一个位置，且第六列不与第五列相同，外延段20的底部边缘设有刻线23，且刻线23与第三气孔15的各列气孔一一对应，第二气孔13位于排气段14中间位置，第二气孔13只有一行，这一行上的每个气孔等距排列，本实例优选八个气孔，第四气孔22的高度和第二气孔13相对应，第四气孔22同样只有一行，本实例优选四个气孔，刻线23位置可以使得操作人员直观了解吸气段16与进气段11上第一气孔10和第三气孔15的重合程度以及重合位置，判断此时石墨坩埚2内部气管4的吸气量，以及根据反应进程的时间通过旋转内气管17位置改变气管4的吸气量，进而更好地获得优良的产品，就此情况，本实例可将隔热层6部分位置设计为旋转可开合结构，位于刻线23处的隔热层6内壁设置一个圆形凹槽，也可以为方形凹槽，在每个刻线处设置一个外凸的把手，把手外端可为圆球形，与圆形凹槽配合，也可为矩形与方形凹槽配合，将每个把手刻上数字方面记录，当需要旋转内气管17时，只需要打开隔热层6旋转盖板，根据刻线23转动把手即可完成旋转工作。

参见图6，所述吸气单向阀18包括单向阀板24和支撑台25，所述单向阀板24的直径介于吸气段16内径和出气段19内径之间，所述单向阀板24为空心石墨材料，所述单向阀板24外表面制备有耐高温的碳化钨涂层；所述支撑台25至少为三个，所述支撑台25位于所述出气段19内表面，所述支撑台25位于所述单向阀板24的下方，所述支撑台25至少为三个，可以对所述单向阀板24形成有效支撑，同时支撑台25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；所述单向阀板24与所述支撑台25接触时，所述单向阀板24与所述支撑台25之间的空间可供气体通过；所述单向阀板24上表面与所述吸气段16的下端面之间存在不超过0.5 mm的间隙；优选的，所述间隙为0.1mm或0.2mm或0.5mm，所述单向阀板24紧贴吸气段16下端面时，吸气段16被封闭。

参见图7，作为另一种优选结构，所述吸气单向阀18由单向阀球26和支撑网板27构成，单向阀球26的直径介于吸气段16内径和出气段19内径之间，单向阀球26为空心石墨材料，单向阀球26外表面制备有耐高温的碳化钨涂层；支撑网板27表面设有贯通的小孔，支撑网板27位于所述单向阀球26的下方；单向阀球26与支撑网板27接触时，单向阀球26上表面与吸气段16的下端面边缘之间有不超过0.5 mm的间隙，单向阀球26紧贴吸气段16下端面时，吸气段16被封闭。出气单向阀21结构与由单向阀版24和支撑台25所构成的吸气单向阀18结构相同，但出气单向阀21安装与吸气单向阀18呈反向安装，且出气单向阀21外圈外须安装过滤网罩，防止排气结束阀板即将闭合时有碳化硅粉末落入气管4之中。

进一步的，本实施例还有如下方案，石墨坩埚2内部还包括至少一个卤素气体气管（附图未示出），卤素气体气管的上端与籽晶托1的下表面齐平，卤素气管靠近石墨坩埚2内壁直立，卤素气体气管的下端延伸至石墨坩埚2外部，并与卤素气体腔室相连，卤素气体气管表面设有微孔，卤素气体气管为双层结构，通过内层和外层的相对转动调节内层和外层气管表面微孔的重合位置，来控制卤素气体的排出高度，卤素气体气管的机构与气管4结构相似，且简化卤素气体气管结构没有上下两段，故结构参见气管4结构即可，设置卤素气体气管的作用是消耗生长体系中多余的硅组分，因为硅蒸气具有高化学活性，可以与卤素，卤化氢气体发生反应，故可以与气管4吸气排气相配合，在两者的共同作用下使得结晶生长区碳与硅组分的比例达到动态的一比一平衡状态。

需要说明的是，本实施例的碳化硅单晶生长装置还需要配套进行涡流加热的感应加热线圈，当需要加热时，将石墨坩埚2设置于感应加热线圈内进行加热。以本技术领域的常规设置来看，石墨坩埚2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。

进一步地，本实施例中的石墨坩埚2在顶部设有可打开的上盖，用于添加碳化硅粉料3、取出碳化硅单晶等。

利用本实例的可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置的方法如下：

首先，在石墨坩埚2内填充碳化硅粉料3，碳化硅粉料3覆盖高度要高于外气管12的排气段14的顶部，低于第一气孔10最下部气孔的高度，将石墨坩埚2内真空度抽到设定值，并通入保护气体如氩气或氦气。

然后，通过感应加热线圈作用使石墨坩埚2发热，以对石墨坩埚2内部的碳化硅粉料3进行加热，石墨坩埚2内温度升至2000℃以上，碳化硅粉料3开始升华，产生的气相组分在温度梯度的作用下到达较低温度的籽晶处，产生过饱和度而在籽晶上结晶不断生长单晶。

该过程中，启动电机8，气管4开始吸气排气交替进行，在这个过程中吸气段16吸收升华上升的气相组分，主要是大量的含硅组分，并从气管4底部的排气段14缓释入碳化硅粉料3之中，同时操作人员可以根据第一气孔10和第三气孔15的重合程度以及重合位置，判断此时石墨坩埚2内部气管4的吸气量，以及根据反应进程的时间通过旋转外延段20的把手改变内气管17的位置，从而调节气管4的吸气量。

根据需要，通过旋转卤素气体气管内管将适量的卤素气体通入石墨坩埚2内，由卤素气体消耗对应高度处的部分硅组分。

在这二者的作用下使得结晶生长区碳与硅组分的比例达到动态的一比一平衡状态，从而减少结晶生长区的富硅组分含量，改善晶体内部缺陷情况、降低石墨坩埚内壁的腐蚀现象发生，延长了石墨坩埚的使用寿命；同时将富硅蒸气从气管底部释放，为碳化硅粉料补充硅组分，减少碳化硅粉料的碳化，最终获得质量优异的碳化硅单晶。

以上已经描述了本发明的各实施例，但在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，其相应修改或变更均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，包括石墨坩埚，所述石墨坩埚顶部设有籽晶托，所述石墨坩埚外部设有感应加热线圈；

所述石墨坩埚内部还设有气管，所述气管靠近石墨坩埚内壁直立，所述气管包括外气管和内气管，所述外气管和内气管表面设有气孔；

所述外气管下端部与所述石墨坩埚的底部固定连接，所述外气管的顶部与所述籽晶托下表面齐平，所述内气管穿过所述石墨坩埚的底部延伸到所述石墨坩埚外部，所述外气管的内表面和所述内气管的外表面紧贴配合，所述内气管在所述外气管内可转动，所述内气管配套设有活塞杆；

所述外气管包括进气段和排气段，所述进气段的直径小于所述排气段的直径；所述内气管包括吸气段、出气段和外延段，所述吸气段的直径小于所述出气段的直径，所述吸气段和所述进气段相对应，所述出气段和所述排气段相对应，所述外延段处于所述石墨坩埚的外部；

所述进气段的表面设有均匀排布的第一气孔，所述排气段设有均匀排布的第二气孔；所述吸气段的表面设有第三气孔，所述出气段的表面设有第四气孔；所述吸气段和所述出气段连接处设有吸气单向阀，所述出气段的内表面设有出气单向阀，所述出气单向阀与所述第四气孔一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述外延段外表面从石墨坩埚底部外表面向下依次设有保温层、隔热层和冷却套，所述冷却套中设有电机，所述电机与所述活塞杆相连。

3.根据权利要求1所述的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，任一所述第三气孔和任一所述第一气孔重合时，所述内气管的吸气段与所述石墨坩埚的内部连通；任一所述第四气孔和任一所述第二气孔重合，且所述出气单向阀开启时，所述内气管的出气段与所述石墨坩埚底部的碳化硅原料内部连通；只要任一所述第三气孔和任一所述第一气孔出现重合，所述第四气孔和所述第二气孔必然存在至少一对气孔相互重合。

4.根据权利要求1所述的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述第三气孔分列依次排布，不同列的气孔数量各不相同，通过旋转内气管可控制第三气孔的不同列气孔的位置，实现吸气段从高到低不同位置均可单独或同时与石墨坩埚内部相通；所述外延段的底部边缘设有刻线，所述刻线与所述第三气孔的各列气孔一一对应。

5.根据权利要求1所述的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述吸气单向阀包括单向阀板和支撑台，所述单向阀板的直径介于吸气段内径和出气段内径之间，所述单向阀板为空心石墨材料，所述单向阀板外表面制备有耐高温的碳化钨涂层；所述支撑台至少为三个，位于所述单向阀板的下方；所述单向阀板与所述支撑台接触时，所述单向阀板与所述支撑台之间的空间可供气体通过；所述单向阀板上表面与所述吸气段的下端面之间存在不超过0.5 mm的间隙，所述单向阀板紧贴吸气段下端面时，吸气段被封闭。

6.根据权利要求1所述的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述吸气单向阀包括单向阀球和支撑网板，所述单向阀球的直径介于吸气段内径和出气段内径之间；所述支撑网板表面设有贯通的小孔，所述支撑网板位于所述单向阀球的下方；所述单向阀球与所述支撑网板接触时，所述单向阀球上表面与所述吸气段的下端面边缘之间有不超过0.5 mm的间隙，所述单向阀球紧贴吸气段下端面时，吸气段被封闭。

7.根据权利要求5所述的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述出气单向阀结构与所述吸气单向阀结构相同，所述出气单向阀的吸气段与所述吸气单向阀呈反向安装，且所述出气单向阀外部安装过滤网罩。

8.根据权利要求1所述的一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述石墨坩埚内部还包括至少一个卤素气体气管，所述卤素气体气管的上端与所述籽晶托的下表面齐平，所述卤素气体气管靠近石墨坩埚内壁直立，所述卤素气体气管的下端延伸至所述石墨坩埚外部，并与卤素气体腔室相连；所述卤素气体气管表面设有微孔，所述卤素气体气管为双层结构；通过内层和外层的相对转动调节内层和外层气管表面微孔的重合位置，来控制卤素气体的排出高度。

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