CN113249791A - 可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，所述石墨坩埚的腔室包括坩埚原料腔和坩埚生长腔，所述坩埚原料腔的石墨壁厚度大于坩埚生长腔的石墨壁；所述坩埚原料腔包括一个碳化硅粉腔和至少两个硅粉腔；所述硅粉腔的顶部连接有硅粉输料管，所述硅粉输料管还与石墨坩埚外部的硅粉仓连接。本发明可以实现在碳化硅单晶生长过程中消耗一定的气相硅来调节成长气氛，保持碳化硅晶体生长过程中碳、硅比例处于最佳范围，从而避免在碳化硅单晶生长面出现硅液滴，进而提高碳化硅单晶生长质量。

Description

可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚

技术领域

本发明属于碳化硅单晶生长设备领域，更具体地，涉及一种可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚。

背景技术

作为第三代半导体，碳化硅是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，具有能带宽、热导率高、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高，以及介电常数低、化学稳定性好等特点，可制作出性能更为优异的高温、高频、高功率、高速和抗辐射器件，可广泛应用于航天探测、核能开发、电动车、混动车、轨道交通、高频器件、微波器件等，具有广阔的应用前景，具有很高的经济效益和国防价值。

目前碳化硅的生长技术主要包括物理气相输运(PVT)、液相外延(LPE)和化学气相沉积(CVD)。目前，物理气相输运（PVT）已获得大量运用，其原理是通过中频感应方式使线圈内部的石墨坩埚整体发热，使坩埚内部形成轴向温度梯度，即坩埚底部温度高，顶部温度低，碳化硅在坩埚底部受热升华后产生大量的如Si、Si₂C、SiC₂等气相组分，并且硅气体在坩埚内优先升华，因此在晶体生长的过程中，在碳化硅单晶生长表面会出现液相硅，而剩余的未升华的碳化硅粉末变得越来越富含碳。这都会影响碳化硅单晶的生长质量。

因此，在生长前期，由于液相硅内部的硅原子化学活性强于已经结晶的碳化硅中的硅原子，当液相硅游离在碳化硅晶体的表面时，其附近的碳原子有和液相硅融合的趋势，会产生晶体中的缺陷；在生长后期，由于碳化硅粉末中富含碳，会造成碳化硅籽晶表面硅流量较低，生长表面碳化，也会产生晶体中的缺陷。

同时，由于随着晶体尺寸的增加，坩埚内的中频感应加热容易产生波动，导致晶体生长的温场难以保持稳定，不利于晶体的稳定生长。因此，有必要提供一种改进的石墨坩埚，可以促进晶体的稳定生长，从而制备大尺寸、高质量的晶体。

发明内容

鉴于以上现有技术的发展现状和优缺点，本发明的目的在于，提供一种可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，通过引入多晶硅晶体生长消耗气相硅来解决碳化硅单晶生长初期中生长气氛中多余的气相硅；同时通过引入硅粉来补充碳化硅粉料中的硅组分，进而实现对碳化硅单晶生长过程中碳化硅粉料和生长气氛中的碳硅比例，使得碳化硅单晶生长表面气相碳硅比例保持合理范围。

为实现上述目的，本发明提供可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，提供如下技术方案：

所述石墨坩埚的腔室包括坩埚原料腔和坩埚生长腔，所述坩埚原料腔的石墨壁厚度大于坩埚生长腔的石墨壁，所述坩埚原料腔的石墨壁中局部设有中空内腔；

所述坩埚原料腔包括一个碳化硅粉腔和至少两个硅粉腔，所述碳化硅粉腔位于所述坩埚原料腔中部，所述硅粉腔位于所述坩埚原料腔的石墨壁中空内腔；

所述硅粉腔的顶部连接有硅粉输料管，所述硅粉输料管还与石墨坩埚外部的硅粉仓连接；

坩埚生长腔主要容纳碳化硅粉料受热升华后的气相组分，所述坩埚生长腔顶部设有籽晶托，所述籽晶托表面装有籽晶，并在籽晶表面生长碳化硅单晶。

优选的，所述坩埚原料腔位于所述石墨坩埚的底部，所述坩埚生长腔位于所述石墨坩埚的上部。

优选的，所述硅粉输料管为石墨管，所述石墨管的内表面和外表面均制备有耐高温涂层。

优选的，所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述坩埚生长腔中部或上部至少设有一个多晶硅环式管，所述多晶硅环式管与所述硅粉输料管的外表面固定连接，从而形成对多晶硅环式管的支撑。

优选的，所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述多晶硅环式管为沿其直径平面可开合式的两部分，所述多晶硅环式管的表面均匀分布有贯通的微孔，所述多晶硅环式管内部设有网状托架，所述网状托架表面平铺有多晶硅块体。

优选的，所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，还包括加热容器组件，所述加热容器组件包括高频感应加热线圈和电阻式加热棒，所述高频感应加热线圈位于坩埚原料腔的外部，所述电阻式加热棒位于碳化硅粉腔内部。

优选的，所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述电阻式加热棒为高纯石墨，所述加热棒外表面制备有耐高温涂层，所述电阻式加热棒通过所述坩埚原料腔的底部与石墨坩埚的外部电源相连接。

优选的，所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述电阻式加热棒至少为一个，所述电阻式加热棒的顶部不超过所述碳化硅粉腔内的碳化硅粉料上表面。

优选的，所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述硅粉仓设有粉料自动输送装置，所述硅粉仓还设有开关阀门，所述硅粉仓与所述硅粉输料管连接处的外表面进行保温处理。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

首先，本发明技术方案中的坩埚原料腔设有一个碳化硅粉腔和至少两个硅粉腔，加热过程中利用硅粉腔中同步升华的气相硅来解决碳化硅粉腔中的碳富集问题，有效调节碳化硅粉料中的碳和硅比例。硅粉腔通过硅粉输料管和石墨坩埚顶部以外的硅粉仓相连，而所述硅粉仓设有粉料自动输送装置，所述硅粉仓还设有开关阀门，从而可以实现对硅粉腔中硅粉原料的及时可控调整。另一方面，位于硅粉腔和碳化硅粉腔之间的石墨壁隔层上面的空心石墨棒，利用其两端分别延伸进入硅粉腔和碳化硅粉腔，利用硅粉腔产生的高浓度气相硅，实现了气相硅向碳化硅粉腔中的补充。

其次，本发明技术方案中的多晶硅环式管设计，可以在生长初期有效消耗多余的气相硅，减少碳化硅单晶生长表面由于气相硅富集引起的硅液滴，使得Si/C比接近1，减少碳化硅单晶表面的生长缺陷。多晶硅环式管进行了位置和结构的专门设计，多晶硅环式管设置于石墨坩埚内壁附近，多晶硅环式管的中间正好可为碳化硅单晶提供向下生长的空间；在坩埚生长腔中部或上部至少设有一个多晶硅环式管，使得可以根据需要来调整其数量和位置，进而利用多晶硅环式管内的多晶硅消耗气相硅，调节坩埚生长腔内不同位置的碳硅比例；同时，所述多晶硅环式管设计为沿其直径平面可开合式的两部分，便于进行网状托架和多晶硅块体的放置和更换，而所述多晶硅环式管的表面均匀分布有贯通的微孔，则有利于气相硅的有效进出，特别是在生长初期可以有效消耗过多的气相硅，而到了生长中后期则因为多晶硅生长速度降低后，减少对气相硅的消耗，当生长气氛中的Si含量不足时，多晶硅表面沉积的一部分硅还可以利用缓慢升华为生长气氛中补充少量的Si更加符合碳化硅单晶在不同生长阶段对气相硅的需求。

最后，本发明技术方案中的加热系统设计可以有效满足不同位置处粉末所需的热量。在坩埚原料腔，其厚石墨壁设计可以获得更多的热量，为原料及时提供足够的热量，同时在石墨壁内空腔设置的硅粉腔可以充分利用外部高频感应线圈对硅粉腔四周石墨壁围成的相对较小空间的充分加热，来获得比碳化硅中更高浓度的气相硅，并利用空心石墨棒的中空通道进入碳化硅粉腔中；同时位于硅粉腔和碳化硅粉腔之间的石墨壁隔层及其上面设置的空心石墨棒，同样可以实现加热，进而实现所需的加热效果，特别是碳化硅粉腔中电阻式加热棒的设计进一步解决了碳化硅粉料中部距离石墨坩埚壁较远导致的加热不均匀问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为多晶碳化硅环式管结构示意图；

图3为图1中A-A横截面剖视图；

附图标记说明：10-籽晶托；20-硅粉仓；30-多晶碳化硅环式管；40-硅粉输料管；50-石墨棒；60-硅粉腔；70-电阻加热棒；80-电源；90-碳化硅粉腔；100-石墨坩埚；101-微孔； 302-坩埚壁。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施例，需要说明的是，本发明中如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、 “水平”、“内”、“外”等，其所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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

如图1所示，其示出了可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚的结构示意图，所述石墨坩埚100的腔室包括坩埚原料腔和坩埚生长腔，所述坩埚原料腔的石墨壁厚度大于坩埚生长腔的石墨壁；所述坩埚原料腔包括一个碳化硅粉腔90和至少两个硅粉腔60，用于盛放碳化硅粉和硅粉；所述碳化硅粉腔90位于所述坩埚原料腔中部，所述硅粉腔60位于所述坩埚原料腔的石墨壁中空内腔；所述硅粉腔60的顶部连接有硅粉输料管40，所述硅粉输料管40还与石墨坩埚100外部的硅粉仓20连接；所述坩埚生长腔顶部设有籽晶托10，用于安装碳化硅籽晶。所述石墨坩埚的顶部设有上盖，所述上盖在安装碳化硅粉料时可以打开。

以本技术领域的常规设置来看，实施过程中，石墨坩埚外部还可设置感应加热线圈或电阻式加热，对石墨坩埚进行加热，石墨坩埚整体还需要置于石英管中进行密封，这些结构都不会对本发明的技术方案构成实质影响。

所述坩埚原料腔位于所述石墨坩埚100的底部，所述坩埚生长腔位于所述石墨坩埚100的上部，所述坩埚原料腔中的碳化硅粉料受热升华后的气相组分进入到所述坩埚生长腔中，并在温度梯度作用下在籽晶表面完成碳化硅单晶的生长。

碳化硅粉腔90和硅粉腔60之间的石墨壁隔层上设有垂直于所述石墨壁隔层的空心石墨棒50，所述石墨棒50的两端分别延伸进入所述碳化硅粉腔90和硅粉腔60的内部。石墨棒50能够对碳化硅粉料和硅粉料同时加热，可以同时减少碳化硅粉料和含硅粉料，对碳化硅粉料和硅粉料加热更加充分。

所述硅粉输料管40为石墨管，所述石墨管的内表面和外表面均制备有耐高温涂层。

所述坩埚生长腔中部或上部至少设有一个多晶硅环式管30，所述多晶硅环式管30与所述硅粉输料管40的外表面固定连接。所述多晶硅环式管30为沿其直径平面可开合式的两部分，所述多晶硅环式管30的表面均匀分布有贯通的微孔，所述多晶硅环式管30内部设有网状托架，所述网状托架表面平铺有多晶硅块体。所述多晶硅环式管可沿其直径平面开合的结构，使得网状托架机器表面多晶硅块体的铺放和更换变得简单和方便。

优选的，所述石墨坩埚100还包括加热容器组件，所述加热容器组件包括高频感应加热线圈和电阻式加热棒70，所述高频感应加热线圈位于坩埚原料腔的外部，所述电阻式加热棒70位于碳化硅粉腔内部。电阻式加热棒的设计可以使得碳化硅粉料不同区域的受热变得均匀，有利于生长获得高质量的碳化硅单晶。

所述电阻式加热棒70为高纯石墨，所述电阻式加热棒70外表面制备有耐高温涂层，所述电阻式加热棒70通过所述坩埚原料腔的底部与石墨坩埚100的外部电源80相连接。

所述电阻式加热棒70至少为一个，所述电阻式加热棒70的顶部不超过所述碳化硅粉腔90内的碳化硅粉料上表面。

所述硅粉仓20设有粉料自动输送装置，所述硅粉仓20还设有开关阀门，所述硅粉仓20与所述硅粉输料管40连接处的外表面进行保温处理。

石墨坩埚100厚石墨壁的设计可以获得更多的热量，同时在石墨壁内空腔设置的硅粉腔60可以充分利用外部高频感应线圈对硅粉腔四周石墨壁围成的相对较小空间的充分加热；同时位于硅粉腔60和碳化硅粉腔90之间的石墨壁隔层及其上面设置的空心石墨棒50和碳化硅粉腔中电阻式加热棒70同样可以进行电阻式加热；在石墨坩埚100顶部设置硅粉仓20通过内部设置硅粉输料管40可以向硅粉腔60加入含硅粉料。

含硅粉料通过加热升华为含硅的气相组分并从空心石墨棒50细小孔隙进入碳化硅粉腔90，实现了气相硅向碳化硅粉腔90中粉料的补充，从而保持生长腔内部气相组分硅、碳比例满足加工要求，进行高质量的碳化硅单晶生长。

在本实施例中，碳化硅粉料充满碳化硅粉腔90内部，加热石墨棒50和电阻加热棒70能够从内部对碳化硅粉料进行加热，对碳化硅粉料的加热更为充分，可以有效降低原料腔体内部的径向温度梯度，同时提高原料腔体温度梯度的稳定性。

如图1所示，所述碳化硅单晶生长装置石墨坩埚100内部硅粉原料腔供应管40应尽量靠边，减少对碳化硅单晶生长的影响。

如图2所示，在多晶碳化硅环式管30的表面均匀分布有贯通的微孔，有利于气相硅的有效进出，可以有效消耗过多的气相硅。

在本实施例中，所述电阻式加热棒为高纯石墨，所述加热棒70外表面制备有耐高温涂层，用来抑制石墨材质中的碳组经过加热升华。

如图1所示，硅粉输料管40延伸到石墨坩埚100外部，在顶端配有硅粉仓20，硅粉仓中的硅粉料经过硅粉输料管40进入硅粉腔60，加完硅粉料后，关闭阀门；需要补充的时候，再重新开启阀门。

粉料需要加热时，将石墨坩埚100外部的感应线圈和电源80进行通电加热。

利用本实施案例的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长装置，进行碳化硅单晶生长的过程如下：

首先，在碳化硅粉腔90内部填充碳化硅粉料，关闭石墨坩埚上盖并密封，硅粉仓20通过硅粉输料管40向硅粉腔60填充硅粉，碳化硅粉料的高度超过电阻加热棒70；

然后，通过高频感应加热线圈使石墨坩埚100发热，对石墨坩埚100内的硅粉料和碳化硅粉料进行加热，通过电源80使电阻加热棒70对碳化硅粉料腔90中的碳化硅粉料进行加热。

由于碳化硅单晶生长初期，生长气氛的气相组分中硅比碳原子多，进而需要利用多晶硅环式管30内的多晶硅表面不断生长来消耗气相硅，调节坩埚生长腔内不同位置的碳硅比例定的硅气相分子，保持生长腔硅、碳按合适比例均匀出现在碳化硅籽晶表面上，避免硅富集在碳化硅单晶生长表面形成硅液滴，提高碳化硅单晶质量。

在碳化硅单晶生长的中期和后期，硅粉腔60中的硅粉受热产生的气相硅组分通过空心石墨棒50的通孔进入到碳化硅粉腔90，不断补充原料腔的气相硅，能够降低碳化硅粉料的碳化程度，使进入到生长腔的气相碳、硅组分比不变，从而减少碳化硅单晶中碳包裹物缺陷，提高单晶生长质量。

同时，通过调整电源80可以改变电阻加热棒70的加热效率，进而可以有效调节碳化硅粉料的内部径向的温度分布，减小石墨坩埚100的径向温度梯度，使气相组分分布均匀，从而使单晶高质量生长。

本发明提供的一种可调节碳化硅单晶生长体系中气相组分碳硅比的生长坩埚，具有有效的碳硅比调节效果。碳化硅单晶生长初期，由碳化硅粉分解释放的气相组分中富含气相硅，当气相硅升华至碳化硅单晶生长表面，多余的气相硅会在晶体表面上形成硅液滴而形成结晶缺陷现象，在坩埚生长腔中部或下部石墨坩埚内壁附近设有多晶硅环式管，利用多晶环式管内的多晶硅消耗气相硅，调节坩埚生长腔内不同位置的碳硅比例，从而极大的减少晶体生长初期中因硅液滴引起的缺陷，减少碳化硅单晶中的微观缺陷，降低碳化硅单晶中的位错密度。

以上所述实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述石墨坩埚的腔室包括坩埚原料腔和坩埚生长腔，所述坩埚原料腔的石墨壁厚度大于坩埚生长腔的石墨壁；所述坩埚原料腔包括一个碳化硅粉腔和至少两个硅粉腔，所述碳化硅粉腔位于所述坩埚原料腔中部，所述硅粉腔位于所述坩埚原料腔的石墨壁中空内腔；所述硅粉腔的顶部连接有硅粉输料管，所述硅粉输料管还与石墨坩埚外部的硅粉仓连接。

2.如权利要求1所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述坩埚原料腔位于所述石墨坩埚的底部，所述坩埚生长腔位于所述石墨坩埚的上部。

3.如权利要求1所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，碳化硅粉腔和硅粉腔之间的石墨壁隔层上设有垂直于所述石墨壁隔层的空心石墨棒，所述石墨棒的两端分别延伸进入所述碳化硅粉腔和硅粉腔的内部。

4.如权利要求1所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述硅粉输料管为石墨管，所述石墨管的内表面和外表面均制备有耐高温涂层。

5.如权利要求1所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述坩埚生长腔中部或上部至少设有一个多晶硅环式管，所述多晶硅环式管与所述硅粉输料管的外表面固定连接。

6.如权利要求5所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述多晶硅环式管为沿其直径平面可开合式的两部分，所述多晶硅环式管的表面均匀分布有贯通的微孔。

7.如权利要求1所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，还包括加热容器组件，所述加热容器组件包括高频感应加热线圈和电阻式加热棒，所述高频感应加热线圈位于坩埚原料腔的外部，所述电阻式加热棒位于碳化硅粉腔内部。

8.如权利要求7所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述电阻式加热棒为高纯石墨，所述电阻式加热棒通过所述坩埚原料腔的底部与石墨坩埚的外部电源相连接。

9.如权利要求7所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述电阻式加热棒至少为一个，所述电阻式加热棒的顶部不超过所述碳化硅粉腔内的碳化硅粉料上表面。

10.如权利要求1所述的可调节生长气氛中碳硅比例的碳化硅单晶生长石墨坩埚，其特征在于，所述硅粉仓设有粉料自动输送装置，所述硅粉仓还设有开关阀门。

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