CN113622029B - 具有多晶块的坩埚组件及其制备方法和由其制得的碳化硅单晶 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有多晶块的坩埚组件及其制备方法和由其制得的碳化硅单晶，属于半导体技术领域。其中，具有多晶块的坩埚组件包括：坩埚主体；多晶块，所述多晶块包括相连的第一多晶块和第二多晶块，所述第一多晶块覆盖在所述坩埚主体的底壁，所述第二多晶块覆盖在至少部分所述坩埚主体的侧壁，所述第一多晶块沿轴向的厚度为8‑12mm，所述第二多晶块沿径向的厚度为11‑14mm；所述具有多晶块的坩埚组件能够用于制备高质量碳化硅单晶，制备得到的所述碳化硅单晶无碳包裹体，且无多型，厚度均匀，杂质含量低。

Description

具有多晶块的坩埚组件及其制备方法和由其制得的碳化硅 单晶

技术领域

本申请涉及一种具有多晶块的坩埚组件及其制备方法和由其制得的碳化硅单晶，属于半导体技术领域。

背景技术

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，是继硅(Si)、砷化镓(GaAs)之后的第三代半导体材料。其中，碳化硅晶体作为重要的第三代半导体材料之一，在高温、高频、高功率、抗辐射等方面具有优秀的性能，碳化硅基器件已经在军事、民事、航空航天等多领域得到了广泛应用，是各国科学技术研究的重点领域。

目前，生长碳化硅晶体采用最广泛的是物理气相传输法，即在坩埚中，利用SiC粉料作为原料，在使其升华产生的气相物质在温度梯度的作用下输运到温度稍低的SiC籽晶处，并在SiC籽晶上结晶形成块状SiC晶体。

然而，由于硅的升华温度低于碳的升华温度，因此在气相中硅蒸汽的分压比碳蒸汽的分压高出很多，因此在长晶过程中，SiC粉料必然会发生石墨化，即在SiC粉料中剩余石墨颗粒，且由于靠近坩埚壁处的温度最高，因此石墨化程度最严重的区域位于靠近坩埚壁处的位置。此外，由于SiC粉料的堆积密度仅为1.35g/cm^-3左右，因此颗粒之间存在很大的空隙，颗粒与颗粒之间时彼此孤立的，因此在气相向籽晶输运的过程中，气流极易将石墨颗粒裹挟到晶体表面形成包裹物缺陷，影响SIC的质量和产量。

目前，为了减少SIC粉料带来的碳包裹物缺陷，可以利用碳化硅多晶块作为长晶原料。然而，碳化硅多晶块的堆积密度较高，因此位于内部的碳化硅升华后产生的气相在升华过程中存在一定阻力，且在上升的过程中遇到位于多晶块表面的温度较低的原料时，可能会直接在原料处发生晶核结晶成长，从而不断消耗SIC多晶块产生的气相，降低碳化硅多晶块的利用效率及碳化硅单晶的制备产率。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种具有多晶块的坩埚组件及其制备方法和由其制得的碳化硅单晶。该具有多晶块的坩埚组件能够用于制备高质量碳化硅单晶，制备得到的所述碳化硅单晶无碳包裹体，且无多型，厚度均匀，杂质含量低。

根据本申请的一个方面，提供了一种无碳包裹体的碳化硅单晶，所述碳化硅单晶无碳包裹体，且无多型，总厚度偏差不超过0.3mm，杂质浓度不超过10¹¹cm^-3。

优选的，所述碳化硅单晶的总厚度偏差不超过0.2mm。杂质浓度不超过10¹⁰cm^-3。

根据本申请的另一个方面，提供了一种具有多晶块的坩埚组件，其包括：

坩埚主体；

多晶块，所述多晶块包括相连的第一多晶块和第二多晶块，所述第一多晶块覆盖在所述坩埚主体的底壁，所述第二多晶块覆盖在至少部分所述坩埚主体的侧壁，

所述第一多晶块沿轴向的厚度为8-12mm，所述第二多晶块沿径向的厚度为11-14mm；

所述第一多晶块和/或所述第二多晶块的杂质含量不超过10¹⁶cm^-3；

所述具有多晶块的坩埚组件能够用于制备上述所述的碳化硅单晶。

可选地，所述第一多晶块和/或所述第二多晶块的堆积密度大于粉料的堆积密度；和/或

所述第一多晶块沿轴向的厚度为9mm、10mm或11mm，所述第二多晶块沿径向的厚度为12mm或13mm；

所述第一多晶块和/或所述第二多晶块的杂质含量不超过10¹⁴cm^-3；和/或

所述第二多晶块为环状多晶块，所述环状多晶块的外径与所述坩埚主体的内径相同；

优选的，所述多晶块沿轴向的高度与所述坩埚主体沿轴向的高度之比为0.5-0.8:1。

优选的，所述第一多晶块和/或所述第二多晶块的堆积密度为2.8-3.2g/cm³。

更优选的，所述第一多晶块和所述第二多晶块的堆积密度相同。

根据本申请的又一个方面，其特征在于，提供了一种用于制备上述具有多晶块的坩埚组件的方法，其特征在于，包括：将粉料装入坩埚主体的装料区，然后加热，转动或滚动所述坩埚主体，使所述坩埚主体的底壁和至少部分所述坩埚主体的侧壁经过低温区，以使处于高温区的粉末原料升华至位于所述低温区，从而在所述坩埚主体的底壁和至少部分所述坩埚主体的底壁形成多晶块。

可选地，所述坩埚主体的转动距离或滚动距离为所述坩埚主体径向周长的整数倍。

可选地，所述坩埚主体的转动线速度或所述坩埚主体的滚动速度为330-430mm/h；

优选的，所述坩埚主体的转动线速度或所述坩埚主体的滚动速度为380mm/h。通过控制坩埚主体的运动速度，以防止坩埚主体转动过快或过慢而导致坩埚主体内部的气氛扰动剧烈或侧壁多晶厚度不一，保证第一多晶块或第二多晶块均匀的生长速率以使其厚度均匀。

可选地，将装入粉料的所述坩埚主体置于加热炉内，调节所述加热炉内的压力为0.01-2mbar，并将所述加热炉加热，使所述加热炉的温度比所述粉料的升华温度高40-70℃，维持不少于10h。通过控制加热炉的温度及压力，进而控制加热炉内粉料的升华速率，防止因温度过高过早的导致粉料的石墨化，避免制备的多晶料块中引入过多的碳颗粒，影响多晶料块的堆积密度，进而避免因多晶块中存在杂质而影响后续单晶生长的质量。

可选地，将装入粉料的所述坩埚主体置于加热炉内，调节所述加热炉内的压力至40-60mbar，并使所述加热炉的温度比所述粉料的升华温度高10-30℃，维持1-3h；继续调节所述加热炉内的压力为0.01-2mbar，并将所述加热炉加热，使所述加热炉的温度比所述粉末原料的升华温度高40-70℃，维持不少于10h。

可选地，使所述坩埚主体在若干个支撑台上滚动，每个所述支撑台的高度均能够独立调节，从而使若干个所述支撑台形成具有坡度的滚动区。

可选地，所述粉末原料为质量比为3:4-6的碳粉和硅粉，优选为3:5的碳粉和硅粉；所述多晶块为SiC多晶块，所述SiC多晶块的制备方法包括：

1)装料：在所述坩埚主体的装料部装入碳粉和硅粉后，放入加热炉内；

2)向所述加热炉内通入惰性气体，使所述加热炉的压力控制在80-120mbar，优选为100mbar，并将所述加热炉加热至1300-1700℃，维持0.5-1.5h，优选为1h；期间使每个所述支撑台均下降，若干个所述支撑台的下降速度从左至右依次增大1mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的下降速度为1mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右滚动；

3)调节所述加热炉的压力直至40-60mbar，优选为50mbar，并将所述加热炉内的温度加热至2000-2100℃，维持1-3h，优选为2h；期间先使所述支撑台以第一运动状态运动，使所述坩埚主体在所述滚动区从右向左滚动，然后使所述支撑台以第二运动状态运动，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右运动；

其中，当所述支撑台以第一运动状态运动时，若干个所述支撑台的上升速度从左至右依次增大2mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的上升速度为2mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从右向左滚动，

当所述支撑台以第二运动状态运动时，若干个所述支撑台的下降速度从左至右依次增大2mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的下降速度为2mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右滚动；

4)调节所述加热炉的压力直至0.01-2mbar，优选为1mbar，并将所述加热炉内的温度加热至2300-2600℃，维持不少于10h，优选为10h；

当所述坩埚主体滚动至所述滚动区的最左侧时，所述支撑台以第二运动状态运动；当所述坩埚主体滚动至所述滚动区的最右侧时，所述支撑台以第一运动状态运动，从而实现坩埚的往复滚动；

5)每个所述支撑台均复位，向所述加热炉内通入惰性气体至常压，降温，取出所述坩埚主体，完成所述SiC多晶块的制备。

根据本申请的再一个方面，提供了一种用于制备具有多晶块的坩埚的装置，其包括坩埚组件和用于加热所述坩埚组件的加热件，所述坩埚组件位于所述加热件形成的加热区域内，且所述加热件能够形成高温区和低温区，

所述坩埚组件包括坩埚主体，所述坩埚主体包括位于高温区的装料部和位于低温区的长晶部，所述装料部位于所述坩埚主体内部，所述长晶部包括所述坩埚主体的底壁和至少部分所述坩埚主体的侧壁，所述装料部内的粉料升华至所述长晶部，并在所述长晶部结晶成为多晶块；

所述装置还包括驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述坩埚主体运动，以使至少部分所述坩埚的侧壁经过所述低温区。

可选地，所述驱动组件包括滚动区，所述滚动区具有坡度，以使所述坩埚的侧壁沿所述滚动区滚动。

可选地，所述驱动组件包括多个支撑台，多个支撑台共同形成所述滚动区，每个所述支撑台的高度均能够独立调节，以使所述滚动区具有坡度。

可选地，所述驱动组件还包括第一挡板和第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板的高度均高于每个所述支撑台的高度，且所述第一挡板和所述第二挡板分别设置在所述滚动区的沿所述坩埚滚动方向的相对两侧。

可选地，每个所述支撑台下方均连接有螺杆，

所述驱动组件还包括支撑架，所述支撑架上设置有多个螺纹口，每个所述螺纹口与其相对应的所述螺杆相互配合，以使所述支撑台上升或下降。

可选地，所述滚动区的长度为2nπr+2r，其中，所述n为不为零的整数，所述r为所述坩埚的半径。

可选地，所述坩埚组件包括位于所述坩埚主体内部的多孔石墨板和装料桶，所述装料桶设置在所述多孔石墨板与所述坩埚底壁之间，所述装料桶的开口与所述多孔石墨板的一侧相连，

所述装料桶和所述多孔石墨板之间形成空腔结构，所述空腔结构形成所述装料部。

可选地，所述坩埚组件还包括坩埚盖和压板件，所述坩埚侧壁设置有凸台，所述石墨板设置在所述压板件和所述凸台之间，

当所述坩埚盖盖合在所述坩埚主体上时，所述坩埚盖将所述压板件压紧，进而将所述石墨板固定在所述压板件和所述凸台之间。

可选地，所述装料桶的开口设置有内螺纹，所述石墨板靠近所述坩埚主体底壁的一侧设置有安装环，所述安装环设置有外螺纹，所述内螺纹和所述外螺纹相配合，以将所述装料桶和所述石墨板相连。

可选地，所述装料桶的外径与所述坩埚的内径之比为0.5-0.7：1；和/或

所述多孔石墨板与所述坩埚主体底壁之间的距离与所述坩埚主体的高度之比为0.5-0.8:1。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1、本申请所提供的碳化硅单晶，无碳包裹物出现，且无多型，厚度均匀，杂质含量低，晶体质量高。

2、本申请所提供的具有多晶块的坩埚组件，坩埚主体的底壁全部覆盖了多晶块，且部分侧壁覆盖了环状多晶块，不仅覆盖率高，且多晶块厚度适中，结晶致密，且在升华结晶过程中杂质含量得到大幅降低，因此其作为制备单晶的原料时，可以得到高质量单晶。

3、本申请所提供的具有多晶块的坩埚组件的制备方法，通过驱动坩埚主体运动，使至少部分坩埚主体的侧壁经过低温区，使其与坩埚主体的底壁一起作为长晶部处于低温区，使粉料升华的气相输运到坩埚主体的底壁和至少部分坩埚主体的侧壁形成多晶块，从而使形成的多晶块为一端开口的空心筒状结构，空心筒状结构的空心通道可以作为单晶生长过程中气相输运的通道，为气相提供了更大的输运空间，降低了靠近坩埚壁的内部原料产生的气相的输运阻力，减少了内部原料产生的气相在传输的过程中与表面多晶块的接触面积，提高了多晶块的利用效率以及单晶的产率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例1涉及的用于制备具有多晶块的坩埚的装置坩埚主体滚动时示意图；

图2为本申请实施例1涉及的用于制备具有多晶块的坩埚的装置初始状态示意图；

图3为本申请实施例1涉及的坩埚主体结构示意图；

图4为本申请实施例4涉及的单晶3#的XRD衍射图谱；

图5为本申请实施例4设计的单晶D2#的XRD衍射图谱。

部件和附图标记列表：

1、坩埚主体；2、粉料；3、多晶块；4、支撑台；5、第一挡板；6、第二挡板；7、螺杆；8、支撑架；9、螺纹口；10、动力装置；11、计算机控制系统；12、多孔石墨板；13、装料桶；14、压板件；15、凸台；16、加热炉。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本申请对该装置制备的多晶块的种类不做限制，例如可以为碳化硅多晶块，氮化镓多晶块等，只要是可以利用多晶块生长单晶即可。本申请实施例以碳化硅多晶块为例进行说明，但不限于碳化硅多晶块，制备得到的具有多晶块的坩埚用于制备碳化硅单晶，例如4H、6H等各种晶型。相对应的，粉料可以为碳化硅粉料，也可以为碳粉和硅粉的混合物，下述实施例以高纯碳粉和硅粉(浓度均为99.999％)为例进行说明。

另外，现有技术中，一般是将坩埚放置在加热炉中进行加热，加热炉外部设置加热线圈，加热线圈两端的加热温度低于中部的加热温度，即加热炉的中部为高温区，上下两端为低温度，且从中部至上端、从中部至下端分别形成轴向温度梯度。本申请实施例中为了使坩埚的侧壁位于低温区，将坩埚横放在加热炉内。

实施例1

如图1-3所示，本申请的实施例公开了一种用于制备具有多晶块3的坩埚的装置，其包括坩埚组件和用于加热坩埚组件的加热件，坩埚组件位于加热件形成的加热区域内，且加热件能够形成高温区和低温区，坩埚组件包括坩埚主体1，坩埚主体1包括位于高温区的装料部和位于低温区的长晶部，装料部位于坩埚主体1内部，长晶部包括坩埚主体1的底壁和至少部分坩埚主体1的侧壁，装料部内的粉料2升华至长晶部，并在长晶部结晶成为多晶块3；该装置还包括驱动组件，驱动组件用于驱动坩埚主体1运动，以使至少部分坩埚的侧壁经过低温区。通过设置驱动组件驱动坩埚主体1运动，使至少部分坩埚主体1的侧壁经过低温区，使其与坩埚主体1的底壁一起作为长晶部处于低温区，使粉料2升华的气相输运到坩埚主体1的底壁和至少部分坩埚主体1的侧壁形成多晶块3，从而使形成的多晶块3为一端开口的空心筒状结构，空心筒状结构的空心通道可以作为碳化硅单晶生长过程中气相输运的通道，为气相提供了更大的输运空间，降低了靠近坩埚壁的内部碳化硅原料产生的气相的输运阻力，减少了内部碳化硅原料在传输的过程中与表面碳化硅多晶块3的接触面积，提高了碳化硅多晶块3的利用效率以及碳化硅单晶的产率。

具体的，坩埚主体1的侧壁可以全部作为长晶部进行生长多晶块3，也可以部分作为长晶部进行生长多晶块3。优选的，为了使坩埚侧壁作为生长多晶块3过程中的C源补充，维持较好的C/Si比，防止其作为单晶生长的原料时C分压过低而导致多型出现，使部分坩埚主体1的侧壁作为长晶部进行生长多晶块3。此处，沿部分坩埚主体1的侧壁生长的多晶块3可以指沿部分坩埚侧壁的周向生长出的环状多晶块，也可以指沿部分坩埚侧壁的轴向生长出的弧形板状多晶块。优选的，沿部分坩埚侧壁生长的多晶块3为沿部分坩埚侧壁的周向生长出的环形多晶块3，该设置方式可以使制备得到的具有多晶块3的坩埚作为长晶的坩埚时，坩埚内部沿径向的不同位置处气相更加均匀，从而保证得到的单晶厚度更加均匀。

具体的，驱动组件可以驱动坩埚转动或滚动，只要能够使至少部分坩埚的侧壁经过低温区即可。当驱动坩埚转动时，可以使用机械手夹持坩埚的一端，带动坩埚转动，使升华的气相传输至坩埚的侧壁和底壁处。

具体的，本实施例对装料部的位置不做限定，例如可以位于坩埚的一端，也可以位于坩埚轴向的中部；可以靠近坩埚侧壁设置，也可以设置在坩埚径向的中央。

具体的，由于初期形成多晶的速度较慢，为了提高多晶的生长速率，可以在长晶部嵌入小多晶块3，以作为生长中心进行生长。

作为一种实施方式，驱动组件包括滚动区，滚动区具有坡度，以使坩埚的侧壁沿滚动区滚动。通过使坩埚的侧壁沿滚动区滚动，从而使坩埚的侧壁依次经过低温区，使粉料2升华的气相在温度梯度的作用下传输至坩埚的侧壁，形成多晶块3。

继续参阅图1-2，作为一种实施方式，驱动组件包括多个支撑台4，多个支撑台4共同形成滚动区，每个支撑台4的高度均能够独立调节，以使滚动区具有坡度。通过设置驱动组件包括多个支撑台4，且每个支撑台4的高度均能够独立调节，从而能够自由控制坩埚的滚动方向，当坩埚从滚动区的一端滚动至另一端时，通过调整支撑台4的高度，可以将坩埚沿原路径滚回到初始位置，实现坩埚的往复滚动，在保证多晶块3的生长时间的同时，缩短了滚动台的长度，节省了空间。

具体的，本实施例对支撑台4的数量不做限制，只要能实现坩埚主体1的滚动即可。具体的，本实施例对相邻的支撑台4之间的距离不做限制，只要能够防止坩埚从支撑台4之间的空隙处掉落且能够实现坩埚的滚动即可。

具体的，为了增大坩埚侧壁与支撑台4之间的摩擦力，保护坩埚外侧壁，同时防止因摩擦力过小而使坩埚从支撑台4上滑落或者坩埚滚动速度过快而导致生长不均匀，每个支撑台4的上方均铺设有石墨软毡。

具体的，本实施例对支撑台4的材质不做限制，例如可以为石墨、陶瓷等耐高温的材质。

作为一种实施方式，驱动组件还包括第一挡板5和第二挡板6，第一挡板5和第二挡板6的高度均高于每个支撑台4的高度，且第一挡板5和第二挡板6分别设置在滚动区的沿坩埚滚动方向的相对两侧。通过在滚动区的相对两侧分别设置第一挡板5和第二挡板6，且第一挡板5和第二挡板6的高度均高于每个支撑台4的高度，从而为坩埚滚动至滚动区的两端时提供阻挡力，防止坩埚从滚动区滚落。

具体的，本实施例对第一挡板5和第二挡板6的材质不做限制，例如可以为石墨、陶瓷等耐高温的材质。

作为一种实施方式，为了适应不同直径的坩埚，第一挡板5和第二挡板6的高度能够调节。

作为一种实施方式，每个支撑台4下方均连接有螺杆7，驱动组件还包括支撑架8，支撑架8上设置有多个螺纹口9，每个螺纹口9与其相对应的螺杆7相互配合，以使支撑台4上升或下降。通过设置每个支撑台4的下方均连接有螺杆7，并与支撑架8上的螺纹口9互相配合，实现支撑台4的稳定升降。

可以理解的是，为了控制每个支撑台4的升降，还设置有动力装置10和计算机控制系统11。多个支撑台4可以共同使用一个动力装置10，也可以分别使用一个动力装置10。动力装置10用于驱动螺杆7的转动，进而带动支撑台4的升降；计算机控制系统11用于控制支撑台4升降的高度及速度，使多个支撑台4形成具有坡度的滚动区。动力装置10与支撑台4、计算机控制系统11的连接方式采用现有技术即可，在此不做赘述。

具体的，第一挡板5和第二挡板6下方均连接有螺杆7，支撑架8上设置有螺纹口9，以与第一挡板5和第二挡板6下方的螺杆7相配合，从而驱动第一挡板5和第二挡板6的升降。

作为一种实施方式，滚动区的长度为2nπr+2r，其中，n为不为零的整数，r为坩埚的半径。通过设置滚动区的长度，使坩埚从滚动区的一端滚动至另一端时，完成坩埚侧壁整圈的长晶，从而使坩埚侧壁的多晶块3的不同位置厚度更加均匀，进而保证后续作为长晶原料时形成的气相更加均匀，有利于提高生长的单晶质量。

具体的，本实施例对n的数值不做限定，只要为不为零的整数即可。优选的，n为1，支撑台4为七个。

如图3所示，作为一种实施方式，坩埚组件包括位于所述坩埚主体1内部的多孔石墨板12和装料桶13，装料桶13设置在多孔石墨板12与坩埚底壁之间，装料桶13的开口与多孔石墨板12的一侧相连，装料桶13和多孔石墨板12之间形成空腔结构，空腔结构形成装料部。通过设置装料桶13和多孔石墨板12之间形成空腔结构，从而为粉料2提供盛放空间；同时多孔石墨板12的孔隙有利于碳化硅气相的传输，且多孔石墨板12可以作为碳化硅多晶块3的碳源补充。

具体的，装料桶13位于坩埚径向的中央位置，从而保证坩埚侧壁的多晶块3的厚度均匀。

作为一种实施方式，坩埚组件还包括坩埚盖和压板件14，坩埚侧壁设置有凸台15，石墨板设置在压板件14和凸台15之间，当坩埚盖盖合在坩埚主体1上时，坩埚盖将压板件14压紧，进而将石墨板固定在压板件14和凸台15之间。通过设置压板件14和凸台15，将石墨板固定在压板件14和凸台15之间，防止在制备多晶块3的过程中出现多孔石墨板12晃动，且结构简单，便于多孔石墨板12的放置和取出。

具体的，本实施例对压板件14的形状不做限制，可以为条状或环状等。优选的，压板件14为环状，且压板件14的外径与坩埚主体1的内径相同。

作为一种实施方式，装料桶13的开口设置有内螺纹，石墨板靠近坩埚主体1底壁的一侧设置有安装环，安装环设置有外螺纹，内螺纹和外螺纹相配合，以将装料桶13和石墨板相连。通过使装料桶13与安装环通过螺纹结构连接，可以增强装料桶13与石墨板之间的安装稳固性，且结构简单，便于拆卸装料桶13完成装料和取料过程。

作为一种实施方式，装料桶13的外径与坩埚的内径之比为0.5-0.7:1；和/或

多孔石墨板12与坩埚主体1底壁之间的距离与坩埚主体1的高度之比为0.5-0.8:1。通过设置装料桶13外径和坩埚内径之比，既能保证装料桶13盛放足够的粉料2，减少石墨板的荷载力，又能使装料桶13外侧的坩埚侧壁作为长晶部生长碳化硅多晶块3，增加多晶块3的覆盖面积；通过设置多孔石墨板12与坩埚主体1底壁之间的距离，进而控制碳化硅多晶块3的高度，预留出合适面积的未覆盖多晶块3的坩埚侧壁，为后续生长单晶提供补充碳源。

优选的，装料桶13的外径与坩埚的内径之比为0.6:1；和/或

多孔石墨板12与坩埚主体1底壁之间的距离与坩埚主体1的高度之比为0.67:1。

实施例2具有多晶块3的坩埚组件的制备

本申请的实施例2提供了一种制备具有多晶块3的坩埚组件的方法，该方法由实施例1中的装置实现，包括以下步骤：

1)装料：在坩埚主体1的装料部粉料2，放在加热炉16内；

2)除杂：将加热炉16抽真空至压力为10^-10mbar以下，通入惰性气体至300～500mbar，重复此过程至少两次；

3)低温过渡阶段：向加热炉16内通入惰性气体，如氩气，使加热炉16内的压力控制在100mbar，并将加热炉16加热至1300-1700℃，维持1h；期间每个支撑台4均下降，且若干个支撑台4从左至右的下降速度依次增大，使坩埚主体1从滚动区的左端滚动至右端；

4)降压升温过渡阶段：调节加热炉16的压力直至50mbar，并将加热炉16内的温度比粉料的升华温度高10-30℃，维持2h；期间每个支撑台4均上升，且若干个支撑台4从右至左的上升速度依次减小，使坩埚主体1从滚动区的右端滚动至左端，然后继续调节支撑台4的高度，使坩埚主体1在所述滚动区从左端滚动至右端，完成一个往复运动；

5)稳定生长阶段：调节加热炉16的压力直至1mbar，并加热炉16的温度比所述粉料2的升华温度高40-70℃，维持10h；

当坩埚主体1滚动至滚动区的最左侧时，每个支撑台4均下降，且若干个支撑台4从左至右的下降速度依次增大，使坩埚主体1从滚动区的左侧向右侧滚动；当坩埚主体1滚动至滚动区的最右侧时，每个支撑台4均上升，且若干个支撑台4从右至左的上升速度依次减小，使坩埚主体1从滚动区的右侧向左侧滚动，从而实现坩埚主体1的往复滚动；

6)每个支撑台4均复位，向加热炉16内通入惰性气体至常压，降温后取出坩埚主体，完成多晶块3的制备。

按照上述步骤制备坩埚组件1#-7#及坩埚组件D1#，分别改变粉料质量比、多孔石墨板与坩埚主体底壁之间的距离与坩埚主体的高度之比、有无低温过渡阶段以及坩埚主体1的稳定生长条件，其余条件相同，如表1所示。

表1

实施例3多晶块的测试

对实施例2中制备的坩埚组件1#-7#及坩埚组件D1#中的多晶块1#-7#及多晶块D1#分别进行表征，测试其厚度、堆积密度和杂质含量，如表2所示，其中，将覆盖在坩埚主体1底壁的多晶块3记为第一多晶块，将覆盖在部分坩埚主体1侧壁的多晶块3记为第二多晶块。

表2

实施例4碳化硅单晶的制备

采用实施例2制备的坩埚组件2#-7#、坩埚组件D1#及以装有粉料的坩埚组件D2#(其中碳粉与硅粉的质量比为3：5)作为制备单晶的坩埚，并在坩埚盖内壁上安放籽晶，分别在现有的长晶装置中采用现有的长晶方法进行长晶，制得单晶2#-7#、单晶D1#及单晶D2#，包括以下步骤：

1)除杂保压阶段：将组装好的坩埚放入腔体内，使用真空泵将腔体抽至10^-6-10^{- 8}mbar，并保压1小时防止加热过程中腔体有漏气现象；

2)形核阶段：向腔体中充入惰性气体Ar气，将腔体压力升高至300-400mbar，温度升高至1600℃，并持续4小时；

3)生长阶段：将炉体内压力降至30mbar，并在2300℃下稳定生长60h；

4)得到单晶。

对制得的单晶进行表征，测试其冷光源碳包裹物、多型情况、晶体重量、总厚度偏差及杂质浓度情况，测试结果如表3所示。

表3

由表2及表3可以看出，采用本申请实施例制备的具有多晶块的坩埚组件3#中，多晶块厚度均匀，堆积密度良好，总厚度偏差小，杂质浓度低，因此制备得到单晶无碳包裹体、且无多型情况，厚度均匀，晶体质量高；坩埚组件2#为多孔石墨板与坩埚主体底壁之间的距离与坩埚主体的高度之比1:1的情况，从数据可以看出，由于没有坩埚碳源的补充，晶体出现大面积多型，且由于料源不足晶体生长缓慢，同时其单晶杂质含量略多；坩埚组件4#为多孔石墨板与坩埚主体底壁之间的距离与坩埚主体的高度之比0.3:1的情况，从数据可以看出，多晶料块生长速率快，且在实际过程中料筒连接底部结晶和侧壁接近料块，导致其不易取出，同时形成的多晶料块杂质含量高，导致其堆积密度微低，进行单晶生长时晶体碳颗粒杂质含量多，总厚度偏差略大同时杂质浓度高；坩埚组件5#提高了坩埚的滚动速度，导致其气氛紊乱，坩埚内部温场梯度小，升华后的料不易在坩埚侧壁和底壁进行结晶，导致形成的多晶料块重量不及预期，进而导致晶体重量不及预期同时杂质含量微高；坩埚组件6#为低温生长，导致多晶块生长速率缓慢，进而导致后续晶体生长速率缓慢，其他参数表现良好；坩埚组件7#改变了碳粉与硅粉的质量比，由于Si的升华点位在1400℃导致在后续生长过程中原料不足，进而导致多晶料块处于停滞生长状态，不利于多晶料块的形成，进而不利于后续单晶的生长，同时由于料源的不足，杂质量增多，导致其杂质浓度微高；坩埚组件8#由于碳化严重无法进行后续单晶的生长；坩埚组件D1#在制备过程中坩埚主体不发生滚动，因此制备的多晶块厚度不均匀，多晶料块厚度偏差巨大，以该多晶块制备的单晶由于气氛极度不稳定，导致晶体晶型不易稳定，出现大面积多型，且碳颗粒在晶体内颗粒度稍大杂质浓度含量增多；坩埚组件D2#中以粉料作为制备单晶的原料，制备得到的单晶存在多个碳包裹物，且出现了前期多型，晶体质量差，总厚度偏差略大其他杂质浓度微高。

另外，单晶3#和单晶D2#的XRD衍射图谱分别如图4和图5所示。从图中可以看出，利用本申请的方法制备的多晶块作为原料生长得到的单晶3#的半峰宽更窄，即结晶质量更高。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种具有多晶块的坩埚组件，其特征在于，其包括：

坩埚主体；

多晶块，所述多晶块包括相连的第一多晶块和第二多晶块，所述第一多晶块覆盖在所述坩埚主体的底壁，所述第二多晶块覆盖在至少部分所述坩埚主体的侧壁，

所述第一多晶块沿轴向的厚度为8-12mm，所述第二多晶块沿径向的厚度为11-14mm；

所述第一多晶块和/或所述第二多晶块的杂质浓度不超过10¹⁶cm^-3；所述多晶块沿轴向的高度与所述坩埚主体沿轴向的高度之比为0.5-0.8:1；

所述具有多晶块的坩埚组件能够用于制备碳化硅单晶。

2.根据权利要求1所述的具有多晶块的坩埚组件，其特征在于，所述第一多晶块和/或所述第二多晶块的堆积密度大于粉料的堆积密度；和/或

所述第一多晶块沿轴向的厚度为10mm，所述第二多晶块沿径向的厚度为13mm；所述第一多晶块和/或所述第二多晶块的杂质浓度不超过10¹⁴cm^-3；和/或

所述第二多晶块为环状多晶块，所述环状多晶块的外径与所述坩埚主体的内径相同，所述多晶块为碳化硅多晶块。

3.一种用于制备权利要求1或2所述的具有多晶块的坩埚组件的方法，其特征在于，包括：将粉末原料装入坩埚主体的装料区，所述坩埚主体置于加热炉内，然后加热，转动或滚动所述坩埚主体，使所述坩埚主体的底壁和至少部分所述坩埚主体的侧壁经过低温区，以使处于高温区的粉末原料升华至位于所述低温区，从而在所述坩埚主体的底壁和至少部分所述坩埚主体的底壁形成多晶块；其中，所述坩埚主体的转动线速度或所述坩埚主体的滚动速度为330-430mm/h；

所述粉末原料为质量比为3:4-6的碳粉和硅粉，

所述坩埚主体内部设置有多孔石墨板，所述多孔石墨板与所述坩埚主体底壁之间的距离与所述坩埚主体的高度之比为0.5-0.8:1；

所述多晶块的加热包括低温过渡阶段、降压升温过渡阶段和稳定生长阶段；

在所述低温过渡阶段，向所述加热炉内通入惰性气体，使所述加热炉的压力控制在80-120mbar，并将所述加热炉加热至1300-1700℃，维持0.5-1.5h；使所述坩埚主体在若干个支撑台上滚动，每个所述支撑台的高度均能够独立调节，从而使若干个所述支撑台形成具有坡度的滚动区，期间使每个所述支撑台均下降，若干个所述支撑台的下降速度从左至右依次增大1mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的下降速度为1mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右滚动；

在所述降压升温过渡阶段，调节所述加热炉的压力直至40-60mbar，并将所述加热炉内的温度加热至2000-2100℃，维持1-3h；期间先使所述支撑台以第一运动状态运动，使所述坩埚主体在所述滚动区从右向左滚动，然后使所述支撑台以第二运动状态运动，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右运动；

其中，当所述支撑台以第一运动状态运动时，若干个所述支撑台的上升速度从左至右依次增大2mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的上升速度为2mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从右向左滚动，

当所述支撑台以第二运动状态运动时，若干个所述支撑台的下降速度从左至右依次增大2mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的下降速度为2mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右滚动；

在所述稳定生长阶段，所述坩埚主体置于加热炉内，所述加热炉内的压力为0.01-2mbar，温度比所述粉末原料的升华温度高40-70℃，维持不少于10h，当所述坩埚主体滚动至所述滚动区的最左侧时，所述支撑台以第二运动状态运动；当所述坩埚主体滚动至所述滚动区的最右侧时，所述支撑台以第一运动状态运动，从而实现坩埚的往复滚动。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述坩埚主体的转动距离或滚动距离为所述坩埚主体径向周长的整数倍。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述坩埚主体的转动线速度或所述坩埚主体的滚动速度为380mm/h。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将装入粉料的所述坩埚主体置于加热炉内，调节所述加热炉内的压力至40-60mbar，并使所述加热炉的温度比所述粉料的升华温度高10-30℃，维持1-3h；继续进行稳定生长阶段。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多晶块为SiC多晶块，所述SiC多晶块的制备方法包括：

1)装料：在所述坩埚主体的装料部装入碳粉和硅粉后，放入加热炉内；

2)向所述加热炉内通入惰性气体，使所述加热炉的压力控制在80-120mbar，并将所述加热炉加热至1300-1700℃，维持0.5-1.5h；期间使每个所述支撑台均下降，若干个所述支撑台的下降速度从左至右依次增大1mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的下降速度为1mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右滚动；

3)调节所述加热炉的压力直至40-60mbar，并将所述加热炉内的温度加热至2000-2100℃，维持1-3h；期间先使所述支撑台以第一运动状态运动，使所述坩埚主体在所述滚动区从右向左滚动，然后使所述支撑台以第二运动状态运动，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右运动；

其中，当所述支撑台以第一运动状态运动时，若干个所述支撑台的上升速度从左至右依次增大2mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的上升速度为2mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从右向左滚动，

当所述支撑台以第二运动状态运动时，若干个所述支撑台的下降速度从左至右依次增大2mm/h，且从左至右第一个所述支撑台的下降速度为2mm/h，使所述坩埚主体在所述滚动区从左向右滚动；

4)调节所述加热炉的压力直至0.01-2mbar，并将所述加热炉内的温度加热至2300-2600℃，维持不少于10h；

当所述坩埚主体滚动至所述滚动区的最左侧时，所述支撑台以第二运动状态运动；当所述坩埚主体滚动至所述滚动区的最右侧时，所述支撑台以第一运动状态运动，从而实现坩埚的往复滚动；

5)每个所述支撑台均复位，向所述加热炉内通入惰性气体至常压，降温，取出所述坩埚主体，完成所述SiC多晶块的制备。

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