CN114108093A - 碳化硅晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅晶体生长装置，碳化硅生长装置包括：炉体，炉体包括有反应腔；加热装置用于对反应腔加热；夹持组件，夹持组件包括多个籽晶夹持部，籽晶夹持部设在反应腔内并用于夹持籽晶；旋转驱动组件，旋转驱动组件包括多个第一旋转驱动部，第一旋转驱动部通过第一连接件与籽晶夹持部相连，且每个第一旋转驱动部均可独立驱动籽晶夹持部绕其所夹持的籽晶的中心轴线转动，且各所述籽晶(101)的旋转方向相同以使靠近相邻的两个所述籽晶之间的气体流动方向相反。由此，可以实现生长晶体边缘温度均匀化，在碳化硅粉和籽晶的表面之间建立稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量，通过调节晶体生长方式，抑制生长晶体边缘多晶的形成，提高晶体质量。

Description

碳化硅晶体生长装置

技术领域

本发明涉及半导体材料制备的技术领域，尤其是涉及一种碳化硅晶体生长装置。

背景技术

目前，在生长碳化硅单晶的过程中发现，边缘多晶(polytype switches)区域的形成与籽晶表面初始生长时的堆垛层错(stacking faults)缺陷密切相关。一般地，较低的堆垛层错能是碳化硅晶体中多晶产生的物理原因。由此，碳化硅在高温PVT生长过程中的多晶型与不稳定的生长条件有关。

相关技术中，碳化硅晶体中的多晶区域通常沿生长面的边缘开始，在籽晶边缘与坩埚接触区域，存在较大的温度梯度和相应气相的过饱和度均容易导致单晶中多晶的产生。其原因在于从籽晶生长面到生长面边缘倾斜生长界面区域是增强“阶梯聚束”发生的区域，因此会导致多型转变。尤其是在多组籽晶同时生长过程中，籽晶与籽晶边缘接触部分的晶体生长调节不稳定，倾向于发生多型转变，从而导致无法在保证碳化硅晶体生产效率的同时保证碳化硅晶体的质量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种碳化硅晶体生长装置，所述碳化硅晶体生长装置可以有效地抑制生长晶体边缘出现多晶情况，提高获得晶体的质量。

根据本发明实施例的碳化硅晶体生长装置，包括：炉体，所述炉体包括：加热装置、反应腔和坩埚盖，所述加热装置用于加热所述反应腔，所述坩埚盖通过坩埚盖夹持部设置于所述反应腔的顶部；内坩埚，所述内坩埚设置在所述反应腔的底部，用于盛放碳化硅粉；夹持组件，所述夹持组件包括多个籽晶夹持部，所述籽晶夹持部设在所述坩埚盖的下方，并用于夹持籽晶；旋转驱动组件，所述旋转驱动组件包括与所述籽晶夹持部对应的第一旋转驱动部，所述第一旋转驱动部通过第一连接件与所述籽晶夹持部相连，各所述第一旋转驱动部均可独立驱动所述籽晶夹持部绕其所夹持的所述籽晶的中心轴线转动，其中各所述籽晶的旋转方向相同以使靠近相邻的两个所述籽晶之间的气体流动方向相反。

根据本发明实施例的碳化硅晶体生长装置，在晶体生长过程中可以保持任意两个相邻设置的所述籽晶的相邻位置处的气流流动方向相反，从而可以实现生长晶体边缘温度均匀化，可以在碳化硅粉和籽晶的表面之间建立稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量，通过调节晶体生长方式，抑制生长晶体边缘多晶的形成，提高晶体质量。

根据本发明的一些实施例，所述第一旋转驱动部设置在所述坩埚盖上，所述旋转驱动组件还包括第二旋转驱动部，所述第二旋转驱动部用于驱动所述坩埚盖绕其中心轴线转动；多个所述第一旋转驱动部和所述第一连接件可随所述坩埚盖同步相对所述反应腔绕所述坩埚盖的中心轴线转动，所述第二旋转驱动部驱动所述坩埚盖的转动方向与所述籽晶的转动方向相反。

根据本发明的一些实施例，所述籽晶夹持部包括：第一籽晶夹持部，所述第一籽晶夹持部与所述坩埚盖同心设置；多个第二籽晶夹持部，多个所述第二籽晶夹持部环绕所述坩埚盖的中心轴线间隔排布。

根据本发明的一些实施例，所述坩埚盖设有多个滑槽，所述滑槽沿厚度方向贯穿所述坩埚盖，在竖向方向的投影上，所述滑槽沿所述坩埚盖的径向方向延伸，且多个所述滑槽在所述坩埚盖的中心轴线的周向方向上间隔排布，所述第一连接件设置在所述滑槽内并可沿所述滑槽的延伸方向滑动；所述装置还包括：平移驱动组件，所述平移驱动组件包括多个平移驱动部，所述平移驱动部用于驱动所述第一连接件在所述滑槽内滑动。

根据本发明的一些实施例，所述坩埚盖沿其厚度方向设有贯穿的滑道；所述旋转驱动组件还包括：第三旋转驱动部，用于驱动所述第一连接件沿所述滑道绕所述坩埚盖的中心轴线旋转，旋转方向与所述籽晶绕籽晶的中心轴线转动的方向相反。

根据本发明的一些实施例，在竖向方向的投影上，两个相邻所述籽晶的边缘之间的最小间距为d1，所述籽晶直径为D，且满足关系式：0.7≤d1/D≤1.1。

根据本发明的一些实施例，在竖向方向的投影上，所述籽晶的边缘与所述反应腔的周壁的最小间距为d2，所述籽晶直径为D，且满足关系式：1.5≤d2/D≤2.4。

根据本发明的一些实施例，所述加热装置包括：多个加热部，所述加热部环绕所述反应腔的周壁设置，且多个所述加热部沿竖向方向依次间隔排布，其中包括：靠近所述坩埚设置的加热部、靠近所述籽晶设置的加热部，以及设置靠近所述籽晶和所述坩埚中间的加热部。

根据本发明的一些实施例，所述旋转驱动组件还包括：第四旋转驱动部，所述第四旋转驱动部通过第二连接件与所述内坩埚的底壁相连，并用于驱动所述内坩埚绕所述坩埚的中心轴线转动。

根据本发明的一些实施例，碳化硅晶体生长装置还包括：安装平台，所述安装平台设于所述反应腔的顶部，所述籽晶夹持部可转动地安装于所述安装平台的下表面；第三连接件，所述第三连接件沿竖向方向穿设于所述第二连接件，并与所述安装平台相连；所述旋转驱动组件还包括：第五旋转驱动部，所述第五旋转驱动部与所述第三连接件相连，并用于驱动所述安装平台绕所述内坩埚的中心轴线转动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例所述的碳化硅晶体生长装置的剖视图一；

图2是根据本发明实施例所述的碳化硅晶体生长装置的剖视图二；

图3是根据本发明实施例所述的晶体生长示意图；

图4是根据本发明实施例所述的籽晶转动示意图一；

图5是根据本发明实施例所述的籽晶转动示意图二；

图6是根据本发明实施例所述的籽晶转动示意图三；

图7是根据本发明实施例所述的籽晶转动示意图四；

图8是根据本发明实施例所述的籽晶转动示意图五。

附图标记：

碳化硅晶体生长装置100、籽晶101、碳化硅粉102、

炉体10、反应腔10a、坩埚主体11、坩埚盖12、滑槽12a、滑道12b、内坩埚13、加热装置20、加热部21、

籽晶夹持部31、第一籽晶夹持部311、第二籽晶夹持部312、坩埚盖夹持部32、

第一连接件41、第二连接件42、第三连接件43、

安装平台50、保温件60、石墨毡70。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的碳化硅晶体生长装置100。

根据本发明实施例的碳化硅晶体生长装置100包括：炉体、坩埚、夹持组件和旋转驱动组件。

如图1和图2所示，炉体包括加热装置20、反应腔10a和坩埚盖12，加热装置20用于加热反应腔10a，坩埚盖12通过坩埚盖夹持部32设置在反应腔10a的顶部，坩埚设置在反应腔10a的底部，并用于盛放碳化硅粉102，碳化硅粉102为晶体生长的原料。

其中，炉体10还包括坩埚主体11，反应腔10a由坩埚主体11和坩埚盖12限定出，反应腔10a为供晶体生长的反应空间。加热装置20设置在坩埚主体11的外部，并用于对反应腔10a加热，以调节反应腔10a内的温度，促进晶体的生长。

参照图1，夹持组件包括多个籽晶夹持部31，籽晶夹持部31设置在反应腔10a内并设置在坩埚盖12的下方，以用于夹持籽晶101。其中，籽晶夹持部31设置在反应腔10a的顶部，通过籽晶夹持部31可以将籽晶101夹持设置在反应腔10a的顶部，同时将籽晶101与碳化硅粉102在竖向方向间隔开。

进一步结合图3，晶体在生长过程中会以籽晶101作为基底进行生长，位于籽晶101下方(且位于碳化硅粉102上方)空间的碳化硅蒸汽与籽晶101接触并自上向下逐渐生长以形成一个晶锭。其中，籽晶101通常构造为圆形片状结构，并且籽晶101的厚度通常在300-500μm范围内，相应地，籽晶夹持部31可以构造为与籽晶101相适配的形状，以保证籽晶夹持部31对籽晶101的夹持效果。

旋转驱动组件(图中未示出)包括与籽晶夹持部31对应的第一旋转驱动部，第一旋转驱动部为多个，多个第一旋转驱动部与多个籽晶夹持部31一一对应，并且第一旋转驱动部通过第一连接件41与籽晶夹持部31相连，而且每个第一旋转驱动部均可以独立驱动与其相连的籽晶夹持部31转动，籽晶夹持部31绕其夹持的籽晶101的中心轴线转动。在第一旋转驱动部的作用下，每个籽晶101均可以实现其自转，即在晶体生长过程中，多个籽晶101可以同时保持绕其中心轴线转动的状态。其中，各个籽晶101的旋转方向相同以使靠近相邻的两个籽晶101之间的气体流动方向相反。

具体地，在竖向方向的投影上，籽晶夹持部31间隔设置，以避免晶体在生长过程中产生干涉，并且每个籽晶夹持部31均由与其相连的第一旋转驱动部驱动，即每个籽晶101的转动相对独立。其中，籽晶夹持部31的转动方式为绕籽晶101的中心轴线转动，从而可以保证籽晶101转动过程中的稳定性。

可以理解的是，碳化硅晶体生长装置100中设置有多个籽晶夹持部31，每个籽晶夹持部31均可用于夹持一个籽晶101，从而可以实现多个晶体同时生长，提高碳化硅晶体生长装置100的生产效率。

进一步地，籽晶夹持部31构造为与籽晶101相适配的形状，即在竖向方向的投影上，籽晶夹持部31呈圆形，并与籽晶101同心设置，从而便于将籽晶101与籽晶夹持部31连接配合，还可以提升籽晶夹持部31转动的稳定性。其中，第一旋转驱动部通过第一连接件41与籽晶夹持部31相连，第一旋转驱动部可以通过第一连接件41将驱动力传递至籽晶夹持部31，以驱动籽晶101在反应腔10a内转动。

参照如图4和图8，任意两个相邻设置的籽晶101的相邻位置处的气流流动方向相反，从而可以实现生长晶体边缘温度均匀化，可以在碳化硅粉102和籽晶101的表面之间建立稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量，从而抑制生长晶体边缘多晶的形成，提高晶体质量。

如图4和图8所示，多个第一旋转驱动部同时驱动多个籽晶101转动，多个籽晶101的转动方向相同，即多个籽晶101在竖向方向的投影上均绕各自的中心轴线呈逆时针转动。此时，两个相邻设置的籽晶101的相邻位置处的气流流动方向相反，从而可以保证两个籽晶101相邻位置处的蒸汽物质分布均匀，抑制在生长晶体边缘处多晶的形成。当然，在竖向方向的投影上，多个籽晶101可以绕各自的中心轴线呈顺时针转动，此时，两个相邻设置的籽晶101的相邻位置处的气流流动方向也是相反的。

需要说明的是，“气流流动方向”指的是两个相邻籽晶101之间距离最近的两个点的切线方向，以图4的中部上方两个相邻的籽晶101为例，两个籽晶101均呈逆时针方向转动，两个籽晶101相邻位置处分别位于左侧的籽晶101的最右侧位置以及位于右侧的籽晶101的最左侧位置，位于左侧的籽晶101的最右侧位置的气流流动方向为(图4中)竖向向上，位于右侧的籽晶101的最左侧位置的气流流动方向为(图4中)竖向向下，二者的方向相反，从而使得两个籽晶101相邻位置处的蒸汽物质分布均匀，抑制在生长晶体边缘处多晶的形成。

根据本发明实施例的碳化硅晶体生长装置100，在晶体生长过程中可以保持任意两个相邻设置的所述籽晶101的相邻位置处的气流流动方向相反，从而可以实现生长晶体边缘温度均匀化，可以在碳化硅粉102和籽晶101的表面之间建立稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量，通过调节晶体生长方式，抑制生长晶体边缘多晶的形成，提高晶体质量。

在本发明的一些实施例中，第一连接件41构造为第一连接杆，第一连接杆的端部与籽晶夹持部31相连，并且第一连接杆与籽晶101的中心轴线共线设置，从而可以进一步提升第一连接件41、籽晶夹持部31和籽晶101的转动稳定性。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，炉体10包括坩埚主体11和坩埚盖12，坩埚主体11构造为顶部敞开的容纳结构，坩埚盖12设置在坩埚主体11的敞开端，并且坩埚盖12与坩埚主体11共同限定出反应腔10a。其中，加热装置20布置在坩埚主体11的外周面并用于对坩埚主体11进行加热，以提升反应腔10a内的温度。

进一步地，坩埚主体11构造为柱状结构，而且坩埚主体11与坩埚盖12限定出圆柱状的反应腔10a，即坩埚主体11的内周壁相对光滑(不存在棱角)，从而使得反应腔10a在周向方向上受热均匀，减小气流在反应腔10a周向方向上的流动阻力，提高反应腔10a内温度分布的均匀性。

参照图1，在本发明的一些实施例中，旋转驱动组件布置在反应腔10a的外侧，即第一旋转驱动部布置在反应腔10a的外侧并布置在坩埚盖12上，第一连接件41穿设于坩埚盖12，并与籽晶夹持部31相连。其中，第一旋转驱动部与位于反应腔10a外部的第一连接件41相连，以通过第一连接件41驱动籽晶夹持部31转动。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，第一旋转驱动部还可以布置在反应腔10a内，并布置在籽晶夹持部31背离所述籽晶101的一侧，以避免驱动籽晶夹持部31转动的过程中与生长晶体产生干涉，提升籽晶夹持部31转动过程的可靠性。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，旋转驱动组件还包括第二旋转驱动部(图中未示出)，第二旋转驱动部用于驱动坩埚盖12绕其中心轴线转动，从而驱动坩埚盖12相对坩埚主体11转动。其中，坩埚盖12的中心轴线沿竖向方向延伸，即坩埚盖12的中心轴线与籽晶101的中心轴线的延伸方向相同，也就是说，坩埚盖12中心轴线与籽晶101的中心轴线平行或重合。

在本发明进一步的实施例中，夹持组件还包括坩埚盖夹持部32，坩埚盖夹持部32设置在反应腔10a的外侧并设置在坩埚盖12上，并且坩埚盖夹持部32用于夹持坩埚盖12，第二旋转驱动部与坩埚盖夹持部32相连，从而通过驱动坩埚盖夹持部32转动的方式带动坩埚盖12转动。

其中，第一旋转驱动部和第二旋转驱动部可以构造为驱动电机。

在本发明的一些实施例中，多个第一旋转驱动部均设置在坩埚盖12的外侧，而且多组第一旋转驱动部和第一连接件41可以随坩埚盖12同步相对反应腔10a绕坩埚盖12的中心轴线转动。由于第一连接件41与籽晶夹持部31相连，多个籽晶夹持部31也可以随着坩埚盖12绕坩埚盖12的中心轴线同步转动。当第二旋转驱动部驱动坩埚盖12转动时，籽晶101以籽晶101的中心轴线与坩埚盖12的中心轴线之间的距离为半径绕坩埚盖12的中心轴线做圆周运动。

其中，第二旋转驱动部驱动坩埚盖12的转动方向与籽晶101的转动方向相反。

可以理解的是，晶体生长过程包括多种工作模式，如：参照图7，第一旋转驱动部驱动籽晶夹持部31带动籽晶101绕籽晶101的中心轴线转动，第二旋转驱动部驱动坩埚盖12绕坩埚盖12的中心轴线转动，此时在反应腔10a内，籽晶101在绕坩埚盖12的中心轴线做圆周运动的同时绕其(籽晶101)中心轴线自转，籽晶101在反应腔10a内的位置、方向不断地变化调节；参照图4，仅第一旋转驱动部驱动籽晶夹持部31带动籽晶101绕籽晶101的中心轴线转动，籽晶101在反应腔10a的位置不发生变化；仅第二旋转驱动部驱动坩埚盖12绕其中心轴线转动，籽晶101在反应腔10a内的位置随坩埚盖12的转动同步变化。

当第一旋转驱动部和第二旋转驱动部同时运行时，籽晶101在绕坩埚盖12的中心轴线做圆周运动的同时绕其(籽晶101)中心轴线自转，而且二者转动方向相反(即坩埚盖12顺时针转动，籽晶101逆时针转动；或坩埚盖12逆时针转动，籽晶101顺时针转动)，从而可以在碳化硅粉102和籽晶101的表面之间、籽晶101与籽晶101之间及籽晶101与反应腔10a的壁面之间建立稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量，同时实现生长晶体边缘温度均匀化，从而抑制生长晶体边缘多晶的形成，提高晶体质量。

在本发明的一些实施例中，碳化硅晶体生长装置100还包括连接架(图中未示出)，连接架布置在反应腔10a的外侧，并分别与第一旋转驱动部和第二旋转驱动部相连，以作为第一旋转驱动部和第二旋转驱动部的安装载体。参照图1，每组籽晶夹持部31和籽晶101均通过吊设的方式布置在反应腔10a的顶部区域，连接架可以对第一旋转驱动部进行支撑，以满足第一旋转驱动部、第一连接件41、籽晶夹持部31的安装需求。

进一步地，连接架可以对多个第一旋转驱动部进行固定，从而可以提升多个第一旋转驱动部随坩埚盖12同步转动时的稳定性。可以理解的是，连接架设置有随动部分，随动部分可以随坩埚盖12同步绕坩埚盖12的中心轴线转动。

如图8所示，在本发明的一些实施例中，籽晶夹持部31包括：第一籽晶夹持部311和多个第二籽晶夹持部312，第一籽晶夹持部311与坩埚盖12同心设置，即第一籽晶夹持部311夹持的籽晶101的中心轴线与坩埚盖12的中心轴线重合，多个第二籽晶夹持部312环绕坩埚盖12的中心轴线间隔排布。

进一步地，多个第二籽晶夹持部312环绕坩埚盖12的中心轴线均匀间隔排布，并且在竖向方向的投影上，多个第二籽晶夹持部312与第一籽晶夹持部311在径向方向间隔设置。参照图8，多个第二籽晶夹持部312夹持的籽晶101的中心轴线与坩埚盖12的中心轴线之间的连线可以将360°等分，如：碳化硅晶体生长装置100设置有三个第二籽晶夹持部312，三条籽晶101的中心轴线与坩埚盖12的中心轴线的连线可以将360°的等分为三个120°的角。

在本发明的一些实施例中，第一籽晶夹持部311的尺寸小于第二籽晶夹持部312的尺寸。其中，为了保证籽晶夹持部31对籽晶101的夹持效果，籽晶夹持部31的尺寸与籽晶101的尺寸相适配，当第一籽晶夹持部311的尺寸小于第二籽晶夹持部312的尺寸时，第一籽晶夹持部311夹持的籽晶101的尺寸也小于第二籽晶夹持部312夹持的籽晶101的尺寸，从而可以同时获取不同尺寸的晶体，还可以进一步提高生产效率。

结合图1和图2，在本发明的一些实施例中，在竖向方向的投影上，籽晶夹持部31相对坩埚盖12偏心设置，而且多个籽晶夹持部31环绕坩埚盖12的中心轴线的周向方向间隔排布。多个籽晶夹持部31在坩埚盖12的中心轴线的周向方向上间隔排布，并且在竖向方向的投影上，籽晶夹持部31与坩埚盖12的中心轴线间隔设置。

如图5、图6和图7所示，在本发明的一些实施例中，坩埚盖12设有多个滑槽12a，滑槽12a沿厚度方向贯穿坩埚盖12，第一连接件41通过滑槽12a与坩埚盖12穿设配合，而且第一连接件41设置在滑槽12a内并可沿滑槽12a的延伸方向滑动，从而可以通过驱动第一连接件41在滑槽12a内滑动，以调节籽晶夹持部31以及籽晶101在反应腔10a内的水平位置，调节方式简单。

需要说明的是，本申请中的夹持组件包括多个籽晶101夹持组件，籽晶夹持部31用于夹持籽晶101，当籽晶101的尺寸不同时，可以更换不同尺寸的籽晶夹持部31，当籽晶101的尺寸不同时，为了保证多个籽晶101之间的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量、实现温度均匀化，需要对多个籽晶101之间的相对位置进行调节，同时还可以避免多个籽晶101之间产生干涉。

可选地，籽晶夹持部31并非仅可以夹持与其尺寸相同的籽晶101，籽晶夹持部31也可以夹持多种尺寸的籽晶101。

在本发明的一些实施例中，碳化硅晶体生长装置100还包括：平移驱动组件，平移驱动组件包括多个平移驱动部，平移驱动部用于驱动第一连接件41在滑槽12a内滑动。其中，平移驱动部与第一连接件41相连，并用于驱动第一连接件41沿滑槽12a的延伸方向滑动。

在本发明进一步的实施例，平移驱动部与第一连接件41一一对应，以实现单独调节籽晶夹持部31在反应腔10a的的水平位置，更好地满足不同尺寸籽晶101在反应腔10a内的布置需求，提升碳化硅晶体生长装置100的适用性。

可以理解的是，当需要制备不同尺寸的晶体时，需要选用相应尺寸的籽晶101，籽晶夹持部31可用于夹持不同尺寸的籽晶101，为了避免晶体生长过程中出现干涉，需要调节籽晶夹持部31之间的相对位置，避免两个相邻设置的籽晶101之间的相对距离过近，提升碳化硅晶体生长装置100的工作可靠性。上述调节过程可以通过平移驱动部驱动第一连接件41在滑槽12a内滑动实现，调节过程方便且可靠性高。

如图5和图6所示，在本发明的一些实施例中，在竖向方向的投影上，滑槽12a沿坩埚盖12的径向方向延伸，而且多个滑槽12a在坩埚盖12的中心轴线的周向方向上间隔排布，每个滑槽12a与一组第一连接件41和籽晶夹持部31对应，从而可以对多个籽晶夹持部31水平位置调节，同时避免多个籽晶夹持部31之间产生干涉。

具体地，通过平移驱动部可以驱动第一连接件41在滑槽12a内滑动，此时在竖向方向的投影上，籽晶夹持部31相对坩埚盖12沿径向方向运动，从而可以对籽晶夹持部31相对坩埚盖12的中心轴线的位置进行调节，以满足籽晶夹持部31夹持不同尺寸籽晶101的使用需求。

如图6和图7所示，在本发明的一些实施例中，坩埚盖12还设有滑道12b，滑道12b沿厚度方向贯穿坩埚盖12，坩埚盖12被滑道分割成外部的环形部分和内部的圆形部分，滑道12b构造为圆形滑道，环形滑道与坩埚盖12同心设置，第一连接件41穿设于滑道12b。进一步地，旋转驱动组件还包括第三旋转驱动部，第三旋转驱动部用于驱动第一连接件41沿滑道绕坩埚盖12的中心轴线旋转，且旋转方向与籽晶101绕籽晶中心轴线的转动方向相反。由此，通过第三旋转驱动部驱动籽晶101在反应腔10a内绕坩埚盖12的中心轴线转动，在此过程中坩埚盖12无需转动。

如图3所示，在本发明的一些实施例中，为了固定被滑道12b分离成两部分的坩埚盖12，第一旋转驱动部可以布置在反应腔10a内，通过第一连接件41与坩埚盖12上的滑道12b连接，坩埚盖12的环形部通过坩埚盖夹持部设置在坩埚主体11上，坩埚盖的圆形部贯穿炉体连接，第三旋转驱动部驱动第一旋转驱动部沿滑道12b转动。由此，如图7所示，籽晶101可在第一旋转驱动部的带动下绕其中心轴线自转，在第三旋转驱动部的带动下沿着滑道12b绕坩埚盖的中心轴线公转，同时坩埚盖12的环形部分在第二旋转驱动部的带动下绕坩埚盖的中心轴线进行自转。其中需要注意的是，坩埚盖12的环形部的转速与籽晶101沿滑道12b的转速不同。

如图6和图7所示，滑道12b与多个滑槽12a连通，当需要调节籽晶101与籽晶101之间的距离时，可以驱动第一连接件41在滑槽12a中滑动，可以通过第一旋转驱动部和第二旋转驱动部同时驱动，以实现籽晶101自转的同时绕坩埚盖12的中心轴线转动；当第一连接件41位于滑槽12a与滑道12b的交汇处时，可以通过第一旋转驱动部和第三旋转驱动部同时驱动，以实现籽晶101自转的同时绕坩埚盖12的中心轴线转动。由此可以丰富碳化硅晶体生长装置100的运行方式，提升碳化硅晶体生长装置100的适用性。

在本发明的一些实施例中，滑槽12a位于坩埚盖12边缘和坩埚盖12的中心轴线之间，而且滑槽12a的长度为L，坩埚盖12半径的长度为R，且满足关系式：1/3R≤L≤2/3R。当滑槽12a的长度与坩埚盖12半径满足上述参数范围时，可以在保证籽晶夹持部31尺寸的同时满足对籽晶夹持部31位置调节的需求。

在本发明的一些实施例中，在竖向方向的投影上，两个相邻籽晶101的边缘之间的最小间距为d1，籽晶101直径为D，且满足关系式：0.7≤d1/D≤1.1。优选地，d1/D在0.787-1.181范围内。

在本发明的一些实施例中，在竖向方向的投影上，籽晶101的边缘与反应腔10a的周壁的最小间距为d2，籽晶101直径为D，且满足关系式：1.5≤d2/D≤2.4。优选地，d2/D在1.64-2.297范围内。

当d1、d2和D满足上述关系时，可以满足籽晶夹持部31在反应腔10a内的布置以及调节需求，还可以避免晶体生长过程中接触，提高碳化硅晶体生长装置100的可靠性、稳定性。

在本发明的一些实施例中，坩埚主体11的内径为d3，且满足关系式：d3≥1500mm，优选地，d3≥1750mm。可以理解的是，随着坩埚主体11的径向尺寸增大，可以稳定地增加在反应腔10a内的籽晶101的布置数量。坩埚主体11的尺寸可以根据在反应腔10a内布置籽晶101的数量进行设置。以设置三组籽晶101为例，坩埚主体11的内径需要达到1500mm以上，进一步地，根据生长晶体的尺寸需求，可以合理地增大坩埚主体11的径向尺寸，如：籽晶101的直径为6英寸(152.4mm)时，坩埚主体11的内径优选为2000mm以上。此时，两个相邻籽晶101之间的最小间距d1优选在120mm-180mm范围内；籽晶101与坩埚主体11的周壁最小间距d2优选在250mm-350mm范围内。

需要说明的是，坩埚主体11的尺寸、籽晶101的尺寸以及籽晶101相对坩埚主体11的布置位置并不局限于此，可以根据碳化硅单晶制备尺寸、效率需求进行合理地设计及调整。

如图1、图2和图3所示，在本发明的一些实施例中，内坩埚13设置在反应腔10a的底部并与坩埚主体11的内壁面间隔设置，内坩埚13用于放置碳化硅粉102，从而通过在坩埚主体11内设置一个内坩埚13单独用于盛放碳化硅粉102，便于碳化硅粉102的取放以及反应腔10a内的清理。

在本发明的一些实施例中，旋转驱动组件还包括：第四旋转驱动部，第四旋转驱动部通过第二连接件42与内坩埚13的底壁相连，并且第四旋转驱动部用于驱动内坩埚13绕内坩埚13的中心轴线转动。在制备碳化硅单晶的过程中，可以通过第四旋转驱动部驱动内坩埚13相对坩埚主体11转动，以使得内坩埚13受热均匀。

在本发明的一些实施例中，内坩埚13的中心轴线与坩埚盖12的中心轴线共线，即内坩埚13与坩埚盖12同心布置，使得反应腔10a内Si_xC_y蒸汽物质的扩散均匀。如图1所示，第二连接件42构造为第二连接杆，第二连接杆穿设于坩埚主体11的底壁并与内坩埚13相连，此时可以将第四旋转驱动部布置在反应腔10a的外侧，避免旋转驱动组件占用反应腔10a的空间，提升反应腔10a的空间利用率。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，碳化硅晶体生长装置100还包括：安装平台50和第三连接件43，安装平台50设置在反应腔10a的顶部，籽晶夹持部31可转动地安装于安装平台50的下表面，第三连接件43沿竖向方向穿设于第二连接件42，并与安装平台50相连。

可以理解的是，安装平台50作为籽晶夹持部31以及籽晶101的安装载体布置在反应腔10a的顶部，同时，第三连接件43用于对安装平台50提供支撑力，以将安装平台50支撑设置在反应腔10a的顶部。同时由于第二连接件42需要与内坩埚13相连，第三连接件43可以通过穿设第二连接件42的方式与安装平台50相连，可以节省第三连接件43的布置空间，还可以避免第三连接件43与可转动的内坩埚13产生干涉，保证内坩埚13转动的可靠性。

在本发明的一些实施例中，旋转驱动组件还包括：第五旋转驱动部，第五旋转驱动部与第三连接件43相连，并用于驱动安装平台50绕内坩埚13的中心轴线转动。通过第五旋转驱动部可以驱动安装平台50在反应腔10a内转动，由于安装平台50作为籽晶夹持部31安装载体，籽晶夹持部31向随安装平台50相对坩埚主体11同步转动，此时籽晶101也将随安装平台50在反应腔10a内转动。

可以理解的是，第三连接件43和第二连接件42可以相对独立转动，即第三连接件43与第二连接件42的转动方向可以相同，也可以相反。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，碳化硅晶体生长装置100还包括：保温件60，保温件60填充在内坩埚13的外壁面与坩埚主体11的内壁面之间。通过在内坩埚13的外周面设置保温件60，可以降低内坩埚13处的温度变化速率，防止碳化硅粉102温度在短时间内大幅度变化，以便于在碳化硅粉102和籽晶101的表面之间建立稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量。

在本发明的一些实施例中，碳化硅晶体生长装置100还包括：竖向驱动组件，竖向驱动组件包括多个竖向驱动部，竖向驱动部与第一连接件41相连，而且竖向驱动部用于驱动第一连接件41沿籽晶101的中心轴线的延伸方向移动。可以理解的是，籽晶夹持部31与第一连接件41相连，当竖向驱动部驱动第一连接件41运动时，可以对籽晶夹持部31在反应腔10a内的高度位置进行调节，从而调节籽晶101的表面与碳化硅粉102之间的距离。其中，多个竖向驱动部的驱动过程相对独立，即可以根据生产需求对多个籽晶夹持部31的高度位置进行调节。

在晶体生长过程中，随着碳化硅晶体的生长，碳化硅晶体与碳化硅粉102之间的距离将逐渐减小，通过竖向驱动部调节籽晶夹持部31的高度位置，可以调节碳化硅晶体表面与碳化硅粉102之间的距离。

进一步地，结合平移驱动组件和竖向驱动组件，可以对籽晶夹持部31在反应腔10a的位置进行调节，调节自由度高，可以更好地满足籽晶夹持部31设置位置的调节需求。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，加热装置20包括：多个加热部21，加热部21环绕反应腔10a的周壁设置，且多个加热部21沿竖向方向依次间隔排布，且多个加热部21之间可相对独立控制，从而可以实现对反应腔10a多段式加热，利用多段式加热的方式实现反应腔10a内热平衡，同时还可以实现籽晶101的原位退火。

其中，加热装置包括20靠近内坩埚13设置的加热部21、靠近籽晶101设置的加热部21以及设置靠近籽晶101和内坩埚13中间的加热部21。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，多个加热部21中的至少一个设置在临近反应腔10a顶部位置，该加热部21可以与位于顶部的籽晶101对应；多个加热部21中的至少一个设置在高度位置位于籽晶101表面至碳化硅粉102之间的反应腔10a的中部区域；多个加热部21中的至少一个设置在于内坩埚13高度位置对应的反应腔10a外部，即位于坩埚主体11的周壁外侧的底部区域。

由此，可利用位于顶部的加热部21对安装后的籽晶101进行原位退火。具体地，在惰性气体(如：氩气)的条件下，将籽晶101升温至1700℃-2100℃后降温。

需要说明的是，目前，在感应加热或电阻加热的晶体生长装置中，碳化硅粉102与籽晶101之间的升温速率存在显著差异，其原因主要在于碳化硅粉102与籽晶101之间的导热系数不同。因此，在初始升温阶段中，碳化硅粉102表面的温度将高于其内部温度，即碳化硅粉102的大部分区域的温度低于籽晶101表面的温度，从而将导致在籽晶101的表面温度满足Si_xC_y蒸汽物质升华条件时，籽晶101的表面会先一步建立一个又籽晶101流向碳化硅粉102方向的扩散物质通量，进而导致在籽晶101表面被破坏，导致籽晶101后续生长过程中缺陷的产生。

在本申请中，由于多个加热部21之间可以相对独立控制，由此可以实现不同加热部21在不同时间点开启、多个加热部21加热温度不同的加热方式。如：在初始升温阶段，通过位于反应腔10a底部区域并与碳化硅粉102对应的加热部21对碳化硅粉102进行高温加热，并通过保温件60进行保温，此时在升温阶段可以控制碳化硅粉102(中心区域)的温度大于或等于籽晶101表面温，从而限制由籽晶101的表面至碳化硅粉102方向上的Si_xC_y蒸汽通量，从而避免碳化硅晶体在生长过程中籽晶101的石墨化问题。

进一步地，通过控制高度位置位于籽晶101表面与碳化硅粉102之间的加热部21，可以使得碳化硅粉102至籽晶101表面方向上的Si_xC_y蒸汽物质通量更加均匀，使升华后的原谅可以均匀地吸附在籽晶101表面。

参照图4、图5和图8，在第一旋转驱动部的作用下，第一连接件41可以带动籽晶夹持部31以及籽晶101绕籽晶101的中心轴线转动，从而实现籽晶101的自转，自转方式可以包括顺时针或逆时针等；在第二旋转驱动部的作用下，坩埚盖12绕其中心轴线转动，实现坩埚盖12的自转，在坩埚盖12的转动过程中，籽晶夹持部31也将随坩埚盖12同步转动，从而实现籽晶101绕坩埚盖12的中心轴线公转。在竖向方向的投影上，当多个籽晶101绕籽晶101的中心轴线呈逆时针转动时，坩埚盖12绕其中心轴线呈顺时针转动，即二者(籽晶101和坩埚盖12)的转动方向相反，从而可以抑制碳化硅晶体边缘多晶的形成，同时实现温度均匀化，在碳化硅粉102至籽晶101的表面之间建立更加稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量。

需要说明的是，通过驱动籽晶101以及坩埚盖12转动，使得籽晶101生长面边缘处生化气相平滑的阶梯流生长或者生长面内部区域升华气相螺旋流生长，上述生长方式可以抑制碳化硅生长中多晶的形成，提高碳化硅晶体质量。

需要说明的是，通过驱动籽晶101以及坩埚盖12转动，使得籽晶101生长面边缘处生化气相平滑的阶梯流生长或者生长面内部区域升华气相螺旋流生长，上述生长方式可以抑制碳化硅生长中多晶的形成，提高碳化硅晶体质量。

在本发明的一些实施例中，第一驱动部可驱动籽晶101保持6-30转/分钟的速度转动，同时第二驱动部驱动坩埚盖12保持60-360转/分钟的速度进行转动，二者转动方向相反，此时可以实现温度均匀化，在碳化硅粉102至籽晶101的表面之间建立更加稳定的Si_xC_y蒸汽物质质量扩散通量。

可以理解的是，通过控制籽晶101、坩埚盖12的旋转速率可以对晶体的生长速率进行调节，如：通过将籽晶101的自转速度保持在6-30转/分钟，可以将晶体生长速率位置在0.5-1.5mm/h。

在本发明的一些实施例中，碳化硅晶体生长装置100还包括石墨毡70，石墨毡70布置在炉体10的外部，并且石墨毡70与加热装置20间隔设置。

在本发明的一些实施例中，坩埚盖12为导热系数较高的材料，如：石墨。其中，坩埚盖12的厚度在80mm-200mm范围内，若坩埚盖12的厚度小于100mm，将导致炉体10的保温效果差，产生热应力；若坩埚盖12的厚度大于200mm，将导致在厚度方向上温度梯度变大，热应力增加。当坩埚盖12的厚度参数满足上述参数范围时可以有效地缓和热应力，优选地，坩埚盖12的厚度在80mm-130mm。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“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。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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发明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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括：

炉体，所述炉体包括：加热装置、反应腔和坩埚盖，所述加热装置用于加热所述反应腔，所述坩埚盖通过坩埚盖夹持部设置于所述反应腔的顶部；

内坩埚，所述内坩埚设置在所述反应腔的底部，用于盛放碳化硅粉；

夹持组件，所述夹持组件包括多个籽晶夹持部(31)，所述籽晶夹持部(31)设在所述坩埚盖的下方，并用于夹持籽晶(101)；

旋转驱动组件，所述旋转驱动组件包括与所述籽晶夹持部对应的第一旋转驱动部，所述第一旋转驱动部通过第一连接件(41)与所述籽晶夹持部(31)相连，各所述第一旋转驱动部均可独立驱动所述籽晶夹持部(31)绕其所夹持的所述籽晶(101)的中心轴线转动，其中各所述籽晶(101)的旋转方向相同以使靠近相邻的两个所述籽晶之间的气体流动方向相反。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述第一旋转驱动部设置在所述坩埚盖上，所述旋转驱动组件还包括第二旋转驱动部，所述第二旋转驱动部用于驱动所述坩埚盖(12)绕其中心轴线转动；

多个所述第一旋转驱动部和所述第一连接件(41)可随所述坩埚盖(12)同步相对所述反应腔绕所述坩埚盖的中心轴线转动，所述第二旋转驱动部驱动所述坩埚盖的转动方向与所述籽晶的转动方向相反。

3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述籽晶夹持部(31)包括：

第一籽晶夹持部(311)，所述第一籽晶夹持部(311)与所述坩埚盖(12)同心设置；

多个第二籽晶夹持部(312)，多个所述第二籽晶夹持部(312)环绕所述坩埚盖的中心轴线间隔排布。

4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚盖(12)设有多个滑槽(12a)，所述滑槽(12a)沿厚度方向贯穿所述坩埚盖(12)，在竖向方向的投影上，所述滑槽沿所述坩埚盖的径向方向延伸，且多个所述滑槽(12a)在所述坩埚盖(12)的中心轴线的周向方向上间隔排布，所述第一连接件(41)设置在所述滑槽(12a)内并可沿所述滑槽(12a)的延伸方向滑动；

所述装置还包括：平移驱动组件，所述平移驱动组件包括多个平移驱动部，所述平移驱动部用于驱动所述第一连接件(41)在所述滑槽(12a)内滑动。

5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚盖沿其厚度方向设有贯穿的滑道；

所述旋转驱动组件还包括：第三旋转驱动部，用于驱动所述第一连接件(41)沿所述滑道绕所述坩埚盖的中心轴线旋转，旋转方向与所述籽晶绕籽晶的中心轴线转动的方向相反。

6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，在竖向方向的投影上，两个相邻所述籽晶(101)的边缘之间的最小间距为d1，所述籽晶(101)直径为D，且满足关系式：0.7≤d1/D≤1.1。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，在竖向方向的投影上，所述籽晶(101)的边缘与所述反应腔的周壁的最小间距为d2，所述籽晶(101)直径为D，且满足关系式：1.5≤d2/D≤2.4。

8.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述加热装置包括：多个加热部(21)，所述加热部(21)环绕所述反应腔(10a)的周壁设置，且多个所述加热部(21)沿竖向方向依次间隔排布，其中包括：靠近所述坩埚(13)设置的加热部(21)、靠近所述籽晶(101)设置的加热部(21)，以及设置靠近所述籽晶(101)和所述坩埚(13)中间的加热部。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述旋转驱动组件还包括：第四旋转驱动部，所述第四旋转驱动部通过第二连接件(42)与所述内坩埚(13)的底壁相连，并用于驱动所述内坩埚(13)绕所述内坩埚(13)的中心轴线转动。

10.根据权利要求9所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，还包括：

安装平台(50)，所述安装平台(50)设于所述反应腔(10a)的顶部，所述籽晶夹持部(31)可转动地安装于所述安装平台(50)的下表面；

第三连接件(43)，所述第三连接件(43)沿竖向方向穿设于所述第二连接件(42)，并与所述安装平台(50)相连；

所述旋转驱动组件还包括：第五旋转驱动部，所述第五旋转驱动部与所述第三连接件(43)相连，并用于驱动所述安装平台(50)绕所述内坩埚的中心轴线转动。

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