CN114108095A - 单晶碳化硅制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶碳化硅制备装置，所述单晶碳化硅制备装置包括：第一加热炉、第一加热器、籽晶夹持器、第二加热炉和第二加热器，第一加热炉具有生长腔，第一加热器用于加热生长腔，第一加热炉的底部形成有与生长腔连通的第一气体通道；籽晶夹持器设于生长腔内，籽晶夹持器包括：安装件和设于安装件上的至少两个籽晶夹具，籽晶夹具用于安装籽晶，且籽晶夹持器构造成使籽晶在生长腔内旋转；第二加热炉设于第一加热炉的下方且具有物料腔，根据本发明的单晶碳化硅制备装置，通过设置至少具有两个籽晶夹具的籽晶夹持器，每个籽晶夹具上的籽晶均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶上同时生长，进而提高单晶碳化硅的制备效率。

Description

单晶碳化硅制备装置

技术领域

本发明涉及碳化硅技术领域，尤其是涉及一种单晶碳化硅制备装置。

背景技术

相关技术中指出，单晶碳化硅材料属于第三代宽带隙半导体材料的代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，SiC器件可用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、空天飞行器、海洋勘探、地震预报、石油钻井、机械加工以及汽车电子化等重要领域。尤其是5G通信及电动汽车的应用。

目前单晶碳化硅生长以物理气相沉积法(PVT)为主要生长方式，已经被证明是生长SiC晶体最成熟的方法。将SiC粉料加热到2200～2500℃，在惰性气氛的保护下，使其升华到冷端籽晶上，结晶成为块状晶体。这种方法的关键技术有两点，第一是建立一个合适的温场，形成稳定的气相SiC从高温到低温的输运流，第二是使得气相SiC可以在籽晶上形成良好的生长界面生长。同时，在生长过程中还需要控制生长室内气体的压力。传统物理气相沉积法(PVT)生长单晶碳化硅是应用最广的，由于温度梯度的存在，容易出现边缘多晶，很多厂家为了解决中心凸出率过大的而改动热场后而导致边缘多晶，并且随着集成器件及衬底需求的大直径化，对碳化硅的尺寸要求越来大，在晶体尺寸扩大的过程，温度梯度更难控制，更容易出现边缘多晶，随着碳化硅原料升华，原会有碳颗粒及杂质颗粒被带到籽晶，导致晶体生长过程中碳包裹物、微观、及各种位错缺陷增多。

但基于目前碳化硅生产过程周期长，效率低，远远不能满足市场需求，尤其是大尺寸的供应。而在碳化硅生长工艺中，随着直径的扩大，晶体边缘的多晶严重影响着碳化硅扩径研发及量产的进度。

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，本发明在于提出一种单晶碳化硅制备装置，所述单晶碳化硅制备装置通过设置至少具有两个籽晶夹具的籽晶夹持器，每个籽晶夹具上的籽晶均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶上同时生长，进而提高单晶碳化硅的制备效率。

根据本发明的单晶碳化硅制备装置，包括：第一加热炉和第一加热器，所述第一加热炉具有生长腔，所述第一加热器用于加热所述生长腔，所述第一加热炉的底部形成有与所述生长腔连通的第一气体通道；籽晶夹持器，所述籽晶夹持器设于所述生长腔内，所述籽晶夹持器包括：安装件和设于所述安装件上的至少两个籽晶夹具，所述籽晶夹具用于安装籽晶，且所述籽晶夹持器构造成使所述籽晶在所述生长腔内旋转；第二加热炉和第二加热器，所述第二加热炉设于所述第一加热炉的下方且具有物料腔，所述第二加热器用于加热所述物料腔，所述第二加热炉的顶部形成有第二气体通道，所述第二气体通道与所述第一气体通道连通，所述物料腔内设有坩埚，所述坩埚用于盛放碳化硅粉。

根据本发明的单晶碳化硅制备装置，通过设置至少具有两个籽晶夹具的籽晶夹持器，每个籽晶夹具上的籽晶均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶上同时生长，进而提高单晶碳化硅的制备效率。

在一些实施例中，所述物料腔的横截面面积大于所述生长腔的横截面面积；所述单晶碳化硅制备装置还包括：连接件，所述连接件连接在所述第一加热炉的底部和所述第二加热炉的顶部之间，所述连接件具有连接通道，所述连接通道分别与所述第一气体通道和所述第二气体通道连通，在从下往上的方向上，所述连接通道的截面尺寸逐渐减小。

在一些实施例中，所述连接件与所述第二加热炉的顶部之间设有与所述连接通道连通的鼓气孔，所述鼓气孔适于与鼓气装置连接，所述鼓起孔用于沿所述第二加热炉的径向由外而内向所述连接通道内吹入惰性气体。

在一些实施例中，所述第一加热炉内设有与所述第一加热炉同轴布置的导流件，所述导流件形成为圆形柱状且从所述第一加热炉的底部延伸至所述第一加热炉的顶部。

在一些实施例中，所述导流件内形成有气流通道，所述气流通道的下端与所述物料腔连通，所述导流件的外周面上还形成有与所述气流通道连通的排气孔。

在一些实施例中，所述气流通道包括多个，多个所述气流通道的入口端均形成于所述导流件的底部，多个所述气流通道的所述排气孔在所述导流件的外壁面上间隔设置，在从下往上的方向上，所述气流通道沿径向由内往外倾斜延伸。

在一些实施例中，所述气流通道沿轴向竖直向上延伸，所述导流件的外周面上形成有沿径向贯通所述导流件的多个所述排气孔，多个所述排气孔在所述导流件的轴向和周向间隔设置。

在一些实施例中，在从下往上的方向上，多个所述排气孔的分布密度逐渐减小。

在一些实施例中，所述第一加热炉的底部形成有多个第一通道组，多个所述第一通道组在所述第一加热炉的径向方向间隔设置，每个所述第一通道组包括在所述第一加热炉的周向方向间隔设置的多个所述第一气体通道，在垂直于所述第一加热炉的中心轴线的投影平面内，所述第一气体通道沿圆弧线延伸，每个所述第一通道组的多个所述第一气体通道同心布置。

在一些实施例中，所述坩埚内限定出多个用于盛放所述碳化硅粉的盛放腔，所述盛放腔的截面为环绕所述坩埚的中心轴线延伸的环形，多个所述盛放腔在所述坩埚的径向依次间隔设置，所述第二加热器包括多个加热器，多个所述加热器设于径向最外侧的所述盛放腔的径向外侧、径向最内侧的所述盛放腔的径向内侧以及相邻的两个所述盛放腔之间，所述加热器环绕所述盛放腔延伸。

在一些实施例中，所述盛放腔的截面为圆环，沿所述坩埚径向由内至外的方向，多个所述盛放腔的外半径与内半径之间的差值依次减小。

在一些实施例中，所述第二加热炉的顶部形成有多个第二通道组，每个所述第二通道组包括一个或在所述第二加热炉的径向方向间隔设置的多个所述第二气体通道，在垂直于所述第二加热炉的中心轴线的投影平面内，所述第二气体通道沿所述坩埚的周向延伸为环形。

在一些实施例中，所述籽晶夹持器还包括：驱动件，所述驱动件与所述安装件连接用于驱动所述籽晶在所述生长腔内升降。

在一些实施例中，所述籽晶夹具绕自身的中心轴线可转动地设于所述安装件上，所述安装件具有自转中心轴线，所述安装件上的所述至少两个籽晶夹具环绕所述自转中心轴线均匀间隔设置于所述安装件上，所述安装件绕所述自转中心轴线可转动地与所述第一加热炉相连。

在一些实施例中，所述安装件包括多个，每个所述安装件上均设有至少两个所述籽晶夹具，多个所述安装件环绕所述第一加热炉的中心轴线间隔设置，且每个所述安装件绕所述第一加热炉的中心轴线可转动地与所述第一加热炉相连。

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

图1是根据本发明实施例的单晶碳化硅制备装置的示意图；

图2是图1中所示的第一加热炉中的籽晶夹持器的仰视图；

图3是图2中所示的第一加热炉中的籽晶夹持器的转动示意图；

图4是图1中所示的位于第二加热炉顶部的连接件；

图5是图1中所示的位于第一加热炉底部的连接件；

图6是图1中所示的一个实施例的导流件；

图7是图1中所示的另一实施例的导流件；

图8是图1中所示的又一实施例的导流件；

图9是图1中所示的第二加热炉的俯视图。

附图标记：

100、单晶碳化硅制备装置；

110、籽晶夹持器；

111、籽晶夹具；1111、籽晶；1112、安装件；1113、第一转轴；

112、第二支持板；1121、第二转轴；

120、第一加热炉；

121、生长腔；

122、导流件； 1221、气流通道； 1222、排气孔；

123、第一通道组； 1231、第一气体通道；

130、第一加热器；

140、第二加热炉；

141、物料腔；

142、碳化硅粉；

143、坩埚； 1431、盛放腔；

144、第二通道组； 1441、第二气体通道；

150、第二加热器；

151、加热器；

160、连接件；

161、连接通道；

170、鼓气装置；

171、鼓气孔。

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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1和图9描述根据本发明实施例的单晶碳化硅制备装置100。

如图1所示，根据本发明实施例的单晶碳化硅制备装置100可以包括：第一加热炉120、第一加热器130、籽晶夹持器110、第二加热炉140和第二加热器150。

具体地，如图1所示，第一加热炉120具有生长腔121，生长腔121用于为单晶碳化硅的生长提供场所，第一加热器130用于加热生长腔121，第一加热炉120的底部形成有与生长腔121连通的第一气体通道1231；籽晶夹持器110设于生长腔121内，籽晶夹持器110包括安装件1112和设于安装件1112上的至少两个籽晶夹具111，籽晶夹具111用于安装籽晶1111，且籽晶夹持器110构造成使籽晶1111在生长腔121内旋转；第二加热炉140设于第一加热炉120的下方且具有物料腔141，第二加热器150用于加热物料腔141，第二加热炉140的顶部形成有第二气体通道1441，第二气体通道1441与第一气体通道1231连通，物料腔141内设有坩埚143，坩埚143用于盛放碳化硅粉142，这样，通过设置至少具有两个籽晶夹具111的籽晶夹持器110，每个籽晶1111均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶1111上同时生长，进而提高单晶碳化硅的制备效率。

例如，籽晶夹持器110包括安装件1112和设于安装件1112上的四个籽晶夹具111，四个籽晶夹具111上分别安装着籽晶1111，在单晶碳化硅制备装置100进行制备单晶碳化硅的过程中，第二加热器150对第二加热炉140进行加热，物料腔141中设有坩埚143，坩埚143中的碳化硅粉142受热汽化，通过第二气体通道1441和第一气体通道1231来到第一加热炉120中，第一加热器130对第一加热炉120中的生长腔121进行加热，保证生长腔121中的温度满足单晶碳化硅的生长，这样，通过设置四个籽晶夹具111的籽晶夹持器110，四个籽晶夹具111上分别安装着籽晶1111，每个籽晶1111均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶1111上同时生长，进而提高单晶碳化硅的制备效率。

需要说明的是，在多个单晶碳化硅同时生长的过程中，由于多个籽晶1111之间的温度差异的存在，在制备单晶碳化硅的过程中，容易出现碳化硅多晶，经过多次试验的验证，通过将每个籽晶1111进行一定速度的相对转动，可以消除多个籽晶1111之间的温度差异，进而减少碳化硅多晶的产生，提高生成的单晶碳化硅的纯度。

其中，如图1所示，第一加热炉120的直径大于等于2700mm，和/或，第一加热炉120的直径与籽晶1111的直径之间的比值为8.2到20，也就是说，如果第一加热炉120的直径为e的话，那么e的取值要大于等于2700mm，如果第一加热炉120的直径与籽晶1111的直径之间的比值为f的话，那么f的取值范围为8.2-20。

需要说明的是，当第一加热炉120的直径与籽晶1111的直径之间的比值小于8.2时，会导致相邻的籽晶1111之间的间隙过小，导致多晶区域或者粘连的情况发生，当第一加热炉120的直径与籽晶1111的直径之间的比值大于20时，会导致生长腔121中的空间利用率低，浪费空间。

在具体的实施过程中，可以将第一加热炉120的直径设置为2700mm、2750mm、2800mm、2850mm、2900mm、2950mm和3000mm，将第一加热炉120的直径与籽晶1111的直径之间的比值设置为8.2、9.0、9.8、10.5、11.2、11.8、12.5、13.2、14.5、15.2、16.5、17.2、18.5、19.2和20。

例如，在一个具体的实施过程中，可以将第一加热炉120的直径设置为2800mm，将第一加热炉120的直径与籽晶1111的直径之间的比值设置为15.2，这样，在充分利用生长腔121空间的情况下，避免了在单晶碳化硅的生长过程中，相邻的籽晶1111之间产生多晶区域或者粘连的情况发生。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，籽晶1111与第一加热炉120的内壁面之间的间距与籽晶1111的直径之间的比值为0.1到0.3，也就是说，如果籽晶1111与第一加热炉120的内壁之间的间距与籽晶1111的直径之间的比值为g的话，那么g的取值范围为0.1-0.3。

需要说明的是，当籽晶1111与第一加热炉120的内壁之间的间距与籽晶1111的直径之间的比值小于0.1的话，会导致与第一加热炉120的内壁相邻的籽晶1111产生多晶区域或者产生粘连，当籽晶1111与第一加热炉120的内壁之间的间距与籽晶1111的直径之间的比值大于0.3的话，会导致第一加热炉120的内壁与籽晶1111之间的间隙较大，降低了生长腔121中的空间利用率。

在具体的实施过程中，可以根据实际情况将籽晶1111与第一加热炉120的内壁之间的间距与籽晶1111的直径之间的比值设置为0.1、0.15、0.2、0.25和0.3；例如，在一个具体的实施过程中，可以将籽晶1111与第一加热炉120的内壁之间的间距与籽晶1111的只进之间的比值设置为0.2，这样，即充分利用了生长腔121中的空间，同时避免了单晶碳化硅在生长过程中粘连或者多晶区域的发生。

根据本发明的单晶碳化硅制备装置100，通过设置至少具有两个籽晶夹具111的籽晶夹持器110，每个籽晶夹具111上的籽晶1111均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶1111上同时生长，进而提高单晶碳化硅的制备效率。

在本发明的一个实施例中，物料腔141的横截面面积大于生长腔121的横截面面积；需要说明的是，为了满足多个籽晶1111同时的生长，所需碳化硅的耗粉量急剧增加，将物料腔141的横截面积设置为大于生长腔121的横截面积，才能满足多个籽晶1111上的多个单晶碳化硅同时生长对于碳化硅的量的需求。

进一步地，单晶碳化硅制备装置100还可以包括连接件160，连接件160连接在第一加热炉120的底部和第二加热炉140的顶部之间，连接件160具有连接通道161，连接通道161分别与第一气体通道1231和第二气体通道1441连通，在从下往上的方向上，连接通道161的截面尺寸逐渐减小，由于第二加热炉140的直径大于第一加热炉120的直径，将连接通道161的横截面积尺寸在从下往上的方向上逐渐减小，对气相的碳化硅起到了导向的作用，使得在第二加热炉140中形成的大量的气相的碳化硅均可以进入到生长腔121中。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，连接件160与第二加热炉140的顶部之间设有与连接通道161连通的鼓气孔171，鼓气孔171适于与鼓气装置170连接，鼓起孔用于沿第二加热炉140的径向由外而内向连接通道161内吹入惰性气体，第二加热炉140的直径大于第一加热炉120的直径，在连接件160与第二加热炉140的顶部之间设置鼓气孔171，可以进一步保证在第二加热炉140中形成的气相的碳化硅进入到第一加热炉120的生长腔121中，用于单晶碳化硅的生长，这样，提高了碳化硅的使用效率，进而提高了单晶碳化硅生长的速度。

需要说明的是，惰性气体的化学性质比较稳定，不会与碳化硅发生反应影响单晶碳化硅制备装置100的正常运行。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，第一加热炉120内设有与第一加热炉120同轴布置的导流件122，导流件122形成为圆形柱状且从第一加热炉120的底部延伸至第一加热炉120的顶部。这样，进一步保证了生长腔121中的径向温度的稳定性，有利于减小生长腔121中的径向温差，减少多晶区域的产生。

需要说明的是，第一加热器130分布在第一加热炉120的圆周侧面上，在第一加热炉120的径向方向上，会存在温度差异，在第一加热炉120内设置与第一加热炉120同轴布置的导流件122，可以减小生长腔121中的径向温差，减少多晶区域的产生。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，导流件122内形成有气流通道1221，气流通道1221的下端与物料腔141连通，导流件122的外周面上还形成有与气流通道1221连通的排气孔1222。这样，从物料腔141扩散到导流件122下端的气相碳化硅可以从导流件122下端的气流通道1221，进入到生长腔121中，避免扩散到导流件122下端的气相碳化硅被导流件122阻挡而无法进入到生长腔121中，有利于提高碳化硅粉142的利用率，满足多个籽晶1111同时生长的需要。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，气流通道1221包括多个，多个气流通道1221的入口端均形成于导流件122的底部，多个气流通道1221的排气孔1222在导流件122的外壁面上间隔设置，在从下往上的方向上，气流通道1221沿径向由内往外倾斜延伸，这样，使得流经气流通道1221的气相碳化硅可以较为顺畅的流入生长腔121中，避免了气相碳化硅在气流通道1221中的堆积。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，气流通道1221沿轴向竖直向上延伸，导流件122的外周面上形成有沿径向贯通导流件122的多个排气孔1222，多个排气孔1222在导流件122的轴向和周向间隔设置，这样，气相的碳化硅从导流件122的气流通道1221中进入，然后通过沿径向贯通中心导流件122的多个排气孔1222排向生长腔121中。

在本发明的一个实施例中，如图6至图8所示，在从下往上的方向上，多个排气孔1222的分布密度逐渐减小，这样，在保证气相的碳化硅可以完全排除导流件122的情况下，较大程度的保证了导流件122的保温效果。

需要说明的是，在导流件122中的气流通道1221中，从下往上的方向上，气相的碳化硅的含量是越来越小的，在从下往上的方向上，将多个排气孔1222的分布密度设置为逐渐减小，这样，不仅可以保证气相的碳化硅可以完全排出导流件122，同时较大程度的保证了导流件122的保温效果。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，第一加热炉120的底部形成有多个第一通道组123，多个第一通道组123在第一加热炉120的径向方向间隔设置，每个第一通道组123包括在第一加热炉120的周向方向间隔设置的多个第一气体通道1231，在垂直于第一加热炉120的中心轴线的投影平面内，第一气体通道1231沿圆弧线延伸，每个第一通道组123的多个第一气体通道1231同心布置，这样，在物料腔141中气化的碳化硅粉142可以通过第一气孔组上的圆弧形孔运动到生长腔121中，用于在籽晶1111上生长单晶碳化硅。

其中，在第一加热炉120的轴向方向上，远离第一加热炉120底部圆心设置的最外层的第一通道组123的位置可与籽晶夹持件111上的籽晶1111外缘的位置对应。通过第一通道组123与籽晶1111边缘位置的对应关系，可确保气化的碳化硅粉142能够沉积到籽晶1111的边缘。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，坩埚143内限定出多个用于盛放碳化硅粉142的盛放腔1431，盛放腔1431的截面为环绕坩埚143的中心轴线延伸的环形，多个盛放腔1431在坩埚143的径向依次间隔设置，第二加热器150包括多个加热器151，多个加热器151设于径向最外侧的盛放腔1431的径向外侧、径向最内侧的盛放腔1431的径向内侧以及相邻的两个盛放腔1431之间，加热器151环绕盛放腔1431延伸。这样，可以更加均匀对碳化硅粉142进行加热，减少第二加热炉140中的径向温度差对碳化硅气化的影响。

需要说明的是，在传统的PVT系统中发现，传统加热碳化硅粉在生长的过程中，会发生几次显著的变化，坩埚中的碳化硅粉会沿着温度最高的区域升华，留下一个低密度石墨状骨架。通常，在碳化硅粉源温度较低的中心区域和顶部，会导致发生非常严重的“石墨化”现象。因为固体物与粉的导热系数不同，这些形成的石墨骨架将改变碳化硅粉源的热性能；坩埚边缘部导热系数变低，而在中心区域的导热系数增加；随着反应的进行，石墨骨架比例进一步增大；相对于碳化硅粉，气相碳化硅渗透过固体块较难，因此，向籽晶方向输送的气相碳化硅将变得更加困难。

在本发明的一个实施例中，如图9所示，盛放腔1431的截面为圆环，沿坩埚143径向由内至外的方向，多个盛放腔1431的外半径与内半径之间的差值依次减小，需要说明的是，沿坩埚143径向由内至外的方向上，加热器151的加热面积是越来越大的，如果盛放腔1431的半径不变的情况下，那么，外侧的碳化硅粉142会气化的比较快，导致外侧生成的气相的碳化硅的量比较大，会导致气相的碳化硅粉142在坩埚143的径向外侧堆积，不利于在第二加热炉140中形成的气相的碳化硅进入到第一加热炉120中。

这样，沿坩埚143径向由内至外的方向上，将多个盛放腔1431的外半径与内半径之间的差值依次减小，可以依次减小盛放腔1431在径向方向上的厚度，进而使得坩埚143可以在坩埚143的径向方向上生成的均匀的气相碳化硅。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，第二加热炉140的顶部形成有多个第二通道组144，每个第二通道组144包括一个或在第二加热炉140的径向方向间隔设置的多个第二气体通道1441，在垂直于第二加热炉140的中心轴线的投影平面内，第二气体通道1441沿坩埚143的周向延伸为环形，这样，使得在第二加热炉140中生成的气相的碳化硅可以进入到气流通道1221中。

其中，多个第一气体通道1231组在第一加热炉120的轴向方向上均与相应的第二气体通道1441上下对应，这样，气相的碳化硅通过第二气体通道1441向上来到第一气体通道1231，直接通过第一气体通道1231进入到生长腔121中，减少了气相的碳化硅的损耗，第二气体通道组144的位置与坩埚143中盛放腔1431的位置对应，以使气化的碳化硅粉可以直接通过第二气体通道1441。

在本发明的一个实施例中，参照图1，籽晶夹持器110还可以包括驱动件，驱动件与安装件1112连接用于驱动籽晶1111在生长腔121内升降，在单晶碳化硅的生长过程中，如果出现了多个籽晶1111上的单晶碳化硅的生长情况有差异，可以驱动升降装置，调节籽晶1111的高度，进一步保证多个籽晶1111上单晶碳化硅的生长环境的一致性，保证生成的单晶碳化硅的质量。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，籽晶夹具111绕自身的中心轴线可转动地设于安装件1112上，安装件1112具有自转中心轴线，安装件1112上的至少两个籽晶夹具111环绕自转中心轴线均匀间隔设置于安装件1112上，安装件1112绕自转中心轴线可转动地与第一加热炉120相连，这样，使得相邻的两个籽晶1111之间可以发生相对转动，相邻的籽晶夹具111之间可以发生相对转动，籽晶夹具111又可以绕着安装架的自转中心轴线进行转动，通过分别设定多个籽晶1111、多个籽晶夹具111和安装架的转速，可以减小多个籽晶1111之间的温度差异，保证单晶碳化硅的稳定均匀的生长。

进一步地，参照图2，籽晶夹持器110可以包括：第二支持板112和籽晶夹具111，第二支持板112水平设置，第二支持板112连接有第二转轴1121，第二支持板112绕第二转轴1121的中心轴线可转动；籽晶夹具111包括多个，多个籽晶夹具111环绕第二转轴1121均匀间隔地设于第二支持板112上，这样，在保证多个籽晶1111之间的温度均匀稳定的情况下，进一步地，增加了籽晶1111的数量，每个籽晶1111均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶1111上同时生长，进而进一步地提高了单晶碳化硅的制备效率。

例如，如图2所示，籽晶夹具111包括四个，四个籽晶夹具111环绕第二转轴1121均匀间隔地设于第二支持板112上，这样，在保证多个籽晶1111之间的温度均匀稳定的情况下，进一步地，增加了籽晶1111的数量，每个籽晶1111均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶1111上同时生长，进一步地提高了单晶碳化硅的制备效率。

其中，籽晶夹具111又可以包括安装件1112和多个籽晶1111，安装件1112水平设置，安装件1112连接有第一转轴1113，安装件1112绕第一转轴1113的中心轴线可转动；多个籽晶1111环绕第一转轴1113均匀间隔设置于安装件1112上，且每个籽晶1111绕自身的中心轴线相对于安装件1112可转动。

例如，如图3所示，多个籽晶1111的均沿顺时针方向或逆时针方向相对于安装件1112转动，这样，使得相邻的两个籽晶1111相邻的侧周面部分，可以沿相反的方向转动，通过分别设定多个籽晶1111的转速可以减小多个籽晶1111之间的温度差异。

需要说明的是，如果相邻的两个籽晶1111之间沿不同的方向旋转的话，那么相邻的两个籽晶1111相邻的侧周面部分，就会沿着相同的方向转动，这样，会增加多个籽晶1111之间的温度差异，会导致生成碳化硅多晶，影响生成的单晶碳化硅的纯度。

其中，籽晶1111的转动方向与安装件1112的转动方向可以相反，也可以相同，也就是说，当安装件1112顺时针转动时，籽晶1111可以顺时针转动，也可以逆时针转动；当安装件1112逆时针转动时，籽晶1111可以顺时针转动，也可以逆时针转动；只要分别设置安装件1112与籽晶1111的转速，这样均可以减少碳化硅多晶的产生。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙在70mm到156mm之间，也就是说，两个相邻的籽晶1111之间的间隙为a的话，那么a的取值范围为70mm-156mm；需要说明的是，当两个相邻的籽晶1111之间的间隙之间的间隙小于70mm话，在单晶碳化硅的制备过程中，容易发生粘连或形成多晶区域，如果两个相邻的籽晶1111之间的间隙大于156mm的话，浪费空间，热场加热困难。

在具体的实施过程中，可以根据实际情况将在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙设置为70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm和156mm。

例如，如图2所示，将在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙设置为100mm，这样，即充分利用了空间，也避免了相邻的籽晶1111在生长单晶碳化硅的过程中发生粘连或生成多晶区的区域的现象的发生。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值在0.5到1.1之间，也就是说两个籽晶1111之间的间隙与籽晶1111之间的间隙与籽晶1111直径之间的比值为b的话，那么b的取值范围为0.5-1.1。

需要说明的是，如果在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙与籽晶1111直径之间的比值小于0.5的话，那么两个相邻的籽晶1111之间的间隙相对于籽晶1111的直径就过大，这样会浪费安装件1112的空间，如果在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙与籽晶1111直径之间的比值大于1.1的话，那么，两个相邻的籽晶1111之间的间隙相对于籽晶1111直径就过小，在单晶碳化硅生长的过程中，容易发生粘连或形成多晶区域。

在具体的实施过程中，可以根据实际情况将在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值设置为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1；例如，在一个具体的实施过程中，将在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值设置为0.8，这样，既可以提高第一加热炉120中空间的利用率，同时避免在单晶碳化硅生长的过程中，两个相邻的籽晶1111之间的间隙之间粘连或者多晶区域的发生。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，在安装件1112的周向方向相邻的两个安装件1112之间的间隙在20mm到50mm之间，也就是说，如果在安装件1112的周向方向相邻的两个安装件1112之间的间隙为c的话，那么c的取值范围为20mm-50mm。

需要说明的是，当相邻的两个安装件1112之间的间隙小于20mm的话，会导致两个安装件1112之间的间隙过小，使得在单晶碳化硅生长的过程中，相邻的籽晶1111之间出现多晶区域或发生粘连，当相邻的安装件1112之间的间隙大于50mm的话，会导致两个相邻的安装件1112之间的间隙过大而浪费空间。

在具体的实施过程中，可以根据实际情况将在安装件1112的周向方向相邻的两个安装件1112之间的间隙设置为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm和50mm；例如，在一个具体的实施过程中，将在安装件1112的周向方向相邻的两个安装件1112之间的间隙设置为30mm，这样，即充分利用了空间，同时也避免了在单晶碳化硅生长的过程中，相邻的籽晶1111之间多晶区域或发生粘连的现象的发生。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，在安装件1112的周向方向相邻的两个安装件1112之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值0.1到0.3之间，也就是说，如果在安装件1112的周向方向上，相邻的两个安装件1112之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值为d的话，那么d的取值范围是0.1-0.3。

在具体的实施过程中，可以根据实际情况将在安装件1112的周向方向上，相邻的两个安装件1112之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值可以设置为0.10、0.14、0.18、0.22、0.26和0.30；例如，如图1所示，在一个具体的实施过程中，将在安装件1112的周向方向上，相邻的两个安装件1112的间隙与籽晶1111的直径之间的比值设置为0.18，这样，即充分利用了空间，同时也避免了在单晶碳化硅生长的过程中，相邻的籽晶1111之间多晶区域或发生粘连的现象的发生。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，安装件1112包括多个，每个安装件1112上均设有至少两个籽晶夹具111，多个安装件1112环绕第一加热炉120的中心轴线间隔设置，且每个安装件1112绕所述第一加热炉120的中心轴线可转动地与第一加热炉120相连，这样，实现多个单晶碳化硅的同时生长，提高了单晶碳化硅的制备效率。

例如，如图3所示，第二支持板112上设有四个籽晶夹具111，每个安装件1112上设有三个籽晶1111，这样，实现了十二个单晶碳化硅在十二个籽晶1111上同时生长，大大提高了单晶碳化硅的制备效率。

下面将参考图1-图8描述根据本发明一个具体实施例的单晶碳化硅制备装置100。

参照图1，根据本发明具体实施例的单晶硅制备装置可以包括：籽晶夹持器110、第一加热炉120、第二加热炉140、第二加热器150和连接件160。

籽晶夹持器110可以包括：籽晶夹具111和安装件1112。

籽晶夹具111包括四个，四个籽晶夹具111环绕第二转轴1121均匀间隔地设于第二支持板112上，每个安装件1112上设有三个籽晶1111。

籽晶夹具111可以包括：安装件1112和三个籽晶1111。

安装件1112水平设置，安装件1112连接有第一转轴1113，安装件1112绕第一转轴1113可转动。

三个籽晶1111环绕第一转轴1113均匀间隔设置于安装件1112上，且每个籽晶1111绕自身的中心轴线相对于安装件1112可转动，三个籽晶1111均沿顺时针方向或逆时针方向相对于安装件1112转动，在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙为100mm，在安装件1112的周向方向相邻的两个籽晶1111之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值为0.8。

第二支持板112水平设置，第二支持板112连接有第二转轴1121，第二支持板112绕第二转轴1121的中心轴线可转动，在第二支持板112的周向方向相邻的两个安装件1112之间的间隙为30mm，在第二支持板112的周向方向相邻的两个安装件1112之间的间隙与籽晶1111的直径之间的比值为0.2。

第一加热炉120内具有生长腔121，籽晶夹持器110设于生长腔121的顶部；第一加热炉120的直径为2800mm，第一加热炉120的直径与籽晶1111的直径之间的比值为10；籽晶1111与第一加热炉120的内壁面之间的间距与籽晶1111的直径之间的比值为0.2；第一加热炉120内设有与第一加热炉120同轴布置的导流件122，导流件122形成为圆柱形状，且从第一加热炉120的底部延伸至第一加热炉120的顶部，导流件122内形成有气流通道1221，气流通道1221的下端与物料腔141连通，导流件122的外周面上还形成有与气流通道1221连通的排气孔1222。

第一加热炉120的底部形成有多个第一通道组123，多个第一通道组123在第一加热炉120的径向方向间隔设置，每个第一通道组123包括在第一加热炉120的周向方向间隔设置的多个第一气体通道1231，每个第一通道组123的多个第一气体通道1231形成为同心布置的多个圆弧形孔。

第一加热器130环绕在第一加热炉120的外侧。

第二加热炉140设于第一加热炉120的下方，第二加热炉140内具有与生长腔121连通的物料腔141，物料腔141的横截面积大于生长腔121的横截面积，第二加热炉140内设有坩埚143，坩埚143内具有用于容纳碳化硅粉142的盛放腔1431，盛放腔1431的横截面积形成为环形，多个盛放腔1431沿第二加热炉140的径向向外套设，第二加热炉140的顶部形成有多个第二通道组144，多个第二通道组144在第二加热炉140的径向方向间隔设置，且多个盛放腔1431一一对应且上相正对，每个第二通道组144包括一个或在第二加热炉140的径向方向间隔设置的多个第二气体通道1441，第二气体通道1441沿盛放腔1431的周向延伸为环形。

第二加热器150设于第二加热炉140内用于加热物料腔141内的碳化硅粉142，第二加热器150包括多个加热器151，多个加热器151设于多个盛放腔1431的径向内侧和径向外侧以及相邻的两个盛放腔1431之间，加热器151沿盛放腔1431的周向延伸为环形。

连接件160连接第一加热炉120和第二加热炉140之间，连接件160内形成有连接通道161，在从下往上的方向上，连接通道161的横截面尺寸逐渐减小。

具体地，如图1所示，碳化硅粉142通过第二加热炉140的加热器151加热生成气相的碳化硅大部分通过连接通道161扩散到生长腔121中，小部分来到导流件122下端的气相碳化硅，通过导流件122的气流通道1221和排气孔1222进入到生长腔121中，在生长腔121的顶部，四个安装件1112上的多个籽晶1111上生长成单晶碳化硅。

根据本发明的单晶碳化硅制备装置100，通过设置至少具有两个籽晶夹具111的籽晶夹持器110，每个籽晶夹具111上的籽晶1111均可以用于生长单晶碳化硅，即多个单晶碳化硅可以在多个籽晶1111上同时生长，进而提高单晶碳化硅的制备效率。

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。

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个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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发明中的具体含义。

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。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (15)

1.一种单晶碳化硅制备装置，其特征在于，包括：

第一加热炉和第一加热器，所述第一加热炉具有生长腔，所述第一加热器用于加热所述生长腔，所述第一加热炉的底部形成有与所述生长腔连通的第一气体通道；

籽晶夹持器，所述籽晶夹持器设于所述生长腔内，所述籽晶夹持器包括：安装件和设于所述安装件上的至少两个籽晶夹具，所述籽晶夹具用于安装籽晶，且所述籽晶夹持器构造成使所述籽晶在所述生长腔内旋转；

第二加热炉和第二加热器，所述第二加热炉设于所述第一加热炉的下方且具有物料腔，所述第二加热器用于加热所述物料腔，所述第二加热炉的顶部形成有第二气体通道，所述第二气体通道与所述第一气体通道连通，所述物料腔内设有坩埚，所述坩埚用于盛放碳化硅粉。

2.根据权利要求1所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述物料腔的横截面面积大于所述生长腔的横截面面积；

所述单晶碳化硅制备装置还包括：连接件，所述连接件连接在所述第一加热炉的底部和所述第二加热炉的顶部之间，所述连接件具有连接通道，所述连接通道分别与所述第一气体通道和所述第二气体通道连通，在从下往上的方向上，所述连接通道的截面尺寸逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述连接件与所述第二加热炉的顶部之间设有与所述连接通道连通的鼓气孔，所述鼓气孔适于与鼓气装置连接，所述鼓起孔用于沿所述第二加热炉的径向由外而内向所述连接通道内吹入惰性气体。

4.根据权利要求1所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述第一加热炉内设有与所述第一加热炉同轴布置的导流件，所述导流件形成为圆形柱状且从所述第一加热炉的底部延伸至所述第一加热炉的顶部。

5.根据权利要求4所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述导流件内形成有气流通道，所述气流通道的下端与所述物料腔连通，所述导流件的外周面上还形成有与所述气流通道连通的排气孔。

6.根据权利要求5所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述气流通道包括多个，多个所述气流通道的入口端均形成于所述导流件的底部，多个所述气流通道的所述排气孔在所述导流件的外壁面上间隔设置，在从下往上的方向上，所述气流通道沿径向由内往外倾斜延伸。

7.根据权利要求5所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述气流通道沿轴向竖直向上延伸，所述导流件的外周面上形成有沿径向贯通所述导流件的多个所述排气孔，多个所述排气孔在所述导流件的轴向和周向间隔设置。

8.根据权利要求7所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，在从下往上的方向上，多个所述排气孔的分布密度逐渐减小。

9.根据权利要求1所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述第一加热炉的底部形成有多个第一通道组，多个所述第一通道组在所述第一加热炉的径向方向间隔设置，每个所述第一通道组包括在所述第一加热炉的周向方向间隔设置的多个所述第一气体通道，在垂直于所述第一加热炉的中心轴线的投影平面内，所述第一气体通道沿圆弧线延伸，每个所述第一通道组的多个所述第一气体通道同心布置。

10.根据权利要求1所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述坩埚内限定出多个用于盛放所述碳化硅粉的盛放腔，所述盛放腔的截面为环绕所述坩埚的中心轴线延伸的环形，多个所述盛放腔在所述坩埚的径向依次间隔设置，

所述第二加热器包括多个加热器，多个所述加热器设于径向最外侧的所述盛放腔的径向外侧、径向最内侧的所述盛放腔的径向内侧以及相邻的两个所述盛放腔之间，所述加热器环绕所述盛放腔延伸。

11.根据权利要求10所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述盛放腔的截面为圆环，沿所述坩埚径向由内至外的方向，多个所述盛放腔的外半径与内半径之间的差值依次减小。

12.根据权利要求1所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述第二加热炉的顶部形成有多个第二通道组，每个所述第二通道组包括一个或在所述第二加热炉的径向方向间隔设置的多个所述第二气体通道，在垂直于所述第二加热炉的中心轴线的投影平面内，所述第二气体通道沿所述坩埚的周向延伸为环形。

13.根据权利要求1所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述籽晶夹持器还包括：驱动件，所述驱动件与所述安装件连接用于驱动所述籽晶在所述生长腔内升降。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述籽晶夹具绕自身的中心轴线可转动地设于所述安装件上，所述安装件具有自转中心轴线，所述安装件上的所述至少两个籽晶夹具环绕所述自转中心轴线均匀间隔设置于所述安装件上，所述安装件绕所述自转中心轴线可转动地与所述第一加热炉相连。

15.根据权利要求14所述的单晶碳化硅制备装置，其特征在于，所述安装件包括多个，每个所述安装件上均设有至少两个所述籽晶夹具，多个所述安装件环绕所述第一加热炉的中心轴线间隔设置，且每个所述安装件绕所述第一加热炉的中心轴线可转动地与所述第一加热炉相连。

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