CN114525587A - 基于pvt法生长碳化硅单晶的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PVT法生长碳化硅单晶的设备及方法。设备包括生长腔体、坩埚、升降杆和用于承载原料的料仓，所述坩埚、升降杆和料仓均位于生长腔体内；所述料仓位于所述坩埚内，料仓包括多个相互独立的存料仓室；升降杆由坩埚底部向上穿过所述存料仓室的底部并延伸至存料仓室的顶部，通过上下升降所述升降杆，可将所述存料仓室的顶部密封或在存料仓室的密封顶部顶出气相原料通道。本发明可根据单晶不同生长阶段的需要，利用升降杆在不同的存料仓室顶部释放出气相原料通道，从而实现不同温区的原料逐步蒸发，确保整个单晶生长过程中，各组分浓度基本保持一致，有助于提高原料利用率和提高晶体生长质量。

Description

基于PVT法生长碳化硅单晶的设备及方法

技术领域

本发明涉及碳化硅单晶生长技术领域，特别是涉及一种基于PVT法生长碳化硅单晶的设备及方法。

背景技术

第三代半导体材料逐渐成为新一代信息技术的核心支撑。随着半导体技术的不断革新，第三代宽禁带材料中的碳化硅（SiC）由于自身材料的优良特性和SiC器件呈现出的巨大应用前景而得到飞速发展，使得SiC晶体的生长以及相关器件的研究一直是国内外的前沿研究热点，国外已有企业宣布8英寸碳化硅进入投产阶段。

碳化硅单晶的生长方法主要有物理气相传输法（physical vapor transportmethod，PVT）、高温化学气相沉积法和溶液法等。目前，PVT法因其较高的生长速率、较为稳定的生长工艺和成本优势逐渐成为碳化硅单晶生长的标准方法。PVT法的生长过程主要包括多晶碳化硅在高温低压的条件下升华，产生的气相组分（主要为Si，Si₂C，SiC₂）在温度梯度的驱动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。PVT法生长单晶过程中，一般是将碳化硅粉料放置在石墨坩埚底部，碳化硅籽晶放置在坩埚埚盖附近，坩埚通过射频感应加热，通过石墨毡或多孔石墨绝热，产生一定的温度梯度，在温度梯度的驱动下升华的气相组分可以在籽晶上凝结并结晶得到碳化硅单晶。

目前规模化生产占主导地位的6英寸碳化硅晶体，其原料利用率在40%左右，即3kg原料可获厚度为20mm左右，重量在1.2kg左右的6英寸晶体，其坩埚直径在150mm-200mm之间，典型的热场设计条件下，原料中心与原料边缘温度相差接近12摄氏度。而对于8英寸以上的碳化硅晶体生长，国内已有相关文献表明(参考文献：卢嘉铮,张辉,郑丽丽,马远,等.大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化[J].人工晶体学报.2022.)，坩埚直径超过200mm，原料中心温度与靠近坩埚内壁的温度差将大于15摄氏度，由于此温差，当气相原料从坩埚底部上升到中心时，气相达到饱和并在上层原料上结晶，无法到达晶体生长界面处，造成原料利用率的下降；同时由于中上部原料结块，下部原料蒸发，晶体生长过程中，结块部分会突然垮塌，造成传热机制的突变，引起晶体质量问题。

另一方面，由于4H型碳化硅多采用C向[0001]晶面与A向

晶面（即[0001]和

都表示碳化硅单晶的晶面，下同）偏转4度生长，且有研究及相关技术证实非对称生长更有有利于减少晶体中某些缺陷的增生(张福生,杨昆,刘新辉,等. 无微管缺陷六英寸碳化硅单晶的制备[J]. 硅酸盐学报, 2021.，U.S. Pat. No. 7,364,617 B2)。然而，此种非对称温度分布的生长方式，给超过8英寸的晶体生长产生了更多的非对称热应力的分布，增加了晶体开裂的几率。

在碳化硅晶体直径达到100mm时，已有不少公司遇到原料利用率下降和由于结晶部分垮塌造成晶体质量降低的情况，为此Cree公司提供了相关的技术方案(参考美国专利U.S. Pat. No. 8,741,413B2)，随着国内碳化硅晶体产业的发展，有越来越多的方案解决此类问题，如将原料置于等温区，以尽量避免原料边缘与中心存在较大的温差(参考中国专利CN111424320A)、原料低温处布置发热装置以减少温差(参考中国专利CN201921527970.1和CN201610175716.4)，这些方案虽然可以一定程度缓解中心与边缘温差引起的气相原料过早达饱和的问题，然而面对8英寸以上，厚度超过20mm的晶体，其投料空间就不足以支撑晶体生长；又如有些方案中将少量原料置于均温区，利用载气将原料带入生长区(参考中国专利CN202111448112.X和CN202111446990.8)，这类方案与CVD法有异曲同工之好处，但CVD的原料由有机气源提供，其浓度不随生长时间发生明显改变，且生长厚度仅以微米计算，而PVT法无法保证各组分随时间一致，因此也不能获得稳定的大尺寸晶体生长；又如有些方案中通过增加原料密度(参考中国专利CN202120267484.1)来提高单位体积原料的晶体产量，这种方法确实可以产出更多晶体，但随着晶体尺寸不断增加恐怕无法一直奏效；又如有些方案中，利用石墨柱将原料分散于坩埚内(参考中国专利CN202111361145.0),避免气相原料在原料区结晶，但坩埚内均温区尺寸是固定的，因而投料量受限。

此外，上述技术方案均未解决非对称热场对晶体产生非对称应力的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于PVT法生长碳化硅单晶的设备及方法，用于解决现有技术中的碳化硅单晶生长技术存在的原料利用率低、坩埚边缘与中心存在较大温差、由于结晶部分垮塌造成晶体质量降低等问题，尤其是在用于超过8英寸的碳化硅单晶生长时会产生更多的非对称热应力的分布，增加晶体开裂几率等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于PVT法生长碳化硅单晶的设备，包括生长腔体、坩埚、升降杆和用于承载原料的料仓，所述坩埚、升降杆和料仓均位于生长腔体内；所述料仓位于所述坩埚内，料仓包括多个相互独立的存料仓室；升降杆由坩埚底部向上穿过所述存料仓室的底部并延伸至存料仓室的顶部，通过上下升降所述升降杆，可将所述存料仓室的顶部密封或在存料仓室的密封顶部顶出气相原料通道。

在一可选方案中，所述存料仓室的顶部设置有作为气相原料通道的排气孔，所述升降杆顶部设置有与所述排气孔相匹配的端面，将所述升降杆上升至端面抵住所述排气孔，可将所述排气孔密封，将所述升降杆下降至端面远离所述排气孔，使得所述存料仓室可以通过所述排气孔排出气相原料。

更可选地，所述排气孔的直径为0.1mm-5mm，排气孔的下部设置有与升降杆的顶部端面相匹配的锥形面，锥形面的圆锥角为5°-85°。

更可选地，所述升降杆的顶端设置有高度为1mm-5mm且直径为1mm-10mm的凸台，凸台下方连接有与所述排气孔的锥形面相匹配的锥形面。

在另一可选方案中，所述存料仓室顶部通过石墨薄盖和/或若干层石墨纸实现密封，石墨薄盖的厚度为0.1mm-2mm，通过将所述升降杆升起，以在所述石墨薄盖和/或石墨纸中形成作为所述气相原料通道的孔洞。

更可选地，所述升降杆的端面为圆弧形，端面的粗糙度不大于1.6um。

可选地，各存料仓室为同心圆环状结构或同心多边形环状结构，依内径大小在所述坩埚内由内至外依次设置；或各存料仓室的平面形貌选自三角形、四边形、六边形和圆形中的若干种，各存料仓室呈蜂窝状排布。

可选地，所述料仓的顶部为中间低边缘高的抛物线形。

可选地，所述坩埚的侧壁厚度为5mm-25mm，所述存料仓室的侧壁厚度为0.5mm-3mm；所述升降杆为石墨杆，直径为2mm-15mm。

可洗掉，所述坩埚底部设置有若干螺纹孔，若干升降杆一一对应设置于所述螺纹孔内而与坩埚底部螺纹配合，通过调整升降杆和坩埚底部的螺纹旋和长度，实现升降杆的升降。

本发明还提供一种基于PVT法生长碳化硅单晶的方法，包括：

1）提供如上述任一方案中所述的设备，将固定有碳化硅籽晶的籽晶托置于生长腔体内，并固定于料仓上方，存料仓室内放置原料，升降杆自坩埚底部向上插入存料仓室，并延伸到存料仓室顶部，使存料仓室顶部保持密封；

2）使坩埚处于热场中，待热场氛围达到预设温度和压力后，调整升降杆的高度，以使部分存料仓室顶部的气相原料通道释放气相原料，籽晶表面开始成核稳定生长第一时间；

3）使靠近料仓中心的存料仓室顶端释放气相原料，再次稳定生长第二时间；

4）重复步骤2）和3），直至坩埚内的存料仓室由边缘向中心依次释放完毕，完成单晶生长。

可选地，在使用碳化硅籽晶生长表面的C向[0001]晶面与A向

晶面偏转角度大于2°的晶体时，通过调整不同存料仓室的原料存储量，以可选择性地减少C向小面下方存料仓室的气相原料释放数量，从而在轴对称温度分布下实现非轴对称浓度生长。

可选地，使坩埚处于热场中后，热场内初始气氛在500mbar-800mbar压力，将坩埚加热至2200-2450℃，稳定30min-5h后，利用1h-15h的时间将压力降低至0.5mbar至50mbar；第一时间和第二时间均为5h-50h；完成单晶生长后，向热场内充气至100mbar-600mbar，用5h-10h将加热功率降为0，自然冷却至室温，之后取出晶体。

可选地，所述方法生长的碳化硅单晶大于等于8英寸，单晶厚度大于等于15mm。

如上所述，本发明的基于PVT法生长碳化硅单晶的设备和方法，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，将料仓分为多个独立的存料仓室，根据单晶不同生长阶段的需要，利用升降杆在不同的存料仓室顶部释放出气相原料通道，从而实现不同温区的原料逐步蒸发，确保整个单晶生长过程中，各组分浓度基本保持一致；因中心低温处原料也可以在晶体生长的后期全部利用，相较于采用现有设备，原料的利用率可提高10%以上。此外，在保证热场轴对称的情况下，可以更有效地实现非对称生长以抑制缺陷，且可以有效避免因应力不对称造成的晶体开裂，可显著提高晶体生长质量。

附图说明

图1显示为对比例中的典型的坩埚内气相运输示意图。

图2显示为对比例中的典型的坩埚等温云图。

图3显示为对比例中的非轴对称温度分布下的缺陷分布图。

图4显示为本发明实施例1中的例示性设备结构示意图。

图5显示为本发明实施例1中的料仓的例示性俯视图。

图6显示为本发明实施例1中的存料仓室和升降杆的位置关系示意图。

图7显示为本发明实施例2中的存料仓室和升降杆的位置关系的局部放大示意图。

图8显示为本发明实施例2中的轴对称温度分布非对称生长的缺陷分布图。

图9显示为本发明实施例3中的石墨纸密封存料仓室顶部的示意图。

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方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

请参阅图4至图9。

如图4至图9所示，本发明提供一种基于PVT法生长碳化硅单晶的设备，包括生长腔体21、坩埚22、升降杆24和用于承载原料的料仓23，所述坩埚22、升降杆24和料仓23均位于生长腔体21内；所述料仓23位于所述坩埚22内，料仓23包括多个相互独立的存料仓室231，需要说明的是，此处“相互独立”的概念主要指各存料仓室231内存储的原料互不接触，供应过程中也互不干扰，因而在单晶生长过程中，可以根据需要选择由特定存料仓室231供应气相原料，而各存料仓室231在实体上可以是可拆卸出来的独立个体，各存料仓室231也可以是相互之间一体连接，或者也可以将各存料仓室231描述为通过间隔材料将一个完整的料仓23分割出的多个相互独立封闭的区域，本实施例中对各存料仓室231的实体形态并不做严格限制；升降杆24由坩埚22底部向上穿过所述存料仓室231的底部（存料仓室231的底部被密封）并延伸至存料仓室231的顶部234，通过上下升降所述升降杆24，可将所述存料仓室231的顶部234密封或在存料仓室231的密封顶部顶出气相原料通道；即，根据存料仓室231顶部的具体形态不同，升降杆24的升降产生的结果也不同，例如在一示例中，参考图5所示，所述存料仓室231的顶部234设置有作为气相原料通道的排气孔235，所述升降杆24顶部设置有与所述排气孔235相匹配的端面，将所述升降杆24上升至端面抵住所述排气孔235，可将所述排气孔235密封，将所述升降杆24下降至使升降杆24的端面远离所述排气孔235，使得所述存料仓室231可以通过所述排气孔235排出气相原料；而在另一示例中，所述存料仓室231顶部234原本是封闭的，例如通过石墨薄盖233（参考图7所示），更具体地，例如通过等压石墨薄盖，或通过单层或多层的石墨纸232实现密封，或如图9所示，同时采用石墨薄盖233和石墨纸232实现密封；通过将所述升降杆24升起，以在所述存料仓室231的顶部234，例如在所述石墨薄盖和/或石墨纸中形成作为所述气相原料通道的孔洞。本发明经改善的结构设计，将料仓分为多个独立的存料仓室，根据单晶不同生长阶段的需要，利用升降杆在不同的存料仓室顶部释放出气相原料通道，从而实现不同温区的原料逐步蒸发，确保整个单晶生长过程中，各组分浓度基本保持一致；因中心低温处原料也可以在晶体生长的后期全部利用，相较于采用现有设备，原料的利用率可提高10%以上。此外，在保证热场轴对称的情况下，可以更有效地实现非对称生长以抑制缺陷，且可以有效避免因应力不对称造成的晶体开裂，可显著提高晶体生长质量。

当所述存料仓室231顶部预先设置有排气孔235时，作为示例，所述排气孔235的直径较佳地为0.1mm-5mm，且在进一步的示例中，如图5所示，排气孔235的下部设置有与升降杆24的顶部端面相匹配的锥形面，锥形面的圆锥角例如为5°-85°，更加地为30°-60°；而为了使升降杆24与该排气孔235更好地匹配，较佳地，所述升降杆24的顶端设置有高度为1mm-5mm且直径为1mm-10mm的凸台，凸台下方连接有与所述排气孔235的锥形面相匹配的锥形面，升降杆24顶部的锥形面例如同样为圆锥形面，圆锥角例如为5°-85°，更加地为30°-60°。通过这样的设置，可以更好地控制排气孔235的打开或密封，便于更好地调节各存料仓室231的原料释放。

作为示例，当采用石墨薄盖将存料仓室231顶部封闭时，石墨薄盖的厚度较佳地为0.1mm-2mm（包括端点值，本说明书在涉及数值范围描述时，如无特殊说明，均包括端点值），例如为0.1mm，0.5mm，1mm，2mm或这区间的任意值。

当同时采用石墨薄盖和石墨纸进行密封时，如图9所示，石墨薄盖233可以位于石墨纸232的下方，且石墨纸232的尺寸与存料仓室231顶部开口尺寸一致，即石墨纸232将存料仓室231顶部封闭，而石墨薄盖233的尺寸则小于存料仓室231顶部开口尺寸，例如石墨薄盖233可以为略大于与之接触的升降杆24的端面尺寸的圆盘结构，且该示例中，所述升降杆24的端面较佳地为圆弧形，端面的粗糙度Ra不大于1.6um，以使升降杆24能在存料仓室231顶部顶出一个较为规则的孔洞；当升降杆24上升时，先与石墨薄盖233接触，石墨薄盖233受到升降杆24的压力而将受力传递到石墨纸232，使石墨纸232对应石墨薄盖233的部分破裂形成作为气相原料通道的孔洞。因而通过这样的设置，可以使存料仓室231顶部不至于一下子全部破裂，更好地控制孔洞大小，从而更好地控制气相原料的释放，有助于提高原料利用率和单晶生长质量。

在一示例中，参考图4所示，各存料仓室231为同心圆环状结构或同心多边形环状结构，依内径大小在所述坩埚22内由内至外依次设置。而在其他示例中，可参考图6所示，各存料仓室231的平面形貌选自三角形、四边形、六边形和圆形中的若干种，各存料仓室231呈蜂窝状排布，而同一料仓23的多个存料仓室231形状可以相同或不同。存料仓室231的数量以及各存料仓室231的具体尺寸可以根据需要设置，对此不做严格限制，但较佳地为至少分为3个存料仓室231，以分别对应料仓23中心、中间和边缘区域。在较佳的示例中，所述料仓23的顶部为中间低边缘高的抛物线形（参考图4），以与单晶生长过程中的坩埚22等温线云图相对应，从而可以更好地控制热场分布，提高原料利用率。

所述存料仓室231与升降杆24可以是一一对应的关系，即每个存料仓室231对应设置有一个升降杆24，而在其他示例中，也可以是单个存料仓室231对应设置有多个升降杆24，例如在存料仓室231为前述的圆环状结构时，可以在同一存料仓室231的不同对应区域设置所述升降杆24，又或者根据需要，仅在部分存料仓室231设置升降杆24，本实施例中对此不做严格限制，但较佳地为一个存料仓室231至少对应设置一个升降杆24。

所述升降杆24需选择耐高温且耐腐蚀的材质，以避免因升降杆24的腐蚀磨损等原因引入杂质污染。较佳地，所述升降杆24为石墨杆，即为纯石墨材质，直径（除端面外的尺寸）较佳地为2mm-15mm。

所述坩埚22的侧壁厚度较佳地为5mm-25mm，所述存料仓室231的侧壁厚度较佳为0.5mm-3mm。

所述升降杆24的升降可以通过人工调节，也可以通过机械控制，优选机械控制。在一示例中，所述坩埚22底部设置有若干螺纹孔，坩埚22底部将各存料仓室231底部螺纹密封，各存料仓室231底部设置有通孔，而升降杆24与坩埚22底部螺纹配合，并自坩埚22底部深入各存料仓室231的通孔内，形成活塞式结构，通过调整升降杆24和坩埚22底部的螺纹旋和长度，实现升降杆24的升降，例如可通过机械方式旋动螺纹而实现升降杆24的升降。在其他示例中，也可以在坩埚22内设置与坩埚22底部相连通的波纹管等弹性结构，升降杆24从坩埚22底部向上穿过波纹管并向上延伸到存料仓室231以确保将存料仓室231顶部密封，使用升降装置（例如气缸的活塞杆）自升降杆24底部将升降杆24顶起，也可以调节升降杆24的升降。

所述设备还包括加热器和隔热装置等结构，由于此部分内容非本发明的重点，对此不做详细展开。

本发明提供的设备，可以有效避免因坩埚尺寸增加形成的径向温度梯度造成的原料输送的不均匀性，同时方便实现轴对称或非轴对称原料的输送，尤其对于晶体直径超过8英寸且晶体厚度超过15mm的晶体生长，在提供稳定的工艺条件的同时可有效提高原料利用率。

本发明还提供一种基于PVT法生长碳化硅单晶的方法，该方法尤其适合大尺寸碳化硅单晶生长，例如适于生长大于等于8英寸，单晶厚度大于等于15mm的碳化硅单晶，该方法包括：

1）提供如上述任一方案中所述的设备，前述对设备的相关介绍可以全文引用至此，出于简洁的目的不赘述；将固定有碳化硅籽晶26的籽晶托25置于生长腔体21内，并固定于料仓23上方，存料仓室231内放置原料，升降杆24自坩埚22底部向上插入存料仓室231，并延伸到存料仓室231顶部，使存料仓室231顶部保持密封；该步骤中，可以先将粘有8-12英寸碳化硅籽晶26的籽晶托25固定在生长腔体21上，然后将升降杆24插入各存料仓室231中，并加入合计3.5kg-12kg的原料（具体根据待生长的碳化硅单晶规格而定），将整个料仓23放入坩埚22内，利用坩埚22底部螺纹密封各个存料仓室231，之后将坩埚22与生长腔体21固定，并将整个坩埚22投入热场；

2）使坩埚22处于热场中，待热场氛围达到预设温度和压力后，调整升降杆24的高度，以使部分存料仓室231顶部的气相原料通道释放气相原料，籽晶26表面开始成核稳定生长第一时间；

3）使靠近料仓23中心的存料仓室231顶端释放气相原料，再次稳定生长第二时间；

在较佳的示例中，步骤2）和3）包括：使坩埚22处于热场中后，热场内初始气氛在500mbar-800mbar压力，将坩埚22加热至2200-2450℃，稳定30min-5h后，利用1h-15h的时间将热场内的压力降低至0.5mbar至50mbar；调整升降杆24的高度，使靠近坩埚22边缘的存料仓室231顶端释放气相原料，籽晶26表面开始成核稳定生长5h-50h后；将温度提高0-50℃（若外侧温度足够高，不升温内部也已经开始蒸发，但由于内侧坩埚22密封，原料无法出来，如果外侧温度不够高，那么需要逐步升温，才能实现由外向内逐步蒸发，即该升温步骤是根据工艺需要可选的），使靠近中心的料仓23顶端释放气相原料，并再次稳定生长5h-50h；较佳地，在使用碳化硅籽晶26生长表面的C向

与A向

偏转角度大于2°的晶体时，可选择性地减少C向小面下方存料仓室231的气相原料释放数量，例如在C向小面下方对着若干个存料仓室231，可以是正对的存料仓室231不放料，或者正对的存料仓室231少放料，也可以正对的存料仓室231中的某几个少放，或者不放，即通过调整不同存料仓室231的原料存储量，以可选择性地减少C向小面下方存料仓室231的气相原料释放数量，由此在轴对称温度分布实现非轴对称浓度生长；

4）重复步骤2）和3），直至坩埚22内的存料仓室231由边缘向中心依次释放完毕，完成单晶生长。

在一较佳示例中，完成单晶生长后，向热场内充入惰性气体，例如氩气，以使坩埚22内气压调整至100mbar-600mbar，用5h-10h将加热功率降为0，自然冷却至室温，之后取出晶体。

为使本发明的技术方案和优点更加突出，下面通过对比实验并结合附图对本发明做进一步说明。

对比例

如图1所示，将装有原料的坩埚11放入热场中，升温至2550℃时，坩埚内的温度分布等温线云图如图2所示（图2中的数字代表不同的温度，单位为开尔文），从图2可以看到，等温线是抛物线型的，所以原料蒸发也是有次序的，中间为低温区，因而如果中间和边缘的气相原料一起释放，对应中间区域就会因温度低而产生结块，图1中，坩埚的高温区12的气相原料17逐步扩散至籽晶13，同时也在低温区14不断凝固。随着晶体15的不断生长，高温区12彻底空化，凝固的低温区原料将突然落入高温区12中，造成晶体生长条件发生突变。且由于原料的变化，晶体生长区16的碳化硅组分也在不断的改变，原料分解初期释放富硅气相原料成核，但随着生长继续，高温区12的硅不断减少，低温区14的原料结晶后难以分解，进一步加剧了生长条件的变化，造成晶体质量下降，且参考图3所示的非轴对称温度分布下的缺陷分布图（该图中的数字代表缺陷数量，同一深度的颜色代表应力缺陷分布情况相同，如果两个区域颜色深浅差异很大，代表这两个区域的应力缺陷分布情况差异很大），因为籽晶存在4度偏角，所以晶体不是轴对称的，故而有的方案是通过不对称的热场去适应不对称的晶体，这样缺陷就是一头少一头多，导致生成的晶体开裂几率高。

实施例1

针对坩埚内热场的典型的等温线的分布情况，本发明对现有的设备结构进行了改进，例如本示例中，如图4所示，采用具有多个独立存料仓室231（例如包括第一存料仓室231a、第二存料仓室231b、第三存料仓室231c、第四存料仓室231d和第五存料仓室231e，各存料仓室依内径大小在坩埚22内由内之外同心设置）的料仓23，且料仓23顶面呈现为中间低边缘高的抛物线形，本实施例的碳化硅单晶生长步骤包括：

(1)继续参考图4所示，将8英寸籽晶26提前粘在籽晶托25上并固定在生长腔体21上；

(2)如图5所示，将升降杆24插入存料仓室231中，存料仓室231顶部234设置有直径为2mm的排气孔235作为气相原料通道，排气孔235下方设置有圆锥角为15°的圆锥面，往料仓23中并加入5kg原料；将整个料仓23放入坩埚22中，利用坩埚底部螺纹向上旋转升降杆24，顶紧各个存料仓室231，以将各存料仓室231的顶部234的排气孔密封；将坩埚22与生长腔体21固定，并将整个坩埚22投入热场；

(3)热场内气氛在600mbar压力，将坩埚22加热至2350℃，稳定2h后，利用5h将压力降低至20mbar；

(4)将图4中最外侧的第一存料仓室231a的升降杆23下降3mm，使第一存料仓室231a顶端释放气相原料，籽晶26表面开始成核稳定生长10h并增加坩埚温度至2360℃，得到晶体后，再将图4中的第二存料仓室231b的升降杆24降低3mm，并再次稳定生长10h，同时升温至2370℃；

(5)重复步骤(4)直至坩埚内的第一存料仓室231a至第五存料仓室231e依次释放完毕；

(6)充气至100mbar，用10h将功率将为0，自然冷却至室温，取出晶体。

经检测，获得的8英寸碳化硅晶体厚度达到24mm，质量达到3.2kg，原料的转化效率达到64%。

实施例2

，[公式1]

，[公式2]

上述公式1为碳化硅分解与生成的公式，公式2为颗粒的热泳力公式，其中，

为热泳力，R为石墨粉半径，Cs为热滑移系数，∇T为温度梯度，ρ为石墨密度，T为温度，Cm为动量交换系数，μ为气体分子自由程。

基于上述公式，为了获得较快的生长速度，当工艺温度接近2500℃时，原料表面附近的Si的压力将达到2mbar（1 mbar=100 pa）左右，此时升降杆下落，在料仓顶部气孔剧烈进行碳化硅分解与生成，造成石墨粉化，由于热泳力与石墨粉颗粒直径R的平方和温度梯度

成正比，同时由于料仓内压力与生长腔体压力存在差异，石墨颗粒进一步受到压力推动，当颗粒重力不足以克服两个推力时，石墨颗粒上升至籽晶处，引起晶体质量缺陷，鉴于此种情况，故进一步可以选用存料仓室顶部为0.5mm的薄板密封，由于密封作用温度达到2500℃时，原料轻微分解则保持仓内压力上升，原料无法持续分解。本实施例的晶体生长步骤为：

(1)将直径为200mm且生长表面C向

晶面与A向

晶面偏4度的碳化硅籽晶26的籽晶托25固定在生长腔体22上（可继续参考图4）；

(2)参考图7所示，将升降杆24插入存料仓室231中，存料仓室231顶部采用石墨薄片233（也可以定义为薄石墨板）密封，升降杆24顶部为圆弧面，并加入5kg原料，并参考图6，在图6中标记有f的存料仓室231，即正对籽晶生长表面C向下方的料仓选择性地不投原料；将整个料仓23放入坩埚中，升降杆24顶紧各个存料仓室231顶部；将坩埚22与生长腔体21固定，并将整个坩埚22投入热场；

(3)热场内气氛在600mbar压力，将坩埚加热至2450℃，稳定2h后，利用5h将压力降低至5mbar；

(4)将最外侧的存料仓室的升降杆24上升5mm，顶破该存料仓室顶部的石墨薄片233，气相原料挥发到籽晶表面，开始成核稳定生长10h并增加坩埚温度至2460℃，得到晶体后，再将最外侧存料仓室中的升降杆上升5mm，并再次稳定生长10h，同时升温至2470℃；

(5)重复步骤(4)，直至由外至内将所有存料仓室的原料依次释放完毕；

(6)充气至100mbar，用10h将功率将为0，自然冷却至室温，取出晶体。

经检测，获得直径达200mm的碳化硅晶体厚度达到22mm，质量达到2.9kg左右，由于增加了原料的扩散面积，晶体内包裹物较少；同时，参考图8的轴对称温度分布非对称生长的缺陷分布图可以知晓，本实施例利用轴对称的温度分布实现非对称生长，可有效减少晶体的微观缺陷。

实施例3

在开启料仓的过程中，由于升降杆被原料的硅腐蚀，可能造成料仓开启异常的情况，因而本实施例中，存料仓室231采用如图9所示的结构进行顶部封闭，包括密封的1mm的石墨纸232和直径为5mm且厚度为2mm石墨薄片233，石墨薄片233位于石墨纸232下方，因而将先与升降杆24接触，升降杆24顶端为圆弧形且粗糙度为1.6um；生长过程中，升降杆24对石墨薄片233施加压力，可保证石墨纸232至少有直径5mm的开启面，保证各存料仓室仓有较为一致的原料蒸发面积，从而进一步稳定工艺过程。

综上所述，本发明经改善的结构设计，将料仓分为多个独立的存料仓室，根据单晶不同生长阶段的需要，利用升降杆在不同的存料仓室顶部释放出气相原料通道，从而实现不同温区的原料逐步蒸发，确保整个单晶生长过程中，各组分浓度基本保持一致；因中心低温处原料也可以在晶体生长的后期全部利用，相较于采用现有设备，原料的利用率可提高10%以上。此外，在保证热场轴对称的情况下，可以更有效地实现非对称生长以抑制缺陷，且可以有效避免因应力不对称造成的晶体开裂，可显著提高晶体生长质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种基于PVT法生长碳化硅单晶的设备，所述设备包括生长腔体、坩埚和用于承载原料的料仓，所述坩埚和料仓均位于生长腔体内，所述料仓位于所述坩埚内，其特征在于，料仓包括多个相互独立的存料仓室；所述设备还包括升降杆，所述升降杆位于生长腔体内，升降杆由坩埚底部向上穿过所述存料仓室的底部并延伸至存料仓室的顶部，通过上下升降所述升降杆，可将所述存料仓室的顶部密封或在存料仓室的密封顶部顶出气相原料通道。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述存料仓室的顶部设置有作为气相原料通道的排气孔，所述升降杆顶部设置有与所述排气孔相匹配的端面，将所述升降杆上升至端面抵住所述排气孔，可将所述排气孔密封，将所述升降杆下降至端面远离所述排气孔，使得所述存料仓室可以通过所述排气孔排出气相原料。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述排气孔的直径为0.1mm-5mm，排气孔的下部设置有与升降杆的顶部端面相匹配的锥形面，锥形面的圆锥角为5°-85°。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述升降杆的顶端设置有高度为1mm-5mm且直径为1mm-10mm的凸台，凸台下方连接有与所述排气孔的锥形面相匹配的锥形面。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述存料仓室顶部通过石墨薄盖和/或若干层石墨纸实现密封，石墨薄盖的厚度为0.1mm-2mm，通过将所述升降杆升起，以在所述石墨薄盖和/或石墨纸中形成作为所述气相原料通道的孔洞。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述升降杆的端面为圆弧形，端面的粗糙度不大于1.6um。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，各存料仓室为同心圆环状结构或同心多边形环状结构，依内径大小在所述坩埚内由内至外依次设置；或各存料仓室的平面形貌选自三角形、四边形、六边形和圆形中的若干种，各存料仓室呈蜂窝状排布。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述料仓的顶部为中间低边缘高的抛物线形。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述坩埚的侧壁厚度为5mm-25mm，所述存料仓室的侧壁厚度为0.5mm-3mm；所述升降杆为石墨杆，直径为2mm-15mm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的设备，其特征在于，所述坩埚底部设置有若干螺纹孔，若干升降杆一一对应设置于所述螺纹孔内而与坩埚底部螺纹配合，通过调整升降杆和坩埚底部的螺纹旋和长度，实现升降杆的升降。

11.一种基于PVT法生长碳化硅单晶的方法，其特征在于，包括：

1）提供如权利要求1-10任一项所述的设备，将固定有碳化硅籽晶的籽晶托置于生长腔体内，并固定于料仓上方，存料仓室内放置原料，升降杆自坩埚底部向上插入存料仓室，并延伸到存料仓室顶部，使存料仓室顶部保持密封；

2）使坩埚处于热场中，待热场氛围达到预设温度和压力后，调整升降杆的高度，以使部分存料仓室顶部的气相原料通道释放气相原料，籽晶表面开始成核稳定生长第一时间；

3）使靠近料仓中心的存料仓室顶端释放气相原料，再次稳定生长第二时间；

4）重复步骤2）和3），直至坩埚内的存料仓室由边缘向中心依次释放完毕，完成单晶生长。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在使用碳化硅籽晶生长表面的C向[0001]晶面与A向

晶面的偏转角度大于2°的晶体时，通过调整不同存料仓室的原料存储量，以可选择性地减少C向小面下方存料仓室的气相原料释放数量，从而在轴对称温度分布下实现非轴对称浓度生长。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使坩埚处于热场中后，热场内初始气氛在500mbar-800mbar压力，将坩埚加热至2200-2450℃，稳定30min-5h后，利用1h-15h的时间将压力降低至0.5mbar至50mbar；第一时间和第二时间均为5h-50h；完成单晶生长后，向热场内充气至100mbar-600mbar，用5h-10h将加热功率降为0，自然冷却至室温，之后取出晶体。

14.根据权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于，所述方法生长的碳化硅单晶大于等于8英寸，单晶厚度大于等于15mm。

Images