CN115198366B - 一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法，所述生长装置包括由内而外依次嵌套设置的晶体生长单元、加热单元、隔热箱和腔室；所述加热单元对晶体生长单元的顶部、外周和底部进行加热；所述晶体生长单元的底部设置有旋转驱动组件。所述生长方法包括控制加热单元的功率以达到下述条件：（1）晶体生长单元内部空间的径向温度梯度小于第一设定值；（2）晶体生长单元内部未充满碳化硅粉料空间的生长轴向温度梯度等于第二设定值；（3）晶体生长单元内部已充满碳化硅粉料空间的粉料轴向温度梯度等于第三设定值。本发明通过改进生长装置的结构及生长条件，精确调控了晶体生长的温度场，提高了大尺寸碳化硅晶体生长的质量、效率和成品率。

Description

一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，涉及一种碳化硅晶体的生长装置，尤其涉及一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法。

背景技术

碳化硅是一种宽禁带半导体材料，以碳化硅单晶衬底制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射、效率高等优势，在射频、新能源等领域具有重要的应用价值。

目前，物理气相传输法是碳化硅晶体生长的主流方法，一般采用感应加热方法使得碳化硅粉料升华产生包含Si、Si2C、SiC2等不同气相组分的反应气体，这些气体传输至坩埚顶部，并在坩埚顶部的籽晶表面结晶以形成碳化硅单晶。

然而，上述方法并不能满足大尺寸（6-8英寸）碳化硅晶体生长的需求，主要原因如下：（1）感应加热方法存在趋肤效应，晶体生长的温度场存在较大的径向温度梯度，晶体生长的均匀性低，晶体生长界面鼓包严重；（2）电流谐振频率在生长过程中会变化、温度控制精度较低，生长过程不稳定，成品率较低。

CN105256371A公开了一种提高物理气相传输法晶体生长炉温场均匀性的装置，包括晶体生长炉，所述晶体生长炉包括射频电源、接触电极、线圈、保温层和石墨单晶生长装置，所述线圈以水平轴对称方式均匀布置在所述保温层外侧，该线圈可通过旋转装置实现绕保温层旋转；所述线圈的数量为单根，所述单根线圈以弓字型方式缠绕在保温层外侧；或所述线圈的数量为两根，所述两根线圈分别以弓字型方式缠绕并对称设置在保温层的外侧。然而，所述线圈以弓字型方式缠绕，存在线圈的弯折处，使得弯折处的温度比较集中，感应线圈产生的磁场也会偏离线圈中轴线，磁场不均匀也会影响温度的均匀性，进而影响晶体生长的稳定性。此外，所述石墨单晶生长装置的顶部和底部并未设置加热部件，导致生长装置内部温度场呈现中央低、外周高的不均匀现象，同样影响晶体生长的稳定性，并不适用于大尺寸碳化硅晶体的生长。

由此可见，如何提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法，通过改进生长装置的结构及生长条件，精确调控晶体生长的温度场，提升内部温度场的均匀性，进而改善晶体生长的稳定性，提高大尺寸碳化硅晶体生长的质量、效率和成品率，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法，通过改进生长装置的结构及生长条件，精确调控了晶体生长的温度场，提升了内部温度场的均匀性，进而改善了晶体生长的稳定性，提高了大尺寸碳化硅晶体生长的质量、效率和成品率。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置，所述生长装置包括由内而外依次嵌套设置的晶体生长单元、加热单元、隔热箱和腔室。

所述加热单元对晶体生长单元的顶部、外周和底部进行同步加热。

所述晶体生长单元的底部设置有旋转驱动组件，且所述旋转驱动组件与晶体生长单元的底部边缘相接触。

本发明在传统生长装置只对晶体生长单元的外周进行加热的基础上，通过对加热单元的结构改进，实现了对晶体生长单元的顶部、外周和底部同步加热，并借助旋转驱动组件实现了晶体生长单元在加热过程中处于旋转状态，且将旋转驱动组件与晶体生长单元的底部边缘相接触，避免了旋转驱动组件对晶体生长单元底部加热的干扰，从而精确调控了晶体生长的温度场，提升了内部温度场的均匀性，进而改善了晶体生长的稳定性，提高了大尺寸（6-8英寸）碳化硅晶体生长的质量、效率和成品率。

优选地，所述晶体生长单元包括坩埚和坩埚盖，且所述坩埚盖朝向坩埚的一侧表面设置有籽晶。

优选地，所述加热单元包括4个加热器，分别为第一加热器、第二加热器、第三加热器和第四加热器。

优选地，所述第一加热器和第二加热器由内而外同心嵌套设置，且分别设置于坩埚盖的顶部。

本发明通过设置相互同心嵌套的第一加热器和第二加热器对坩埚盖的顶部进行加热，实现了对坩埚内晶体生长径向温度场的精确调控。

优选地，所述第三加热器设置于坩埚的外周，对坩埚的外周进行加热。

优选地，所述第四加热器设置于坩埚的底部，对坩埚的底部进行加热。

优选地，所述4个加热器的材质分别独立地包括钨、钼或石墨中的任意一种，进一步优选为石墨。

优选地，所述第一加热器和第四加热器分别独立地包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热盘。

优选地，所述加热盘由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成第一凹槽。

优选地，所述第一凹槽的长边形状包括直线、波浪线或螺旋线中的任意一种。

本发明中，通过调节第一凹槽的宽度及间距可以调节第一加热器/第四加热器的电阻值，进而调节其输出功率，即可根据实际要求的输出功率选择合适的凹槽宽度及间距，故在此不对第一凹槽的尺寸规格做特别限定。

优选地，所述第一加热器和第四加热器分别对应地设置有第一测温计和第四测温计，且所述第一测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第一加热器的凹槽，对坩埚盖的顶部表面进行测温；所述第四测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第四加热器的凹槽，对坩埚的底部表面进行测温。

优选地，所述第二加热器包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热环。

优选地，所述加热环由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成第二凹槽。

优选地，所述第二凹槽的长边形状包括直线、波浪线或螺旋线中的任意一种。

本发明中，通过调节第二凹槽的宽度及间距可以调节第二加热器的电阻值，进而调节其输出功率，即可根据实际要求的输出功率选择合适的凹槽宽度及间距，故在此不对第二凹槽的尺寸规格做特别限定。

优选地，所述第二加热器对应设置有第二测温计，且所述第二测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第二加热器的凹槽，对坩埚盖的顶部表面进行测温。

优选地，所述第三加热器包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热筒。

优选地，所述加热筒由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成第三凹槽。

优选地，所述第三凹槽的长边形状包括直线、波浪线或螺旋线中的任意一种。

本发明中，通过调节第三凹槽的宽度及间距可以调节第三加热器的电阻值，进而调节其输出功率，即可根据实际要求的输出功率选择合适的凹槽宽度及间距，故在此不对第三凹槽的尺寸规格做特别限定。

优选地，所述第三加热器对应设置有第三测温计，且所述第三测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第三加热器的凹槽，对坩埚的外周表面进行测温。

优选地，所述第三测温计的测温点高度与坩埚内碳化硅粉料的装填高度相一致。

本发明中，所述第一加热器、第二加热器、第三加热器和第四加热器的两个电极分别独立地连接于直流电源的正负极，直流电源通过加热器电极向加热器主体通以电流，使得加热器的温度升高，升温后的加热器将热量传递至坩埚，从而使得其中的碳化硅粉料受热升华，进而在坩埚盖的籽晶表面实现晶体生长。

本发明中，所述第一测温计、第二测温计、第三测温计和第四测温计分别独立地通过对应位置的测温开口由外而内依次穿过腔室和隔热箱，所述测温开口处安装有透明材料，且所述透明材料优选为石英。

优选地，所述旋转驱动组件包括依次连接的环状坩埚托、驱动齿轮、支撑轮和驱动轴。

优选地，所述驱动齿轮、支撑轮和驱动轴至少设置3组，且各组之间围绕环状坩埚托呈中心对称排布，从而保证坩埚旋转的稳定性。

本发明中，所述驱动齿轮、支撑轮和驱动轴至少设置3组，例如可以是3组、4组、5组、6组、7组、8组、9组或10组，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述环状坩埚托承托所述坩埚，且所述环状坩埚托的外围设置有与所述驱动齿轮相适配的齿轮结构。

优选地，所述环状坩埚托通过齿轮结构与驱动齿轮相互啮合连接。

优选地，所述驱动齿轮、支撑轮和驱动轴同轴固定连接。

优选地，所述驱动轴由内而外依次穿过隔热箱和腔室，且至少1个驱动轴与腔室外的运动机构连接。

本发明中，所述支撑轮支撑着环状坩埚托和其上坩埚的重量，所述驱动轴的旋转带动支撑轮和驱动齿轮的同轴旋转，继而带动环状坩埚托和其上坩埚反向旋转，使得坩埚内部的温度场呈中心旋转对称，提升了坩埚内碳化硅粉料的受热均匀性。

第二方面，本发明提供一种采用如第一方面所述生长装置进行生长大尺寸碳化硅晶体的方法，所述方法包括控制加热单元的功率以达到下述条件：

（1）晶体生长单元内部空间的径向温度梯度小于第一设定值；

（2）晶体生长单元内部未充满碳化硅粉料空间的生长轴向温度梯度等于第二设定值；

（3）晶体生长单元内部已充满碳化硅粉料空间的粉料轴向温度梯度等于第三设定值。

本发明通过控制加热单元的功率以精确调节径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度均保持在合理范围内，从而实现了以所需要的速率生长高质量的大尺寸碳化硅晶体。

优选地，所述径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度分别独立地通过协同控制第一加热器、第二加热器、第三加热器和第四加热器的功率进行调节。

本发明中，晶体生长单元内部在径向和轴向上的温度梯度并非通过控制某一个加热器的功率来进行调节，而是4个加热器协同控制的结果，只要能够实现上述3个条件即可，在此不对每一个加热器的控制参数及方式做特别限定。

优选地，所述径向温度梯度=(T1-T2)/d，所述生长轴向温度梯度=(T3-T2)/h1，所述粉料轴向温度梯度=(T4-T3)/h2。

其中，T1为第一测温计的温度值，T2为第二测温计的温度值，T3为第三测温计的温度值，T4为第四测温计的温度值；d为第一测温计和第二测温计的测温点之间的径向距离，h1为第二测温计和第三测温计的测温点之间的轴向高度差，h2为第三测温计和第四测温计的测温点之间的轴向高度差。

优选地，所述第一设定值为0-0.5℃/cm，例如可以是0℃/cm、0.05℃/cm、0.1℃/cm、0.15℃/cm、0.2℃/cm、0.25℃/cm、0.3℃/cm、0.35℃/cm、0.4℃/cm、0.45℃/cm或0.5℃/cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，径向温度梯度越大，坩埚盖下表面的晶体生长速度差异越大，即中央区域和外周区域的晶体生长速率不同，导致晶体生长界面呈外凸或者内凹的形状；若是径向温度梯度趋近于零，则晶体生长的速率在各个位置均相同，便可得到平整的生长界面。

优选地，所述第二设定值为5-50℃/cm，例如可以是5℃/cm、10℃/cm、15℃/cm、20℃/cm、25℃/cm、30℃/cm、35℃/cm、40℃/cm、45℃/cm或50℃/cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，生长轴向温度梯度越大，晶体生长速率越大，且有多晶化倾向；生长轴向温度梯度越小，晶体生长速率越小。通过控制生长轴向温度梯度等于第二设定值，可以调控晶体生长速率，进而在坩埚盖的下表面生长碳化硅单晶或多晶。

优选地，所述第三设定值为2-20℃/cm，例如可以是2℃/cm、4℃/cm、6℃/cm、8℃/cm、10℃/cm、12℃/cm、14℃/cm、16℃/cm、18℃/cm或20℃/cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，粉料轴向温度梯度越大，晶体生长速率越大，但粉料中的碳颗粒倾向于被碳化硅蒸气转移至晶体表面造成缺陷；粉料轴向温度梯度越小，晶体生长速率越小。通过控制粉料轴向温度梯度等于第三设定值，可以调控晶体生长速率和质量，进而在坩埚盖的下表面生长碳化硅单晶或多晶。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明在传统生长装置只对晶体生长单元的外周进行加热的基础上，通过对加热单元的结构改进，实现了对晶体生长单元的顶部、外周和底部同步加热，并借助旋转驱动组件实现了晶体生长单元在加热过程中处于旋转状态，且将旋转驱动组件与晶体生长单元的底部边缘相接触，避免了旋转驱动组件对晶体生长单元底部加热的干扰，从而精确调控了晶体生长的温度场，提升了内部温度场的均匀性，进而改善了晶体生长的稳定性，提高了大尺寸（6-8英寸）碳化硅晶体生长的质量、效率和成品率；

（2）本发明通过控制加热单元的功率以精确调节径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度均保持在合理范围内，从而实现了以所需要的速率生长高质量的大尺寸碳化硅晶体。

附图说明

图1是本发明提供的大尺寸碳化硅晶体的生长装置结构示意图；

图2是本发明提供的生长装置中第一加热器的俯视图；

图3是本发明提供的生长装置中第二加热器的俯视图；

图4是本发明提供的生长装置中第三加热器的侧视图；

图5是本发明提供的生长装置中旋转驱动组件的俯视图；

图6是对比例1提供的大尺寸碳化硅晶体的生长装置结构示意图。

其中，1-第一加热器；2-第二加热器；3-第三加热器；4-第四加热器；5-坩埚；6-坩埚盖；7-籽晶；8-碳化硅粉料；9-腔室；91-充气口；92-抽气口；10-隔热箱；11-环状坩埚托；20-坩埚轴；120-驱动齿轮；130-支撑轮；140-驱动轴；101-第一测温计；102-腔室第一测温开口；103-隔热箱第一测温开口；201-第二测温计；202-腔室第二测温开口；203-隔热箱第三测温开口；301-第三测温计；302-腔室第三测温开口；303-隔热箱第三测温开口；401-第四测温计；402-腔室第四测温开口；403-隔热箱第四测温开口；1a-第一凹槽；2a-第二凹槽；3a-第三凹槽。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置，如图1所示，所述生长装置包括由内而外依次嵌套设置的晶体生长单元、加热单元、隔热箱10和腔室9；所述加热单元对晶体生长单元的顶部、外周和底部进行同步加热；所述晶体生长单元的底部设置有旋转驱动组件，且所述旋转驱动组件与晶体生长单元的底部边缘相接触。

具体地，所述晶体生长单元包括坩埚5和坩埚盖6，且所述坩埚盖6朝向坩埚5的一侧表面设置有籽晶7；所述加热单元包括4个加热器，分别为第一加热器1、第二加热器2、第三加热器3和第四加热器4；所述第一加热器1和第二加热器2由内而外同心嵌套设置，且分别设置于坩埚盖6的顶部；所述第三加热器3设置于坩埚5的外周；所述第四加热器4设置于坩埚5的底部；所述4个加热器的材质分别独立地为石墨。所述腔室9上还设置有充气口91和抽气口92，所述抽气口92通过管路和真空泵连接，所述充气口和气体流量计连接，之后和气源连接，并以设定的流量将工艺气体充入腔室9。

如图2所示，所述第一加热器1包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热盘；所述加热盘由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成长边形状为直线的第一凹槽1a。如图1所示，所述第一加热器1对应设置有第一测温计101，且所述第一测温计101由外而内依次穿过腔室第一测温开口102、隔热箱第一测温开口103和第一加热器1的凹槽，对坩埚盖6的顶部表面进行测温。

如图3所示，所述第二加热器2包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热环；所述加热环由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成长边形状为直线的第二凹槽2a。如图1所示，所述第二加热器2对应设置有第二测温计201，且所述第二测温计201由外而内依次穿过腔室第二测温开口202、隔热箱第二测温开口203和第二加热器2的凹槽，对坩埚盖6的顶部表面进行测温。

如图4所示，所述第三加热器3包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热筒；所述加热筒由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成长边形状为直线的第三凹槽3a。如图1所示，所述第三加热器3对应设置有第三测温计301，且所述第三测温计301由外而内依次穿过腔室第三测温开口302、隔热箱第三测温开口303和第三加热器3的凹槽，对坩埚5的外周表面进行测温，且所述第三测温计301的测温点高度与坩埚5内碳化硅粉料8的装填高度相一致。

本实施例中，所述第四加热器4的形状及结构与第一加热器1相同，只是加热器主体的直径及厚度在第一加热器1的基础上做适应性调整，故在此不做赘述。如图1所示，所述第四加热器4对应设置有第四测温计401，且所述第四测温计401由外而内依次穿过腔室第四测温开口402、隔热箱第四测温开口403和第四加热器4的凹槽，对坩埚5的底部表面进行测温。

本实施例中，所述第一加热器1、第二加热器2、第三加热器3和第四加热器4的两个电极分别独立地连接于直流电源（图中未示出）的正负极，直流电源通过加热器电极向加热器主体通以电流，使得加热器的温度升高，升温后的加热器将热量传递至坩埚5，从而使得其中的碳化硅粉料8受热升华，进而在坩埚盖6的籽晶表面实现晶体生长。

本实施例中，所述腔室第一测温开口102、腔室第二测温开口202、腔室第三测温开口302和腔室第四测温开口402处分别安装有石英材料。

如图5所示，所述旋转驱动组件包括依次连接的环状坩埚托11，驱动齿轮120，支撑轮130和驱动轴140。如图1所示，所述环状坩埚托11承托所述坩埚5，且所述环状坩埚托11的外围设置有与所述驱动齿轮120相适配的齿轮结构；所述环状坩埚托11通过齿轮结构与驱动齿轮120相互啮合连接；所述驱动齿轮120，支撑轮130和驱动轴140同轴固定连接；所述驱动轴140由内而外依次穿过隔热箱10和腔室9，并与腔室9外的运动机构（图中未示出）连接。

本实施例中，所述支撑轮130支撑着环状坩埚托11和其上坩埚5的重量，所述驱动轴140的旋转带动支撑轮130和驱动齿轮120的同轴旋转，继而带动环状坩埚托11和其上坩埚5反向旋转，使得坩埚5内部的温度场呈中心旋转对称。

本实施例还提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长方法，所述方法包括控制加热单元的功率以达到下述条件：

（1）晶体生长单元内部空间的径向温度梯度(T1-T2)/d小于0.2℃/cm；

（2）晶体生长单元内部未充满碳化硅粉料8空间的生长轴向温度梯度(T3-T2)/h1等于25℃/cm；

（3）晶体生长单元内部已充满碳化硅粉料8空间的粉料轴向温度梯度(T4-T3)/h2等于10℃/cm。

其中，T1为第一测温计101的温度值，T2为第二测温计201的温度值，T3为第三测温计301的温度值，T4为第四测温计401的温度值；d为第一测温计101和第二测温计201的测温点之间的径向距离，h1为第二测温计201和第三测温计301的测温点之间的轴向高度差，h2为第三测温计301和第四测温计401的测温点之间的轴向高度差。

具体地，所述径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度分别独立地通过协同控制第一加热器1、第二加热器2、第三加热器3和第四加热器4的功率进行调节。

实施例2

本实施例提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法，所述生长装置的具体结构与实施例1相同，故在此不做赘述；所述生长方法包括控制加热单元的功率以达到下述条件：

（1）晶体生长单元内部空间的径向温度梯度(T1-T2)/d小于0.5℃/cm；

（2）晶体生长单元内部未充满碳化硅粉料8空间的生长轴向温度梯度(T3-T2)/h1等于50℃/cm；

（3）晶体生长单元内部已充满碳化硅粉料8空间的粉料轴向温度梯度(T4-T3)/h2等于20℃/cm。

其中，T1为第一测温计101的温度值，T2为第二测温计201的温度值，T3为第三测温计301的温度值，T4为第四测温计401的温度值；d为第一测温计101和第二测温计201的测温点之间的径向距离，h1为第二测温计201和第三测温计301的测温点之间的轴向高度差，h2为第三测温计301和第四测温计401的测温点之间的轴向高度差。

具体地，所述径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度分别独立地通过协同控制第一加热器1、第二加热器2、第三加热器3和第四加热器4的功率进行调节。

实施例3

本实施例提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置及生长方法，所述生长装置的具体结构与实施例1相同，故在此不做赘述；所述生长方法包括控制加热单元的功率以达到下述条件：

（1）晶体生长单元内部空间的径向温度梯度(T1-T2)/d等于0℃/cm；

（2）晶体生长单元内部未充满碳化硅粉料8空间的生长轴向温度梯度(T3-T2)/h1等于5℃/cm；

（3）晶体生长单元内部已充满碳化硅粉料8空间的粉料轴向温度梯度(T4-T3)/h2等于2℃/cm。

其中，T1为第一测温计101的温度值，T2为第二测温计201的温度值，T3为第三测温计301的温度值，T4为第四测温计401的温度值；d为第一测温计101和第二测温计201的测温点之间的径向距离，h1为第二测温计201和第三测温计301的测温点之间的轴向高度差，h2为第三测温计301和第四测温计401的测温点之间的轴向高度差。

具体地，所述径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度分别独立地通过协同控制第一加热器1、第二加热器2、第三加热器3和第四加热器4的功率进行调节。

对比例1

本对比例提供一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置，如图6所示，所述生长装置在实施例1的基础上将旋转驱动组件改为坩埚轴20，且第四加热器4的加热器主体适应性地改为加热环，所述坩埚轴20由外而内依次穿过腔室9、隔热箱10和第四加热器4的加热环空隙，承托着坩埚5的底部中央，并带动坩埚5进行旋转。其余结构均与实施例1相同，故在此不做赘述。

本对比例中，坩埚轴20的直径较粗，特别是对于大尺寸的晶体生长，坩埚轴20不得不加粗。坩埚轴20穿过第四加热器4的加热环空隙，造成坩埚5底部的中央区域无法被加热，而且坩埚5底部中央区域的热量还会被坩埚轴20直接传导至腔室9之外，使得坩埚5底部的温度场呈现中央低、外周高的不均匀效果。由于第三加热器3位于坩埚5的外周，坩埚5底部的温度场本身就呈现中央低、外周高的效果。本对比例中的坩埚轴20加剧了这种中央低、外周高的效果，极大地影响晶体生长的均匀性。若减少坩埚轴20的直径，则会导致大直径的坩埚5缺少足够的支撑面积而变得不稳定。

相较之下，实施例1很好地解决了上述问题：第四加热器4中央无需开孔，可以对坩埚5的底部全部表面进行加热；旋转驱动组件与坩埚5的底部边缘相接触，可以将坩埚5外周的部分热量传导至腔室9之外，从而使得坩埚5底部的温度场呈现中央高、外周低的不均匀效果。由于第三加热器3位于坩埚5的外周，坩埚5底部的温度场本身就呈现中央低、外周高的效果。两者相互抵消，可以使得坩埚5底部中央与外周的温度一致，从而改善了温度场的不均匀性，极大提高了晶体生长的均匀性。

由此可见，本发明在传统生长装置只对晶体生长单元的外周进行加热的基础上，通过对加热单元的结构改进，实现了对晶体生长单元的顶部、外周和底部同步加热，并借助旋转驱动组件实现了晶体生长单元在加热过程中处于旋转状态，且将旋转驱动组件与晶体生长单元的底部边缘相接触，避免了旋转驱动组件对晶体生长单元底部加热的干扰，从而精确调控了晶体生长的温度场，提升了内部温度场的均匀性，进而改善了晶体生长的稳定性，提高了大尺寸（6-8英寸）碳化硅晶体生长的质量、效率和成品率。

此外，本发明通过控制加热单元的功率以精确调节径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度均保持在合理范围内，从而实现了以所需要的速率生长高质量的大尺寸碳化硅晶体。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种大尺寸碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述生长装置包括由内而外依次嵌套设置的晶体生长单元、加热单元、隔热箱和腔室；

所述加热单元对晶体生长单元的顶部、外周和底部进行同步加热；

所述加热单元包括4个加热器，分别为第一加热器、第二加热器、第三加热器和第四加热器；

所述第一加热器和第二加热器由内而外同心嵌套设置，且分别设置于坩埚盖的顶部；

所述第三加热器设置于坩埚的外周；

所述第四加热器设置于坩埚的底部；

所述晶体生长单元的底部设置有旋转驱动组件，且所述旋转驱动组件与晶体生长单元的底部边缘相接触；

所述旋转驱动组件包括依次连接的环状坩埚托、驱动齿轮、支撑轮和驱动轴；

所述驱动齿轮、支撑轮和驱动轴至少设置3组，且各组之间围绕环状坩埚托呈中心对称排布；

所述环状坩埚托承托所述坩埚，且所述环状坩埚托的外围设置有与所述驱动齿轮相适配的齿轮结构；

所述环状坩埚托通过齿轮结构与驱动齿轮相互啮合连接；

所述驱动齿轮、支撑轮和驱动轴同轴固定连接；

所述驱动轴由内而外依次穿过隔热箱和腔室，且至少1个驱动轴与腔室外的运动机构连接。

2.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述晶体生长单元包括坩埚和坩埚盖，且所述坩埚盖朝向坩埚的一侧表面设置有籽晶；

所述4个加热器的材质分别独立地为钨、钼或石墨中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的生长装置，其特征在于，所述第一加热器和第四加热器分别独立地包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热盘；

所述加热盘由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成第一凹槽；

所述第一凹槽的长边形状包括直线、波浪线或螺旋线中的任意一种；

所述第一加热器和第四加热器分别对应地设置有第一测温计和第四测温计，且所述第一测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第一加热器的凹槽，对坩埚盖的顶部表面进行测温；所述第四测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第四加热器的凹槽，对坩埚的底部表面进行测温。

4.根据权利要求3所述的生长装置，其特征在于，所述第二加热器包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热环；

所述加热环由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成第二凹槽；

所述第二凹槽的长边形状包括直线、波浪线或螺旋线中的任意一种；

所述第二加热器对应设置有第二测温计，且所述第二测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第二加热器的凹槽，对坩埚盖的顶部表面进行测温。

5.根据权利要求4所述的生长装置，其特征在于，所述第三加热器包括两个电极和设置于所述两个电极之间的加热筒；

所述加热筒由迂回折弯状的加热条组成，且相邻加热条之间形成第三凹槽；

所述第三凹槽的长边形状包括直线、波浪线或螺旋线中的任意一种；

所述第三加热器对应设置有第三测温计，且所述第三测温计由外而内依次穿过腔室、隔热箱和第三加热器的凹槽，对坩埚的外周表面进行测温；

所述第三测温计的测温点高度与坩埚内碳化硅粉料的装填高度相一致。

6.一种采用如权利要求5所述生长装置进行生长大尺寸碳化硅晶体的方法，其特征在于，所述方法包括控制加热单元的功率以达到下述条件：

（1）晶体生长单元内部空间的径向温度梯度小于第一设定值；

（2）晶体生长单元内部未充满碳化硅粉料空间的生长轴向温度梯度等于第二设定值；

（3）晶体生长单元内部已充满碳化硅粉料空间的粉料轴向温度梯度等于第三设定值；

其中，所述第一设定值为0-0.5℃/cm，所述第二设定值为5-50℃/cm，所述第三设定值为2-20℃/cm。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述径向温度梯度、生长轴向温度梯度和粉料轴向温度梯度分别独立地通过协同控制第一加热器、第二加热器、第三加热器和第四加热器的功率进行调节。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述径向温度梯度=(T1-T2)/d，所述生长轴向温度梯度=(T3-T2)/h1，所述粉料轴向温度梯度=(T4-T3)/h2；

其中，T1为第一测温计的温度值，T2为第二测温计的温度值，T3为第三测温计的温度值，T4为第四测温计的温度值；d为第一测温计和第二测温计的测温点之间的径向距离，h1为第二测温计和第三测温计的测温点之间的轴向高度差，h2为第三测温计和第四测温计的测温点之间的轴向高度差。

Images