CN115287748A - 一种用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚。本发明中通过在坩埚体底部设置粉源座，并于粉源座内粉源收纳块收纳腔中装置粉源收纳块(粉源收纳块中收纳有附加粉源，附加粉源可以为单质硅粉源和/或单质碳粉源)，以利用粉源收纳块尺寸以及孔隙率等因素使附加粉源在受热条件下以一定速率升华并释放至坩埚体内腔空间中，从而调节腔内气相组分的含量、维持气相组分的均衡，减少甚至避免传统坩埚或工艺中碳化硅单晶结晶时气氛富硅化或富碳化对结晶的负面影响，并进而减少碳化硅单晶结晶缺陷，实现碳化硅单晶快速而高质量的生长。

Description

一种用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚。
背景技术
碳化硅(SiC)是应用前景宽广的第三代半导体材料，其具有优良的物理、化学性能，可以广泛地应用于电动汽车、航空航天和通信工程中。
通常，碳化硅单晶的生产方法包括液相法、化学气相沉积法和物理气相传输法(升华法)。目前，升华法技术被广泛应用于大尺寸、高质量碳化硅单晶的生长，其优点包括长晶速度快、长晶质量高以及污染小等。采用升华法生长碳化硅单晶的过程中碳化硅粉源会收纳在坩埚内，再采用感应磁场使得坩埚产生大量热量以加热坩埚内的碳化硅粉源，使之升华为气相组分，相应气相组分在热场等作用下从坩埚底部向坩埚顶部传输至结晶界面，以促成碳化硅单晶的结晶。
然而，在碳化硅粉源升华的过程中，由于温度、压力等容易使得坩埚空腔内的气氛趋于富硅化或富碳化，富硅化或富碳化的坩埚空腔内气氛作用在碳化硅粉源表面或者碳化硅结晶界面时容易使得碳化硅粉源表面或碳化硅结晶界面处出现富硅化或富碳化现象，从而使得碳化硅单晶的结晶体中出现硅或碳的包裹物，造成长晶缺陷，降低晶体结晶质量。
同时，大尺寸碳化硅单晶的生长往往需要应用较大径向尺寸的坩埚，导致坩埚内碳化硅粉源受热在径向方向上的不均匀性增大，引起坩埚空腔内特别是碳化硅单晶结晶界面附近气相组分分布的不均匀，不利于大尺寸碳化硅晶体的高质量结晶。
发明内容
针对上述问题，现提供一种用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，以有效解决现有技术中存在的问题。
具体技术方案如下：
一种用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，包括坩埚顶盖和坩埚体，具有这样的特征，坩埚顶盖与坩埚体结合组成坩埚整体，坩埚整体内含空腔，空腔用于收纳粉源并包含气相组分传递的空间；坩埚体底部设有粉源座，粉源座的横截面呈圆环状，且粉源座内沿环向方向上间隔设有粉源收纳块收纳腔，粉源收纳块收纳腔的横截面呈圆弧状，粉源收纳块收纳腔的顶部开口与坩埚体内腔体连通，坩埚顶盖朝向坩埚体的一侧黏附有碳化硅籽晶。
进一步的，粉源座的中心轴与坩埚体的中心轴共线。
进一步的，粉源座内粉源收纳块收纳腔以坩埚体的中心轴为轴线延伸设置。
进一步的，粉源座上粉源收纳块收纳腔内对应装置有粉源收纳块，粉源收纳块的横截面呈圆弧状且填满对应粉源收纳块收纳腔，粉源收纳块为多孔固体材料，粉源收纳块内收纳有单质硅粉源和/或单质碳粉源。
进一步的，粉源座上粉源收纳块收纳腔的尺寸可相同或不相同。
进一步的，粉源收纳块的孔隙率为10％-90％，且不同的粉源收纳块的孔隙率可相同或不相同。
进一步的，粉源座的高度不超过坩埚内空腔高度的1/2。
进一步的，粉源座在径向方向上的宽度不超过坩埚体内腔直径的1/8。
上述方案的有益效果是：
本发明中通过在坩埚体底部设置粉源座，并于粉源座内粉源收纳块收纳腔中装置粉源收纳块(粉源收纳块中收纳有附加粉源，附加粉源可以为单质硅粉源和/或单质碳粉源)，以利用粉源收纳块尺寸以及孔隙率等因素使附加粉源在受热条件下以一定速率升华并释放至坩埚体内腔空间中，从而调节腔内气相组分的含量、维持气相组分的均衡，减少甚至避免传统坩埚或工艺中碳化硅单晶结晶时气氛富硅化或富碳化对结晶的负面影响，并进而减少碳化硅单晶结晶缺陷，实现碳化硅单晶快速而高质量的生长。
本发明提出的坩埚设计能增大碳化硅粉源的受热面积，有效地减少了大尺寸坩埚内碳化硅粉源受热所造成的径向温度差异，有益于提高晶体长晶质量。
附图说明
图1为本发明的实施例中提供的坩埚的结构示意图；
图2为本发明的实施例中提供的坩埚的俯视结构示意图；
图3为本发明的实施例中提供坩埚体的剖视结构示意图。
附图中：1、坩埚顶盖；2、籽晶；3、粉源收纳块收纳腔；301、第一粉源收纳块收纳腔(含第一粉源收纳块)；302、第二粉源收纳块收纳腔(含第二粉源收纳块)；4、坩埚体；402、粉源座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1至图3所示，本发明的实施例中提供的坩埚包括坩埚顶盖1和坩埚体4，上述坩埚体4底部设有粉源座402，粉源座402的横截面呈圆环状，粉源座402内设有第一粉源收纳块收纳腔301和第二粉源收纳块收纳腔302，粉源收纳块收纳腔的横截面呈圆弧状，且粉源收纳块收纳腔与坩埚体4内腔体连通，坩埚顶盖1朝向坩埚体4的一侧黏附有碳化硅籽晶2。
考虑到一方面在传统升华法生长碳化硅单晶的过程中坩埚空腔中的气氛由于高温、器具材质等问题易出现富硅化或富碳化现象，导致碳化硅单晶内缺陷增多，不利于生长高质量碳化硅单晶；另一方面，在升华法生长大尺寸碳化硅单晶过程中由于坩埚尺寸较大，使得坩埚内收纳的碳化硅粉源受热不均匀，导致径向方向气相组分分布不均匀，不利于高质量碳化硅晶体的生长。因而本发明中通过在坩埚体4内设置粉源座402，并相应于粉源座402的粉源收纳块收纳腔内装置粉源收纳块(粉源收纳块内收纳有单质硅粉源和/或单质碳粉源)，在感应磁场作用下坩埚体4及其粉源座402产生热量加热粉源(粉源包含坩埚底部收纳的碳化硅粉源以及粉源收纳块中收纳的单质硅粉源和/或单质碳粉源)，粉源收纳块中的粉源受热后以一定速率升华并释放至坩埚体4内腔空间中(粉源收纳块中的粉源升华释放至坩埚内腔空间的速率与粉源收纳块的尺寸及孔隙率等因素相关)，从而调节腔内气相组分的含量、维持气相组分的均衡，减少甚至避免传统坩埚或工艺中碳化硅单晶结晶时气氛富硅化或富碳化对结晶的负面影响，并进而减少碳化硅单晶结晶缺陷，实现碳化硅单晶快速而高质量的生长。
此外，相较于现有技术，本发明中涉及的粉源座402还增加了碳化硅粉源的受热面积，减小了碳化硅粉源的径向温度分布差异，以维持坩埚体4内含硅气相组分和含碳气相组分的平衡。
具体的，本发明中粉源座402横截面呈圆环状，粉源座内含粉源收纳块收纳腔3，粉源收纳块收纳腔的横截面呈圆弧状，且粉源收纳块收纳腔3通过其顶部开口与坩埚体4内腔体连通；为进一步从径向方向上调节温度分布，本发明中粉源座402的中心轴与坩埚体4的中心轴共线，且第一粉源收纳块收纳腔301及第二粉源收纳块收纳腔302以坩埚体4的中心轴为轴线延伸设置。
具体的，本发明中粉源座402的高度不超过坩埚体2内腔体高度的1/2，且粉源座402在径向方向上的宽度不超过坩埚体4内腔直径的1/8，本发明中粉源收纳块中粉源释放至坩埚内腔中的速率可以通过收纳块的孔隙率控制，因此粉源座的尺寸不宜设置过大，避免过多占用碳化硅粉源的粉源收纳块收纳腔或碳化硅单晶的长晶空间。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，包括坩埚顶盖和坩埚体，其特征在于，所述坩埚顶盖与所述坩埚体结合组成坩埚整体，所述坩埚整体内含空腔，所述空腔用于收纳粉源并包含气相组分传递的空间；所述坩埚体底部设有粉源座，所述粉源座的横截面呈圆环状，且所述粉源座内沿环向方向上间隔设有粉源收纳块收纳腔，所述粉源收纳块收纳腔的横截面呈圆弧状，所述粉源收纳块收纳腔的顶部开口与所述坩埚体内腔体连通，所述坩埚顶盖朝向所述坩埚体的一侧黏附有碳化硅籽晶。
2.根据权利要求1所述的用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，其特征在于，所述粉源座的中心轴与所述坩埚体的中心轴共线。
3.根据权利要求1或2所述的用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，其特征在于，所述粉源座内所述粉源收纳块收纳腔以所述坩埚体的中心轴为轴线延伸设置。
4.根据权利要求3所述的用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，其特征在于，所述粉源座上所述粉源收纳块收纳腔内对应装置有粉源收纳块，所述粉源收纳块的横截面呈圆弧状且填满对应所述粉源收纳块收纳腔，所述粉源收纳块为多孔固体材料，所述粉源收纳块内收纳有单质硅粉源和/或单质碳粉源。
5.根据权利要求4所述的用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，其特征在于，所述粉源座上所述粉源收纳块收纳腔的尺寸可相同或不相同。
6.根据权利要求4所述的用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，其特征在于，所述粉源收纳块的孔隙率为10％-90％，且不同的所述粉源收纳块的孔隙率可相同或不相同。
7.根据权利要求4所述的用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，其特征在于，所述粉源座的高度不超过坩埚内空腔高度的1/2。
8.根据权利要求4所述的用于升华法制备碳化硅单晶的坩埚，其特征在于，所述粉源座在径向方向上的宽度不超过所述坩埚体内腔直径的1/8。
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