CN115558986B - 一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的物理气相运输法坩埚结构，属于晶体生长中的热场设计技术领域。一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，包括坩埚本体和设置在所述坩埚本体顶部外表的石墨材质的环形散热片；所述的环形散热片至少具有一个，并且环形散热片的圆心位于所述坩埚本体的中心线。本发明提出的具有环形散热片的坩埚，在气相法生长碳化硅过程中，可以通过增强散热的方式，降低籽晶边缘处的温度，从而提高籽晶生长过程中的温度均匀性，为籽晶生长创造更好的温度条件。本发明设计的散热结构，不仅适用于碳化硅生长坩埚，同样适用于其他物理气相运输法生长的晶体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的物理气相运输法坩埚结构，属于晶体生长中的热场设计技术领域。
背景技术
碳化硅是一种优良的半导体，第三代半导体的代表性材料，在电子设备制造领域表现出了十分卓越的性能。由于具有如高热导率、较高的饱和电子迁移率以及宽禁带、高击穿电压等优异半导体性能，碳化硅在许多新兴领域的展现了非常广阔的应用前景，如高性能雷达、电动汽车以及5G通讯等。国外碳化硅商业化生产已形成较为成熟的市场，而国内碳化硅商业化仍处于起步阶段，目前碳化硅商业化生产主要依靠物理气相运输（PVT）法，该方法的原理主要是依靠碳化硅在高温下升华，并随着介质输送至低温籽晶表明重新结晶，达到生长单晶的目的。如授权公告号为CN 214300468 U的实用新型专利，公开了一种碳化硅单晶生长用坩埚。所述坩埚包括侧壁、底部和由所述侧壁和底部围成的内腔，所述内腔用于物理气相传输法生长碳化硅单晶，所述侧壁的至少部分设为透气性石墨材料，所述透气性石墨材料用于向所述碳化硅单晶处渗透氮气。目前依靠该方法生产出的产品以4寸、6寸为主。受尺寸及生长速度的限制，目前商业化生产碳化硅的成本仍较高，碳化硅晶圆售价也较硅晶圆高很多。
提高半导体产量、降低生产成本最主要的方法是在保证晶体生长质量的前提下，提高生长速率，增大生长尺寸。而随着晶体尺寸的增大（如8寸），晶体在生长过程中，尤其是生长初期，籽晶径向温度分布不均匀现象凸显，容易造成晶体内部开裂、位错密度增加等问题，且由于径向晶体生长速度不一致，晶体生长扩径速度也会降低，这也是大尺寸碳化硅商业化生产的难点之一。
授权公告号为CN 214032755 U的实用新型专利公开了一种可径向调节温度梯度的碳化硅生长装置，包括坩埚、籽晶及多个冷却管。坩埚用于容置原料，籽晶呈圆柱状，且位于坩埚内，并靠近坩埚的顶部设置。多个冷却管用于供冷却介质通过，且均为环状管，并同心设置。多个冷却管均与籽晶的顶端平行，且与籽晶顶端同心，并靠近籽晶顶端设置。该可径向调节温度梯度的碳化硅生长装置能够径向调整籽晶的温度梯度。该装置需要设置冷却管还需要通入冷却介质，由于坩埚内温度超高，这种方法难以实践。
发明内容
本发明旨在通过建立适宜碳化硅晶体生长的热场解决以上技术问题，提出了一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚。本发明的坩埚，在传统坩埚的顶部外壁增加了若干环形肋片，通过肋片的散热作用，可以一定程度上降低籽晶边缘处温度，使得籽晶各处温度梯度更均匀。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，包括坩埚本体和设置在所述坩埚本体顶部外表的石墨材质的环形散热片；所述的环形散热片至少具有一个，并且环形散热片的圆心位于所述坩埚本体的中心线。
基于物理气相运输法晶体生长特点，晶体在坩埚中生长过程中，中心处温度低，边缘处温度较高，将造成生长界面外凸现象，这种不均匀情况对籽晶初期生长影响尤为严重。本发明上述技术方案中，在传统坩埚的顶部外壁增加了若干环形肋片，通过肋片的散热作用，使得籽晶各处温度梯度更均匀。
作为上述技术方案的优选，所述环形散热片的厚度为0.05~0.2R，R为籽晶设计半径。
本发明上述技术方案中，籽晶设计半径与坩埚本体内部空间的大小有关，通常略小于坩埚本体内部空间的横切面的半径。
作为上述技术方案的优选，还包括设置在所述坩埚本体顶部外表的中心部位的石墨材质的柱形散热件；所述柱形散热件的直径为0.05~0.2R，R为籽晶设计半径。
作为上述技术方案的优选，不同环形散热片的高度由内至外逐渐增加。
作为上述技术方案的优选，所述柱形散热件的高度低于所述环形散热片。
本发明的环形散热件基于籽晶所在圆的圆心进行了环形分布，边缘环形散热片高度大于靠近中心的环形散热片，以保证边缘处降温效果更好。更有利于提高边缘区的籽晶生长速度，促进籽晶的长大。
作为上述技术方案的优选，所述环形散热片的间距由内至外逐渐减小。
作为上述技术方案的优选，所述柱形散热件与最靠近其的环形散热片的距离大于环形散热片的间距。
作为上述技术方案的优选，所述的环形散热片具有两个，包括中部散热片和外部散热片，所述的中部散热片设置于籽晶设计半径的3/5R位置处，所述的外部散热片设置于籽晶设计半径的4/5R位置处。
作为上述技术方案的优选，所述柱形散热件的直径为1/10R，所述环形散热片的厚度均为1/10R；所述柱形散热件的高度为1/10R，所述中部散热片的高度为1/5R，所述外部散热片的高度为2/5R，R为籽晶设计半径。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的具有环形散热片的坩埚，在气相法生长碳化硅过程中，可以通过增强散热的方式，降低籽晶边缘处的温度，从而提高籽晶生长过程中的温度均匀性，为籽晶生长创造更好的温度条件。由于本发明提出的环形散热片很容易通过控制高度和间距来调整籽晶散热效率，因此，具有很强的适应性。本发明设计的散热结构，不仅适用于碳化硅生长坩埚，同样适用于其他物理气相运输法生长的晶体。同时，本发明具有成本低，可靠性高，适应性强，可重复利用的优点。
附图说明
图 1 为坩埚剖面结构示意图；
图2为碳化硅籽晶表面处的温度梯度分布情况图；
附图标记包括：1、环形散热片，2-籽晶，3-气体生长区，4-坩埚本体，5-碳化硅粉源区，6-柱形散热件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的解释说明。
本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。
如图1所示，一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚；包括坩埚本体4、设置在所述坩埚本体顶部外表的石墨材质的两个环形散热片1和设置在所述坩埚本体顶部外表的中心部位的石墨材质的柱形散热件6。并且两个环形散热片1的圆心都位于所述坩埚本体4的中心线。
如图1所示，石墨坩埚本体内部，设置有气体生长区3，气体生长区3下方放置有碳化硅粉源区；在气相法生长碳化硅过程中，随着时间的推移，石墨坩埚内部的顶部会形成一籽晶2。
如图1所示，整体装置尺寸设置如下：
L1 = 3/5R；
L2 = 4/5R；
δ = 1/10R；
H1 = 2/5R；
H2 = 1/5R；
H3 = 1/10R；
其中，R为籽晶设计半径（本实施例中设计为8寸，即R=100mm），L1、L2为环形散热片的半径，δ为环形散热片的厚度或者柱形散热件的直径，H1、H2为环形散热片的高度，H3为柱形散热件的高度。
本发明设计的环形散热片为边缘高，中间低，且边缘处间距较小，其主要目的是使得籽晶边缘处更多热量沿肋片散出去，以降低籽晶边缘处温度，提高籽晶径向温度分布的均匀性，减少晶体生长过程中籽晶生长界面的凸度，提高晶体生长的质量。图2给出了无肋片与有肋片结构下，达到稳定生长状态时，碳化硅籽晶表面处的温度梯度分布情况。从图2可以看出，采用本发明设计的环形肋片后，籽晶沿径向温度梯度分布均匀性得到了明显的提高（尤其是半径0.02m-0.08m范围内），这对于降低籽晶生长过程中内应力及开裂风险有利。
实际运用过程中，可适当调整环形散热片高度或间距，以适应不同坩埚结构下的散热需求，尽可能地保证籽晶内部温度分布的均匀性。
Claims (8)
1.一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：包括坩埚本体（4）和设置在所述坩埚本体顶部外表的石墨材质的环形散热片（1）；所述的环形散热片（1）至少具有一个，并且环形散热片（1）的圆心位于所述坩埚本体（4）的中心线；
所述环形散热片（1）的厚度为0.05~0.2R，R为籽晶设计半径；
还包括设置在所述坩埚本体顶部外表的中心部位的石墨材质的柱形散热件（6）；所述柱形散热件（6）的直径为0.05~0.2R，R为籽晶设计半径。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：不同环形散热片（1）的高度由内至外逐渐增加。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：所述柱形散热件（6）的高度低于所述环形散热片（1）。
4.根据权利要求3所述的一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：不同环形散热片（1）的高度由内至外逐渐增加。
5.根据权利要求1所述的一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：所述环形散热片（1）的间距由内至外逐渐减小。
6.根据权利要求1所述的一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：所述柱形散热件（6）与最靠近其的环形散热片（1）的距离大于环形散热片（1）的间距。
7.根据权利要求1所述的一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：所述的环形散热片（1）具有两个，包括中部散热片和外部散热片，所述的中部散热片设置于籽晶设计半径的3/5R位置处，所述的外部散热片设置于籽晶设计半径的4/5R位置处。
8.根据权利要求7所述的一种用于提高大尺寸碳化硅籽晶生长温度均匀性的坩埚，其特征在于：所述柱形散热件（6）的直径为1/10R，所述环形散热片（1）的厚度均为1/10R；所述柱形散热件（6）的高度为1/10R，所述中部散热片的高度为1/5R，所述外部散热片的高度为2/5R，R为籽晶设计半径。
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