CN115573029A - 一种大尺寸碳化硅生长装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种大尺寸碳化硅生长装置，包括生长室以及储料室，储料室设置在生长室的正下方，并与生长室连通；储料室内的底部设置有隔离件，隔离件的外壁与储料室的内壁形成环形的储料空间以及物质流通道，物质流通道用于供碳化硅生长气氛从储料室向生长室流动。储料空间可更好的利用侧部高温，由此可带来更好的升华效果，将储料空间内的碳化硅生长用原料充分升华并通过物质流通道以及孔道传输生长气氛进而优化物质流以避免源晶接触。
Description
技术领域
本发明涉及半导体碳化硅制备领域，尤其涉及一种大尺寸碳化硅生长装置。
背景技术
碳化硅(SiC)作为继Si、GaAs之后发展起来的第三代宽禁带半导体材料，由于其具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、热导率高、化学稳定性好等优良的物理化学特性，是制造高性能电力电子器件、固体微波器件和固体传感器等新型器件以及耐高温集成电路的优选衬底材料。近年来，SiC单晶材料和器件产业已成为高科技领域中的战略性产业，在全世界范围内掀起了SiC器件研究高潮。
目前，生长大尺寸体块SiC单晶最成熟有效的方法是物理气相传输(PhysicalVaporTransport，PVT)法，其中，SiC单晶生长系统通常采用中频感应加热方式。具体的，在晶体生长时，将石墨坩埚外围缠绕保温材料后放置于感应线圈中央，线圈通入高频的交流电后产生交变磁场，石墨坩埚处在交变磁场中产生涡流，涡流产生焦耳热使坩埚温度升高，通过热传导、热辐射和热对流传热方式，将热量传递到坩埚内部，从而加热生长碳化硅生长用原料和籽晶，进而建立起SiC单晶生长的温度场，此温度场沿径向具有不均匀性，造成生长碳化硅生长用原料边缘区温度(T-edge)较中心区域温度(T-center)高，料面的温差ΔT＝T-edge-T-center。
目前碳化硅单晶量产水平只做到6英寸，8英寸以及更大尺寸的碳化硅在生长制备的过程中，随着晶体尺寸扩大，对应生长用碳化硅生长用原料表面的温差ΔT会随之升高，因此受表面温差影响的生长碳化硅生长用原料升华不均匀性更明显。升华及物质流输运的不均匀性导致料面中部表面再结晶严重甚至堵塞物质流输运通道，且物质气氛向料面中部传输使碳化硅生长用原料和晶体可能发生接触风险。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种大尺寸碳化硅生长装置。
本发明采取的技术方案如下：
本申请提供一种大尺寸碳化硅生长装置，包括生长室以及储料室，所述储料室设置在所述生长室的正下方，并与所述生长室连通；所述储料室内的底部设置有隔离件，所述隔离件的外壁与所述储料室的内壁形成环形的储料空间以及物质流通道，所述物质流通道用于供碳化硅生长气氛从储料室向所述生长室流动。
实际使用时，所述大尺寸碳化硅生长装置放置在加热器中央被加热，但加热器中感应线圈产生的温度场具有不均匀性，中心温度低，边缘温度高。所述隔离件的设置使储料室内形成环状储料空间，当所述大尺寸碳化硅生长装置在设置有感应线圈的加热器中进行生长碳化硅时，可以极大的缓解径向温差，同时可以更好的利用侧部高温以带来更好的升华效果，将储料空间内的碳化硅生长用原料充分升华并通过所述物质流通道传输生长气氛进而优化物质流以避免源晶接触。
需要说明的是，此处的大尺寸碳化硅是指8英寸以及更大尺寸的碳化硅晶锭。
进一步的，所述储料室的内周直径大于所述生长室的内周直径，所述物质流通道上设置有滤网，所述滤网用于过滤碳化硅生长气氛中的C夹杂物。
所述储料室的内周直径大于所述生长室的内周直径便于形成更大的储料空间，同时更充分利用侧部高温以带来更好的升华效果。所述滤网使碳化硅生长气氛能够通过，而碳化硅生长气氛中的一些C夹杂物不能通过，以此可优化生成的碳化硅晶锭的纯度。
进一步的，所述隔离件为圆柱状，所述圆柱状的隔离件中空设置，所述圆柱状隔离件的顶部以及周侧体壁上形成有若干孔道，所述孔道的孔径小于碳化硅生长用原料的颗粒尺寸，所述孔道用于供储料室内的下层碳化硅生长气氛从储料室向所述生长室流动。
储料室下层的碳化硅生长用原料的生长气氛也可以通过所述孔道从储料室流动至所述生长室，在缓解了加热器温度场径向不均匀性的同时增强了升华效果，孔道的孔径小于碳化硅生长用原料的颗粒尺寸可以在一定程度上避免孔道被碳化硅生长用原料封堵的情况发生。
进一步的，所述圆柱状隔离件周侧体壁上的孔道横向设置并略向上倾斜，其倾斜角度大小在25～60度之间，所述圆柱状隔离件顶部的孔道纵向设置。
横向设置并略向上倾斜的孔道便于碳化硅生长气氛流向生长室。
进一步的，所述隔离件的材料为石墨，所述石墨表面镀有金属Ta。
石墨隔离件可以过滤碳化硅生长气氛中的杂质，所述隔离件略向上倾斜的孔道也利于石墨与碳化硅生长气氛充分接触；石墨表面镀上金属Ta，能够提高所述隔离件的表面硬度、增加所述隔离件的耐磨性以及耐腐蚀性，以提高所述隔离件的使用寿命。
实际运用时，储料室的碳化硅生长气氛依次通过所述石墨隔离件周侧体壁上的孔道以及顶部的孔道向生长室流动时，其杂质均可以在石墨孔道中被过滤。
进一步的，所述隔离件设置在所述储料室的正中位置，所述隔离件的下底与所述储料室的底部固定。
相较侧部高温区，所述环形柱的隔离件所在位置为中心低温区，中心低温区的隔离件以及环状的储料空间有利于缓解碳化硅生长用原料升华的的不均匀性。所述隔离件上表面因缺乏底部碳化硅生长用原料与气氛传输，可避免表面沉积以致碳化硅生长用原料和晶体接触。
进一步的，所述隔离件的高度大于等于80mm。
隔离件的高度过低不利于储料空间存储碳化硅生长用原料。
进一步的，所述储料室上部形成有投料口，所述投料口有多个，所述多个投料口间隔设置。
多个投料口的设置便于碳化硅生长用原料的添加。
进一步的，还包括料口盖，所述料口盖与所述投料口可拆卸配合。
实际运用时，打开料口盖，通过所述投料口投放一定量的碳化硅生长用原料，通过转动台将碳化硅生长用原料匀平，保证投放碳化硅生长用原料高度不超过所述隔离件的高度，紧接着盖上料口盖以封闭所述储料室。实际运用时，所述碳化硅生长用原料可以为粉料、陶瓷料或者晶化料。
进一步的，所述生长室形成有籽晶安装入口；所述大尺寸碳化硅生长装置还包括籽晶，所述籽晶通过所述籽晶安装入口安装在所述生长室的上部，所述籽晶用作碳化硅生长的衬底。
所述籽晶安装入口便于籽晶的安装，以及生成碳化硅晶锭的拿取。
本发明的有益效果是：
(1)当所述大尺寸碳化硅生长装置在设置有感应线圈的加热器中进行生长碳化硅时，隔离件的设置可以极大的缓解径向温差，同时可以更好的利用侧部高温以带来更好的升华效果，将储料空间内的碳化硅生长用原料充分升华并通过所述物质流通道传输生长气氛进而优化物质流以避免源晶接触。
(2)储料室内碳化硅生长用原料的生长气氛可以同时通过隔离件的外壁与储料室的内壁形成的物质流通道以及隔离件内部若干孔道向生长室流动，以带来更好的升华效果。
(3)物质流通道上设置的滤网以及石墨材质的隔离件可以过滤碳化硅生长气氛中的杂质，优化碳化硅晶锭生成的纯度。
附图说明
图1是大尺寸碳化硅生长装置及生长示意图；
图2是大尺寸碳化硅生长装置俯视示意图。
图中各附图标记为：
1、生长室；2、储料室；3、隔离件；4、储料空间；5、物质流通道；6、投料口；7、料口盖；8、碳化硅生长用原料；9、籽晶安装入口；10、籽晶；11、滤网；12、孔道。
具体实施方式
下面结合各附图，对本发明做详细描述。
如图1、2所示，本申请提供一种大尺寸碳化硅生长装置，包括生长室1以及储料室2，储料室2设置在生长室1的正下方，并与生长室1连通；储料室2内的底部设置有隔离件3，隔离件3的外壁与储料室2的内壁形成环形的储料空间4以及物质流通道5，物质流通道5用于供碳化硅生长气氛从储料室2向生长室1流动。
实际使用时，大尺寸碳化硅生长装置放置在加热器中央被加热，但加热器中感应线圈产生的温度场具有不均匀性，中心温度低，边缘温度高。隔离件3的设置使储料室2内形成环状的储料空间4，当大尺寸碳化硅生长装置在设置有感应线圈的加热器中进行生长碳化硅时，可以极大的缓解径向温差，同时可以更好的利用侧部高温以带来更好的升华效果，将储料空间内的碳化硅生长用原料8充分升华并通过物质流通道5传输生长气氛进而优化物质流以避免源晶接触。
需要说明的是，此处的大尺寸碳化硅是指8英寸以及更大尺寸的碳化硅晶锭。
于本实施例中，储料室2的内周直径大于生长室1的内周直径，物质流通道5上设置有滤网11，滤网11用于过滤碳化硅生长气氛中的C夹杂物。
储料室2的内周直径大于生长室1的内周直径便于形成更大的储料空间4，同时更充分利用侧部高温以带来更好的升华效果。滤网11使碳化硅生长气氛能够通过，而碳化硅生长气氛中的一些C夹杂物不能通过，以此可优化生成的碳化硅晶锭的纯度。
如图1所示，于本实施例中，隔离件3为圆柱状，圆柱状的隔离件3中空设置，圆柱状隔离件3的顶部以及周侧体壁上形成有若干孔道12，孔道12的孔径小于碳化硅生长用原料8的颗粒尺寸，孔道12用于供储料室2内的下层碳化硅生长气氛从储料室2向生长室1流动。
储料室2下层的碳化硅生长用原料8的生长气氛也可以通过孔道12从储料室2流动至生长室1，在缓解了加热器温度场径向不均匀性的同时增强了升华效果，孔道12的孔径小于碳化硅生长用原料8的颗粒尺寸可以在一定程度上避免孔道12被碳化硅生长用原料8封堵的情况发生。
实际运用时，储料室2内碳化硅生长用原料8的生长气氛可以同时通过隔离件3的外壁与储料室2的内壁形成的物质流通道5以及隔离件3内部若干孔道12向生长室1流动，以带来更好的升华效果。
于其他实施例中，隔离件3可以为环形柱，环形柱的柱体上设置孔道12。
于本实施例中，圆柱状隔离件3周侧体壁上的孔道12横向设置并略向上倾斜，其倾斜角度大小在25～60度之间，圆柱状隔离件3顶部的孔道12纵向设置。
横向设置并略向上倾斜的孔道12便于碳化硅生长气氛流向生长室1。
于本实施例中，隔离件3的材料为石墨，石墨表面镀有金属Ta。
石墨隔离件3可以过滤碳化硅生长气氛中的杂质，隔离件3略向上倾斜的孔道12也利于石墨与碳化硅生长气氛充分接触；石墨表面镀上金属Ta，能够提高隔离件3的表面硬度、增加隔离件3的耐磨性以及耐腐蚀性，以提高隔离件3的使用寿命。
实际运用时，储料室2的碳化硅生长气氛依次通过石墨隔离件3周侧体壁上的孔道12以及顶部的孔道12向生长室1流动时，其杂质均可以在石墨孔道12中被过滤。
于本实施例中，隔离件3设置在储料室2的正中位置，隔离件3的下底与储料室2的底部固定。
于其他实施例中，隔离件3与储料室2一体式制造成型。
隔离件3与储料室2一体式制造可节约安装工序。
相较侧部高温区，环形柱的隔离件3所在位置为中心低温区，中心低温区的隔离件3以及环状的储料空间4有利于缓解碳化硅生长用原料8升华的的不均匀性。隔离件3上表面因缺乏底部碳化硅生长用原料8与气氛传输，可避免表面沉积以致碳化硅生长用原料8和晶体接触。
于本实施例中，隔离件3的高度为100mm，隔离件3的外径为210mm，储料室2的内径为270mm，储料室2内部高度为90mm，生长室1的内径为210mm。
隔离件3的高度过低不利于储料空间4存储碳化硅生长用原料8。
实际运用时，隔离件3的高度大于等于80mm，且当隔离件3外径大于等于生长室1内径时，储料室2的内部高度大于隔离件3的高。
于本实施例中，储料室2上部形成有投料口6，投料口6有4个，多个投料口6间隔设置。
4个间隔设置的投料口6便于碳化硅生长用原料8的添加。
于其他实施例中，投料口6的个数可以为6个或者8个。
于本实施例中，还包括料口盖7，料口盖7与投料口6可拆卸配合。
实际运用时，打开料口盖7，通过投料口6投放一定量的碳化硅生长用原料8，通过转动台将碳化硅生长用原料8匀平，保证投放碳化硅生长用原料8高度不超过隔离件3的高度，紧接着盖上料口盖7以封闭储料室2。实际运用时，碳化硅生长用原料8可以为粉料、陶瓷料或者晶化料。
于本实施例中，生长室1形成有籽晶安装入口9。
于本实施例中，还包括籽晶10，籽晶10通过籽晶安装入口9安装在生长室1的上部，籽晶10用作碳化硅生长的衬底。
籽晶安装入口9便于籽晶10的安装以及生成碳化硅晶锭的拿取。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，包括生长室以及储料室，所述储料室设置在所述生长室的正下方，并与所述生长室连通；所述储料室内的底部设置有隔离件，所述隔离件的外壁与所述储料室的内壁形成环形的储料空间以及物质流通道，所述物质流通道用于供碳化硅生长气氛从储料室向所述生长室流动。
2.如权利要求1所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述储料室的内周直径大于所述生长室的内周直径，所述物质流通道上设置有滤网，所述滤网用于过滤碳化硅生长气氛中的C夹杂物。
3.如权利要求1所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述隔离件为圆柱状，所述圆柱状的隔离件中空设置，所述圆柱状隔离件的顶部以及周侧体壁上形成有若干孔道，所述孔道的孔径小于碳化硅生长用原料的颗粒尺寸，所述孔道用于供储料室内的下层碳化硅生长气氛从储料室向所述生长室流动。
4.如权利要求3所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述圆柱状隔离件周侧体壁上的孔道横向设置并略向上倾斜，其倾斜角度大小在25～60度之间，所述圆柱状隔离件顶部的孔道纵向设置。
5.如权利要求1所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述隔离件的材料为石墨，所述石墨表面镀有金属Ta。
6.如权利要求1所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述隔离件设置在所述储料室的正中位置，所述隔离件的下底与所述储料室的底部固定。
7.如权利要求1所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述隔离件的高度大于等于80mm。
8.如权利要求1所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述储料室上部形成有投料口，所述投料口有多个，所述多个投料口间隔设置。
9.如权利要求8所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，还包括料口盖，所述料口盖与所述投料口可拆卸配合。
10.如权利要求1所述的一种大尺寸碳化硅生长装置，其特征在于，所述生长室形成有籽晶安装入口；所述大尺寸碳化硅生长装置还包括籽晶，所述籽晶通过所述籽晶安装入口安装在所述生长室的上部，所述籽晶用作碳化硅生长的衬底。
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