CN115679449B - 一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶体生长设备技术领域，尤其涉及一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，包括第一坩埚以及第二坩埚，所述第一坩埚倒扣在第二坩埚上端，使得第一坩埚与第二坩埚之间形成用于碳化硅晶体生长的内含空间，在碳化硅晶体生长的过程中第二坩埚的位置能够上下调节，所述第一坩埚与第二坩埚之间还设置有缓冲装置。本发明通过控制坩埚内的辅助热源装置，克服坩埚厚度、线圈安置位置差异性等因素的影响，调节坩埚内温度分布，保证长晶区域径向温度分布的均匀性，并且在第一坩埚和第二坩埚之间增设的缓冲层在一定程度上可以减少第二坩埚向下运动所造成的第一坩埚的振动所引起的晶体生长过程中的微管位错等缺陷的产生。

Description

一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚

技术领域

本发明涉及一种晶体生长设备技术领域，尤其涉及一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚。

背景技术

碳化硅器件由于具有耐高温高压和低损耗等优良的物理化学性能而备受半导体界青睐。气相升华法(PVT)广泛应用于碳化硅晶体生长领域，其基本原理是坩埚受感应线圈作用产生热量加热碳化硅原料粉源使之分解升华并输运到籽晶表面结晶，得到具有一定结构的单晶碳化硅。

传统PVT法制备碳化硅单晶的过程中，由于坩埚放置位置的差异性、坩埚厚度、加热线圈磁场强弱等物理因素会影响径向温度的分布不均，从而引起长晶界面附近温度分布的差异较大，导致晶体厚度不均匀。此外，由于碳化硅晶体在生长过程中，随着晶体的长大，晶体的生长面不断向下延伸，当晶体的生长面处于不同的垂直高度时，所受到的热场环境不同，使得在不同高度条件下的碳化硅晶体的品质不均匀。

从长远发展来看，有必要发明一种碳化硅晶体生长装置，以克服上述不足。

发明内容

为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，

包括第一坩埚以及第二坩埚，所述第一坩埚倒扣在第二坩埚上端，使得第一坩埚与第二坩埚之间形成用于碳化硅晶体生长的内含空间；

所述第二坩埚的底部设置有一个坩埚承座，所述坩埚承座的底部设置有用于驱动第二坩埚上下调节其位置的坩埚升降组件，所述第二坩埚的内侧壁设置有辅助热源装置，从而在碳化硅晶体生长的过程中通过调整第二坩埚的位置从而维持碳化硅晶体生长界面温度稳定性；

所述第一坩埚与第二坩埚之间还设置有缓冲装置；

所述第二坩埚内部还设置有用于对碳化硅气体进行导流的导流装置。

本发明中的复合型坩埚相较于传统的用于碳化硅晶体生长用坩埚而言，其由原本单一结构的坩埚转变为由第一坩埚以及第二坩埚所组成的复合型坩埚，相较于传统坩埚而言，本发明中的坩埚的内侧壁上设置有辅助热源装置，其能够有效缓解碳化硅晶体的生长界面处径向温度不均匀的现象。同时，由于第二坩埚能够随着碳化硅晶体的生长，从而不断调整第二坩埚的上下位置，因此能够保证碳化硅晶体的生长界面的热场条件能够始终保持一致，使得在不同纵向高度下的碳化硅晶体的品质也能保持均匀。

其次，申请人也注意到，在碳化硅晶体生长的过程中受到外界的震动也会导致碳化硅晶体内部缺陷的产生。因此本发明在第一坩埚与第二坩埚之间还设置有缓冲装置，其能够有效吸收第二坩埚在上下升降调整位置时所产生的震动，从而进一步减少了碳化硅晶体的内部缺陷。

最后，本发明中还在第二坩埚内部设置导流装置，其能够对升华得到的碳化硅气体起到良好的导流作用，从而将碳化硅气体有目的的输送至碳化硅的晶体生长界面处，提升了碳化硅生长的效率。

作为优选，所述缓冲装置环绕装配在第一坩埚侧壁内壁上；

所述缓冲装置包括第一侧壁和第二侧壁；

所述第一侧壁和所述第二侧壁之间含有第一装置空间。

作为优选，所述第二坩埚的侧壁包含第三侧壁和第四侧壁；

所述第三侧壁装置在第一装置空间中，从而第三侧壁在第一装置空间中能够上下升降调节位置；

所述第三侧壁与所述第四侧壁之间含有第二装置空间；

所述第二装置空间内装置有第二侧壁，且第二侧壁在第二侧壁中能够上下升降调节位置。

本发明中第二坩埚以及缓冲装置均包含有两条侧壁，并且第二坩埚与缓冲装置之间能够分别通过侧壁相互嵌套，从而提升了两者之间的接触面积，使得缓冲装置能够充分吸收第二坩埚的震动，减少了晶体生长过程中的微管位错等缺陷的产生。同时在第二坩埚升降的过程中能够对第二坩埚的移动路径进行限位，保证了在上下移动的过程中不会偏移，从而产生不必要的震动。

作为优选，所述辅助热源装置包括位于第二坩埚内侧壁呈环形的第一辅助热源以及位于第二坩埚内侧壁顶部呈环形的第二辅助热源；

所述第一辅助热源的中心处连接设置有一多孔石墨板。

本发明中的辅助热源装置其由上下位置不同且呈环形的第一辅助热源以及第二辅助热源构成，当碳化硅气体依次经过第二辅助热源以及第一辅助热源以后，其温度能够得到有效的均匀，使得在碳化硅晶体生长的过程中原本存在的径向温度分布不均的问题能够被很好的克服。

此外，申请人发现，在碳化硅气体升华的过程中会在碳化硅气体中掺杂一定的碳颗粒，这些碳颗粒在碳化硅的生长过程中会形成碳包覆物的产生，因此本发明在第一辅助热源的中心处连接设置有一多孔石墨板，其对碳化硅气体具有良好的通过性能，但是对于碳化硅气体中的碳颗粒能够具有良好的过滤作用，从而有利于减少晶体中碳包覆物的产生，提高晶体品质。

作为优选，所述第一辅助热源的温度高于所述第二辅助热源的温度。

作为优选，第一辅助热源可提供的温度范围为2000-2500℃。

作为优选，第二辅助热源可提供的温度范围为1800-2350℃。

作为优选，所述导流装置包括第一导流装置和第二导流装置；

所述第一导流装置位于第一辅助热源的下方，所述第一导流装置的底部安装于第二坩埚内侧壁，其顶部朝向多孔石墨板延伸；

所述第一导流装置底部与第二坩埚底部之间合围形成用于收纳碳化硅原料粉源的第一容纳空间；

所述第一导流装置的底部与第一导流装置的顶部之间合围形成第一导流空间。

作为优选，第一导流空间为扩口状，且扩口半径随着垂直位置的高度的增加而减小。

作为优选，所述第二导流装置位于第二辅助热源的下方，所述第二导流装置的底部安装于多孔石墨板的边缘，其顶部朝向第二导流装置延伸；

所述多孔石墨板与第二导流装置顶部之间合围形成第二导流空间；

所述第二导流装置顶部与第一坩埚顶部之间合围形成用于容纳碳化硅晶体生长的第二容纳空间。

作为优选，第二导流空间为扩口状，且扩口半径随着垂直位置的高度的增加而增大。

作为优选，所述多孔石墨板与所述第一辅助热源之间可以是整体的一体式结构，也可以是相互可拆开的结构。

作为优选，所述第一导流装置和第四侧壁之间可以是整体的一体式结构，也可以是相互可拆开的结构。

作为优选，所述第二导流装置和多孔石墨板之间可以是整体的一体式结构，也可以是相互可拆开的结构。

作为优选，所述多孔石墨板的孔径范围为2~10μm，其外表面设置有耐高温涂层。

作为优选，所述第一坩埚的顶部固定连接设置有一个籽晶。

作为优选，坩埚升降组件的升降速度范围为0.01-200mm/h。

因此，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过控制坩埚内的辅助热源装置，克服坩埚厚度、线圈安置位置差异性等因素的影响，调节坩埚内温度分布，保证长晶区域径向温度分布的均匀性；

（2）第二坩埚在升降组件的控制下向下运动，在第一坩埚和第二坩埚之间增设的缓冲层在一定程度上可以减少第二坩埚向下运动所造成的第一坩埚的振动所引起的晶体生长过程中的微管位错等缺陷的产生；

（3）所配置的多孔石墨板有利于减少晶体中碳包覆物的产生，提高晶体品质。

附图说明

图1为本申请实施例中提供的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚的结构示意简图。

图2为本申请实施例中提供的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚中内含空间的空间结构划分示意图。

图3为本申请实施例中提供的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚中部分构件及其内含装置空间示意图；

其中：（a）为缓冲层的示意图，（b）为第二坩埚的示意图；

图4为一种用于升华法生长碳化硅晶体的传统坩埚的结构示意简图。

图5为材料升华的初始状态时，第二容纳空间垂直方向上的径向温度差异；

图中横坐标为0的位置表示第二容纳空间在垂直方向上的起始位置；图例a坩埚所采纳图4所示的一种用于升华法生长碳化硅晶体的传统坩埚，图例b坩埚所采纳图1所示的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚。

图标：11-第一坩埚；12-第二坩埚；121-第三侧壁；122-第四侧壁；13-坩埚承座；14-坩埚升降组件；21-缓冲装置；211-第一侧壁；212-第二侧壁；31-第一辅助热源；32-第二辅助热源；33-多孔石墨板；41-第一导流装置；42-第二导流装置；51-籽晶；601-第一装置空间；602-第二装置空间；701-第一容纳空间；702-第一导流空间；703-第二导流空间；704-第二容纳空间；81-传统坩埚；82-传统坩埚顶盖。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1以及图3所示，本发明实施例中提供了一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，该装置可以应用于碳化硅单晶的生长。本发明提出的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，包括坩埚部件10、缓冲装置21、辅助热源装置30和导流装置40。

其中坩埚部件10包含第一坩埚11、第二坩埚12、坩埚承座13和坩埚升降组件14。所述第一坩埚11倒扣在第二坩埚12上端，使得第一坩埚11与第二坩埚12之间形成用于碳化硅晶体生长的内含空间。所述第一坩埚11包含顶壁和侧壁，所述第一坩埚11的侧壁和顶壁之间构成收纳空间，所述第一坩埚11的顶壁下表面装置有籽晶51。所述第一坩埚侧壁内壁表面装置有缓冲装置21，且缓冲装置21环绕第一坩埚11侧壁内壁安装。其中，所述缓冲装置21含有第一侧壁211和第二侧壁212。

所述第二坩埚12装置于第一坩埚的收纳空间中，所述第二坩埚12的底部设置有一个坩埚承座13，所述坩埚承座13的底部设置有用于驱动第二坩埚12上下调节其位置的坩埚升降组件14。所述第二坩埚12包含底壁和侧壁，所述第二坩埚12的侧壁包含且分为第三侧壁121和第四侧壁122，所述第一侧壁211和所述第二侧壁212之间含有第一装置空间601，所述第三侧壁121装置在第一装置空间601中且在第一装置空间601中能够进行垂直方向上的相对运动；所述第三侧壁121与所述第四侧壁122之间含有第二装置空间602，所述第二装置空间602内装置有第二侧壁212且第二侧壁212在第二装置空间602中能够进行垂直方向上的相对运动。

所述辅助热源装置安装在第四侧壁122，所述辅助热源包含第一辅助热源31和第二辅助热源32，所述第一辅助热源31连接有多孔石墨板33。

所述第二坩埚12内含空间中安装有导流装置40，所述导流装置分为第一导流装置41和第二导流装置42。第一导流装置41安装于第四侧壁122，且位于第一辅助热源31的下方，第一导流装置41的底部安装于第四侧壁122内侧壁，其顶部朝向多孔石墨板33延伸。第二导流装置42位于第二辅助热源32的下方，所述第二导流装置42的底部安装于多孔石墨板33的边缘，其顶部朝向第二导流装置42延伸。

结合图2所示，在第一坩埚11和第二坩埚12构成的内含空间中，所述第二坩埚12底壁与所述第四侧壁122位于第一导流装置41以下部分所围合的空间为第一容纳空间701，第一容纳空间701用于收纳碳化硅原料粉源；所述第一导流装置41的底部与第一导流装置41的顶部之间合围形成第一导流空间702；多孔石墨板33与第二导流装置42顶部之间合围形成第二导流空间703，第二导流装置42顶部与第一坩埚11顶部之间合围形成用于容纳碳化硅晶体生长的第二容纳空间704。所述第一容纳空间701、第一导流空间702、第二导流空间703和第二容纳空间704依次联通。

应用本发明实施例中提供的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚装置，在碳化硅晶体生长的过程中，将碳化硅原料粉源收纳于装置的第二坩埚12中，具体地为将碳化硅原料粉源收纳于第二坩埚12的第一容纳空间701中，在长晶的过程中，第一坩埚11和第二坩埚12在外加线圈（图中未示出）产生的磁场的作用下产生热量并加热粉源使之升华，升华的气相物质经过第一导流空间进入多孔石墨板33，多孔石墨板33可用于吸附气相物质中的碳颗粒，有利于减少结晶物质中的碳包裹杂质的形成，通过多孔石墨板33的气相物质经过第二导流空间703定向导流至第二容纳空间704并在结晶表面进行结晶。

在结晶的过程中，第一辅助热源31和第二辅助热源32通过电阻加热的方式产生热量且第一辅助热源所产生的热量比第二辅助热源高约5-10K，第一辅助热源31配置成向第一导流空间702和第二导流空间703提供热源，第二辅助热源32配置成向第二容纳空间704提供热源，调节气相物质所经过的导流空间和第二容纳空间704的温度差异，特别是减小第二容纳空间704的径向温度差异，大大提高晶体生长的一致性。

在结晶的过程中，随着结晶的进行，坩埚承座13随着坩埚升降组件14向下运动，坩埚升降组件14的初始向下运动速度为0.1mm/h，以使得碳化硅结晶界面始终处于第二容纳空间704的顶部。

第二坩埚在升降组件的控制下向下运动的过程中，在第一坩埚和第二坩埚之间增设的缓冲层在一定程度上可以减少第二坩埚向下运动所造成的第一坩埚的振动所引起的晶体生长过程中的微管位错等缺陷的产生，有利于提高晶体品质。

作为对比，图4出示了一种用于升华法生长碳化硅晶体的传统坩埚的结构示意简图，图中包括传统坩埚81以及覆盖于传统坩埚81上方的传统坩埚顶盖82。

由以上所述，采用模拟仿真的方法，建立升华法生长碳化硅晶体的热场仿真模型，应用的主要仿真工艺条件为：

针对图4所示一种用于升华法生长碳化硅晶体的传统坩埚，采用线圈（图中未示出）为单导线线圈组，通入电流为900 A，坩埚内气氛压力为10 mbar；

针对本发明提供的用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，采用线圈（图中未示出）为单导线线圈组，通入电流为900 A，坩埚内气氛压力为10 mbar，第一辅助热源31相较于第二辅助热源32所提供的热源温度高5K，坩埚升降组件14的初始下降速率为0.1 mm/h。

图5所示为材料升华的初始状态时，第二容纳空间704垂直方向上的径向温度差异，图中横坐标为0的位置表示第二容纳空间在垂直方向上的起始位置，图例a坩埚所采纳图4所示的一种用于升华法生长碳化硅晶体的传统坩埚，图例b坩埚所采纳图1所示的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，可以看出，采用本发明提供的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚能够获得长晶界面附近更为均匀的径向温度分布，有利于晶体在径向方向上更均匀的结晶。

以上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形，因此所以等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

包括第一坩埚（11）以及第二坩埚（12），所述第一坩埚（11）倒扣在第二坩埚（12）上端，使得第一坩埚（11）与第二坩埚（12）之间形成用于碳化硅晶体生长的内含空间；

所述第二坩埚（12）的底部设置有一个坩埚承座（13），所述坩埚承座（13）的底部设置有用于驱动第二坩埚（12）上下调节其位置的坩埚升降组件（14），所述第二坩埚（12）的内侧壁设置有辅助热源装置（30），从而在碳化硅晶体生长的过程中通过调整第二坩埚（12）的位置从而维持碳化硅晶体生长界面温度稳定性；

所述辅助热源装置（30）包括位于第二坩埚（12）内侧壁呈环形的第一辅助热源（31）以及位于第二坩埚（12）内侧壁顶部呈环形的第二辅助热源（32）；

所述第一辅助热源（31）的中心处连接设置有一多孔石墨板（33）；

所述第一辅助热源（31）的温度高于所述第二辅助热源（32）的温度

所述第一坩埚（11）与第二坩埚（12）之间还设置有缓冲装置（21）；

所述第二坩埚（12）内部还设置有用于对碳化硅气体进行导流的导流装置（40）。

2.根据权利要求1所述的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

所述缓冲装置（21）环绕装配在第一坩埚（11）侧壁内壁上；

所述缓冲装置（21）包括第一侧壁（211）和第二侧壁（212）；

所述第一侧壁（211）和所述第二侧壁（212）之间含有第一装置空间（601）。

3.根据权利要求2所述的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

所述第二坩埚（12）的侧壁包含第三侧壁（121）和第四侧壁（122）；

所述第三侧壁（121）装置在第一装置空间（601）中，从而第三侧壁（121）在第一装置空间（601）中能够上下升降调节位置；

所述第三侧壁（121）与所述第四侧壁（122）之间含有第二装置空间（602）；

所述第二装置空间（602）内装置有第二侧壁（212），且第二侧壁（212）在第二侧壁（212）中能够上下升降调节位置。

4.根据权利要求1所述的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

所述导流装置（40）包括第一导流装置（41）和第二导流装置（42）；

所述第一导流装置（41）位于第一辅助热源（31）的下方，所述第一导流装置（41）的底部安装于第二坩埚（12）内侧壁，其顶部朝向多孔石墨板（33）延伸；

所述第一导流装置（41）底部与第二坩埚（12）底部之间合围形成用于收纳碳化硅原料粉源的第一容纳空间（701）；

所述第一导流装置（41）的底部与第一导流装置（41）的顶部之间合围形成第一导流空间（702）。

5.根据权利要求4所述的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

所述第二导流装置（42）位于第二辅助热源（32）的下方，所述第二导流装置（42）的底部安装于多孔石墨板（33）的边缘，其顶部朝向第二导流装置（42）延伸；

所述多孔石墨板（33）与第二导流装置（42）顶部之间合围形成第二导流空间（703）；

所述第二导流装置（42）顶部与第一坩埚（11）顶部之间合围形成用于容纳碳化硅晶体生长的第二容纳空间（704）。

6.根据权利要求1所述的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

所述多孔石墨板（33）的孔径范围为2~10μm，其的外表面设置有耐高温涂层。

7.根据权利要求1所述的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

所述第一坩埚（11）的顶部固定连接设置有一个籽晶（51）。

8.根据权利要求1所述的一种用于升华法生长碳化硅晶体的复合型坩埚，其特征在于，

坩埚升降组件（14）的升降速度范围为0.01-200mm/h。

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