CN115821372A - 晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种晶体生长装置，涉及晶体制备技术领域，该晶体生长装置包括坩埚体、坩埚盖、分隔件以及加热件，坩埚体包括相连的坩埚底壁与坩埚侧壁，坩埚底壁和坩埚侧壁围合形成腔室。坩埚盖盖设于坩埚侧壁上与坩埚底壁相对的一侧，且坩埚该朝向坩埚底壁的一侧用于设置第一籽晶。分隔件设置于腔室内，其朝向坩埚底壁的一侧用于设置第二籽晶，朝向坩埚盖的一侧用于承载第一碳化硅粉料，坩埚底壁用于承载第二碳化硅粉料。加热件设置在坩埚侧壁的外周，用于使第一碳化硅粉料和第二碳化硅升华，并使升华后的生长气氛运动至所述第一籽晶和所述第二籽晶进行结晶。从而在一次生长周期内就可以得到至少两颗碳化硅晶体，提高了产能。

Description

晶体生长装置

技术领域

本申请涉及晶体制备技术领域，尤其是涉及一种晶体生长装置。

背景技术

碳化硅(SiC)是第三代宽带隙半导体材料的代表材料，其禁带宽度大、临界击穿电场强度高、载流子饱和迁移速度高、热导率高，并具有极好的化学稳定性正是基于上述优异的物理化学性质，SiC在微电子和光电子领域有着广泛的应用。

目前碳化硅单晶生长以物理气相沉积法(PVT)为主要生长方式，将碳化硅粉料放入坩埚后，在2100℃以上温度与低压环境下将碳化硅粉料直接升华成气体，并沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶处沉积结晶。

然而，目前由于坩埚内由于热场影响仅能放置单颗籽晶，这就使得一个生长周期内只能生长一颗碳化硅单晶，产能较低。

发明内容

本申请的目的在于提供一种晶体生长装置，提高了产能。

本申请提供了一种晶体生长装置，包括坩埚体，所述坩埚体包括相连的坩埚底壁与坩埚侧壁，所述坩埚底壁与所述坩埚侧壁围合形成有腔室；

坩埚盖，所述坩埚盖盖设于所述坩埚侧壁与所述坩埚底壁相对的一侧，且所述坩埚盖朝向所述坩埚底壁的一侧用于设置第一籽晶；

分隔件，设置于所述腔室内，所述分隔件朝向所述坩埚底壁的一侧用于设置第二籽晶，所述分隔件朝向所述坩埚盖的一侧用于承载第一碳化硅粉料；所述坩埚底壁用于承载第二碳化硅粉料；

加热件，设置于所述坩埚侧壁的外周，用于使所述第一碳化硅粉料和所述第二碳化硅粉料升华，并使升华后的生长气氛运动至所述第一籽晶和所述第二籽晶进行结晶。

本申请实施例的有益效果包括：

通过在坩埚体的腔室内设置分隔件，再利用加热件对坩埚体加热时，即可使得坩埚底壁上承载的第二碳化硅粉料以及分隔件上承载的第一碳化硅粉料升华，并通过加热件在坩埚内形成的温度梯度使得升华的生长气氛分别在第一籽晶和第二籽晶上结晶生长，从而在一次生长周期内就可以得到至少两颗碳化硅晶体，提高了产能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例晶体生长装置的示意图。

图标：10-坩埚体；11-坩埚侧壁；12-坩埚底壁；13-第一生长腔室；14-第二生长腔室；15-第一碳化硅粉料；16-第二碳化硅粉料；20-坩埚盖；30-第一籽晶；40-分隔件；41-中间部；42-周部；50-第二籽晶；60-导流筒；70-原料筒；80-加热件；81-第一加热件；82-第二加热件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图1，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请实施例提供了一种晶体生长装置，包括坩埚体10、坩埚盖20、分隔件40、加热件80、真空装置和保护气输入装置。

坩埚体10以及盖设在坩埚顶部的坩埚盖20是整个晶体生长装置的主体结构，以为碳化硅晶体提供生长的环境和场所。加热件80主要用于为坩埚加热，以保证其内部能达到碳化硅晶体生长所需的温度。真空装置主要用于对坩埚的内部进行抽真空作用，以便于进行碳化硅晶体的生长作业。保护气输入装置主要用于向坩埚内输入氩气等惰性气体，以作为保护气来保证碳化硅制备作业的高效进行。

坩埚以及坩埚盖20采用高纯高密度的石墨材质制成，整体中空的圆柱状，其中，坩埚体10包括相连的坩埚底壁12与坩埚侧壁11，坩埚体10与坩埚侧壁11共同围成腔室，腔室的顶部为开口状，从而可以通过坩埚的顶部开口向腔室内放入碳化硅粉料，碳化硅粉料为制备碳化硅晶体的原料，以保证生长得到碳化硅晶体，在将碳化硅粉料放入坩埚内后，碳化硅粉料则在重力作用下沉积在坩埚的底壁之上，由此通过坩埚的底壁来承载碳化硅粉料。当然坩埚的形状还可以根据需求进行调整，例如可以是方形柱等。

坩埚盖20则盖设于坩埚侧壁11上与坩埚底壁12相对的一侧，且坩埚盖20朝向坩埚底壁12的一侧用于设置第一籽晶30，第一籽晶30具体可以是设置在坩埚盖20的中心位置，其作为生长碳化硅晶体的种子，可以提供一个现成的结晶中心，通常呈薄片状。

分隔件40设置在腔室内，且分隔件40朝向坩埚底壁12的一侧用于设置第二籽晶50，以作为生长碳化硅晶体的种子。分隔件40朝向坩埚盖20的一侧则可以用来承载碳化硅粉料。

加热件80设置在坩埚侧壁11的外周，用于提供热量，以使分隔件40上承载的第一碳化硅粉料15和坩埚底壁12上承载的第二碳化硅粉料16升华，并使升华后的生长气氛运动至第一籽晶30和第二籽晶50处进行结晶。

这样一来，通过在坩埚内设置分隔件40，再利用加热件80对坩埚加热时，即可使得坩埚底壁12上承载的第二碳化硅粉料16以及分隔件40上承载的第一碳化硅粉料15升华，并通过加热件80在坩埚内形成的温度梯度使得升华的生长气氛分别在第一籽晶30和第二籽晶50上结晶生长，从而在一次生长周期内就可以得到至少两颗碳化硅晶体，提高了产能。

在本实施例中，分隔件40的数量为一个，以将坩埚体10的腔室分隔为第一生长腔室13和第二生长腔室14，第一生长腔室13由坩埚侧壁11和分隔件40围合成，第二生长腔室14由分隔件40、坩埚侧壁11和坩埚底壁12围合成，第一籽晶30位于第一生长腔室13，第二籽晶50位于第二生长腔室14，加热件80的数量为两个，分为第一加热件81和第二加热件82，第一加热件81对应于第一生长腔室13设置，第二加热件82对应于第二生长腔室14设置。从而通过两个加热件80分别对第一生长腔室13和第二生长腔室14内的碳化硅粉料进行加热升华，并形成温度梯度使升华后的生长气氛运动至第一籽晶30或第二籽晶50处进行结晶，由此在一个生长周期内能够同时产出两颗碳化硅晶体。

加热件80可以为绕设于坩埚外周侧的磁感线圈，磁感线圈通过电磁感应加热的方式对坩埚进行加热，加热效率高且加热效果好，从而通过双磁感线圈的上下排布来分别对第一生长腔室13和第二生长腔室14提供合适的温度梯度。

当然，在一些实施例中，分隔件40的数量也可以是两个以上，相应加热件80的数量较分隔件40的数量多一个，由于每个分隔件40朝向坩埚底壁12的一侧设置有第二籽晶50，每个分隔件40朝向坩埚盖20的一侧承载有碳化硅粉料，从而每一个生长周期内能够产出三颗以上的碳化硅晶体。每个加热件80也可以是呈周向间隔环绕在坩埚外侧的多个加热棒。

分隔件40包括中间部41以及连接在中间部41的外周缘的周部42，周部42连接于坩埚侧壁11，中间部41为中空构造，中间部41朝向坩埚底壁12的一侧用于设置第二籽晶50。通过周部42连接在坩埚侧壁11，从而实现整个分隔件40的在坩埚内的固定，其中,由于分隔件40上的温度一般是通过热传递的方式，而将中间部41设置为中空构造，从而使得中间部41温度低于周部42的温度，以使得分隔件40形成径向温梯，进而使得设置在中间部41上的第二籽晶50的生长界面能够形成径向温梯，保证第二生长腔室14内的碳化硅晶体的生长能够正常进行。

其中，可以是在坩埚侧壁11上设置一环形的支撑台阶面，从而周部42直接抵接在该支撑台阶面上，由此实现分隔件40在腔室内的设置，同时利于将分隔件40取出，以向坩埚底壁12放置碳化硅粉料或者将生长结束后的残渣取出。

周部42和中间部41之间可以是可拆卸连接，由此便于将中间部41单独取出，以放置第二籽晶50。当然，在一些实施例中，周部42和中间部41也可以是一体式结构。

在本实施例中，周部42被配置为供由第二碳化硅封料升华后生长气氛通过，并拦截由第二碳化硅粉料16升华后的生长气氛携带的碳颗粒，由此，可以使得第二生长腔室14内的多余生长气氛通过该周部42过渡到第一生长腔室13内，以在第一籽晶30处结晶，提高原料利用率，同时，通过周部42能够拦截生长气氛中携带的碳颗粒，以提高第一籽晶30处生长的碳化硅晶体的质量。其中，周部42为具有多孔结构的石墨材质，以具有气氛流通作用以及拦截气氛中携带的碳颗粒的功能。周部42的厚度可以为10～20mm，周部42的孔隙率可以为40～50％。

由于坩埚体10和坩埚盖20均由石墨材料制成，在碳化硅晶体生长过程中，生长气氛与坩埚和坩埚盖20直接接触会使得坩埚和坩埚盖20被腐蚀形成碳颗粒，这些碳颗粒在生长气氛的携带下混入碳化硅晶体，导致碳化硅晶体的生长质量较差。

为了改善上述缺陷，因此在本实施例中，晶体生长装置还包括导流筒60，导流筒60的一端抵接于坩埚盖20，以能够与第一籽晶30的外周缘配合，导流筒60的另一端则抵接于分隔件40。

通过该导流筒60的设置，能够在碳化硅晶体的生长过程中生长气氛进行遮蔽，防止生长气氛与坩埚体10和坩埚盖20直接接触，从而防止杂质混入碳化硅晶体，保证碳化硅单晶的生长质量，并且能够防止生长气氛对坩埚体10和坩埚盖20造成腐蚀，延长坩埚体10和坩埚盖20的使用寿命。

其中，导流筒60可以是由金属碳化物的材质，例如碳化坦、碳化铌等致密耐高温材料，有良好的保温性能和致密性能，以防止生长气氛与坩埚和坩埚该直接接触。

导流筒60大致呈锥形，沿着坩埚底壁12至坩埚盖20的方向，导流筒60的内径尺寸逐渐减小至能够与第一籽晶30的外径相适配，从而使得该导流筒60的一端与第一籽晶30的外周缘配合。如此设置，能够使得导流筒60引导气生长气氛在第一籽晶30处聚集，以加大晶体结晶率和扩径能力。

第一生长腔室13内还设置有原料筒70，原料筒70的一端抵接于导流筒60靠近分隔件40的一端，原料筒70的另一端抵接于分隔件40，即导流筒60通过原料筒70间接抵接于分隔件40，原料筒70和分隔件40共同用于承载第一碳化硅粉料15。由此，通过原料筒70和分隔件40共同围住碳化硅粉料，以起到承载作用，而原料筒70的设置也能够便于热量在坩埚的侧壁和分隔件40之间的热传导，从而使得分隔件40上承载的碳化硅粉料能够快速受热，提高导热效率和生长速度。

此外，导流筒60的另一端还贴合于坩埚侧壁11，同时原料筒70也贴合坩埚侧壁11，从而进一步提高导热效果和生长速度。同时，仅使导流筒60和原料筒70均与坩埚之间贴合，也能够便于导流筒60和原料筒70的取出和装配。

可以理解的是，在一些实施例中，也可以不设置原料筒70，导流筒60直接与分隔件40相抵接也是可行的，例如将原料筒70设置为同轴相连的直筒段和锥筒段，直筒段远离锥筒段的一端与分隔件40相抵接，锥筒段远离直筒段的一端与坩埚盖20相抵接，直筒段和分隔件40共同来承载第一碳化硅粉料15，且沿着坩埚底壁12至坩埚盖20的方向，锥筒段的内径尺寸逐渐减小至能够与第一籽晶30的外径相适配，从而使得该锥筒段远离直筒段的一端与第一籽晶30的外周缘配合。

下面对本申请的实施例提供的碳化硅晶体生长设备的装配过程、工作原理以及有益效果进行详细地介绍：

该晶体生长装置进行装配作业时，先将碳化硅粉料装入坩埚体10的腔室内，以在坩埚底壁12上形成第二碳化硅粉料16，然后在第二碳化硅粉料16的上方放置分隔件40的周部42，然后在分隔件40的中间部41上设置第二籽晶50，再将中间部41装在周部42中。接着，装入原料筒70，然后向原料筒70内放入碳化硅粉料，以在分隔件40上形成第一碳化硅粉料15，然后装入导流筒60以及带有第一籽晶30的坩埚盖20。

在进行生长时，首先利用抽真空装置将坩埚内的气压降低到5x10^-2mbar以下，然后利用保护气输入装置向坩埚内输入氩气，控制坩埚内压力在600～800mbar，利用加热件80(如水冷式感应线圈通电)加热坩埚，同时通入200～800sccm的惰性气体，加热到2000～2300℃。维持温度1～5h后，停止通入氩气，并调节充入坩埚内的氩气流量控制压力在5～100mbar，温度继续加热到2050～2250℃。此时，碳化硅粉料开始升华变成生长气氛，由于坩埚内设置第一籽晶30和第二籽晶50的区域温度较低，因此生长气氛会沿着温度梯度从高温区域流向低温区域，以在第一籽晶30和第二籽晶50的生长表面上沉积结晶；其中，第二生长腔室14内的生长气氛可以通过分隔件40的周部42进入第一生长腔室13，然后流入导流筒60中以接触第一籽晶30，经过5～10天的沉积结晶时间，第一籽晶30和第二籽晶50均完成碳化硅晶体的生长，从而在一个生长周期内得到两颗碳化硅晶体。

综上，本申请实施例的晶体生长装置，通过在坩埚体10的腔室内设置分隔件40，再利用加热件80对坩埚体10加热时，即可使得坩埚底壁12上承载的第二碳化硅粉料16以及分隔件40上承载的第一碳化硅粉料15升华，并通过加热件80在坩埚内形成的温度梯度使得升华的生长气氛分别在第一籽晶30和第二籽晶50上结晶生长，从而在一次生长周期内就可以得到至少两颗碳化硅晶体，提高了产能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：

坩埚体，所述坩埚体包括相连的坩埚底壁与坩埚侧壁，所述坩埚底壁与所述坩埚侧壁围合形成有腔室；

坩埚盖，所述坩埚盖盖设于所述坩埚侧壁与所述坩埚底壁相对的一侧，且所述坩埚盖朝向所述坩埚底壁的一侧用于设置第一籽晶；

分隔件，设置于所述腔室内，所述分隔件朝向所述坩埚底壁的一侧用于设置第二籽晶，所述分隔件朝向所述坩埚盖的一侧用于承载第一碳化硅粉料；所述坩埚底壁用于承载第二碳化硅粉料；

加热件，设置于所述坩埚侧壁的外周，用于使所述第一碳化硅粉料和所述第二碳化硅粉料升华，并使升华后的生长气氛运动至所述第一籽晶和所述第二籽晶进行结晶。

2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述分隔件的数量为一个，以将所述腔室分隔为第一生长腔室和第二生长腔室，所述坩埚侧壁与所述分隔件围合成所述第一生长腔室，所述分隔件、所述坩埚侧壁与所述坩埚底壁围合成所述第二生长腔室；

所述加热件包括：第一加热件和第二加热件，所述第一加热件对应于所述第一生长腔室设置，所述第二加热件对应于所述第二生长腔室设置。

3.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述加热件为绕设于所述坩埚外周侧的磁感线圈。

4.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述分隔件包括中间部以及连接在所述中间部的外周缘的周部，所述周部连接于所述坩埚侧壁，所述中间部为中空构造，所述中间部朝向所述坩埚底壁的一侧用于设置所述第二籽晶。

5.根据权利要求4所述的晶体生长装置，其特征在于，所述周部被配置为供由所述第二碳化硅粉料升华后的生长气氛通过，并拦截由所述第二碳化硅粉料升华后的生长气氛携带的碳颗粒。

6.根据权利要求5所述的晶体生长装置，其特征在于，所述周部为具有多孔结构的石墨材质。

7.根据权利要求6所述的晶体生长装置，其特征在于，所述周部的厚度为10～20mm；

和/或，

所述周部的孔隙率为40～50％。

8.根据权利要求2所述的晶体生长装置，其特征在于，所述第一生长腔室内还设置有导流筒，所述导流筒的一端抵接于所述坩埚盖，所述导流筒的另一端抵接于所述分隔件。

9.根据权利要求8所述的晶体生长装置，其特征在于，所述导流筒呈锥形，沿所述坩埚底壁至所述坩埚盖的方向，所述导流筒的内径尺寸逐渐减小至能够与所述第一籽晶的外径相适配。

10.根据权利要求8所述的晶体生长装置，其特征在于，所述第一生长腔室内还设置有原料筒，所述原料筒的一端抵接于所述导流筒靠近所述分隔件的一端，所述原料筒的另一端抵接于所述分隔件，所述原料筒和所述分隔件共同用于承载所述第一碳化硅粉料。

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