CN116136030B - 一种双向生长碳化硅晶体的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双向生长碳化硅晶体的装置，属于晶体生长技术领域，该双向生长碳化硅晶体的装置包括下坩埚组件和上坩埚组件。其中，下坩埚组件中下坩埚体具有一向上开口的第一腔室，第一多孔石墨板设置于第一腔室，且第一多孔石墨板和第一腔室的下部配合构成第一容料腔；上坩埚组件中上坩埚体具有一向下开口的第二腔室，第二多孔石墨板设置于第二腔室，且第二多孔石墨板和第二腔室的上部配合构成第二容料腔，上坩埚体设置于下坩埚体上时，第一腔室和第二腔室连通，且第一容料腔和第二容料腔之间能够放置至少一块籽晶件，通过本装置的设置，使得籽晶可在双向进行生长，以获得较厚的晶体。
Description
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，具体而言，涉及一种双向生长碳化硅晶体的装置。
背景技术
碳化硅晶体材料是第三代宽带隙半导体材料的代表，具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，与以硅为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料相比，有着明显的优越性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件和高温电子器件等理想的半导体材料。在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化以及电力电子等方面有广泛应用。
碳化硅单晶材料的生长比较困难，目前普遍采用物理气相沉积法 (也叫升华法或改进的Lely法)，采用中频感应加热方式，坩埚采用石墨材料，在真空下或惰性气体气氛保护下进行单晶生长。一般为单向正轴向生长晶体，对坩埚底部碳化硅原料加热形成热区，在坩埚顶部冷区放置碳化硅籽晶，在温差的驱动下生长晶体。
但现有的碳化硅晶体材料在生长时，一方面，由于单向物理气相传输（PVT法）中原料不断的升华，当生长原料不足时，碳化硅晶体无法生长，这就导致晶体可用厚度较少；另一方面，利用PVT法，完整的晶体开炉后很难在不改变原有生长环境下再添加原料进行续长，所以目前很难实现单次PVT法生长较厚的碳化硅晶体。
发明内容
本发明的实施例提供了一种双向生长碳化硅晶体的装置，旨在解决现有装置生长出的碳化硅晶体厚度较小的问题。
本发明实施例提供了一种双向生长碳化硅晶体的装置，包括下坩埚组件和上坩埚组件。
其中，下坩埚组件包括下坩埚体和第一多孔石墨板，下坩埚体具有一向上开口的第一腔室，第一多孔石墨板设置于第一腔室，且第一多孔石墨板和第一腔室的下部配合构成第一容料腔。
上坩埚组件包括上坩埚体和第二多孔石墨板，上坩埚体具有一向下开口的第二腔室，第二多孔石墨板设置于第二腔室，且第二多孔石墨板和第二腔室的上部配合构成第二容料腔。
当上坩埚体设置于下坩埚体上时，第一腔室和第二腔室连通，且第一容料腔和第二容料腔之间能够放置至少一块籽晶件。
在本实施例中，下坩埚组件包括下坩埚体和第一多孔石墨板，下坩埚体具有一向上开口的第一腔室，第一多孔石墨板设置于第一腔室，且第一多孔石墨板和第一腔室的下部配合构成第一容料腔；上坩埚组件包括上坩埚体和第二多孔石墨板，上坩埚体具有一向下开口的第二腔室，第二多孔石墨板设置于第二腔室，且第二多孔石墨板和第二腔室的上部配合构成第二容料腔，上坩埚体设置于下坩埚体上时，第一腔室和第二腔室连通，且第一容料腔和第二容料腔之间能够放置至少一块籽晶件，通过本装置的设置，使得籽晶可在双向进行生长，以获得较厚的晶体。
本发明的一种实施方案中，下坩埚体外部位于第一容料腔的周向设置第一加热器，上坩埚体外部位于第二容料腔的周向设置有第二加热器。
在本实施例中，第一加热器和第二加热器的设置，方便了整个装置的直接使用，使第一容料腔和第二容料腔的外部同时形成两个热区。
本发明的一种实施方案中，上坩埚体与下坩埚体的开口通过相互适配的台阶盖合。
在本实施例中，将上坩埚体与下坩埚体的开口设置为通过相互适配的台阶盖合，就能够在保证上坩埚体与下坩埚体密闭盖合的情况下，使盖合操作更加方便。
本发明的一种实施方案中，上坩埚体与下坩埚体的开口通过相互适配的螺纹连接。
在本实施例中，将上坩埚体与下坩埚体的开口设置为通过相互适配的螺纹连接，能够使上坩埚体与下坩埚体的连接更加稳定。
本发明的一种实施方案中，第一容料腔和第二容料腔之间能够放置两块籽晶件。
在本实施例中，将第一容料腔和第二容料腔之间设置为能够放置两块籽晶件，就能够实现双籽晶双向生长两颗不同极性或同极性晶体。
本发明的一种实施方案中，下坩埚体的内壁上端设置有环形台阶，籽晶件能够放置于环形台阶。
在本实施例中，将下坩埚体的内壁上端设置为环形台阶，籽晶件能够放置于环形台阶，就使得籽晶的放置更加稳定。
本发明的一种实施方案中，籽晶件于下坩埚体或上坩埚体的放置位置设置有石墨垫层。
在本实施例中，将籽晶件于下坩埚体或上坩埚体的放置位置设置石墨垫层，能够避免籽晶直接接触坩埚导致在长晶过程中失配开裂。
本发明的一种实施方案中，上坩埚体包括坩埚桶和坩埚盖，坩埚桶上下连通，坩埚盖能够盖合于坩埚桶上端。
在本实施例中，将上坩埚体设置为包括坩埚桶和坩埚盖，坩埚桶上下连通，坩埚盖能够盖合于坩埚桶上端，使得上坩埚体内原料的放置操作更加简单，也利于内部组件的装卸。
本发明的一种实施方案中，下坩埚体和坩埚桶为一体设置。
在本实施例中，下坩埚体和坩埚桶为一体设置时，就增加了该装置的整体性，携带更加方便。
本发明的一种实施方案中，第一多孔石墨板的侧面与第一腔室内壁贴合接触，第二多孔石墨板的侧面与第二腔室内壁贴合接触。
在本实施例中，将第一多孔石墨板的侧面设置为与第一腔室内壁贴合接触，第二多孔石墨板的侧面设置为与第二腔室内壁贴合接触，就能够避免位于第一多孔石墨板或第二多孔石墨板边缘的原料在温差的驱动或自身重力下被气流带到碳化硅生长面。
采用本发明实施例提供的双向生长碳化硅晶体的装置进行晶体生长时：
1、拼接式上下坩埚的设计，可在上下加热器的作用下分别形成两个热区。
2、拼接式上下坩埚内部组件的设计，方便装入更多的原料，也利于内部组件的装卸。
3、籽晶可在双向进行生长，可获得较厚的晶体。
4、可适用于籽晶不同极性面或同极性面生长两颗碳化硅晶体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施方式提供的双向生长碳化硅晶体的装置结构示意图；
图2为双向生长碳化硅晶体的装置的爆炸分解图；
图3为单籽晶双向生长厚晶体的剖面示意图；
图4为双籽晶双向生长两颗不同极性或同极性晶体的剖面示意图；
图5为双向生长碳化硅晶体的原理图。
图标：10-双向生长碳化硅晶体的装置；100-下坩埚组件；110-下坩埚体；111-环形台阶；130-第一多孔石墨板；150-第一腔室；170-第一容料腔；300-上坩埚组件；310-上坩埚体；311-坩埚桶；313-坩埚盖；330-第二多孔石墨板；350-第二腔室；370-第二容料腔；500-石墨垫层。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
请参阅图1，本发明提供一种双向生长碳化硅晶体的装置10，包括下坩埚组件100和上坩埚组件300。
请参阅图2和图3，下坩埚组件100包括下坩埚体110和第一多孔石墨板130，下坩埚体110具有一向上开口的第一腔室150，第一多孔石墨板130能够放置于第一腔室150，且第一多孔石墨板130和第一腔室150的下部配合构成第一容料腔170，可以理解，第一容料腔170能够容置碳化硅原料，具体可以是碳化硅块料、多晶、大颗粒或者粉末。
在一种具体的实施例中，请参阅图2，下坩埚体110的内壁上端设置有环形台阶111，籽晶件能够放置于环形台阶111，就使得籽晶的放置更加稳定。
请再参阅图2和图3，上坩埚组件300包括上坩埚体310和第二多孔石墨板330，上坩埚体310具有一向下开口的第二腔室350，第二多孔石墨板330能够卡设于第二腔室350，且第二多孔石墨板330和第二腔室350的上部配合构成第二容料腔370。具体的，可以在上坩埚体310的内壁周向设置卡设端，同时在第二多孔石墨板330的边缘设置能够与之配合卡设的另一端，当在第二容料腔370内装入碳化硅原料后，再将第二多孔石墨板330卡设于第二腔室350，实现对装入原料的止挡。可以理解，第二容料腔370只能够容置碳化硅块料、多晶类的原料，防止大颗粒或粉末类的原料发生掉落。
在一种具体的实施例中，请继续参阅图2和图3，籽晶件于下坩埚体110或上坩埚体310的放置位置设置有石墨垫层500，具体的可以是环形石墨纸层，就能够避免籽晶直接接触坩埚导致在长晶过程中失配开裂。
在另一种具体的实施例中，请参阅图2，上坩埚体310包括坩埚桶311和坩埚盖313，坩埚桶311上下连通，坩埚盖313能够盖合于坩埚桶311上端，能使上坩埚体310内原料的放置操作更加简单，也利于内部组件的装卸。本实施例中的另外一种实施方式为：下坩埚体110和坩埚桶311为一体设置，就增加了该装置的整体性，携带更加方便。
当上坩埚体310安装于下坩埚体110上时，第一腔室150和第二腔室350连通，且第一容料腔170和第二容料腔370之间能够放置至少一块籽晶件。
具体的，请参阅图3，是放置一块籽晶双向生长厚晶体的示意图。在另一种具体的实施例中，请参阅图4，第一容料腔170和第二容料腔370之间能够放置两块籽晶件，就能够实现双籽晶双向生长两颗不同极性或同极性晶体。
在一种具体的实施例中，上坩埚体310与下坩埚体110的开口通过相互适配的台阶盖合，就能够在保证上坩埚体310与下坩埚体110密闭盖合的情况下，使盖合操作更加方便。
另一种具体的实施例中，上坩埚体310与下坩埚体110的开口通过相互适配的螺纹连接，能够使上坩埚体310与下坩埚体110的连接更加稳定。
一种具体的实施例中，第一多孔石墨板130的侧面与第一腔室150内壁贴合接触，第二多孔石墨板330的侧面与第二腔室350内壁贴合接触，能够避免位于第一多孔石墨板130或第二多孔石墨板330边缘的原料在温差的驱动或自身重力下被气流带到碳化硅生长面。
本发明实施例提供的一种双向生长碳化硅晶体的装置10，具体使用方式为：首先，在下坩埚体110内放置原料，可以是碳化硅块料、多晶、大颗粒或粉末状态；随后再放入第一多孔石墨板130，防止生长过程中原料内部分颗粒在温差的驱动下被气流带到碳化硅生长面；之后在下坩埚台阶处先放置石墨垫层500，再放置籽晶，避免籽晶直接接触下坩埚导致在长晶过程中失配开裂，具体的，单籽晶生长厚晶体，双籽晶生长两颗不同极性或同极性晶体。
然后在上坩埚内卡设放置第二多孔石墨板330，同样起到避免碳化硅原料部分颗粒在温差的驱动和自身重力下被气流带到碳化硅生长面，同时应当注意的是，在第二容料腔370中放置的原料应该是碳化硅多晶或块料，以避免小颗粒掉落，再盖上坩埚盖313即完成装配。
最后，通过加热器的作用，分别在第一容料腔170和第二容料腔370的周向形成两个热区，请参阅图5，为双向生长碳化硅晶体的原理图，放置籽晶处为低温区，图中箭头所指的方向为晶体生长方向，从而在单籽晶的情况下，获得双向生长的较厚的晶体；在双籽晶的情况下，获得两颗同极性或者不同极性的碳化硅晶体（晶体的极性基于籽晶本身的极性）。
在具体的一种实施例中，下坩埚体110外部位于第一容料腔170的周向设置第一加热器，上坩埚体310外部位于第二容料腔370的周向设置有第二加热器，就方便了整个装置的直接使用，能使第一容料腔170和第二容料腔370的外部同时形成两个热区。
需要说明的是，第一加热器和第二加热器具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。
以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种双向生长碳化硅晶体的装置，其特征在于，包括
下坩埚组件，所述下坩埚组件包括下坩埚体和第一多孔石墨板，所述下坩埚体具有一向上开口的第一腔室，所述第一多孔石墨板设置于所述第一腔室，且所述第一多孔石墨板和所述第一腔室的下部配合构成第一容料腔，所述下坩埚体的内壁上端设置有环形台阶，籽晶件放置于所述环形台阶；
上坩埚组件，所述上坩埚组件包括上坩埚体和第二多孔石墨板，所述上坩埚体具有一向下开口的第二腔室，所述第二多孔石墨板设置于所述第二腔室，且所述第二多孔石墨板和所述第二腔室的上部配合构成第二容料腔，所述上坩埚体包括坩埚桶和坩埚盖，所述坩埚桶上下连通，所述坩埚盖能够盖合于所述坩埚桶上端；
其中，所述上坩埚体与所述下坩埚体的开口通过相互适配的台阶盖合，所述上坩埚体设置于所述下坩埚体上时，所述第一腔室和所述第二腔室连通，且所述第一容料腔和所述第二容料腔之间能够放置至少一块籽晶件。
2.根据权利要求1所述的双向生长碳化硅晶体的装置，其特征在于，所述下坩埚体外部位于所述第一容料腔的周向设置第一加热器，所述上坩埚体外部位于所述第二容料腔的周向设置有第二加热器。
3.根据权利要求1所述的双向生长碳化硅晶体的装置，其特征在于，所述第一容料腔和所述第二容料腔之间能够放置两块籽晶件。
4.根据权利要求1所述的双向生长碳化硅晶体的装置，其特征在于，籽晶件于所述下坩埚体的放置位置设置有石墨垫层。
5.根据权利要求1所述的双向生长碳化硅晶体的装置，其特征在于，所述第一多孔石墨板的侧面与所述第一腔室内壁贴合接触，所述第二多孔石墨板的侧面与所述第二腔室内壁贴合接触。
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