CN116163019A - 用于碳化硅晶体生长的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于碳化硅晶体生长的装置,其包括石墨坩埚主体、石墨坩埚盖、籽晶,所述籽晶固定于所述石墨坩埚盖内侧;其中,所述石墨坩埚主体内设有至少一个石墨套筒,以将石墨坩埚主体划分为由所述石墨套筒与所述石墨坩埚主体包围的原料区和由所述石墨套筒内部包围的非原料区;所述石墨套筒侧壁上设有通孔,所述通孔的延伸方向与所述石墨套筒的轴线成锐角以防止所述原料区中的原料进入所述非原料区。本发明的装置通过在石墨坩埚中放入若干侧壁具有通孔的石墨套筒,可以增加SiC晶体生长中原料利用率,降低生长SiC单晶中原料的用量,进而降低了生长成本。本发明的装置能够给SiC晶体生长提供充足、稳定的气相物质,增加原料的利用率、提高生长SiC单晶的晶体质量。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长领域。具体地,本发明涉及用于碳化硅晶体生长的装置。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代半导体的典型代表,其具有禁带宽度大、击穿场强大、电子饱和漂移速率高、热导率高、耐腐蚀性强等优势。碳化硅的耐高温能力是硅的2倍、耐高压能力是硅的10倍、高频能力是硅的2倍。因此,碳化硅是制备高功率、高压、高频、高温以及抗辐射功率器件的理想材料。基于SiC的功率器件不仅具有SiC材料本征的特性优势,还可将器件的体积缩小50%以上、降低转换损耗80%以上,从而降低成本。SiC功率器件已在电动汽车、智能电网、轨道交通、新能源并网等领域得到应用并呈现出良好的发展前景。SiC功率器件的大规模应用有待于SiC器件成本的降低,降低SiC单晶衬底的成本有助于降低SiC器件的成本。
商业化SiC晶体的主流制备方法为物理气相输运法(PVT),其方法是在2000-2500℃高温下加热使SiC原料分解为含有硅和碳的气相物质。在轴向温度梯度的驱动下,这些气相物质输运到温度低的SiC籽晶处,在籽晶处形核、长大,进而结晶形成SiC单晶。
PVT生长SiC单晶中,提高原材料的利用率和增加晶体的尺寸能降低SiC单晶衬底的成本。
采用PVT法生长SiC单晶过程中,SiC原料内部存在轴向和径向的温度梯度。在生长初期,靠近石墨坩埚壁高温区的原料比如SiC颗粒最先分解升华为气相物质,一部分气相物质沿石墨坩埚壁传输到SiC籽晶处,一部分通过原料颗粒之间的缝隙传输到SiC籽晶处。但随着生长的进行,位于石墨坩埚中心区的原料会逐渐烧结在一起降低原料之间的孔隙率,增加气相物质传输至SiC籽晶的难度。烧结在一起的颗粒原料将难以分解升华成气相物质,从而降低原料的利用率和单晶的生长量,而且这也将影响籽晶中心区域气相物质的供应,从而降低生长SiC晶体的质量。随着生长SiC单晶尺寸的增加,坩埚尺寸也需要相应加大,位于石墨坩埚中心和坩埚边缘的原料之间的温度差会加大,导致位于石墨坩埚中心的原料更容易烧结到一起,进而导致原料利用率的进一步降低,同时降低晶体的生长速率。
CN102899718A公开了一种用于提高晶体生长速率的SiC晶体生长方法,具体步骤包括:制作石墨柱;将SiC原料装入坩埚中后将石墨柱插入SiC原料中,再将坩埚工装后置入生长设备中;进行SiC粉源烧结并除杂;从坩埚中取出石墨柱;进行晶体生长操作。此发明中SiC原料烧结过程中插入石墨柱共同烧结,容易影响对SiC原料的烧结效果,同时在生长大尺寸SiC晶体时由于原料中心温度偏低,导致SiC气相物质直接以中心孔侧壁烧结的SiC原料颗粒为中心出现结晶现象,这将在生长末期阻挡气相物质的传输,同时因为产生的气相物质在SiC原料内部结晶,增加提高原料利用率的难度。
目前,急需一种能够改善SiC晶体生长中原料利用率的装置,以降低生长SiC单晶的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于碳化硅晶体生长的装置。该装置能够增加PVT法生长SiC单晶原料利用率,进而降低生长SiC单晶所需要的原料颗粒的使用量。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。
本发明提供一种用于碳化硅晶体生长的装置,其包括石墨坩埚主体、石墨坩埚盖、籽晶,所述籽晶固定于所述石墨坩埚盖内侧;其中,
所述石墨坩埚主体内设有至少一个石墨套筒,以将石墨坩埚主体划分为由所述石墨套筒与所述石墨坩埚主体包围的原料区和由所述石墨套筒内部包围的非原料区;
所述石墨套筒侧壁上设有通孔,所述通孔的延伸方向与所述石墨套筒的轴线成锐角以防止所述原料区中的原料进入所述非原料区。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒的高度是所述籽晶距离所述石墨坩埚主体的底壁的距离的20-70%。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒的底面积之和为所述石墨坩埚主体的底面积的10-70%。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒的筒壁厚度为5-80mm。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒的内径为所述籽晶的最大尺寸的20%-100%。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒的上顶面内径为下底面内径的20-80%。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒的上顶面外径为下底面外径的20-80%。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒为圆柱形套筒、圆锥形套筒或者截头圆锥形套筒。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述圆柱形套筒的外径为圆柱形套筒的内径的1.1-5.5倍。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述圆柱形套筒的内径为10-200mm。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述圆柱形套筒的外径为20-220mm。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述圆锥形套筒的上顶面外径与所述石墨坩埚主体内径相同。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述通孔距离所述石墨套筒上顶面的最小距离为所述石墨套筒高度的5-40%。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述通孔距离所述石墨套筒的上顶面的最小距离为10-100mm。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述通孔距离所述石墨套筒的下底面的最小距离为10-100mm。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,两邻近通孔之间距离为5-100mm。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述通孔的直径为5-30mm。
优选地,在本发明所述的用于碳化硅晶体生长的装置中,所述石墨套筒的轴线与所述石墨坩埚主体的轴线重叠。
在本发明的具体实施方案中,生长SiC所需的原料优选为SiC,或Si、C,或SiC、Si、C,或Si、C、含V物质,或SiC、含V物质;
在本发明的具体实施方案中,在石墨套筒外的石墨坩埚(即原料区)中所填充的原料高度与石墨套筒一致,或低于石墨套筒1-5mm;
在本发明的具体实施方案中,为防止原料区的原料掉入石墨套筒内,在将原料加入原料区时,可以采用一个阻挡盖如石墨片对石墨套筒上方进行了遮挡;待生长单晶时,将该阻挡盖撤走。
在本发明的具体实施方案中,石墨套筒可以放在石墨坩埚中所需要的任意位置,可以放置在石墨坩埚中心,也可以放置在偏向石墨坩埚中的任意一侧。
在本发明的具体实施方案中,石墨套筒的侧壁需要开孔,通孔的数量优选为2个以上。
在本发明的具体实施方案中,对石墨坩埚的种类不作具体限定。石墨坩埚可以为一体化的石墨坩埚也可以为分体式的石墨坩埚。
在本发明的具体实施方案中,碳化硅单晶的生长过程包括以下步骤:
将若干侧壁具有通孔的石墨套筒放入石墨坩埚中;
在石墨套筒外的石墨坩埚中装入生长所需的原料;
将装载有石墨套筒和生长原料的石墨坩埚工装,放置在碳化硅晶体生长设备中,进行碳化硅晶体的生长。
在本发明的具体实施方案中,使用下底面处的侧壁厚度比上底面处的侧壁厚度更大的石墨套筒(如图5所示)。这种下底面处的侧壁厚度相比同内径的圆柱形套筒,其保温效果更好,从而使得石墨套筒内部温度增加,温度梯度增加,能够进一步改善SiC原料的利用率并增加晶体生长量。
在本发明的具体实施方案中,本发明采用圆锥形石墨套筒,其上底面的外径与石墨坩埚内径相同(如图6所示)。原料区中的碳化硅原料在高温下会分解成含有Si和C的化合物,由于SiC原料不是按照Si:C=1:1分解的,导致会有部分原料石墨化形成石墨颗粒留在坩埚里面。然后这些石墨颗粒可能会被SiC分解产生的气相物质带到生长的晶体中,会影响晶体质量。本发明的这种圆锥形石墨套筒(如图6所示)可以阻挡住石墨颗粒传输到SiC晶体中,进而提高晶体质量。
本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的装置通过在石墨坩埚中放入若干侧壁具有通孔的石墨套筒,可以增加SiC晶体生长中原料利用率,降低生长SiC单晶中原料的用量,降低了生长成本。本发明的装置能够给SiC晶体生长提供充足、稳定的气相物质,增加原料的利用率、提高生长SiC单晶的晶体质量。
(2)石墨坩埚主体内石墨套筒的应用,提供了坩埚主体内气相物质的有效传输通道,克服了随着生长的进行,原料粉体颗粒烧结导致气氛传输通道堵塞的问题,大大提升了SiC原料的利用率,降低了生长SiC单晶的成本。
(3)本发明的装置可用于生长不同尺寸、不同晶型的SiC单晶。
(4)本发明的装置易于实施,操作起来简单。
附图说明
以下,结合附图来详细说明本发明的实施方案,其中:
图1为在本发明的一个具体实施方案中,圆柱形石墨套筒的外观示意图和顶视图;
图2为在本发明的一个具体实施方案中,圆柱形石墨套筒的剖面示意图和顶视图;
图3为在本发明的一个具体实施方案中,在石墨坩埚中心位置装配1个圆柱形石墨套筒的石墨坩埚结构示意图和顶视图;
图4为在本发明的一个具体实施方案中,在石墨坩埚中均匀装配4个圆柱形石墨套筒的石墨坩埚结构示意图和顶视图;
图5为在本发明的一个具体实施方案中,在石墨坩埚中均匀装配1个截头圆锥形石墨套筒的石墨坩埚结构示意图和顶视图;
图6为在本发明的一个具体实施方案中,在石墨坩埚中心位置装配1个圆锥形石墨套筒的石墨坩埚结构示意图和顶视图;
其中,附图标记:
1-籽晶;2-石墨坩埚;21-石墨坩埚主体;22-石墨坩埚盖;3-绝热层;4-原料区;5-线圈;6-石墨套筒;61-通孔;7-非原料区。
具体实施方式
现参考附图,详细说明本发明所公开的用于碳化硅晶体生长的装置的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施方式,但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制,并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本发明的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。
需要说明的是,在下文中被用于描述附图的某些方向性术语,例如“横”、“竖”、“前”、“后”、“内”、“外”、“上方”、“下方”和其它方向性术语,将被理解为具有其通常含义并且指通常看附图时所涉及的那些方向。除另有指明,本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。
下面结合附图,对本发明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。
参考图3-6,本发明提供一种用于碳化硅晶体生长的装置,其包括石墨坩埚主体21、石墨坩埚盖22、籽晶1,籽晶1固定于石墨坩埚盖22内侧;其中,石墨坩埚主体21内设有一个石墨套筒6(参考图3、图5和图6),以将石墨坩埚主体21划分为由石墨套筒6与石墨坩埚主体21包围的原料区4和由石墨套筒6内部包围的非原料区7。当然,在其他实施方案中,也可以设置多于一个的石墨套筒6,比如设置4个石墨套筒6(参照图4)。石墨套筒6侧壁上设有通孔61,通孔61的延伸方向与石墨套筒的轴线成锐角,如30°、60°或者70°,以防止原料区4中的原料进入非原料区7。石墨套筒6的高度是籽晶1距离石墨坩埚主体21的底壁的距离的20-70%,比如30%、40%、50%或60%。比如,石墨套筒6的高度可以为70mm。籽晶1距离石墨坩埚主体21的底壁的距离可以为150mm。石墨套筒6的底面积为石墨坩埚主体的底面积的10-70%,如40%、50%、60%。石墨套筒6的筒壁厚度为5-80mm。石墨套筒6的内径为籽晶的最大尺寸的20%-100%,如50%、60%、70%。
通孔61距离石墨套筒6上顶面的最小距离为石墨套筒6高度的5-40%,比如10%、20%或30%;比如,通孔61距离石墨套筒6的上顶面的最小距离为50mm;通孔61距离石墨套筒6的下底面的最小距离为40mm;两邻近通孔之间距离为5-100mm,比如50mm。通孔61的直径为5-30mm,比如20mm。在具体实施方案中,石墨套筒6的轴线可以与石墨坩埚主体21的轴线重叠,即石墨套筒6放置于石墨坩埚主体21的中心位置处(参照图3)。
石墨套筒6可以为圆柱形套筒(参照图3)、圆锥形套筒(参照图6)或者截头圆锥形套筒(参照图5)。圆柱形套筒的外径为圆柱形套筒的内径的1.1-5.5倍,比如2倍、3倍、4倍和5倍;比如,圆柱形套筒的内径为180mm;圆柱形套筒的外径为200mm。
在一个具体实施方案中,石墨套筒6可以是截头圆锥形套筒(参照图5),该套筒的壁厚自下而上是渐缩的。石墨套筒6的上顶面内径为下底面内径的20-80%;石墨套筒6的上顶面外径为下底面外径的20-80%。
在一个具体实施方案中,圆锥形套筒的上顶面外径与石墨坩埚主体21内径相同(参照图6)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施方式仅限于此,对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的前提下,还可以做出若干简单的推演或替换,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种用于碳化硅晶体生长的装置,其包括石墨坩埚主体、石墨坩埚盖、籽晶,所述籽晶固定于所述石墨坩埚盖内侧;其中,
所述石墨坩埚主体内设有至少一个石墨套筒,以将石墨坩埚主体划分为由所述石墨套筒与所述石墨坩埚主体包围的原料区和由所述石墨套筒内部包围的非原料区;
所述石墨套筒侧壁上设有通孔,所述通孔的延伸方向与所述石墨套筒的轴线成锐角以防止所述原料区中的原料进入所述非原料区。
2.根据权利要求1所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述石墨套筒的高度是所述籽晶距离所述石墨坩埚主体的底壁的距离的20-70%。
3.根据权利要求1所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述石墨套筒的底面积之和为所述石墨坩埚主体的底面积的10-70%。
4.根据权利要求1所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述石墨套筒的筒壁厚度为5-80mm;
优选地,所述石墨套筒的内径为所述籽晶的最大尺寸的20%-100%。
5.根据权利要求1所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述石墨套筒的上顶面内径为下底面内径的20-80%;
优选地,所述石墨套筒的上顶面外径为下底面外径的20-80%。
6.根据权利要求1所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述石墨套筒为圆柱形套筒、圆锥形套筒或者截头圆锥形套筒。
7.根据权利要求6所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述圆柱形套筒的外径为圆柱形套筒的内径的1.1-5.5倍;
优选地,所述圆柱形套筒的内径为10-200mm;
优选地,所述圆柱形套筒的外径为20-220mm。
8.根据权利要求6所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述圆锥形套筒的上顶面外径与所述石墨坩埚主体内径相同。
9.根据权利要求1所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述通孔距离所述石墨套筒上顶面的最小距离为所述石墨套筒高度的5-40%;
优选地,所述通孔距离所述石墨套筒的上顶面的最小距离为10-100mm;
优选地,所述通孔距离所述石墨套筒的下底面的最小距离为10-100mm;
优选地,两邻近通孔之间距离为5-100mm。
10.根据权利要求1所述的用于碳化硅晶体生长的装置,其中,所述通孔的直径为5-30mm;
优选地,所述石墨套筒的轴线与所述石墨坩埚主体的轴线重叠。
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