CN116479527B - 一种碳化硅晶体扩径生长装置、方法及碳化硅晶体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅晶体扩径生长装置、方法及碳化硅晶体，涉及碳化硅晶体制备领域。该碳化硅晶体扩径生长装置包括石墨坩埚、碳化硅籽晶及扩径件，碳化硅籽晶固定于石墨坩埚的内顶壁；扩径件与石墨坩埚的内侧壁连接，且扩径件成型有扩径通道及多个泄流环槽，扩径通道沿碳化硅籽晶的轴向延伸，多个泄流环槽在扩径通道的轴向上依次间隔且同轴排布，扩径通道通过多个泄流环槽与石墨坩埚的内侧壁连通。本发明提供的碳化硅晶体扩径生长装置能够持续扩径生长碳化硅晶体，并提升生长质量。

Description

一种碳化硅晶体扩径生长装置、方法及碳化硅晶体

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体制备领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体扩径生长装置、方法及碳化硅晶体。

背景技术

目前，市面上常采用配置有石墨坩埚的生长装置实施物理气相传输法制备碳化硅晶体，此类生长装置通常在石墨坩埚内装入碳化硅原料，在石墨坩埚顶部安装碳化硅籽晶，通过对石墨坩埚加热使碳化硅原料升华后在碳化硅籽晶上析出单晶的碳化硅晶体。

为了实现碳化硅晶体可控的扩径生长，常在石墨坩埚的内部额外加装扩径件，扩径件围成扩口状的扩径通道，扩径通道引导碳化硅晶体进行扩径生长。

此类扩径件围成扩径通道的壁面在碳化硅籽晶的轴向上连续，碳化硅晶体沿扩径通道生长至一定程度后，碳化硅晶体的周缘与扩径通道的壁面夹角处会聚积过多的生长气氛，生长气氛过饱和后容易在壁面上析出多晶结构，从而对碳化硅晶体的进一步扩径生长造成阻碍，并严重影响晶体质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅晶体扩径生长装置，其能够持续扩径生长碳化硅晶体，并提升生长质量。

本发明的另一目的在于提供一种碳化硅晶体扩径生长方法，其能够持续扩径生长碳化硅晶体，并提升生长质量。

本发明的又一目的在于提供一种碳化硅晶体，其具有扩径尺寸更大、品质更好的特点。

本发明的实施例提供一种技术方案：

一种碳化硅晶体扩径生长装置，包括：

石墨坩埚；

碳化硅籽晶，所述碳化硅籽晶固定于所述石墨坩埚的内顶壁；

扩径件，所述扩径件与所述石墨坩埚的内侧壁连接，且所述扩径件成型有扩径通道及多个泄流环槽，所述扩径通道沿所述碳化硅籽晶的轴向延伸，多个所述泄流环槽在所述扩径通道的轴向上依次间隔且同轴排布，所述扩径通道通过多个所述泄流环槽与所述石墨坩埚的内侧壁连通。

进一步地，所述扩径件包括沿所述碳化硅籽晶的轴向依次同轴排布的扩径单元，任意相邻的两个所述扩径单元共同围成所述泄流环槽；

任意相邻的两个所述扩径单元中，更靠近所述碳化硅籽晶的所述扩径单元的轴向尺寸更大。

进一步地，多个所述扩径单元中，最靠近所述碳化硅籽晶的所述扩径单元的轴向尺寸小于或等于10mm，最远离所述碳化硅籽晶的所述扩径单元的轴向尺寸大于或等于2mm。

进一步地，所述扩径单元呈环状，多个所述扩径单元的外侧壁分别与所述石墨坩埚的内侧壁螺纹连接，任意相邻的两个所述扩径单元之间不接触。

进一步地，多个所述扩径单元一体成型，所述泄流环槽的外侧槽壁上设置有贯穿所述扩径件的泄流孔，所述泄流环槽通过所述泄流孔与所述石墨坩埚的内侧壁连通。

进一步地，所述扩径单元具有扩径环壁，多个所述扩径单元对应的多个所述扩径环壁共同围成所述扩径通道，由靠近所述碳化硅籽晶的一端至远离所述碳化硅籽晶的一端，所述扩径环壁的横截面直径逐渐增大。

进一步地，所述扩径环壁的任意纵截面与竖直方向的夹角处于5°至45°之间。

进一步地，所述泄流环槽的宽度处于1mm至10mm之间。

本发明的实施例还提供一种碳化硅晶体扩径生长方法，应用于如前述的碳化硅晶体扩径生长装置，所述碳化硅晶体扩径生长装置包括石墨坩埚、碳化硅籽晶及扩径件，所述碳化硅籽晶固定于所述石墨坩埚的内顶壁，所述扩径件与所述石墨坩埚的内侧壁连接，且所述扩径件成型有扩径通道及多个泄流环槽，所述扩径通道沿所述碳化硅籽晶的轴向延伸，多个所述泄流环槽在所述扩径通道的轴向上依次间隔且同轴排布，所述扩径通道通过多个所述泄流环槽与所述石墨坩埚的内侧壁连通。所述碳化硅晶体扩径生长方法包括：

开启所述石墨坩埚，将碳化硅原料填入所述石墨坩埚内；

将所述扩径件与所述石墨坩埚的内侧壁建立连接；

将所述碳化硅籽晶安装在所述石墨坩埚的盖体上，并关闭所述石墨坩埚；

在所述石墨坩埚的外部配置加热器；

启动所述加热器，以使所述碳化硅原料升华产生的生长气氛由所述碳化硅籽晶的表面沿所述扩径通道生长，得到碳化硅晶体。

本发明的实施例还提供一种碳化硅晶体，所述碳化硅晶体由前述的碳化硅晶体扩径生长方法制备得到。所述碳化硅晶体扩径生长方法包括：

开启所述石墨坩埚，将碳化硅原料填入所述石墨坩埚内；

将所述扩径件与所述石墨坩埚的内侧壁建立连接；

将所述碳化硅籽晶安装在所述石墨坩埚的盖体上，并关闭所述石墨坩埚；

在所述石墨坩埚的外部配置加热器；

启动所述加热器，以使所述碳化硅原料升华产生的生长气氛由所述碳化硅籽晶的表面沿所述扩径通道生长，得到碳化硅晶体。

相比现有技术，本发明提供的碳化硅晶体扩径生长装置，其扩径件除成型有扩径通道外，还额外成型有多个泄流环槽，多个所述泄流环槽在所述扩径通道的轴向上依次间隔且同轴排布，所述扩径通道通过多个所述泄流环槽与所述石墨坩埚的内侧壁连通。在实际应用中，当碳化硅晶体沿扩径通道扩径生长一定程度后，在碳化硅晶体边缘与扩径通道的壁面处聚集的生长气氛能够通过泄流环槽及时排出夹角空间，从而避免在通道壁面上析出多晶结构。因此，本发明提供的碳化硅晶体扩径生长装置的有益效果包括：能够持续扩径生长碳化硅晶体，并提升生长质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明的实施例提供的碳化硅晶体扩径生长装置的结构示意图；

图2为图1中I-I的剖视图；

图3为图1中II-II的剖视图；

图4为本发明的另一个实施例提供的碳化硅晶体扩径生长装置的剖视图；

图5为本发明的实施例提供的碳化硅晶体扩径生长方法的流程框图。

图标：100-碳化硅晶体扩径生长装置；110-石墨坩埚；120-碳化硅籽晶；130-扩径件；131-扩径通道；132-泄流环槽；133-扩径环壁；134-扩径单元；135-泄流孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例

请结合参阅图1、图2及图3，图1所示为本实施例提供的碳化硅晶体扩径生长装置100的结构示意图，图2所示为图1中I-I的剖视图，图3所示为图1中II-II的剖视图。

本实施例提供的碳化硅晶体扩径生长装置100，用于实施物理气相传输法扩径生长碳化硅晶体，能够实现持续扩径生长碳化硅晶体，得到扩径尺寸更大、生长质量更佳的碳化硅晶体。

该碳化硅晶体扩径生长装置100包括石墨坩埚110、碳化硅籽晶120及扩径件130，石墨坩埚110为碳化硅晶体的生长提供生长室，碳化硅籽晶120与扩径件130均处于生长室内，且碳化硅晶体固定于石墨坩埚110的内顶壁上，扩径件130与石墨坩埚110的内侧壁连接，扩径件130起到引导碳化硅晶体在碳化硅籽晶120上扩径生长的作用。

具体的，扩径件130成型有扩径通道131及多个泄流环槽132，扩径通道131沿碳化硅籽晶120的轴向延伸，多个泄流环槽132在扩径通道131的轴向上依次间隔且同轴排布，扩径通道131通过多个泄流环槽132与石墨坩埚110的内侧壁连通。

扩径通道131呈喇叭状，且扩径通道131直径更小的一端与碳化硅籽晶120对应，在扩径通道131的引导下，碳化硅晶体能够实现扩径生长。在实际应用中，随着碳化硅晶体在扩径通道131内的生长，在碳化硅晶体的边缘与扩径通道131的壁面行成的环向拐角处聚集的生长气氛逐渐增加。

现有技术中，由于缺乏对这部分生长气氛的快速疏散手段，导致生长气氛在夹角空间内持续累积，从而在扩径通道131的壁面上析出多晶结构，对碳化硅晶体的进一步扩径生长造成阻碍，并且影响碳化硅晶体的生长质量。

而本实施例中，随着碳化硅晶体在扩径通道131内扩径生长至一定程度后，碳化硅晶体的周缘到达一个泄流环槽132附近，由碳化硅晶体周缘与扩径通道131的壁面形成的夹角空间中聚集的生长气氛能够由扩径通道131穿过石墨坩埚110的侧壁后进入炉膛，完成疏散。

可见，本实施例提供的碳化硅晶体扩径生长装置100能够解决扩径生长过程中由生长气氛过度聚集而析出多晶的问题，实现碳化硅晶体的持续大尺寸扩径生长，提升扩径生长效率以及生长质量。

考虑到泄流环槽132在宽度过小时仍可能因为泄流效率低而导致多晶析出，在宽度过大时又可能导致碳化硅晶体无法连续生长，因此，为了兼顾泄流效果与持续生长，本实施例中，泄流环槽132的宽度h₀处于1mm至10mm之间。

实际上，扩径件130包括多个沿碳化硅籽晶120的轴向依次排布的扩径单元134，扩径通道131由多个扩径单元134围成的多个支段通道依次连通组成，任意相邻的两个扩径单元134共同围成泄流环槽132。

多个扩径单元134均具有围成支段通道的扩径环壁133，任意相邻的两个扩径单元134的扩径环壁133被二者之间的泄流环槽132所分隔。换言之，多个扩径环壁133在碳化硅籽晶120的轴向上不连续，在碳化硅晶体在其中一个扩径环壁133的引导下生长一定程度后，便会通过该扩径环壁133与下一个扩径环壁133之间的泄流环槽132完成生长气氛的泄流，从而避免析出多晶。

可以理解的是，由靠近碳化硅籽晶120的一端至远离碳化硅籽晶120的一端，任意扩径环壁133的横截面直径逐渐增大，从而多个扩径环壁133围成的多个支段通道组成由靠近碳化硅晶体的一端至远离碳化硅晶体的一端逐渐扩张的喇叭状的扩径通道131。

为了获得理想的扩径生长效果，扩径环壁133的任意纵截面与竖直方向的夹角α处于5°至45°之间，本实施例中α取优选值30°。

在实际应用中，由石墨坩埚110底部的碳化硅原料升华产生的生长气氛持续的流向生长中的碳化硅晶体，随着碳化硅晶体在扩径通道131的引导下持续生长，碳化硅晶体的表面积逐渐增大，轴向生长效率会有所减缓。若在后的扩径单元134与在前的扩径单元134的轴向尺寸相等，那么碳化硅晶体依次到达每一个泄流环槽132所花费的时长将增加，也将导致生长气氛聚集时间更长。

并且碳化硅晶体表面与碳化硅原料之间的距离逐渐减小，生长气氛的流动行程逐渐降低，会导致碳化硅晶体边缘聚集生长气氛的速率越来越快。

考虑到在生长气氛聚集时间增加、聚集速率增大的情况下，如果泄流频率不能适应性增加，将更容易导致由于泄流不及时而析出多晶。因此，本实施例中，任意相邻的两个扩径环壁133中，更靠近碳化硅籽晶120的扩径环壁133的轴向尺寸更大，换言之，多个支段通道的长度逐渐缩短。保证碳化硅晶体的边缘到达每一个泄流环槽132所花费的时长逐渐降低，以提升泄流频率。

多个扩径环壁133中包括最靠近碳化硅籽晶120的第一扩径环壁133、与第一扩径环壁133相邻的第二扩径环壁133以及与第二扩径环壁133相邻的第三扩径环壁133。作为优选的，本实施例中，第一扩径环壁133的轴向尺寸h₁处于2mm至10mm之间，第二扩径环壁133的轴向尺寸h₂处于2mm至5mm之间，第三扩径环壁133以及后续剩余的扩径环壁133的轴向尺寸h₃均处于2mm至3mm之间。

考虑到在实际应用中，受热场等因素影响，对于泄流环槽132的泄流效果有不同的需求，为了满足不同的泄流需求，本实施例中，多个泄流环槽132的宽度可调，泄流环槽132的宽度也指泄流环槽132的轴向尺寸。

为了实现对多个泄流环槽132的宽度尺寸的灵活调节，本实施例中，扩径单元134呈环状，扩径单元134的内侧壁即为围成支段通道的扩径环壁133，多个扩径单元134相互独立，并且多个扩径单元134的外侧壁分别与石墨坩埚110的内侧壁螺纹连接，任意相邻的两个扩径单元134之间不接触，二者之间形成一个泄流环槽132。

当需要调节任意一个泄流环槽132的宽度时，只需要相对石墨坩埚110旋动形成该泄流环槽132的相邻两个扩径单元134中的至少一个，从而改变两个扩径单元134之间的间距，达到调节泄流环槽132宽度的目的。

请参阅图4，图4所示为另一个实施例提供的碳化硅晶体扩径生长装置100的剖视图。

相较于前述的碳化硅晶体扩径生长装置100，该实施例的区别在于扩径件130的结构不同。该实施例中，多个扩径单元134一体成型，多个扩径单元134统一与石墨坩埚110的内侧壁建立连接。

泄流环槽132不再是相邻两个扩径单元134之间的间隙，为了保证泄流环槽132能够将聚集的生长气氛顺利导流至石墨坩埚110的内侧壁，本实施例中，泄流环槽132的外侧槽壁上设置有贯穿扩径件130的泄流孔135，泄流环槽132通过泄流孔135与石墨坩埚110的内侧壁连通。

并且，为了保证快速泄流，避免生长气氛在泄流环槽132内长时间逗留，同一泄流环槽132上设置的多个泄流孔135在泄流环槽132的周向上均匀排布。

可以理解的是，该实施例提供的碳化硅晶体扩径生长装置100，虽然泄流环槽132的宽度尺寸不可调，但能够更快速的完成扩径件130在石墨坩埚110内的安装。为了方便拆装，该实施例中依然可以采用螺纹配合的方式与石墨坩埚110的内侧壁建立连接。

综上，本申请提供的碳化硅晶体扩径生长装置100，能够持续扩径生长碳化硅晶体，得到更大扩径尺寸、品质更高的碳化硅晶体。

本实施例还提供一种碳化硅晶体扩径生长方法，应用于前述的碳化硅晶体扩径生长装置100。请参阅图5，图5所示为该碳化硅晶体扩径生长方法的流程框图，该碳化硅晶体扩径生长方法可以包括以下步骤：

步骤S101，开启石墨坩埚110，将碳化硅原料填入石墨坩埚110内。

步骤S102，将扩径件130与石墨坩埚110的内侧壁建立连接。

步骤S103，将碳化硅籽晶120安装在石墨坩埚110的盖体上，并关闭石墨坩埚110。

步骤S104，在石墨坩埚110的外部配置加热器。

步骤S105，启动加热器，以使碳化硅原料升华产生的生长气氛由碳化硅籽晶120的表面沿扩径通道131生长，得到碳化硅晶体。

可见，本实施例提供的碳化硅晶体扩径生长方法，应用到前述的碳化硅晶体扩径生长装置100，因此，该碳化硅晶体扩径生长方法能够持续扩径生长碳化硅晶体，得到更大扩径尺寸、品质更高的碳化硅晶体。

本实施例还提供一种碳化硅晶体，该碳化硅晶体由前述的碳化硅晶体扩径生长方法制备得到。受益于碳化硅晶体扩径生长装置100，本实施例提供的碳化硅晶体具有扩径尺寸更大、品质更高的特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (6)

1.一种碳化硅晶体扩径生长装置，其特征在于，包括：

石墨坩埚（110）；

碳化硅籽晶（120），所述碳化硅籽晶（120）固定于所述石墨坩埚（110）的内顶壁；

扩径件（130），所述扩径件（130）与所述石墨坩埚（110）的内侧壁连接，且所述扩径件（130）成型有扩径通道（131）及多个泄流环槽（132），所述扩径通道（131）沿所述碳化硅籽晶（120）的轴向延伸，多个所述泄流环槽（132）在所述扩径通道（131）的轴向上依次间隔且同轴排布，所述扩径通道（131）通过多个所述泄流环槽（132）与所述石墨坩埚（110）的内侧壁连通；

所述扩径件（130）包括沿所述碳化硅籽晶（120）的轴向依次同轴排布的扩径单元（134），任意相邻的两个所述扩径单元（134）共同围成所述泄流环槽（132）；

任意相邻的两个所述扩径单元（134）中，更靠近所述碳化硅籽晶（120）的所述扩径单元（134）的轴向尺寸更大；

所述扩径单元（134）呈环状，多个所述扩径单元（134）的外侧壁分别与所述石墨坩埚（110）的内侧壁螺纹连接，任意相邻的两个所述扩径单元（134）之间不接触。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体扩径生长装置，其特征在于，多个所述扩径单元（134）中，最靠近所述碳化硅籽晶（120）的所述扩径单元（134）的轴向尺寸小于或等于10mm，最远离所述碳化硅籽晶（120）的所述扩径单元（134）的轴向尺寸大于或等于2mm。

3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体扩径生长装置，其特征在于，所述扩径单元（134）具有扩径环壁（133），多个所述扩径单元（134）对应的多个所述扩径环壁（133）共同围成所述扩径通道（131），由靠近所述碳化硅籽晶（120）的一端至远离所述碳化硅籽晶（120）的一端，所述扩径环壁（133）的横截面直径逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的碳化硅晶体扩径生长装置，其特征在于，所述扩径环壁（133）的任意纵截面与竖直方向的夹角处于5°至45°之间。

5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体扩径生长装置，其特征在于，所述泄流环槽（132）的宽度处于1mm至10mm之间。

6.一种碳化硅晶体扩径生长方法，应用于如权利要求1-5任一项所述的碳化硅晶体扩径生长装置（100），其特征在于，所述碳化硅晶体扩径生长方法包括：

开启所述石墨坩埚（110），将碳化硅原料填入所述石墨坩埚（110）内；

将所述扩径件（130）与所述石墨坩埚（110）的内侧壁建立连接；

将所述碳化硅籽晶（120）安装在所述石墨坩埚（110）的盖体上，并关闭所述石墨坩埚（110）；

在所述石墨坩埚（110）的外部配置加热器；

启动所述加热器，以使所述碳化硅原料升华产生的生长气氛由所述碳化硅籽晶（120）的表面沿所述扩径通道（131）生长，得到碳化硅晶体。