CN116516483B - 一种液相法生长碳化硅晶体的装置及长晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种液相法生长碳化硅晶体的装置及长晶炉，涉及碳化硅制造技术领域。长晶炉包括加热坩埚及液相法生长碳化硅晶体的装置，长晶石墨坩埚位于加热坩埚内。液相法生长碳化硅晶体的装置包括长晶石墨坩埚及固态掺杂件。长晶石墨坩埚具有用于放置助溶剂的容纳腔室，固态掺杂件位于容纳腔室内，固态掺杂件的材料包括氮化物。通过固态掺杂件的氮化物为形成N型碳化硅提供氮元素，在高温环境下，氮元素溶解在助溶剂溶液中，可以通过扩散与对流等方式输送到晶体生长界面，实现N型碳化硅晶体生长。相较于通过氮气掺杂，固态氮溶解于助溶剂后，氮元素能够相对均匀的在熔体中分布，从而提高N型碳化硅的生长质量。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅制造技术领域，具体而言，涉及一种液相法生长碳化硅晶体的装置及长晶炉。
背景技术
碳化硅是一种宽禁带半导体材料，以碳化硅衬底制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射、效率高等优势，在射频、新能源汽车等领域具有重要的应用价值。
液相法碳化硅晶体生长方法由于其晶体位错密度低、长晶成本低等优势，近年来逐渐受到业内关注。液相法碳化硅采用硅或硅合金熔体从石墨坩埚中溶解碳，然后在籽晶生长面进行重结晶，从而完成晶体生长。
经过发明人研究发现。氮掺杂以生长的N型碳化硅的液相法，通常在生长环境中充入氮气，但其得到的N型碳化硅质量较低。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种液相法生长碳化硅晶体的装置及长晶炉，其能够有效提高N型碳化硅的生长质量。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种液相法生长碳化硅晶体的装置，包括：
长晶石墨坩埚，长晶石墨坩埚具有用于放置助溶剂的容纳腔室；
固态掺杂件，固态掺杂件位于容纳腔室内，固态掺杂件的材料包括氮化物。
在可选的实施方式中，固态掺杂件呈环状且固态掺杂件的外壁与长晶石墨坩埚的内壁贴合。
在可选的实施方式中，液相法生长碳化硅晶体的装置还包括液封层，液封层位于容纳腔室内且密度低于助溶剂。
在可选的实施方式中，液封层的材料为氮化硼或碳硅硼。
在可选的实施方式中，固态掺杂件的材料还包括碳化硅。
在可选的实施方式中，助溶剂的材料为硅或硅铬合金。
在可选的实施方式中，长晶石墨坩埚呈圆筒状，固态掺杂件呈圆环状且自身外壁与长晶石墨坩埚的内壁贴合。
在可选的实施方式中，长晶石墨坩埚包括相连接的底板及围板，底板的厚度薄于围板的厚度，底板与围板共同围成容纳腔室，固态掺杂件的与围板和底板抵接。
在可选的实施方式中，长晶石墨坩埚的高度高于固态掺杂件的高度。
第二方面，本发明提供一种长晶炉，包括加热坩埚及前述实施方式任一项的液相法生长碳化硅晶体的装置，长晶石墨坩埚位于加热坩埚内。
本发明实施例的有益效果包括，例如：本发明实施例提供了一种液相法生长碳化硅晶体的装置及长晶炉。长晶炉包括加热坩埚及液相法生长碳化硅晶体的装置，长晶石墨坩埚位于加热坩埚内。液相法生长碳化硅晶体的装置包括长晶石墨坩埚及固态掺杂件。加热坩埚用于在加热装置的加热下将热量传递至长晶石墨坩埚，而长晶石墨坩埚仅作为碳化硅晶体生长的碳源及助溶剂的盛放容器，因此，在长晶石墨坩埚被高温溶体，也即助溶剂腐蚀的过程中，不会影响加热坩埚所散发的温场。长晶石墨坩埚具有用于放置助溶剂的容纳腔室，固态掺杂件位于容纳腔室内，固态掺杂件的材料包括氮化物。通过固态掺杂件的氮化物为形成N型碳化硅提供氮元素，在高温环境下，氮元素溶解在助溶剂溶液中，可以通过扩散与对流等方式输送到晶体生长界面，实现N型碳化硅晶体生长。固态氮溶解于助溶剂后能够相对均匀的分布于助溶剂内，从而提高N型碳化硅的生长质量。
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为本发明实施例提供的一种液相法生长碳化硅晶体的装置的结构示意图。
图标：1-液相法生长碳化硅晶体的装置；10-长晶石墨坩埚；11-容纳腔室；20-固态掺杂件；30-助溶剂；40-液封层。
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，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，若出现术语“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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
液相法碳化硅晶体生长方法由于其晶体位错密度低、长晶成本低等优势，近年来逐渐受到业内关注。液相法碳化硅采用硅或硅合金熔体从石墨坩埚中溶解碳，然后在籽晶生长面进行重结晶，从而完成晶体生长。
经过发明人研究发现。氮掺杂以生长的N型碳化硅的液相法，通常在生长环境中充入氮气，通过氮气的方式掺杂不能够保证助溶剂内氮元素的均匀性，其得到的N型碳化硅质量较低。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种液相法生长碳化硅晶体的装置，能够有效提高N型碳化硅的生长质量。
下面结合专利附图详细介绍本发明实施例提供的一种液相法生长碳化硅晶体的装置1的具体结构及其带来的相应的技术效果。
请参考图1，本发明实施例提供的一种液相法生长碳化硅晶体的装置1包括长晶石墨坩埚10及固态掺杂件20。长晶石墨坩埚10具有用于放置助溶剂30的容纳腔室11，固态掺杂件20位于容纳腔室11内，固态掺杂件20的材料包括氮化物。
需要说明的是，其中固态掺杂件20与助溶剂30接触。且固态掺杂件20固定在容纳腔室11内，以保证在生长N型碳化硅晶体时，固态掺杂件20不会随意晃动，进而避免固态掺杂件20的晃动影响碳化硅晶体的生长质量。
容易理解的，其中固态掺杂件20的材料包括氮化物，因此，在通过本实施例提供的液相法生长碳化硅晶体的装置1进行液相法生长碳化硅晶体时，采用固态氮进行氮掺杂，通过固态掺杂件20的氮化物为形成N型碳化硅提供氮元素，在高温环境下，氮元素溶解在助溶剂30溶液中，可以通过扩散与对流等方式输送到晶体生长界面，实现N型碳化硅晶体生长。相较于通过氮气掺杂，固态氮在溶解在助溶剂30内后，能够保证氮元素在熔体中分布的均匀性，从而提高了N型碳化硅晶体的生长质量。
需要说明的是，在通过氮气进行氮掺杂时，在高温状态下，氮气会在长晶石墨坩埚10内四散，溶于熔体内的氮元素并不均匀。
而通过上述固态掺杂件20的设置，且固态掺杂件20的材料包括氮化物，在高温状态下，固态掺杂件20中的氮元素会溶解在助溶剂30的熔体中，在高温状态下，氮元素能够充分的分布于熔体各处，能够有效的保证氮元素较为均匀的分布在熔体中，从而能够有效的提高N型碳化硅晶体的生长质量。
需要说明的是，其中氮化物可以为氮化铝、氮化硅或碳氮化钛的氮化物。
在本实施例中，氮化物为氮化硅。再另外的一些实施例中，氮化物可以为氮化铝碳氮化钛的氮化物。当然还可以为其它氮化物。
进一步地，在本实施例中，固态掺杂件20呈环状且固态掺杂件20的外壁与长晶石墨坩埚10的内壁贴合。
容易理解的，由于固态掺杂件20呈环状并且固态掺杂件20的外壁与长晶石墨坩埚10的内壁贴合，固态掺杂件20通过与长晶石墨坩埚10的内壁贴合以使得自身稳定的安装在容纳腔室11内，并且，由于固态掺杂件20的外壁与长晶石墨坩埚10的内壁贴合，能够有效的提高长晶石墨坩埚10对固态掺杂件20的热传递效率。以使得固态掺杂件20的氮元素高效率的溶于熔体中。
通过上述设置，还有效的保证了碳化硅晶体生长时的碳源。在本实施例中，长晶石墨坩埚10为碳化硅晶体的生长提供碳源，且固态掺杂件20呈环状，也即当固态掺杂件20设置于长晶石墨坩埚10内的容纳腔室11内时，会将长晶石墨坩埚10的底壁，也即助溶剂30能够至少与长晶石墨坩埚10的底壁接触，保证在液相法生长碳化硅晶体时，长晶石墨坩埚10的底壁可以为碳化硅晶体的生长提供碳源，助溶剂30为碳化硅的生长提供硅元素，固态掺杂件20为N型碳化硅的生长提供氮元素，从而保证N型碳化硅的正常生长。
当然，在另外的一些实施例中，固态掺杂件20还可以为其它形状，例如为实心状且稳定固定在容纳腔室11中。在此对固态掺杂件20的形状不做限定，只要能够保证其能够为在碳化硅晶体生长时提供氮源即可。
进一步地，在本实施例中，固态掺杂件20的材料还包括碳化硅。可以理解的，由于本实施例中的固态掺杂件20的外壁与长晶石墨坩埚10的内壁接触，其对助溶剂30接触长晶石墨坩埚10的侧壁具有一定的影响，而在碳化硅晶体的生长过程中，大部分碳源为长晶石墨坩埚10的侧壁所提供，可能会引起碳化硅生长时碳源不够的情况，而在固态掺杂件20的材料还包括碳化硅，因此固态掺杂件20也能够为N型碳化硅晶体的生长提供碳源，以保证N型碳化硅晶体能够顺利生长。
需要说明的是，在本实施例中，固态掺杂件20是由氮化物粉体与碳化硅粉体通过混合、成型、压制及烧结从而制成的环状结构。其中能够保证氮化物相对均匀的分布在固态掺杂件20中。进而保证在高温状态下，氮元素能够相对均匀的分布在熔融的助溶剂30液体内，进而有效提高N型碳化硅晶体生长质量。
当然，在另外的一些可选地实施方式中，固态掺杂件20还可以包括其他具有碳元素的材料，例如石墨等。
进一步地，在本实施例中，长晶石墨坩埚10呈圆筒状，固态掺杂件20呈圆环状且自身外壁与长晶石墨坩埚10的内壁贴合。可以理解的，通过上述设置，能够保证固态掺杂件20的轴线与长晶石墨坩埚10的轴线同轴，且固态掺杂件20的各处外壁均能够与长晶石墨坩埚10的外壁接触，长晶石墨坩埚10能够高效的传递热量。
可选的，助溶剂30的材料为硅或硅铬合金。
可以理解的，在碳化硅晶体的生长过程中，助溶剂30能够为碳化硅晶体的生长提供硅源，保证碳化硅的正常生长。
进一步地，在本实施例中，液相法生长碳化硅晶体的装置1还包括液封层40，液封层40位于容纳腔室11且密度低于助溶剂30。
需要说明的是，在高温状态下，液封层40及助溶剂30均为熔融状态，此时，由于液封层40的密度低于助溶剂30的密度，液封层40能够位于助溶剂30的上方，已对助溶剂30进行液封，在液封层40的作用下，能够保证在高温状态下助溶剂30溶液的氮溢出助溶剂30，能够保证高温状态下助溶剂30内含氮量的稳定。
可选的，液封层40的材料为氮化硼或碳化硼。可以理解的，碳化硼或氮化硼所形成的溶液的密度交底，且与助溶剂30反应活性较低，不易与含硅的助溶剂30发生反应。能够保证液封的同时还能够保证自身不会损害N型碳化硅的生长质量。
当然，在另外的一些可选的实施方式中，液封层40还可以为其它的材料制成，只要能够保证密度较低，能够对熔融状态下的助溶剂30进行液封以及难以与助溶剂30发生反应即可。
在可选的实施方式中，长晶石墨坩埚10包括相连接的底板及围板，底板的厚度薄于围板的厚度，底板与围板共同围成容纳腔室11，固态掺杂件20与围板和底板抵接。可以理解的，在碳化硅晶体生长过程中，大部分碳来源于长晶石墨坩埚10的围板，少部分碳来源于长晶石墨坩埚10的底板，因此，围板的厚度大于底板的厚度时，能够节约张紧石墨坩埚的制造成本。
当然，在该实施方式中，助溶剂30能够与围板相接触，进而使得在高温状态下，围板的碳元素可以溶解在熔融状态的助溶剂30中以对碳化硅晶体的生长提供碳源。
进一步地，在本实施例中，长晶石墨坩埚10的高度高于固态掺杂件20的高度。可以理解的，由于长晶石墨坩埚10的高度高于固态掺杂件20的高度，能够保证固态掺杂件20的温度在降温时，避免出现固态掺杂件20破裂而飞溅出容纳腔室11的情况。
在本发明实施例中，还提供了一种长晶炉，长晶炉包括加热坩埚及上述的液相法生长碳化硅晶体的装置1，其中长晶石墨坩埚10位于加热坩埚内。容易理解的，加热坩埚用于在加热装置的加热下将热量传递至长晶石墨坩埚10，而长晶石墨坩埚10仅作为碳化硅晶体生长的碳源及助溶剂30的盛放容器，因此，在长晶石墨坩埚10被高温溶体，也即助溶剂30腐蚀的过程中，不会影响加热坩埚所散发的温场。
综上所述，本发明实施例提供了一种液相法生长碳化硅晶体的装置1及长晶炉。长晶炉包括加热坩埚及液相法生长碳化硅晶体的装置1，长晶石墨坩埚10位于加热坩埚内。液相法生长碳化硅晶体的装置1包括长晶石墨坩埚10及固态掺杂件20。长晶石墨坩埚10具有用于放置助溶剂30的容纳腔室11，固态掺杂件20位于容纳腔室11内，固态掺杂件20的材料包括氮化物。通过固态掺杂件20的氮化物为形成N型碳化硅提供氮元素，在高温环境下，氮元素溶解在助溶剂30溶液中，可以通过扩散与对流等方式输送到晶体生长界面，实现N型碳化硅晶体生长。相较于通过氮气掺杂，固态氮在溶解于助溶剂30后，氮元素能够相对均匀的在熔体中分布，从而提高N型碳化硅的生长质量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种液相法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于，包括：
长晶石墨坩埚（10），所述长晶石墨坩埚（10）具有用于放置助溶剂（30）的容纳腔室（11），所述长晶石墨坩埚（10）包括相连接的底板及围板，所述底板与所述围板共同围成所述容纳腔室（11）；
固态掺杂件（20），所述固态掺杂件（20）位于所述容纳腔室（11）内，所述固态掺杂件（20）的材料包括氮化物，所述固态掺杂件（20）的材料还包括碳化硅，所述固态掺杂件（20）呈环状且所述固态掺杂件（20）的外壁与所述长晶石墨坩埚（10）的内壁贴合，所述固态掺杂件（20）与所述围板和所述底板抵接；
所述液相法生长碳化硅晶体的装置还包括液封层（40），所述液封层（40）位于所述容纳腔室（11）内且密度低于所述助溶剂（30），所述液封层（40）的材料为氮化硼或碳硅硼，所述固态掺杂件（20）远离所述底板的一端的高度高于所述液封层（40）的高度。
2.根据权利要求1所述的液相法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于：
所述助溶剂（30）的材料为硅或硅铬合金。
3.根据权利要求1所述的液相法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于：
所述长晶石墨坩埚（10）呈圆筒状，所述固态掺杂件（20）呈圆环状且自身外壁与所述长晶石墨坩埚（10）的内壁贴合。
4.根据权利要求1所述的液相法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于：
所述底板的厚度薄于所述围板的厚度。
5.根据权利要求1所述的液相法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于：
所述长晶石墨坩埚（10）的高度高于所述固态掺杂件（20）的高度。
6.一种长晶炉，其特征在于，包括加热坩埚及权利要求1-5任一项所述的液相法生长碳化硅晶体的装置，所述长晶石墨坩埚（10）位于所述加热坩埚内。
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