CN116815320A - 碳化硅晶体生长装置、方法及碳化硅晶体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化硅晶体生长装置、方法及碳化硅晶体，涉及晶体生长技术领域。该碳化硅晶体生长装置包括坩埚、籽晶及加热结构，坩埚包括坩埚体和坩埚盖，坩埚盖水平设置于坩埚体的顶部，坩埚体的轴线相对于坩埚盖倾斜设置，籽晶设置于坩埚盖的内壁，籽晶的生长面具有生长阶梯，生长阶梯包括多个相对于坩埚盖倾斜设置的倾斜壁，倾斜壁的倾斜方向与坩埚体倾斜方向相同，加热结构设置于坩埚的外侧，用于加热坩埚。本发明提供的碳化硅晶体生长装置及配套的方法能够提升碳化硅晶体的生长速率，同时减少碳化硅晶体的缺陷，提高碳化硅晶体的生长质量。
Description
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长装置、方法及碳化硅晶体。
背景技术
传统PVT工艺生长碳化硅晶体，坩埚和加热结构一般均为对称结构，加热结构启动后在坩埚内部形成竖直向上的温度梯度，为坩埚底部的碳化硅原料升华后向顶部的籽晶流动提供动力，从而在籽晶上生长出碳化硅晶体。
目前，籽晶的生长面一般都形成有生长阶梯，以提供更多的形核点，从而获得更快的生长速率和更少的缺陷。但是，由于现有技术中的坩埚和加热结构一般为对称结构，产生的温度梯度竖直向上，而坩埚轴心区域的温度略微偏低，碳化硅升华后形成的气相长晶组分(主要为SimCn，即碳硅化合物)实际上是以由边缘向中心聚拢的状态向上流动，导致大约一半的气相长晶组分逆台阶到达生长阶梯，晶体生长速率快且缺陷较少，而另外大约一半的气相长晶组分顺台阶到达生长阶梯，晶体生长速率慢且缺陷较多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅晶体生长装置、方法及碳化硅晶体，其能够提升碳化硅晶体的生长速率，并减少碳化硅晶体的缺陷，提高碳化硅晶体的生长质量。
第一方面，本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置，其包括：
坩埚，所述坩埚包括坩埚体和坩埚盖，所述坩埚盖水平设置于所述坩埚体的顶部，所述坩埚体的轴线相对于所述坩埚盖倾斜设置；
籽晶，所述籽晶设置于所述坩埚盖的内壁，所述籽晶的生长面具有生长阶梯，所述生长阶梯包括多个相对于所述坩埚盖倾斜设置的倾斜壁，所述倾斜壁的倾斜方向与所述坩埚体的倾斜方向相同；
加热结构，所述加热结构设置于所述坩埚的外侧，用于加热所述坩埚。
在可选的实施方式中，所述坩埚体的轴线与所述坩埚盖之间的夹角等于所述倾斜壁与所述坩埚盖之间的夹角。
在可选的实施方式中，所述生长阶梯还包括多个相对于所述坩埚盖垂直设置的垂直壁，多个所述垂直壁与多个所述倾斜壁依次交替连接。
在可选的实施方式中，所述加热结构包括加热筒，所述加热筒围绕所述坩埚体设置且轴线与所述坩埚体的轴线重合。
在可选的实施方式中，所述加热结构包括多个加热环，所述多个加热环均围绕所述坩埚体设置且沿所述坩埚体的轴线间隔排布，每个所述加热环的轴线均与所述坩埚体的轴线重合。
在可选的实施方式中，所述加热结构包括多个加热棒，所述多个加热棒围绕所述坩埚体间隔设置，每个所述加热棒均与所述坩埚体的轴线平行。
在可选的实施方式中，碳化硅晶体生长装置包括炉体，所述炉体设置有进气口与出气口，所述进气口位于所述炉体的底部，所述出气口位于所述炉体的顶部，所述坩埚容置于所述炉体内且位于所述进气口和所述出气口之间。
在可选的实施方式中，所述进气口和所述出气口的连线相对于所述坩埚盖倾斜且倾斜方向与所述坩埚体或者所述倾斜壁的倾斜方向相同。
第二方面，本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体生长方法，基于前述任一实施方式所述的碳化硅晶体生长装置，其包括：
将碳化硅原料置入坩埚体内；
将固定有籽晶的坩埚盖水平安装于坩埚体的顶部；
加热结构加热坩埚，以使坩埚内的碳化硅原料升华并沿相对于坩埚盖倾斜的方向流动至籽晶的生长面形成碳化硅晶体。
第三方面，本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体，其采用前述的碳化硅晶体生长方法制备而成。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的碳化硅晶体生长装置及配套的方法，通过将坩埚体设置为相对于水平设置的坩埚盖倾斜且倾斜方向与籽晶的生长面的生长阶梯的倾斜壁的倾斜方向相同，即坩埚采用非对称式的倾斜结构，这样当加热结构启动时，坩埚内就可以形成倾斜向上的温度梯度，从而使得碳化硅原料升华后形成的气相长晶组分沿与竖直方向呈一定夹角的方向倾斜流向籽晶的生长面，进而几乎全部逆台阶到达生长阶梯(即大致顺着生长阶梯的倾斜壁到达生长阶梯的夹角空间内)，这样几乎全部的气相长晶组分都能够快速且充分的填充生长阶梯的夹角空间，加快碳化硅晶体的生长速率并减少碳化硅晶体的缺陷，提高碳化硅晶体的生长质量。
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现有的附图。
图1为现有技术中碳化硅晶体生长过程中气相长晶组分到达籽晶的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的碳化硅晶体生长装置的结构示意图；
图3为本发明第一实施例提供的碳化硅晶体生长装置的气相长晶组分到达籽晶的流向示意图；
图4为本发明第二实施例提供的碳化硅晶体生长装置的结构示意图；
图5为本发明第三实施例提供的碳化硅晶体生长装置的结构示意图；
图6为本发明第四实施例提供的碳化硅晶体生长方法的流程图。
图标：100-碳化硅晶体生长装置；110-坩埚；111-坩埚体；112-坩埚盖；120-籽晶；121-生长面；122-生长阶梯；123-倾斜壁；124-垂直壁；130-加热结构；140-炉体；141-进气口；142-出气口。
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。
目前，采用PVT法在籽晶上生长碳化硅晶体时，籽晶的生长面一般形成有生长阶梯，以提供更多的形核点，从而获得更大的生长速率和更少的缺陷。现有技术中的坩埚和加热结构一般为对称结构，虽然加热结构加热坩埚时，坩埚内部形成的温度梯度竖直向上，但实际上，坩埚中心的温度是略微低于边缘的温度的，这就导致碳化硅原料在坩埚内部受热升华后，产生的气相长晶组分实际上是以由边缘向中心聚拢的状态向上流动，从而导致大约一半的气相长晶组分逆台阶到达生长阶梯，这部分气相长晶组分形成碳化硅晶体生长速率快且缺陷少，而另外大约一半的气相长晶组分顺台阶到达生长阶梯，这部分气相长晶组分形成碳化硅晶体生长速率慢且缺陷较多。
详细地，请参照图1，图1示出了现有技术中气相长晶组分流向籽晶120的生长面121的场景，图1中的A区域内的箭头所指方向即为逆台阶到达生长面121的生长阶梯122的气相长晶组分的流向，图1中B区域内的箭头所指方向即为顺台阶到达生长面121的生长阶梯122的气相长晶组分的流向。
可以理解的是，逆台阶到达生长阶梯122的气相长晶组分正对生长阶梯122的多个夹角空间，能够受到形成夹角空间的两个侧壁的有效约束，使得气相长晶组分以嵌入夹角空间的角度快速填充夹角空间的顶角，碳化硅晶体生长速率快，生长紧密且质量高。
而顺台阶到达生长阶梯122的气相长晶组分，偏离夹角空间的开口方向，这部分气相长晶组分无法受到形成夹角空间的两个侧壁的有效约束，无法快速进入夹角空间，从而与相邻的气相长晶组分发生相互冲击，导致晶体生长速率慢，生长质量低。
现有技术的上述情况必然导致碳化硅晶体整体生长速率较慢，生长质量不高。
对此，本发明提供了一种新的碳化硅晶体生长装置及方法，其通过将坩埚体设置为相对于水平设置的坩埚盖倾斜且倾斜方向与籽晶的生长面的生长阶梯的倾斜壁的倾斜方向相同，即坩埚采用非对称式的倾斜结构，这样当加热结构启动时，坩埚内就可以形成倾斜向上的温度梯度，从而使得碳化硅原料升华后形成的气相长晶组分沿与竖直方向呈一定夹角的方向倾斜流向籽晶的生长面，进而几乎全部逆台阶到达生长阶梯(即大致顺着生长阶梯的倾斜壁到达生长阶梯的夹角空间内)，这样气相长晶组分就能够快速且充分的填充生长阶梯的夹角空间，提升碳化硅晶体的生长速率并减少碳化硅晶体的缺陷，提高碳化硅晶体的生长质量。
下面结合附图详细介绍本发明实施例提供的碳化硅晶体生长装置的形状构造、工作原理及取得的技术效果以及配套的碳化硅晶体生长方法的详细步骤。
请参照图2和图3，本发明实施例提供的碳化硅晶体生长装置100包括坩埚110、籽晶120和加热结构130。
其中，坩埚110包括坩埚体111和坩埚盖112，坩埚盖112水平设置于坩埚体111的顶部且与坩埚110的底壁平行，坩埚体111的轴线相对于坩埚盖112倾斜设置，即坩埚体111的侧壁呈倾斜的圆筒状。
籽晶120设置于坩埚盖112的内壁，籽晶120的固定方式包括但不限于粘接、夹持等，本实施例不作限定。籽晶120的生长面121具有生长阶梯122，生长阶梯122包括多个相对于坩埚盖112倾斜设置的倾斜壁123和多个相对于坩埚盖112垂直设置的垂直壁124，倾斜壁123的倾斜方向与坩埚体111的倾斜方向相同，多个垂直壁124和多个倾斜壁123依次交替连接。
进一步地，本实施例中，坩埚体111的轴线与坩埚盖112之间的夹角等于倾斜壁123与坩埚盖112之间的夹角。即坩埚体111和倾斜壁123不仅倾斜方向相同，且倾斜程度也相同。这样可以使得坩埚110内的气相长晶组分可以更顺畅地沿倾斜壁123流向生长阶梯122的夹角空间内以被对应的倾斜壁123和垂直壁124约束，从而快速地生长出高质量的碳化硅晶体。
当然，需要说明的是，其它实施例中，坩埚体111的轴线与坩埚盖112之间的夹角也可以不等于倾斜壁123与坩埚盖112之间的夹角，即坩埚体111和倾斜壁123的倾斜程度可以不同。
请再参照图2，加热结构130设置于坩埚110的外侧，用于加热坩埚110。加热结构130可以根据需要采用不同的结构形式，本实施例中，加热结构130包括加热筒，加热筒围绕坩埚体111设置且轴线与坩埚体111的轴线重合。加热筒的顶部略低于坩埚110的顶部(即坩埚盖112)，加热筒的底部略高于坩埚110的底部(即坩埚体111的底壁)。
这种倾斜圆筒状的加热结构130具有结构简单成本低，且安装方便的特点，当加热结构130通电启动对坩埚110进行加热时，坩埚110内就可以形成倾斜向上的温度梯度，碳化硅原料升华形成的气相长晶组分就可以倾斜向上流动至籽晶120，并沿着生长阶梯122的倾斜壁123的延伸方向(即逆台阶方向)嵌入生长阶梯122的夹角空间形成碳化硅晶体(见图3)，不仅速率快而且缺陷少，质量高。
进一步地，碳化硅晶体生长装置100包括炉体140，炉体140设置有进气口141与出气口142，进气口141位于炉体140的底部，出气口142位于炉体140的顶部，坩埚110容置于炉体140内且位于进气口141和出气口142之间，以使从进气口141进入炉体140内的保护气体可以经过坩埚110和加热结构130后从出气口142流出炉体140。
本实施例中，进气口141和出气口142的连线相对于坩埚盖112倾斜且倾斜方向与坩埚体111或者倾斜壁123的倾斜方向相同。这样可以使得炉体140内的保护气体也可以在一定程度上沿倾斜向上的方向流动，从而带动加热结构130产生的热量倾斜向上流动，更利于坩埚110内形成倾斜向上的温度梯度，从而保证坩埚110内的气相长晶组分沿倾斜向上的方向流动至籽晶120，使得几乎全部的气相长晶组分都能逆台阶到达生长阶梯122的夹角空间内，提高碳化硅晶体的生长速率和质量。
本发明提供的碳化硅晶体生长装置100通过将坩埚体111设置为相对于水平设置的坩埚盖112倾斜且倾斜方向与籽晶120的生长面121的生长阶梯122的倾斜壁123的倾斜方向相同，即坩埚110采用非对称式的倾斜结构，这样当加热结构130启动时，坩埚110内就可以形成倾斜向上的温度梯度，从而使得碳化硅原料升华后形成的气相长晶组分沿与竖直方向呈一定夹角的方向倾斜流向籽晶120的生长面121，进而几乎全部逆台阶(即大致沿着生长阶梯122的倾斜壁123)到达生长阶梯122并嵌入生长阶梯122的夹角空间，这样几乎全部的气相长晶组分都能够快速且充分的填充生长阶梯122的夹角空间，提升碳化硅晶体的生长速率并减少碳化硅晶体的缺陷，提高碳化硅晶体的生长质量。
第二实施例：
请参照图4，本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置100，其整体构造、工作原理及取得的技术效果与第一实施例基本相同，不同之处在于加热结构130的具体结构形式。
本实施例中，加热结构130包括多个加热环，多个加热环均围绕坩埚体111设置且沿坩埚体111的轴线间隔排布，每个加热环的轴线均与坩埚体111的轴线重合。这种多个呈环状且沿坩埚体111倾斜排布的加热结构130，使得坩埚体111轴向上的每个区域的加热温度可以独立控制，从而使得坩埚110内形成轴向上的温度梯度更大，从而加快碳化硅晶体的升华速率，提高碳化硅晶体的生长速率。
第三实施例：
请参照图5，本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置100，其整体构造、工作原理及取得的技术效果与第一实施例基本相同，不同之处在于加热结构130的具体结构形式。
本实施例中，加热结构130包括多个加热棒，多个加热棒围绕坩埚体111间隔设置，每个加热棒均与坩埚体111的轴线平行。这种多个围绕坩埚体111间隔排布且倾斜设置的加热结构130，使得坩埚体111径向上的每个区域的加热温度可以独立控制，从而使得坩埚110内径向上的温度梯度可以根据需要调控，从而提高碳化硅晶体的生长质量。
第四实施例：
请参照图6，本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体生长方法，基于前述第一实施例、第二实施例或者第三实施例提供的碳化硅晶体生长装置100，其包括以下步骤：
S100：将碳化硅原料置入坩埚体111内。
S200：将固定有籽晶120的坩埚盖112水平安装于坩埚体111的顶部。
S300：加热结构130加热坩埚110，以使坩埚110内的碳化硅原料升华并沿相对于坩埚盖112倾斜的方向流动至籽晶120的生长面121形成碳化硅晶体。在加热结构130加热坩埚110的同时，保护气体通过进气口141进入炉体140，经过坩埚110和加热结构130后，从出气口142流出。
本碳化硅晶体生长方法可以使得坩埚110内的气相长晶组分几乎全部逆台阶到达籽晶120的生长面121，并且沿着生长阶梯122的倾斜壁123嵌入生长阶梯122的夹角空间内，从而快速高效地生长缺陷少、质量高的碳化硅晶体。
第五实施例：
本发明的实施例提供了一种碳化硅晶体，其采用第四实施例提供的碳化硅晶体生长方法制备而成，具有生长速度快，缺陷少，质量高的特点。
以上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 (10)
1.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括：
坩埚(110)，所述坩埚(110)包括坩埚体(111)和坩埚盖(112)，所述坩埚盖(112)水平设置于所述坩埚体(111)的顶部，所述坩埚体(111)的轴线相对于所述坩埚盖(112)倾斜设置；
籽晶(120)，所述籽晶(120)设置于所述坩埚盖(112)的内壁，所述籽晶(120)的生长面(121)具有生长阶梯(122)，所述生长阶梯(122)包括多个相对于所述坩埚盖(112)倾斜设置的倾斜壁(123)，所述倾斜壁(123)的倾斜方向与所述坩埚体(111)的倾斜方向相同；
加热结构(130)，所述加热结构(130)设置于所述坩埚(110)的外侧，用于加热所述坩埚(110)。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚体(111)的轴线与所述坩埚盖(112)之间的夹角等于所述倾斜壁(123)与所述坩埚盖(112)之间的夹角。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述生长阶梯(122)还包括多个相对于所述坩埚盖(112)垂直设置的垂直壁(124)，多个所述垂直壁(124)与多个所述倾斜壁(123)依次交替连接。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述加热结构(130)包括加热筒，所述加热筒围绕所述坩埚体(111)设置且轴线与所述坩埚体(111)的轴线重合。
5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述加热结构(130)包括多个加热环，所述多个加热环均围绕所述坩埚体(111)设置且沿所述坩埚体(111)的轴线间隔排布，每个所述加热环的轴线均与所述坩埚体(111)的轴线重合。
6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述加热结构(130)包括多个加热棒，所述多个加热棒围绕所述坩埚体(111)间隔设置，每个所述加热棒均与所述坩埚体(111)的轴线平行。
7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括炉体(140)，所述炉体(140)设置有进气口(141)与出气口(142)，所述进气口(141)位于所述炉体(140)的底部，所述出气口(142)位于所述炉体(140)的顶部，所述坩埚(110)容置于所述炉体(140)内且位于所述进气口(141)和所述出气口(142)之间。
8.根据权利要求7所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述进气口(141)和所述出气口(142)的连线相对于所述坩埚盖(112)倾斜且倾斜方向与所述坩埚体(111)或者所述倾斜壁(123)的倾斜方向相同。
9.一种碳化硅晶体生长方法，基于权利要求1-8任一项所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括：
将碳化硅原料置入坩埚体(111)内；
将固定有籽晶(120)的坩埚盖(112)水平安装于坩埚体(111)的顶部；
加热结构(130)加热坩埚(110)，以使坩埚(110)内的碳化硅原料升华并沿相对于坩埚盖(112)倾斜的方向流动至籽晶(120)的生长面(121)形成碳化硅晶体。
10.一种碳化硅晶体，其特征在于，采用权利要求9所述的碳化硅晶体生长方法制备而成。
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