CN117926414A - 一种改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构 - Google Patents
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Abstract
一种改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，涉及N型SiC晶体PVT法生长技术领域，其能够实现长晶过程中晶体各处温度更加均匀，并有效提高晶体内电阻率的均匀性。所述改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构中，坩埚内放置有生长晶体；坩埚的内壁与生长晶体之间设置有适当厚度的隔热材料，且隔热材料用于降低坩埚的内壁向生长晶体的边缘的辐射传热，以进一步降低生长晶体的边缘温度；坩埚的内部且位于生长晶体的中心下部区域设置有多孔石墨筒，且多孔石墨筒用于在原料中心区域形成中空通道，同时中空通道的下方设置有适当厚度的保温材料，以使得底部热量能够通过中空通道更多地辐射至生长晶体的中部，并有效提高生长晶体的中心温度。
Description
技术领域
本发明涉及N型SiC晶体PVT法生长技术领域，尤其涉及一种改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构。
背景技术
目前，主流的碳化硅单晶生长方法为物理气相传输方法（也即PVT法）。使用该方法进行单晶生长时，通常将等静压石墨坩埚置入石墨纤维保温材料中，原料及籽晶分别置于坩埚内的底部和顶部；并且，一般情形下，保温材料及坩埚均呈现圆柱状；此外，为实现长晶温度测试及获取适宜的满足长晶需求的轴向温度梯度，坩埚顶部的保温材料中心位置会进行开孔，该孔道通常被称为测温孔。
然而，由于测温孔的存在，坩埚顶部中心位置通过热辐射散射，从而造成坩埚顶部中心位置通常为坩埚内温度最低区域，进而造成其下方籽晶的中心区域相对边缘区域温度更低；同时，PVT法通常采用感应加热或圆筒状石墨加热器对坩埚进行加热，从而导致发热区域主要集中在坩埚边缘位置，进而进一步加剧了籽晶中心区域与边缘位置的温差，因此长成后的SiC单晶体呈现中间厚边缘薄的凸型。
现有技术中，通常要求用于制备电力电子器件的SiC衬底为导电型衬底，其需具备较低的电阻率；一般在PVT法中采用氮杂质掺杂的方式实现衬底的低电阻率，氮浓度决定了衬底的电阻率，因此氮杂质的掺入均匀性会影响电阻率的均匀性；电阻率的均匀性会对后续器件技术参数（如：导通电阻）的一致性有较大的影响，因此应尽可能地提高衬底电阻率的均匀性。
但本申请发明人发现，氮杂质的掺入效率受到单晶温度梯度的影响，温度较高区域掺入效率相对较低，温度较低区域掺入效率相对较高；并且，由于常规生长方案，单晶存在较大的径向温度梯度，通常单晶中心区域电阻率相对较低，边缘电阻率相对较高，从而造成衬底电阻率均匀性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其能够实现长晶过程中晶体各处温度更加均匀，并有效提高晶体内电阻率的均匀性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，包括：坩埚，所述坩埚内放置有生长晶体；所述坩埚的内壁与所述生长晶体之间设置有适当厚度的隔热材料，且所述隔热材料用于降低所述坩埚的内壁向所述生长晶体的边缘的辐射传热，以进一步降低所述生长晶体的边缘温度；
所述坩埚的内部且位于所述生长晶体的中心下部区域设置有多孔石墨筒，且所述多孔石墨筒用于在原料中心区域形成中空通道，同时所述中空通道的下方设置有适当厚度的保温材料，以使得底部热量能够通过所述中空通道更多地辐射至所述生长晶体的中部，并有效提高所述生长晶体的中心温度。
其中，所述隔热材料采用等静压石墨或石墨纤维毡。
具体地，所述保温材料采用石墨纤维毡。
进一步地，所述多孔石墨筒的内径d3大于测温孔的内径d1，且小于所述生长晶体的直径d2；
同时，所述保温材料的直径d4比所述多孔石墨筒的内径d3大10mm，且所述保温材料的厚度h4不小于20mm。
进一步地，所述隔热材料的厚度h1与所述生长晶体的生长厚度有关，具体数值配合所述生长晶体的生长厚度。
进一步地，所述多孔石墨筒的上口距离所述隔热材料的底部的高度h2不高于10mm。
进一步地，所述多孔石墨筒的高度h3与所述坩埚的整体高度有关，且h3的高度制定满足对h2的要求，同时装料高度具体数值配合晶体生长厚度。
进一步地，所述生长晶体的边缘至所述隔热材料的水平距离L大于5mm。
更进一步地，所述坩埚为石墨坩埚，装料为SiC粉料。
再进一步地，所述坩埚的外围包裹有保温材料层，且所述保温材料层位于所述坩埚顶部的中心位置开设有所述测温孔。
相对于现有技术，本发明所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构具有以下优势：
本发明提供的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构中，通过提高晶体中心区域的温度，并降低晶体边缘区域的温度，从而实现长晶过程中晶体各处温度更加均匀，进而使晶体中心区域的掺氮（N）量降低，边缘区域的掺氮（N）量增加，以此来有效提高晶体内电阻率的均匀性；也即本发明通过优化物理气相传输方法热场结构，从而有效降低单晶径向温度梯度，提高氮杂质掺入效率均匀性，进而有效提高单晶衬底电阻率均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构的结构示意图。
附图标记：
1-坩埚；2-生长晶体；3-隔热材料；4-多孔石墨筒；41-中空通道；5-保温材料；6-保温材料层；61-测温孔。
具体实施方式
热传递的三种方式为热传导，热对流，热辐射。由于PVT方法生长碳化硅单晶时生长温度较高，通常超过2000℃，因此热辐射成为坩埚内热传递的主要方式；并且，通常PVT法使用感应加热及圆桶状石墨加热器对坩埚进行加热，因此坩埚边缘温度较高。本发明通过改变坩埚内热辐射传递热量的路径，优化单晶温度梯度，从而提高氮杂质的掺入效率均匀性，进而提高单晶电阻率均匀性。
为了便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构进行详细描述。
本发明实施例提供一种改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，如图1所示，包括：坩埚1，坩埚1内放置有生长晶体2；坩埚1的内壁与生长晶体2之间设置有适当厚度的隔热材料3，且隔热材料3用于降低坩埚1的内壁向生长晶体2的边缘的辐射传热，以进一步降低生长晶体2的边缘温度；
坩埚1的内部且位于生长晶体2的中心下部区域设置有多孔石墨筒4，且多孔石墨筒4用于在原料中心区域形成中空通道41，同时中空通道41的下方设置有适当厚度的保温材料5，以使得底部热量能够通过中空通道41更多地辐射至生长晶体2的中部，并有效提高生长晶体2的中心温度。
相对于现有技术，本发明实施例所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构具有以下优势：
本发明实施例提供的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构中，通过提高晶体中心区域的温度，并降低晶体边缘区域的温度，从而实现长晶过程中晶体各处温度更加均匀，进而使晶体中心区域的掺氮（N）量降低，边缘区域的掺氮（N）量增加，以此来有效提高晶体内电阻率的均匀性；也即本发明实施例通过优化物理气相传输方法热场结构，从而有效降低单晶径向温度梯度，提高氮杂质掺入效率均匀性，进而有效提高单晶衬底电阻率均匀性。
此处需要补充说明的是，通常在PVT法生长SiC单晶过程中，会在原料与籽晶间建立一个温度梯度（即越靠近籽晶温度越低），因此上述中空通道底部温度相对不预留中空通道的常规方案，裸露出的坩埚底温度高于常规方案的原料表面中心区域温度，这使得向籽晶中心区域的辐射传热量增加，提高了单晶中心区域的温度。
其中，如图1所示，上述隔热材料3可以采用等静压石墨或石墨纤维毡。
具体地，如图1所示，上述保温材料5可以采用石墨纤维毡。
进一步地，如图1所示，为了保证底部中心的热辐射能更高效地传达至晶体生长处，并且主要作用在晶体中心区域；
上述多孔石墨筒4的内径d3大于测温孔61的内径d1，且小于生长晶体2的直径d2；
同时，如图1所示，上述保温材料5的直径d4比多孔石墨筒4的内径d3大10mm，且保温材料5的厚度h4不小于20mm。
进一步地，如图1所示，上述隔热材料3的厚度h1与生长晶体2的生长厚度有关，具体数值配合该生长晶体2的生长厚度。
进一步地，如图1所示，上述多孔石墨筒4的上口距离隔热材料3的底部的高度h2不高于10mm，从而有效降低中间热辐射的发散。
进一步地，如图1所示，上述多孔石墨筒4的高度h3与坩埚1的整体高度有关，且h3的高度制定满足对h2的要求，同时装料高度具体数值配合晶体生长厚度。
进一步地，如图1所示，上述生长晶体2的边缘至隔热材料3的水平距离L大于5mm，从而有效防止对晶体边缘的生长造成干扰。
更进一步地，如图1所示，上述坩埚1可以为石墨坩埚，装料可以为SiC粉料。
再进一步地，如图1所示，上述坩埚1的外围可以优选为包裹有保温材料层6，且该保温材料层6位于坩埚1顶部的中心位置可以开设有测温孔61。
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所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，包括：坩埚，所述坩埚内放置有生长晶体；所述坩埚的内壁与所述生长晶体之间设置有适当厚度的隔热材料，且所述隔热材料用于降低所述坩埚的内壁向所述生长晶体的边缘的辐射传热，以进一步降低所述生长晶体的边缘温度；
所述坩埚的内部且位于所述生长晶体的中心下部区域设置有多孔石墨筒，且所述多孔石墨筒用于在原料中心区域形成中空通道，同时所述中空通道的下方设置有适当厚度的保温材料，以使得底部热量能够通过所述中空通道更多地辐射至所述生长晶体的中部，并有效提高所述生长晶体的中心温度。
2.根据权利要求1所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述隔热材料采用等静压石墨或石墨纤维毡。
3.根据权利要求1或2所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述保温材料采用石墨纤维毡。
4.根据权利要求1所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述多孔石墨筒的内径d3大于测温孔的内径d1，且小于所述生长晶体的直径d2；
同时，所述保温材料的直径d4比所述多孔石墨筒的内径d3大10mm，且所述保温材料的厚度h4不小于20mm。
5.根据权利要求4所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述隔热材料的厚度h1与所述生长晶体的生长厚度有关，具体数值配合所述生长晶体的生长厚度。
6.根据权利要求5所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述多孔石墨筒的上口距离所述隔热材料的底部的高度h2不高于10mm。
7.根据权利要求6所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述多孔石墨筒的高度h3与所述坩埚的整体高度有关，且h3的高度制定满足对h2的要求，同时装料高度具体数值配合晶体生长厚度。
8.根据权利要求7所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述生长晶体的边缘至所述隔热材料的水平距离L大于5mm。
9.根据权利要求7所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述坩埚为石墨坩埚，装料为SiC粉料。
10.根据权利要求4所述的改善N型SiC衬底电阻率均匀性的热场结构，其特征在于，所述坩埚的外围包裹有保温材料层，且所述保温材料层位于所述坩埚顶部的中心位置开设有所述测温孔。
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