CN118127616A - 提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体材料技术领域，具体的说是提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，包括以下步骤：S1、将原料、石墨环、绝热层依次放入反应容器内；S2、将籽晶小心放入对应尺寸籽晶固定结构和导热柱中间并固定，整体通过反应容器顶部固定在坩埚上方；此装置省去了籽晶粘接固定，消除了粘接籽晶存在的较大应力的问题，通过特殊的籽晶支架和导热柱设计，有利于形成径向均匀的热场结构，提高了单晶质量，同时可以很容易调整尺寸适合于不同尺寸的籽晶使用，仅需制作一批不同尺寸的籽晶固定结构，而无需设计复杂的结构件和专门的坩埚，解决了通常热场单晶扩径时改动复杂的难题，实现了通用尺寸晶体的扩径制备。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体的说是提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法。
背景技术
以碳化硅/氮化铝为代表的第三代半导体材料被认为在轨道交通、新能源汽车、智能电网、5G通信等新兴行业有着非常广阔的前景，而物理气相输送法(PVT)则是主流制备工艺，其原理是气相组分在籽晶上逐渐沉积实现晶体生长。
目前现有技术中，碳化硅籽晶粘接技术是一种新型的半导体晶体管芯片封装技术，通过将两个碳化硅晶体片利用粘连形成一个完整的单晶结构。
在使用中，粘接籽晶固定的方式在高温下，由于与粘接的材料热膨胀系数不同，存在较大的应力，不利于高质量晶体制备，同时在晶体进行扩径生长时，需要设计热场结构，保证径向温度梯度，导致成本高昂，迭代周期缓慢，因此，针对上述问题提出提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决背景技术中所提出的至少一个技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，包括以下步骤：
S1、将原料、石墨环、绝热层依次放入反应容器内；
S2、将籽晶小心放入对应尺寸籽晶固定结构和导热柱中间并固定，整体通过反应容器顶部固定在坩埚上方；
S3、将S1和S2整体外侧包裹保温材料，放置到长晶炉内；
S4、对坩埚进行加热，进行晶体生长，导热柱良好的传热效果使得籽晶固定结构径向温度条件一致性高，同时提供晶体生长的过冷度，由于绝热层相较于导热柱起到更好的保温作用，使得反应腔室顶部侧面温度升高，晶体边缘温度梯度减小；
S5、生长结束后，热场冷却后，取出晶体；
S6、对得到晶体进行加工，得到更大尺寸籽晶；
S7、重复S1-S6步骤，实现大尺寸单晶制备。
优选的，所述S1中反应容器内部存在有热场；所述绝热层位于反应容器顶部为园环状设置；所述反应容器内部下方安装有石墨环，且石墨环下方位于反应容器底部设有原料；所述石墨环上方安装有反应腔室。
优选的，所述反应容器内部上方安装有导热柱，且导热柱与下方籽晶固定结构通过螺纹方式连接；所述籽晶通过籽晶固定结构承接，并与直接接触；所述籽晶固定结构为高纯石墨材质，纯度在10ppm级以上；导热柱上方与反应容器上方通过螺纹方式固定。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，省去了籽晶粘接固定，消除了粘接籽晶存在的较大应力的问题，通过特殊的籽晶支架和导热柱设计，有利于形成径向均匀的热场结构，提高了单晶质量。
2.本发明提供提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，可以很容易调整尺寸适合于不同尺寸的籽晶使用，仅需制作一批不同尺寸的籽晶固定结构，而无需设计复杂的结构件和专门的坩埚，解决了通常热场单晶扩径时改动复杂的难题，实现了通用尺寸晶体的扩径制备。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为不同尺寸籽晶固定示意图。
图例说明：
1、绝热层；2、反应容器；3、导热柱；4、籽晶；5、籽晶固定结构；6、反应腔室；7、石墨环；8、原料。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3所示，提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，包括以下步骤：
S1、将原料8、石墨环7、绝热层1依次放入反应容器2内；
S2、将籽晶4小心放入对应尺寸籽晶固定结构5和导热柱3中间并固定，整体通过反应容器2顶部固定在坩埚上方；
S3、将S1和S2整体外侧包裹保温材料，放置到长晶炉内；
S4、对坩埚进行加热，进行晶体生长，导热柱3良好的传热效果使得籽晶固定结构5径向温度条件一致性高，同时提供晶体生长的过冷度，由于绝热层1相较于导热柱3起到更好的保温作用，使得反应腔室6顶部侧面温度升高，晶体边缘温度梯度减小；
S5、生长结束后，热场冷却后，取出晶体；
S6、对得到晶体进行加工，得到更大尺寸籽晶；
S7、重复S1-S6步骤，实现大尺寸单晶制备。
请参阅图1-3所示，所述S1中反应容器2内部存在有热场；所述绝热层1位于反应容器2顶部为园环状设置；所述反应容器2内部下方安装有石墨环7，且石墨环7下方位于反应容器2底部设有原料8；所述石墨环7上方安装有反应腔室6；工作时，原料8是用来供籽晶4生长为单晶提供条件，石墨环7的存在可以减缓原料气化上行速率，使得气相组分相对有序流动，减少固体微粉上行，并且通过在石墨环7下方发生固相沉积构成相对稳定的温度分布，提高晶体生长质量。
请参阅图1-3所示，所述反应容器2内部上方安装有导热柱3，且导热柱3与下方籽晶固定结构5通过螺纹方式连接；所述籽晶4通过籽晶固定结构5承接，并与33直接接触；所述籽晶固定结构5为高纯石墨材质，纯度在10ppm级以上；导热柱3上方与反应容器2上方通过螺纹方式固定；工作时，导热柱3为带有圆形凹槽的圆柱结构，可以加强传热构造自固相到气相的均匀温度梯度，由导热率好的材质构成，如等静压石墨、金属钽等，可以提供径向均匀的热场，保障单晶质量和沉积均匀性。
图3所示，当不同直径单晶生长时籽晶固定方式，对于不同直径籽晶，以碳化硅为例，如在实现6英寸到8英寸扩径时，只需在6英寸籽晶的基础上，生长一定厚度单晶，切磨抛加工制成更大直径，如6.5英寸籽晶后，只需更改籽晶固定结构5尺寸，即可利用原有热场结构进行更大直径单晶生长，从6英寸到6.5英寸，到7英寸，到8英寸等等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (3)
1.提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，其特征在于：提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法包括以下步骤：
S1、将原料(8)、石墨环(7)、绝热层(1)依次放入反应容器(2)内；
S2、将籽晶(4)小心放入对应尺寸籽晶固定结构(5)和导热柱(3)中间并固定，整体通过反应容器(2)顶部固定在坩埚上方；
S3、将S1和S2整体外侧包裹保温材料，放置到长晶炉内；
S4、对坩埚进行加热，进行晶体生长，导热柱(3)良好的传热效果使得籽晶固定结构(5)径向温度条件一致性高，同时提供晶体生长的过冷度，由于绝热层(1)相较于导热柱(3)起到更好的保温作用，使得反应腔室(6)顶部侧面温度升高，晶体边缘温度梯度减小；
S5、生长结束后，热场冷却后，取出晶体；
S6、对得到晶体进行加工，得到更大尺寸籽晶；
S7、重复S1-S6步骤，实现大尺寸单晶制备。
2.根据权利要求1所述的提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，其特征在于：所述S1中反应容器(2)内部存在有热场；所述绝热层(1)位于反应容器(2)顶部为园环状设置；所述反应容器(2)内部下方安装有石墨环(7)，且石墨环(7)下方位于反应容器(2)底部设有原料(8)；所述石墨环(7)上方安装有反应腔室(6)。
3.根据权利要求2所述的提高籽晶径向均匀的高质量晶体生长方法，其特征在于：所述反应容器(2)内部上方安装有导热柱(3)，且导热柱(3)与下方籽晶固定结构(5)通过螺纹方式连接；所述籽晶(4)通过籽晶固定结构(5)承接，并与导热柱(3)直接接触；所述籽晶固定结构(5)为高纯石墨材质，纯度在10ppm级以上；导热柱(3)上方与反应容器(2)上方通过螺纹方式固定；。
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