CN1247831C - 一种碳化硅晶体生长装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括真空室、石墨生长室、感应线圈，石墨生长室外部包覆有具有适当厚度的绝热材料，感应线圈设置在绝热材料外部，石墨生长室连同其外部的绝热材料层及感应线圈一起固定在真空室内，真空室上带有能够开启的密封盖，其上还设置有供与真空泵相连的抽气口。将晶体生长室及其绝热材料层和感应线圈一同设置在由金属制成的真空室中后，消除了真空室壁夹在感应线圈和晶体生长室之间所带来的缺陷，可以方便地通过调整保温材料的厚度，改变石墨生长室的尺寸来达到改变生长晶体尺寸的目的；同时由于感应线圈和石墨生长室之间没有双层石英管，从而无需进行大的设备改造，即可生长大尺寸SiC晶体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造碳化硅晶体的装置，即一种碳化硅晶体生长装置。
背景技术
以SiC及GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。与Si及GaAs相比，SiC具有宽禁带(2.2～3.3eV，Si的2～3倍)、高热导率(Si的3～3.3倍)、高击穿场强(4×106V/cm，Si的10倍)、高饱和电子飘移速率(2.5×107cm/s，Si的2.5倍)、化学稳定，高硬度抗磨损，以及高键合能等优点。所以SiC特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。SiC器件可用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、空天飞行器、海洋勘探、地震预报、石油钻井、机械加工以及汽车电子化等重要领域。此外，六方SiC与GaN晶格和热膨胀相匹配，目前是制造高亮度GaN发光和激光二极管的理想衬底材料。
原则上从熔体中提拉SiC单晶的方法是可行的，但是由于在高温下Si的蒸气压很大，挥发严重，因此无法从熔体中生长SiC晶体。J.A.Lely最先报道了用气相法生长SiC晶体(US Pat.No 2845364)，用这种方法可用于生长出小的晶片，Yu.M.Tairov和V.E.Tsvetkov在此基础上作了改进，采用籽晶，可生长出更大尺寸的柱状晶体(J.Crystal Growth 52(1978)pp209-212；J.Crystal Growth52(1981)pp146-150)，这种生长SiC晶体的方法称为Modified Lely方法。目前，国际上生长SiC单晶的几个主要大学和公司都采用Modified Lely方法，已经被证明是生长SiC晶体最成熟的方法。所谓Modified Lely方法，是指将SiC粉料加热到2200～2600℃，在一定保护气氛下，使其升华到冷端籽晶上，结晶成为块状晶体。这种方法的关键技术有两点，第一是建立一个合适的温场，形成稳定的气相SiC从高温到低温的输运流，第二是使得气相SiC可以在衬底上外延生长。同时，在生长过程中还需要控制生长室内气体的压力。产生高温有两种方法，一种方法是大电流石墨体加热，另一种是采用中频感应加热。但前一种方法是升温速度慢，且石墨体加热在高温下易气化，严重影响加热体寿命，而后一种方法加热速度快，加热体铜感应线圈寿命长，同时保温材料需要较少，生长室容易达到高真空，因此商业用SiC晶体一般都采用感应加热炉生长。
为了保证在晶体生长过程中石墨生长室内的保护气氛Ar在一定压力范围内，在感应圈和生长室之间需要加一个密闭容器，此容器的材料一般采用石英玻璃，其作用是隔绝外界空气进入生长室，同时允许Ar气在容器内部流动，如美国专利(US Patent No.6200917B1)所描述的生长装置。图1是这类生长装置的结构示意图。在上述装置中，感应线圈位于生长装置的最外层，由密封圈、下法兰、两层石英管及顶盖构成了真空室，两层石英管之间的夹层用于通冷却水，以冷却石英管里壁，石墨生长室位于生长装置轴心，其周围的绝热材料用于保温，通过与真空室相连的抽气管道进行抽气或排气，以达到维持真空室内的Ar气压力在1-10-3Pa的要求。当由外界电源向感应线圈施加一定频率的电流，通过与石墨生长室发生耦合，感应出合适的电流，从而将生长室加热达到生长SiC晶体所需的2200～2600℃的温度。但这类加热装置存在两个缺点：第一，石墨生长室的尺寸不易改变，这给需要改变生长晶体的尺寸时，尤其是增加晶体尺寸时带来了很大困难。这是因为为获得感应线圈和石墨生长室之间能产生好的耦合，前者的直径一般为后者的两倍左右，同时石墨生长室和石英管之间的保温材料厚度也随之确定。欲增加石墨生长室的尺寸，势必要减少保温材料的厚度，这将导致石英管的内壁温度过高，使得石英管变软或漏气。第二，当生长大尺寸晶体时，石墨生长室、石英管和感应线圈的尺寸要相应加大，石英管的壁厚也要相应增加，这将导致感应线圈和石墨生长室之间的耦合变差，感应效率变低，使得在石墨生长室产生所需要的生长温度变得很困难。因此，这种结构的生长装置对所生长晶体的尺寸局限很大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于ModifiedLely晶体生长方法原理的新的SiC晶体生长装置，该装置在无须进行大的设备改造的情况下，即可提供生长大尺寸甚至超大尺寸的SiC晶体。
为达到上述目的，本发明碳化硅晶体生长装置包括真空室、石墨生长室、感应线圈，石墨生长室外部包覆有具有适当厚度的绝热材料，感应线圈设置在绝热材料外部，石墨生长室连同其外部的绝热材料层及感应线圈一起固定在真空室内，真空室上带有能够开启的密封盖，其上还设置有供与真空泵相连的抽气口。
进一步地，所述真空室上还设置有供与进气气源相连的充气口。
进一步地，所述石墨生长室与所述感应线圈同轴安装。
进一步地，所述真空室由金属材料制成，其侧壁为带有冷却水腔的双层结构，在其外层上设置有冷却水输入及输出口。
进一步地，所述真空室侧壁由同轴套装在一起的两层套筒构成，套筒上下端由两法兰盘气密固定。
将晶体生长室及其绝热材料层和感应线圈一同设置在由金属制成的真空室中后，消除了真空室壁夹在感应线圈和晶体生长室之间所带来的缺陷，可以方便地通过调整保温材料的厚度，改变石墨生长室的尺寸来达到改变生长晶体尺寸的目的；同时由于感应线圈和石墨生长室之间没有双层石英管，使得两者直接的耦合效率大大提高，感应线圈的尺寸可以设计得很大，石墨生长室尺寸即使在较大范围内变化，两者之间仍然可以有好的耦合，从而无需进行大的设备改造，即可生长大尺寸SiC晶体。
附图说明
图1为感应线圈外置式SiC晶体生长装置结构示意图；
图2为本发明SiC晶体生长装置结构示意图。
具体实施方式
图1所示为感应线圈外置式SiC晶体生长装置结构示意图，在该装置中，真空室9由相互套装的两层石英玻璃管8及上下法兰盘3、10构成，密封圈1使两层石英玻璃管8之间形成密闭冷却水腔7，外层石英玻璃管壁上设置有冷却水输入、输出口11、12，下法兰3上设置有抽气口2，石墨坩埚6外部包覆有绝热材料层4，感应线圈5安装在石英玻璃管8外部。由于石英玻璃管8夹在感应线圈5与石墨坩埚6之间，在保证感应线圈5与石墨坩埚6处于最佳耦合状态的情况下，当加大石墨坩埚6、石英玻璃管8、感应线圈5的直径时，为了使石英玻璃管8满足强度要求，必须加大其厚度，石英玻璃管8在厚度方向必然更多地占用绝热材料所在的空间，使绝热材料层4变薄，这样既降低了对石墨坩埚6的保温效果，又提高了石英玻璃管8里侧表面的温度，进一步地降低了石英玻璃管8的强度，同时增大石英玻璃管8的直径后，也使其制造难度及成本大幅度提高。
如图2所示，本发明将真空室9的双层侧壁8由不锈钢制成，侧壁8两端分别与上下法兰3、10气密固定，外层侧壁8上设置有冷却水输入、输出口11、12，真空室9上设置有抽气口2和保护气体进气口(图中未示出)；石墨坩埚6外部包覆有绝热材料层4，感应线圈5与石墨坩埚6同轴固定在绝热材料层4外部，感应线圈5与石墨坩埚6直径比为2∶1，石墨坩埚6连同绝热材料层4及感应线圈5一同固定在真空室9内。
工作时，将加有SiC粉料及籽晶的石墨坩埚6及绝热材料层4和感应线圈5固定在真空室9内后，对真空室9抽气，使其真空度达到10-3Pa，充入90000Pa的高纯Ar。接通感应线圈5，对石墨坩埚6进行加热，同时将循环冷却水通入冷却腔7对真空室壁进行冷却。等待30分钟后，启动真空泵(图中未示出)将真空室中的压力降至3000Pa，维持此压力不变并保持恒温预定时间，直至生长出预定尺寸的晶体。
当需要生长尺寸较大的晶体时，因真空室9的尺寸已经足够大，因此只需加大石墨坩埚6、感应线圈5尺寸即可。
Claims (5)
1.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括真空室、石墨生长室、感应线圈，石墨生长室外部包覆有具有适当厚度的绝热材料，感应线圈设置在绝热材料外部，石墨生长室连同其外部的绝热材料层及感应线圈一起固定在真空室内，真空室上带有能够开启的密封盖，其上还设置有供与真空泵相连的抽气口。
2.如权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述真空室上还设置有供与进气气源相连的充气口。
3.如权利要求2所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述石墨生长室与所述感应线圈同轴安装。
4.如权利要求1、2、3任一所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述真空室由金属材料制成，其侧壁为带有冷却水腔的双层结构，在其外层上设置有冷却水输入及输出口。
5.如权利要求4所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述真空室侧壁由同轴套装在一起的两层套筒构成，套筒上下端由两法兰盘气密固定。
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Effective date of registration: 20080509 Address after: B, block 66, East Zhongguancun Road, Beijing, Haidian District 910, China Patentee after: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Address before: No. 8, South Third Street, Haidian District, Beijing, Zhongguancun Patentee before: INSTITUTE OF PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100190, room 1, building 66, No. 2005 East Zhongguancun Road, Beijing, Haidian District Patentee after: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Address before: 100080 B, block 66, East Zhongguancun Road, Beijing, Haidian District, 910 Patentee before: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180130 Address after: 102600 Tianrong street, Daxing District Zhongguancun science and Technology Park, Daxing bio pharmaceutical industry base, Daxing District, Beijing Co-patentee after: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Patentee after: BEIJING TIANKE HEDA NEW MATERIAL CO.,LTD. Address before: 100190, room 1, building 66, No. 2005 East Zhongguancun Road, Beijing, Haidian District Patentee before: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20041110 Assignee: Shenzhen Reinvested Tianke Semiconductor Co.,Ltd. Assignor: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd.|BEIJING TIANKE HEDA NEW MATERIAL CO.,LTD. Contract record no.: X2023990000681 Denomination of invention: A silicon carbide crystal growth device Granted publication date: 20060329 License type: Common License Record date: 20230725 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20060329 |