CN207391600U - 一种碳化硅晶体的生长设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种碳化硅晶体的生长设备，用于将碳化硅粉料生长碳化硅晶体，生长设备具有加热炉体，加热炉具有坩埚盖，籽晶设置与坩埚盖连接，其特征在于：加热炉体包括第一坩埚和第二坩埚，第一坩埚与第二坩埚相连接，第一坩埚位于第二坩埚下方，第一坩埚靠近第二坩埚一侧的开口面积大于第一坩埚远离第二坩埚一侧的开口面积。

Description

一种碳化硅晶体的生长设备

技术领域

本实用新型涉及一种晶体的生长设备，尤其涉及一种碳化硅晶体的生长设备。

背景技术

碳化硅单晶材料属于第三代宽带隙半导体材料的代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，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。

目前碳化硅单晶生长以物理气相沉积法（PVT）为主要生长方式，已经被证明是生长SiC晶体最成熟的方法。将SiC粉料加热到2200～2500 ℃，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可以在籽晶上形成良好的生长界面生长。同时，在生长过程中还需要控制生长室内气体的压力。

由于营造合适的温度梯度及原料在高温下碳化，不可避免的导致中部甚至整体的原料利用率低，另外由于随着晶体生长，在一定厚度后晶体界面发生很大变化，如果不加入可调整生长界面的工艺，那么晶体质量讲受很多影响，晶体厚度也受到限制。这些问题都亟待解决。

碳化硅单晶的晶体生长技术状况为投入1kg~1.5kg原料，生长出厚度为10~25mm晶体约500~600g，最终的原料利用率在20~50%左右，不仅浪费原料，也严重地制约了单炉碳化硅晶体的产量。一般的增加晶体厚度方法是单纯的延长生长时间，但生长界面是随着厚度增加而变化，而且生长后期的原料升华的蒸气中碳硅比及压力已经严重失调，这样生长出的晶体质量已经不能保证。另外由于晶体生长需要营造特有的温度梯度，往往中部原料不能被利用到且原料升华的蒸气到达炉体中部时凝结在炉体中部，造成原料浪费及到达籽晶的原料升华的蒸气的不均匀。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提出了一种碳化硅晶体的生长设备，用于将碳化硅粉料生长碳化硅晶体，生长设备具有加热炉体，加热炉体对碳化硅粉料进行加热，加热炉体具有坩埚盖，用于生长的籽晶设置与坩埚盖连接，加热炉体包括第一坩埚和第二坩埚，第一坩埚与第二坩埚相直接连接或间接连接，第一坩埚位于第二坩埚下方，第一坩埚靠近第二坩埚一侧的开口面积大于第一坩埚远离第二坩埚一侧的开口面积。

优选地，第一坩埚靠近第二坩埚一侧的开口面积与第一坩埚远离第二坩埚一侧的开口面积比为1/4~1/2。

优选地，第一坩埚与第二坩埚直接连接，连接处的外部设置有石墨软毡保温层。

优选地，石墨软毡保温层厚度为5~10mm。

优选地，石墨软毡保温层为2~6层。

优选地，第一坩埚的壁厚大于第二坩埚的壁厚。

优选地，第一坩埚内部中心位置设置有筒状结构，筒状结构内不用于放置碳化硅粉料。

优选地，筒状结构的顶面面积为30~80mm²。

优选地，筒状结构材料包括复合碳纤维或多孔石墨。

优选地，碳化硅料粉的顶部设置有多孔过滤板。

优选地，多孔过滤板包括复合碳纤维板或多孔石墨过滤板。

本实施新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为实施例的一种碳化硅晶体的生长设备的设计简图

图中标号表示如下：1、坩埚盖；2、籽晶；3、第一坩埚；4、第二坩埚；5、碳化硅粉料；6、筒状结构；7、多孔过滤板。

具体实施方式

为使本实用新型之一种碳化硅晶体的生长设备更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本实用新型的若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。

实施例

针对物理气相沉积法（PVT）的碳化硅单晶生长装置进行改进，提出了一种碳化硅晶体的生长设备，用于将碳化硅粉料5生长碳化硅晶体，生长设备具有加热炉体，加热炉体对碳化硅粉料5进行加热，加热炉体具有坩埚盖1，用于生长的籽晶2设置与坩埚盖1连接，加热炉体包括第一坩埚3和第二坩埚4，第一坩埚3与第二坩埚4相直接连接或间接连接，第一坩埚3位于第二坩埚4下方，第一坩埚3内放置碳化硅粉料5，第一坩埚靠3近第二坩埚4一侧的开口面积大于第一坩埚3远离第二坩埚4一侧的开口面积。第一坩埚3靠近第二坩埚4一侧的开口面积与第一坩埚3远离第二坩埚4一侧的开口面积比为1/4~1/2，更优化的选择比例为3/8。第一坩埚3与第二坩埚4连接处的外部设置有石墨软毡保温层，连接处的热量容易泄露，坩埚盖1采用石墨材料，坩埚盖1中心处粘合籽晶2，第一坩埚3和第二坩埚4及坩埚盖1、第一坩埚3和第二坩埚4底部周围包裹2~6层厚度5~10mm的石墨软毡保温层，第一坩埚3及第二坩埚4转接处多增加1~2层层厚度5~10mm的石墨软毡保温层以防止碳化硅原料升华的蒸气凝固，第一坩埚3和第二坩埚4的连接处可以做倒角等缓冲处理，防止锐角过热，及方便石墨软毡保温层能紧贴。

第一坩埚3的壁厚大于第二坩埚4的壁厚，增加容积的同时加快原料的传热速度。第一坩埚3内部中心位置设置有筒状结构6，筒状结构6材料为复合碳纤维或多孔石墨，本实施例采用多孔石墨，筒状结构6内不用于放置碳化硅粉料5。筒状结构6的顶面面积为30~80mm²，更优化的选择为60mm²。碳化硅料粉的顶部设置有多孔过滤板7，过滤碳颗粒和杂质，多孔过滤板7包括复合碳纤维板或多孔石墨过滤板。

一种生长过程为首先抽真空到压力5x10-2mbar以下，充入氩气控制压力在1~50mbar环境之下，水冷式感应线圈通电感应加热第一坩埚3和第二坩埚4，当加热温度达到2100℃以上，碳化硅粉末5开始升华变成碳化硅气体通过中心石墨筒状结构6和多孔的过滤板过滤，并沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶2处沉积结晶，经过5~10天的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶生长，其中要提到的是，在结晶的某个时间段，详细地说是在设定的一半长晶时间后的时间段需要提高生长温度，这个温度在1~20℃间，每次增加1~5℃，这样可以增加原料的升华效率及调节因晶体厚增加的改变的生长界面。

具体来说为在第一坩埚3装入中心石墨筒状结构6，并装入1.2kg纯度5N~6N碳化硅粉末，装入带有四寸籽晶2坩埚盖1，后抽真空到压力5x10^-2mbar以下,初期抽气速率为50mbar/min，充入氩气控制压力在1-30mbar环境之下开始加热生长，在2100oC-2300℃高温环境连续生长4~5天后，每30h增加1-5℃生长温度，在连续生长5~10天后，生长出晶高温环境连续生长4~5天后，每30h增加1-5℃生长温度，在连续生长5~10天后，生长出晶体厚度为34mm。

另一种生长过程具体来说为在第一坩埚3装入中心石墨桶，并装入1.2kg纯度5~6N碳化硅粉末，装入过滤板，并装入带有四寸籽晶2坩埚盖1，后抽真空到压力5x10^-2mbar以下,初期抽气速率为50mbar/min，充入氩气控制压力在1~30mbar环境之下开始加热生长，在2100~2300℃高温环境连续生长4-5天后，每30h增加1~5℃生长温度，在连续生长5~10天后，生长出晶体厚度为28mm。

很明显地，本实用新型的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本实用新型构思的所有可能的实施方式。

Claims (11)

1.一种碳化硅晶体的生长设备，用于将碳化硅粉料生长碳化硅晶体，生长设备具有加热炉体，加热炉体对碳化硅粉料进行加热，加热炉体具有坩埚盖，用于生长的籽晶设置与坩埚盖连接，其特征在于：加热炉体包括第一坩埚和第二坩埚，第一坩埚与第二坩埚相直接连接或间接连接，第一坩埚位于第二坩埚下方，第一坩埚靠近第二坩埚一侧的开口面积大于第一坩埚远离第二坩埚一侧的开口面积。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：第一坩埚靠近第二坩埚一侧的开口面积与第一坩埚远离第二坩埚一侧的开口面积比为1/4~1/2。

3.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：第一坩埚与第二坩埚直接连接，连接处的外部设置有石墨软毡保温层。

4.根据权利要求3所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：石墨软毡保温层厚度为5~10mm。

5.根据权利要求4所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：石墨软毡保温层为2~6层。

6.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：第一坩埚的壁厚大于第二坩埚的壁厚。

7.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：第一坩埚内部中心位置设置有筒状结构，筒状结构内不用于放置碳化硅粉料。

8.根据权利要求7所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：筒状结构的顶面面积为30~80mm²。

9.根据权利要求7所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：筒状结构材料为复合碳纤维或多孔石墨。

10.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：碳化硅料粉的顶部设置有多孔过滤板。

11.根据权利要求10所述的一种碳化硅晶体的生长设备，其特征在于：多孔过滤板包括复合碳纤维板或多孔石墨过滤板。