CN209522952U - 大尺寸碳化硅晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大尺寸碳化硅晶体生长装置，包括真空腔室、感应线圈和坩埚；真空腔室位于感应线圈内的中央位置；坩埚位于真空腔室中心位置；坩埚包括坩埚体和坩埚上盖，坩埚上盖盖合于坩埚体顶部；坩埚上盖下方设置有上盖籽晶托；感应线圈用于加热坩埚，感应线圈在碳化硅晶体生长过程中根据碳化硅粉料量的变化控制坩埚纵向上的温度梯度。通过可根据碳化硅粉料量的变化控制坩埚纵向上的温度梯度的感应线圈的设置，实现碳化硅粉料和籽晶之间温度梯度的控制，有助于降低碳化硅晶体的内应力、减少碳化硅晶体的缺陷、提高碳化硅晶体质量及生产效率，实现大尺寸、高有效厚度的碳化硅晶体的生长。

Description

大尺寸碳化硅晶体生长装置

技术领域

本实用新型涉及晶体生长设备技术领域，尤其涉及一种大尺寸碳化硅晶体生长装置。

背景技术

第三代半导体材料碳化硅晶体也被称为宽禁带半导体，主要具有以下优点：1.高禁带宽度，2.高击穿场强，3.高饱和电子漂移速率，4.高热导率。

因此，在高电压、高功率、高频率及高温场景应用中具有显著优势，主要应用于功率半导体器件、微波射频高频器件。SiC器件在节能降耗方面有显著的优势，可以提高太阳能和风力发电转换效率10％以上，降低高铁能耗20％左右，延长新能源汽车里程10％-20％以上，还可以减少功率模块的体积、重量，满足电力传输、轨道交通、新能源汽车、通信、现代国防武器装备等重大战略领域对高性能、大功率器件的迫切需求。因此，SiC器件被誉为带动“新能源革命”的绿色器件。

比较成熟的碳化硅晶体生长技术为物理气相传输(PVT)法。PVT法使用中频电源为感应线圈供电，感应线圈在中频交变电流作用下，周围产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使置于感应线圈中的高密度石墨坩埚表层产生封闭的感应电流即涡流，石墨坩埚表面在涡流作用下产生的高密度电流的电能转变为热能，使坩埚表层温度升高，并向坩埚内部传导，加热置于坩埚底部的碳化硅原料，并通过热辐射加热石墨坩埚内部的气体，包括碳化硅原料升华、分解产生的Si、SiC、Si₂C、SiC₂等气相组分。碳化硅籽晶置于坩埚顶部，处于相对低温区，碳化硅粉料置于高温区。气相组分在温度梯度的驱动下向低温区传输，在碳化硅籽晶表面沉积生长为碳化硅晶体。(温度梯度是碳化硅晶体生长的驱动力。)

现有技术方案所使用的线圈排布均匀，碳化硅粉料位于加热线圈中，感应线圈产生的涡流直接加热碳化硅粉料所处区域的石墨坩埚，石墨坩埚通过热传导直接加热碳化硅粉料；籽晶位于加热线圈上部，主要通过石墨坩埚的热辐射被加热，籽晶处于相对的低温区。因此，籽晶与碳化硅粉料之间的温度梯度是由感应线圈与碳化硅粉料和籽晶的相对位置所决定的。在晶体生长过程中，碳化硅粉料不断被消耗，碳化硅粉料顶部与籽晶之间的高度差在不断变化，籽晶与碳化硅粉料之间的温度梯度也随之改变，碳化硅粉料升华后，碳化硅不能在籽晶处获得稳定的温度生长结晶，不利于大尺寸碳化硅晶体的生长。因此，有必要提供一种碳化硅生长装置，改变其热场结构设计，优化碳化硅粉料与籽晶之间的温度梯度，实现大尺寸、高有效厚度的碳化硅晶体的生长。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大尺寸碳化硅晶体生长装置，以解决现有技术中碳化硅晶体生长装置不能满足生长大尺寸、高有效厚度的碳化硅晶体的问题。

为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种大尺寸碳化硅晶体生长装置，包括真空腔室、感应线圈和坩埚；真空腔室位于感应线圈内的中央位置；坩埚位于真空腔室中心位置；坩埚包括坩埚体和坩埚上盖，坩埚上盖盖合于坩埚体顶部；坩埚上盖下方设置有上盖籽晶托，上盖籽晶托位于坩埚体和坩埚上盖盖合的范围内，上盖籽晶托位于坩埚体的顶部；感应线圈用于加热坩埚，感应线圈在碳化硅晶体生长过程中根据碳化硅粉料量的变化控制坩埚纵向上的温度梯度。

进一步地，感应线圈为螺旋形感应线圈，螺旋形感应线圈各相邻两匝的间距从下到上逐渐增大。

进一步地，感应线圈为螺旋形感应线圈，螺旋形感应线圈分上螺旋形感应线圈和下螺旋形感应线圈；下螺旋形感应线圈与上螺旋形感应线圈一体连接，下螺旋形感应线圈的纵向长度占整个螺旋形感应线圈的1-50％；上螺旋形感应线圈各相邻两匝的间距从下到上逐渐增大，下螺旋形感应线圈每相邻两匝的间距相等且小于上螺旋形感应线圈相邻两匝之间的最小间距。

进一步地，感应线圈包括多个子感应线圈，多个子感应线圈从上到下依次设置，各子感应线圈的加热功率分别控制。

进一步地，各子感应线圈之间在纵向上相对位置可调。

进一步地，坩埚上盖的边缘设有一个或多个通孔。

进一步地，通孔直径为2-5mm。

进一步地，真空腔室内设有保温石墨毡，保温石墨毡围绕坩埚四周设置。

进一步地，大尺寸碳化硅晶体生长装置还包括抽真空孔和抽真空管道；抽真空管道通过抽真空孔与真空腔室连通。

进一步地，真空腔室的顶部中心和底部中心分别设有上测温孔和下测温孔。

进一步地，真空腔室顶部为上密封法兰，底部为下密封法兰，侧壁为双层石英管。

进一步地，坩埚的材质为石墨。

有益效果：本实用新型的大尺寸碳化硅晶体生长装置，包括真空腔室、感应线圈和坩埚；真空腔室位于感应线圈内的中央位置；坩埚位于真空腔室中心位置；坩埚包括坩埚体和坩埚上盖，坩埚上盖盖合于坩埚体顶部；坩埚上盖下方设置有上盖籽晶托，上盖籽晶托位于坩埚体和坩埚上盖盖合的范围内，上盖籽晶托位于坩埚体的顶部；感应线圈用于加热坩埚，感应线圈在碳化硅晶体生长过程中根据碳化硅粉料量的变化控制坩埚纵向上的温度梯度。通过可根据碳化硅粉料量的变化控制坩埚纵向上的温度梯度的感应线圈的设置，实现碳化硅粉料和籽晶之间温度梯度的控制，有助于降低碳化硅晶体的内应力、减少碳化硅晶体的缺陷、提高碳化硅晶体质量及生产效率，实现大尺寸、高有效厚度的碳化硅晶体的生长。

附图说明

图1为本实用新型一实施例大尺寸碳化硅晶体生长装置的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中感应线圈的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例中感应线圈的结构示意图；

图4为本实用新型第三实施例中感应线圈的结构示意图；

图5为本实用新型第四实施例中感应线圈的结构示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参看图1至图3，在一实施例中，一种大尺寸碳化硅晶体生长装置，包括真空腔室2、感应线圈1和坩埚3；真空腔室2位于感应线圈1内的中央位置；坩埚3位于真空腔室2中心位置；坩埚3用于盛装碳化硅粉料9和籽晶8，碳化硅粉料9和籽晶8用于碳化硅晶体生长；坩埚3包括坩埚体31和坩埚上盖32，坩埚上盖32盖合于坩埚体31顶部；坩埚上盖32下方设置有上盖籽晶托5，上盖籽晶托5位于坩埚体31和坩埚上盖32盖合的范围内，上盖籽晶托5位于坩埚体31的顶部；感应线圈1用于加热坩埚3，感应线圈1在碳化硅晶体生长过程中根据碳化硅粉料9量的变化控制坩埚3纵向上的温度梯度。

通过可根据碳化硅粉料9量的变化控制坩埚3纵向上的温度梯度的感应线圈1的设置，实现碳化硅粉料9和籽晶8之间温度梯度的控制，有助于降低碳化硅晶体的内应力、减少碳化硅晶体的缺陷、提高碳化硅晶体质量及生产效率，实现大尺寸、高有效厚度的碳化硅晶体的生长。

在本实施例中，坩埚3为石墨坩埚3。通过上盖籽晶托5位于坩埚体31顶部的设置，并将籽晶托在上盖籽晶托5下方，通过上盖籽晶托5托住籽晶8。感应线圈1通入中频电流时，在石墨坩埚3表面所产生的涡流，对石墨坩埚3进行加热，碳化硅粉料9在较高温度条件下升华，上升至较低温度的籽晶8处凝结结晶。

在本实施例中，感应线圈1对石墨坩埚3进行加热，通过热传导直接加热碳化硅粉料和籽晶，通过控制感应线圈1在纵向上不同位置的加热强度，实现在纵向上温度梯度的控制。

参见图2，可选的，感应线圈1为螺旋形感应线圈11，螺旋形感应线圈11各相邻两匝的间距从下到上逐渐增大。

通过改变螺旋形感应线圈11相邻两匝之间的高度差，从下到上不断增大。在感应线圈1内通入中频电流时，在石墨坩埚3表面所产生的涡流从下到上不断减少。碳化硅粉料9置于涡流电流密度较高的区域，籽晶8置于涡流电流密度较低的区域，形成了较为均匀的温度梯度。随着碳化硅粉料不断被消耗，碳化硅粉料表面与籽晶8的高度差不断增加，通过调整中频感应电源的加热功率，即可有效控制碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度。

参见图3，可选的，感应线圈1包括多个子感应线圈(见图3中的14、15、16)，多个子感应线圈从上到下依次设置，各子感应线圈1的加热功率分别控制。

通过多个子感应线圈的设置，并分段控制每个子感应线圈的加热功率，即可实现碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度。随着碳化硅粉料9不断被消耗，碳化硅粉料9表面与籽晶8的高度差不断增加，只需分别单独调整每个子感应线圈对应的中频感应电源的加热功率，即可有效控制碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度。

参看图2，在一实施例中，感应线圈1为螺旋形感应线圈11，螺旋形感应线圈11各相邻两匝的间距从下到上逐渐增大。

参看图2，111所示两匝之间的高度是3mm，112所示两匝之间的高度4mm,113所示两匝之间的高度5mm,114所示两匝之间的高度6mm。

通过改变螺旋形感应线圈11相邻两匝之间的高度差，从下到上不断增大。在感应线圈1内通入中频电流时，在石墨坩埚3表面所产生的涡流从下到上不断减少。碳化硅粉料9置于涡流电流密度较高的区域，籽晶8置于涡流电流密度较低的区域，形成了较为均匀的温度梯度。随着碳化硅粉料不断被消耗，碳化硅粉料表面与籽晶8的高度差不断增加，通过调整中频感应电源的加热功率，即可有效控制碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度。

参看图4，在一实施例中，感应线圈1为螺旋形感应线圈1，螺旋形感应线圈1分上螺旋形感应线圈13和下螺旋形感应线圈12；下螺旋形感应线圈12与上螺旋形感应线圈13一体连接，下螺旋形感应线圈12的纵向长度占整个螺旋形感应线圈1的1-50％；上螺旋形感应线圈13各相邻两匝的间距从下到上逐渐增大，下螺旋形感应线圈12每相邻两匝的间距相等且小于上螺旋形感应线圈13相邻两匝之间的最小间距。

参看图4，122、122、123等代表的各两匝之间的高度均是3mm，131所示两匝之间的高度4mm,132所示两匝之间的高度5mm,133所示两匝之间的高度6mm。

本实施例中，下螺旋形感应线圈1的每相邻两匝的间距相等，上螺旋形感应线圈13相邻各两匝的间距从下到上逐渐增大，在感应线圈1内通入中频电流时，下螺旋形感应线圈12部分在纵向上的不同位置均衡加热，上螺旋形感应线圈13所处的位置段，在石墨坩埚3表面所产生的涡流在从下到上不断减少，碳化硅粉料9表面与籽晶8之间形成了较为均匀的温度梯度。

本实施例中，通常初始碳化硅粉料9占石墨坩埚3空间的1/3左右，通过下螺旋形感应线圈12的纵向长度占整个螺旋形感应线圈1的1-50％的设置，不影响晶体生长过程中，碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度均衡变化。

参看图3，在一实施例中，感应线圈1包括多个子感应线圈(见图3中14、15、16所示)，多个子感应线圈1从上到下依次设置，各子感应线圈1的加热功率分别控制。

通过多个子感应线圈的设置，并分段控制每个子感应线圈的加热功率，即可实现碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度。随着碳化硅粉料9不断被消耗，碳化硅粉料9表面与籽晶8的高度差不断增加，只需分别单独调整每个子感应线圈对应的中频感应电源的加热功率，即可有效控制碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度。

可选的，将各子感应线圈1设置成相同的频率，一致的相位，通过设置不同的加热功率，和/或将各子感应线圈设置成匝数不同的感应线圈。

在一具体实施例中，采用了3个一同加热的子感应线圈，例如：第一子感应线圈14采用20kW功率加热，第二子感应线圈15采用18kW功率加热，第三子感应线圈16采用15kW加热。

参看图5，在一实施例中，各子感应线圈之间在坩埚3的轴向上相对位置可调。

在这一实施例中，感应线圈1包括第四子感应线圈17、第五子感应线圈18和第六子感应线圈19，其频率相同，相位一致，加热功率相同。通过调整各子感应线圈1的相对位置，使碳化硅粉料9处于高温区，籽晶8处于低温区，亦可有效控制碳化硅粉料9表面与籽晶8之间的温度梯度。

参看图1，在一实施例中，坩埚上盖32的边缘设有一个或多个通孔6。通过在坩埚上盖32的边缘设置一个或多个通孔6，实现在启动加热之后，在碳化硅晶体生长开始前，坩埚3中杂质气体的溢出，提高晶体质量。在这一实施例中，所述通孔6可以是一个、两个或三个等。

在一实施例中，通孔6直径为2-5mm。通过直径为2-5mm的通孔6设置，确保在启动加热之后碳化硅晶体生长开始前实现坩埚3中杂质气体溢出的同时，不影响感应加热碳化硅晶体生长的过程中坩埚3中的温度梯度。

参看图1，在一实施例中，真空腔室2内设有保温石墨毡4，保温石墨毡4围绕坩埚3四周设置。通过保温石墨毡4的设置，实现碳化硅晶体生长过程中对坩埚3的保温作用，为碳化硅晶体生长提供稳定的温度环境。

参看图1，在一实施例中，大尺寸碳化硅晶体生长装置包括抽真空孔24和抽真空管道25；抽真空管道25通过抽真空孔24与真空腔室2连通。通过抽真空孔24和抽真空管道25的设置，使真空腔室2与真空腔室2外部的连通，使真空腔室2的真空条件得以实现。

参看图1，在一实施例中，真空腔室2的顶部中心和底部中心分别设有上测温孔7和下测温孔15。通过上测温孔7和下测温孔15的设置，实现对真空腔室2内坩埚3的顶部和底部温度的实时监控。

参看图1，在一实施例中，真空腔室2的顶部为上密封法兰22，底部为下密封法兰23，侧壁为双层石英管21。

在一实施例中，坩埚3的材质为石墨。

本实用新型的大尺寸碳化硅晶体生长装置，通过可根据碳化硅粉料9量的变化控制坩埚3纵向上的温度梯度的感应线圈1的设置，实现碳化硅粉料9和籽晶8之间温度梯度的控制，有助于降低碳化硅晶体的内应力、减少碳化硅晶体的缺陷、提高碳化硅晶体质量及生产效率，实现大尺寸、高有效厚度的碳化硅晶体的生长。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效材料的变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括真空腔室、感应线圈和坩埚；所述真空腔室位于感应线圈内的中央位置；所述坩埚位于真空腔室中心位置；所述坩埚包括坩埚体和坩埚上盖，所述坩埚上盖盖合于所述坩埚体顶部；所述坩埚上盖下方设置有上盖籽晶托，所述上盖籽晶托位于所述坩埚体和所述坩埚上盖盖合的范围内，所述上盖籽晶托位于所述坩埚体的顶部；所述感应线圈用于加热所述坩埚，所述感应线圈在所述碳化硅晶体生长过程中根据所述碳化硅粉料量的变化控制所述坩埚纵向上的温度梯度。

2.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述感应线圈为螺旋形感应线圈，所述螺旋形感应线圈各相邻两匝的间距从下到上逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述感应线圈为螺旋形感应线圈，所述螺旋形感应线圈分上螺旋形感应线圈和下螺旋形感应线圈；所述下螺旋形感应线圈与所述上螺旋形感应线圈一体连接，所述下螺旋形感应线圈的纵向长度占整个所述螺旋形感应线圈的1-50％；所述上螺旋形感应线圈各相邻两匝的间距从下到上逐渐增大，所述下螺旋形感应线圈每相邻两匝的间距相等且小于上螺旋形感应线圈相邻两匝之间的最小间距。

4.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述感应线圈包括多个子感应线圈，所述多个子感应线圈从上到下依次设置，各所述子感应线圈的加热功率分别控制。

5.根据权利要求4所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，各所述子感应线圈之间在纵向上相对位置可调。

6.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚上盖的边缘设有一个或多个通孔。

7.根据权利要求6所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述通孔直径为2-5mm。

8.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述真空腔室内设有保温石墨毡，所述保温石墨毡围绕所述坩埚四周设置。

9.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述大尺寸碳化硅晶体生长装置还包括抽真空孔和抽真空管道；所述抽真空管道通过所述抽真空孔与所述真空腔室连通。

10.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述真空腔室的顶部中心和底部中心分别设有上测温孔和下测温孔。