CN209854283U

CN209854283U - 碳化硅晶体制备装置

Info

Publication number: CN209854283U
Application number: CN201920230199.5U
Authority: CN
Inventors: 戚祖强; 郭德博; 刘勇; 肖锦先; 李海军; 卢万佳; 黄金平; 汪志超
Original assignee: Shenzhen Qixin Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Qixin Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2029-02-22

Abstract

本实用新型中提供一种碳化硅晶体制备装置，包括反应装置、密封组件以及供气管组件；所述密封组件形成一个真空腔室，所述反应装置设置于所述真空腔室内；所述供气管组件包括气体导入管，所述气体导入管穿过所述密封组件，并为所述反应装置提供气体。本实用新型通过供气管组件为反应装置提供气体，所述供气管组件根据反应过程中Si/C原子比提供有相应短缺元素的气体，这样既改善了晶体生长氛围中的Si/C原子比，有利于碳化硅晶体的生长，又降低了晶体的缺陷。同时，相应元素气体的供给也可使原材料得到更充分的反应，提高了原材料的利用率。

Description

碳化硅晶体制备装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅晶体制作技术领域，特别是涉及一种碳化硅晶体制备装置。

背景技术

传统的碳化硅晶体生产设备及方法采用中频感应加热高密度石墨坩埚，将多晶碳化硅粉体材料置于石墨坩埚底部，受到坩埚的热传导被加热到2200-2500℃，碳化硅原材料升华，并分解，产生的主要成分包括Si、SiC、Si₂C、SiC2等。碳化硅籽晶置于坩埚盖上的籽晶托上，处于相对低温区，碳化硅原材料置于高温区。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。

但在现有技术中，利用传统的设备及方法制备碳化硅晶体存在很大的缺陷。在碳化硅原材料在升华分解过程中，Si元素的流失速度快于C元素的流失速度，使得剩余原材料在坩埚底部成分发生变化，C元素含量逐渐增加，Si元素含量逐渐减少，Si/C原子比逐渐减小，碳化硅原材料表面不断被碳化，阻止了碳化硅粉料的进一步升华分解。这种情况一方面降低了碳化硅晶体的沉积速率，另一方面，使得升华分解的成分中C元素含量逐渐增加。当生长气氛中碳含量远远超过硅含量时，在晶体表面的生长无法结合成Si-C双原子层，晶体表面也会被完全碳化，最终晶体停止生长。此时，碳化硅原材料的利用被阻断，碳化硅晶体的生长也不再持续。并且，在高温中碳化硅晶体表面或者籽晶背面也会不断升华，容易造成晶体缺陷。

此外，高温作用下的碳化硅原材料之间也会不断结晶长大，形成多晶材料。这是一种对原材料的浪费。通常，未被充分利用的原材料超过50％，限制了晶体生长的有效厚度。

因此，一种新型的能用于大尺寸碳化硅晶体生长、提高原材料利用率、改善长晶气氛中Si/C原子比、降低晶体缺陷密度的晶体制备装置及技术的实现变得日趋迫切。

实用新型内容

本实用新型的主要目的为提供一种能用于碳化硅晶体生长、提高原材料利用率、改善长晶气氛中Si/C原子比、降低晶体缺陷密度的晶体制备装置。

本实用新型提出一种碳化硅晶体制备装置，包括反应装置、密封组件以及供气管组件；

所述密封组件内部形成有一个真空腔室，所述反应装置设置于所述真空腔室内；

所述供气管组件包括气体导入管，所述气体导入管穿过所述密封组件，并为所述反应装置提供气体。

进一步地，所述气体导入管通入所述反应装置中。

进一步地，所述气体导入管上端设置有石墨气管；所述石墨气管为一端开口的桶状腔体；所述石墨气管在开口一端设置有外螺纹，所述石墨气管通过所述外螺纹与所述气体导入管上设置的内螺纹固定连接；所述石墨气管的侧壁上设置有漏气孔，所述气体导入管通入的气体通过所述漏气孔与原材料接触。

进一步地，所述供气管组件还包括气体混合装置；所述气体混合装置与所述气体导入管一端连接，所述气体导入管另一端穿过所述密封组件。

进一步地，所述气体混合装置包括混气罐和多个气体管道；所述混气罐一端与所述气体导入管连接，所述混气罐另一端分别与多个所述气体管道连接。

进一步地，还包括加热装置；所述加热装置设置在所述密封组件外侧，且所述加热装置为所述反应装置提供热量。

进一步地，所述反应装置包括开口的石墨坩埚体和石墨坩埚盖；所述石墨坩埚体用于容纳反应所需原材料，所述石墨坩埚盖设置在所述石墨坩埚体的开口上；所述石墨坩埚盖上设置有石墨盖籽晶托，且所述石墨籽晶托位于所述石墨坩埚体内腔；所述石墨籽晶托上设置有籽晶，所述籽晶用于碳化硅晶体的生长。

进一步地，所述真空腔室内设置有保温石墨毡，所述保温石墨毡包裹在所述石墨坩埚体外侧。

进一步地，所述密封组件包括第一密封组件、第二密封组件以及侧壁；所述第一密封组件与所述第二密封组件和侧壁之间连接固定形成所述真空腔室，所述第一密封组件设置在所述侧壁上方，所述第二密封组件设置在所述侧壁下方；所述第一密封组件上设置有上测温孔，所述第二密封组件上设置有下测温孔。

进一步地，所述密封组件上设置有抽真空管道。

本实用新型中提供一种碳化硅晶体制备装置，具有以下有益效果：

附图说明

图1为本实用新型第一实施例中碳化硅晶体制备装置的结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例中碳化硅晶体制备装置的结构示意图；

图3为本实用新型第三实施例中碳化硅晶体制备装置的结构示意图；

图4为本实用新型第三实施例中碳化硅晶体制备装置的气体导入管细节图；

图5为本实用新型第三实施例中碳化硅晶体制备装置的供气管组件连接图。

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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1，为本实用新型一实施例中碳化硅晶体制备装置。所述碳化硅晶体制备装置包括反应装置、密封组件以及供气管组件。所述所述密封组件内部形成有一个真空腔室，所述反应装置设置于所述真空腔室内；所述供气管组件包括气体导入管14，所述气体导入管14穿过所述密封组件，并为所述反应装置提供气体。

在本实施例中，通过所述密封组件为所述反应装置提供了一个密闭真空的反应环境，使得整个反应过程不受其他杂质干扰。基于整个碳化硅晶体的生长环境，为了得到晶体缺陷小、厚度大的碳化硅晶体，本实用新型中通过设置供气管组件来改善长晶氛围中的Si/C原子比。通过将所述供气管组件中的气体导入管14穿过所述密封组件，一方面为所述真空环境提供所述C元素以及Si元素，另一方面也使得原材料的利用率得到大大的改善。所述气体导入管14穿过第二密封组件11与所述真空腔体接通。

参见图2，在另一实施例中，所述气体导入管14可以穿过第一密封组件3与所述真空腔体接通。

在本实施例中，为更好的使气体与原材料接触，可在石墨坩埚盖6上开设通孔。

本实用新型中，所述供气管组件还包括气体混合装置。所述气体混合装置与所述气体导入管14一端连接，所述气体导入管14另一端穿过所述密封组件。

在本实施例中，通过设置一个气体混合装置来调节所述供气管组件为所述反应装置提供的气体的比例。在碳化硅晶体生长的不同阶段，为所述反应装置提供所需的元素。

需要注意的是，在本实用新型中，所述气体混合装置还包括混气罐15和多个气体管道。所述混气罐15的一端与所述气体导入管14连接，所述混气罐15另一端分别与多个所述气体管道连接。

在本实施例中，所述气体管道至少包括4个，包括第一气体管道601、第二气体管道602、第三气体管道603以及第四气体管道604，且在四个所述气体管道中分别通入Ar气体、N₂气体、SiH₄气体以及CxHy气体。所述第一气体管道601、第二气体管道602、第三气体管道603以及第四气体管道604上都设置有气体流量阀16。通过所述气体流量阀16可以随时调节通入气体的各元素所占比例。

本实用新型中，还包括加热装置。所述加热装置设置在所述密封组件外侧，且所述加热装置为所述反应装置提供反应所需热量。

在一实施例中，所述加热装置设置为感应线圈1，所述感应线圈1环绕设置在所述密封组件外周，通过调节所述石墨坩埚容纳于所述感应线圈1中的多少来实现对所述石墨坩埚内部温度的调控。在本实施例中，将所述石墨坩埚体5内部反应区外侧的密封组件设置在所述感应线圈1中，在所述石墨坩埚体5内部长晶区外侧的密封组件不设置所述感应线圈1。这样，当所述感应线圈1通入电流后，感应线圈1在中频交变电流的作用下，周围产生交变磁场。在所述交变磁场的电磁感应作用下，置于感应线圈1中的高密度石墨坩埚体5表层会产生封闭的感应电流，即我们通常意义上说的涡流。所述石墨坩埚体5在所述涡流的作用下将电能转变成热能，使得所述石墨坩埚体5表面温度升高，给所述石墨坩埚加热。所述碳化硅籽晶9置于所述石墨坩埚盖6上(即所述石墨坩埚顶部)，处于相对低温区，碳化硅原材料处于高温区，这样就在所述石墨坩埚体5内部形成一个温度梯度。在这个温度梯度的驱动力下，所述石墨坩埚体5内部的气相组分向低温区传输，并在碳化硅籽晶表面沉积，生长为所需的碳化硅晶体。(需要进一步说明的是，在另一实施例中，还可以通过调节保温石墨毡4的厚度来实现碳化硅长晶氛围中的温度梯度，即在所述密封组件外周设置匝数间距相等的感应线圈1，然后将籽晶区对应石墨坩埚外侧的保温石墨毡4设置薄一些来形成温度梯度，给碳化硅晶体生长提供一个驱动力)

在本实用新型中，所述反应装置包括开口的石墨坩埚体5和石墨坩埚盖6；所述石墨坩埚体5用于容纳反应所需原材料，所述石墨坩埚盖6设置在所述石墨坩埚体5的开口上；所述石墨坩埚盖6上设置有石墨盖籽晶托8，且所述石墨籽晶托8位于所述石墨坩埚体5内腔；所述石墨籽晶托8上设置有籽晶9，所述籽晶9用于碳化硅晶体的生长。

在本实施例中，所述反应装置选用石墨坩埚，一方面选用石墨坩埚不会给反应带来杂质，另一方面石墨坩埚的致密度低于95％，可以使气体扩散进入。(需要补充的是，石墨坩埚的石墨材料具有“三高”的特点：高纯度、高密度、高强度。石墨坩埚在“三高”特性下，其通常孔隙率仍然高达10％以上，是非常良好的碳化硅原材料器皿)

参见图3-5，在本实用新型中，还包括将所述气体导入管14通入所述石墨坩埚体中。所述气体导入管14上端设置有石墨气管18；所述石墨气管18为一端开口的桶状腔体；所述石墨气管18在开口一端设置有外螺纹19，所述石墨气管18通过所述外螺纹19与所述气体导入管14上设置的内螺纹固定连接；所述石墨气管18的侧壁上设置有漏气孔17，所述气体导入管14通入的气体通过所述漏气孔17与原材料接触。

在本实用新型的另一实施例中，为了使气体与原材料更充分的接触反应，本实施例将所述气体导入管14通入所述原材料中。所述石墨气管18开口一端设置外螺纹19，并通过外螺纹19与所述气体导入管14固定连接，使得反应所需气体能经过所述气体导入管14进入所述石墨气管18。为避免所述石墨气管18上端的原材料因重力作用而进入所述石墨气管18内部，使其造成阻塞，本实施例中将所述石墨气管另一端密封设置。本实用新型通过在石墨气管18的侧壁上设置所述漏气孔17，使反应所需气体通过所述漏气孔17进入原材料。

本实用新型中，所述真空腔室内设置有保温石墨毡4，所述保温石墨毡4包裹在所述石墨坩埚体5外侧，对石墨坩埚体中的反应温度起保温作用，减少热能的浪费，同时也可以防止石墨坩埚在加热时热辐射对双层石英管的破坏。

具体地，本实用新型一实施例中，所述所述密封组件包括第一密封组件3、第二密封组件11以及侧壁2；所述第一密封组件3与所述第二密封组件11和侧壁2之间连接固定形成所述真空腔室，所述第一密封组件3设置在所述侧壁2上方，所述第二密封组件11设置在所述侧壁2下方；所述第一密封组件3上设置有上测温孔7，所述第二密封组件11上设置有下测温孔12。

在本实施例中，所述侧壁2选用双层石英管(需要说明的是，所述双层石英管之间有间隙层，所述间隙层使得双层石英管具备了另一个优点：当其在作用时间隙层可以通冷却水，保持晶体生长过程反应温度的稳定性和一致性)。所述上测温孔7贯穿所述第一密封组件3设置，这样通过所述上测温孔7可以实时监测长晶区的温度。所述下测温孔12贯穿所述第二密封组件11设置，这样通过所述下测温孔12就可以实时监测碳化硅晶体反应区的温度了。通过在密封组件上扬设置测温孔，有利于及时监测反应过程中的反应状况，以便实时调整反应过程所需元素。为了使密封组件能形成一个真空腔体，本实用新型中还在密封组件上设置有抽真空管道13。所述抽真空管道13可以设置在第一密封组件3上，也可以设置在第二密封组件11上。

在上述实施例中，本实用新型一种碳化硅晶体制备装置，通过设置供气管组件来为所述反应装置提供反应过程中所需要的C元素和Si元素，一方面提高了原材料的利用率，使得原材料利用率从低于50％达到高于70％，大大优化了碳化硅晶体制备过程中原材料的利用，节约了原材料；另一方面，通过调节长晶氛围中的Si/C原子比，既可以得到厚度很厚的碳化硅晶体，又可以减少晶体缺陷，使晶体特征良好。

需要强调的是，本实用新型提供的碳化硅晶体制作装置优先适用于一种大尺寸碳化硅晶体的制备，尤其适用于6-8英寸的碳化硅晶体制备。

综上所述，本实用新型中提供一种碳化硅晶体制备装置，包括反应装置、密封组件以及供气管组件；所述密封组件形成一个真空腔室，所述反应装置设置于所述真空腔室内；所述供气管组件包括气体导入管14，所述气体导入管14穿过所述密封组件，并为所述反应装置提供气体。本实用新型通过供气管组件为反应装置提供气体，所述供气管组件根据反应过程中Si/C原子比提供有相应短缺元素的气体，这样既改善了晶体生长氛围中的Si/C原子比，有利于碳化硅晶体的生长，又降低了晶体的缺陷。同时，相应元素气体的供给也可使原材料得到更充分的反应，提高了原材料的利用率。

以上所述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流程变换，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

1.一种碳化硅晶体制备装置，其特征在于，包括反应装置、密封组件以及供气管组件；

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述气体导入管通入所述反应装置中。

3.根据权利要求2所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述气体导入管上端设置有石墨气管；所述石墨气管为一端开口的桶状腔体；所述石墨气管在开口一端设置有外螺纹，所述石墨气管通过所述外螺纹与所述气体导入管上设置的内螺纹固定连接；所述石墨气管的侧壁上设置有漏气孔，所述气体导入管通入的气体通过所述漏气孔与原材料接触。

4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述供气管组件还包括气体混合装置；所述气体混合装置与所述气体导入管一端连接，所述气体导入管另一端穿过所述密封组件。

5.根据权利要求4所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述气体混合装置包括混气罐和多个气体管道；所述混气罐一端与所述气体导入管连接，所述混气罐另一端分别与多个所述气体管道连接。

6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，还包括加热装置；所述加热装置设置在所述密封组件外侧，且所述加热装置为所述反应装置提供热量。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述反应装置包括开口的石墨坩埚体和石墨坩埚盖；所述石墨坩埚体用于容纳反应所需原材料，所述石墨坩埚盖设置在所述石墨坩埚体的开口上；所述石墨坩埚盖上设置有石墨盖籽晶托，且所述石墨籽晶托位于所述石墨坩埚体内腔；所述石墨籽晶托上设置有籽晶，所述籽晶用于碳化硅晶体的生长。

8.根据权利要求1所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述真空腔室内设置有保温石墨毡，所述保温石墨毡包裹在所述石墨坩埚体外侧。

9.根据权利要求1所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述密封组件包括第一密封组件、第二密封组件以及侧壁；所述第一密封组件与所述第二密封组件和侧壁之间连接固定形成所述真空腔室，所述第一密封组件设置在所述侧壁上方，所述第二密封组件设置在所述侧壁下方；所述第一密封组件上设置有上测温孔，所述第二密封组件上设置有下测温孔。

10.根据权利要求1所述的碳化硅晶体制备装置，其特征在于，所述密封组件上设置有抽真空管道。