CN210262076U - 一种用于长晶的坩埚组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于晶体生长的坩埚组件，属于晶体材料制备领域。该坩埚组件包括：坩埚主体；坩埚盖，所述坩埚盖内侧可设置籽晶；螺旋隔板组件，所述螺旋隔板组件设置在所述坩埚主体内，所述螺旋隔板组件的构造可形成螺旋气流通道。本申请的坩埚组件通过螺旋隔板组件设计，改变传统PVT法制备碳化单晶的气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，实现对晶体生长过程中大颗粒杂质的有效格挡，降低晶体中的缺陷密度，提高晶体质量；并且不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗；本申请可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率快、生长温度低，且气相可以有序向上传输，生长的晶体缺陷少，降本增效。

Description

一种用于长晶的坩埚组件

技术领域

本申请涉及一种用于晶体生长的坩埚组件，属于晶体材料制备领域。

背景技术

碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料代表之一。碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子迁移率等优异特性，成为制备高温、高频、高功率及抗辐射器件的热门材料之一。

目前碳化硅生长的方法主要有物理气相传输法(PVT)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积法(CVD)等，其中PVT法是应用最成熟的方法，也是目前唯一的一种可以提供商用碳化硅衬底需求的生长方法。PVT法生长碳化硅单晶的生长过程在密闭的石墨坩埚中进行，因此在高温下生长环境处于富碳气氛下。晶体生长初期，由于硅组分的蒸气分压较高，因此晶体生长界面处于硅组分和碳组分相平衡的状态。随着晶体生长的进行，碳化硅原料中的硅组分不断升华减少，导致生长腔室内的气相组分逐渐失衡成为富碳状态。在富碳的生长环境下，晶体生长的前沿界面会有碳的富集并形成大颗粒的碳包裹物缺陷。此外，碳化硅原料中的大颗粒金属杂质、硅包裹体等在传统的碳化硅气相由下向上传输过程中也会跟随气相进入到碳化硅单晶中进而形成大颗粒杂质缺陷。大颗粒缺陷会诱生微管、位错、层错等缺陷，严重影响到碳化硅衬底质量进而影响外延层质量和器件性能。

目前解决碳化硅单晶中大颗粒杂质缺陷的一大主流方向是在碳化硅气相传输路径上设置石墨滤网起到隔离大颗粒杂质向上传输的作用。中国专利申请CN 207498521 U公开了一种提升质量的碳化硅单晶生长装置，包括石墨坩埚、石墨盖和石墨软毡保温层，所述石墨盖位于石墨坩埚顶部封闭所述石墨坩埚，所述石墨盖内侧中心突出区域粘合有籽晶片，所述石墨软毡保温层包覆所述石墨坩埚的周围、顶部、底部，所述石墨坩埚内放置有碳化硅粉末，所述石墨坩埚内碳化硅粉末与籽晶片之间的区域架设石墨支撑环，所述石墨支撑环上安装有导流筒，所述导流筒内固定一层或多层的金属过滤片，所述金属过滤片内均匀分布有通孔。本实用新型在坩埚内原料与籽晶之间的空间装设耐高温的金属过滤片与导流筒，可以有效过滤掉碳杂质，避免在晶体生长过程中形成碳包裹物，进而引发微管、位错等缺陷的产生，生成高质量的碳化硅单晶。该专利申请方案可以有效控制碳化硅单晶中大颗粒杂质缺陷的密度，但是石墨滤网的存在往往会造成碳化硅气相向上传输的难度，需要提高温度才能实现气相向籽晶传输的稳定性，而温度的提高则会大大增加晶体中应力及其他缺陷的产出几率，碳化硅单晶的质量无法得到保证。并且在晶体生长过程中，传统的气相传输方式的真空生长下的气相无法得到有效控制，单晶生长速率极快且结晶质量极差，微管、多型、位错等缺陷明显增多。

实用新型内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种坩埚组件，本申请通过螺旋隔板设计，改变传统PVT法制备碳化单晶的气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，实现对晶体生长过程中大颗粒杂质的有效格挡，降低晶体中的缺陷密度，提高晶体质量；并且不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗；本申请可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率快、生长温度低，且气相可以有序向上传输，生长的晶体缺陷少，降本增效。

根据本申请的一个方面，提供了一种坩埚组件，该坩埚组件包括：

坩埚主体；

坩埚盖，所述坩埚盖内侧可设置籽晶；

至少一个螺旋隔板组件，所述螺旋隔板组件设置在所述坩埚主体内，所述螺旋隔板组件的构造可形成螺旋气流通道。优选的，坩埚组件的材料为高纯石墨，可以用于高温长晶，例如用于生长碳化硅单晶。

可选地，所述螺旋隔板组件的至少部分直径和其相同高度的坩埚主体内径相同。优选的，坩埚主体下部的直径小于上部。

优选地，所述螺旋隔板组件和坩埚主体内壁的构造包括形成单条螺旋气流通道。

优选地，所述单条螺旋气流通道为均匀通道。

可选地，所述螺旋隔板组件的轴线与坩埚主体轴线大致平行。

可选地，所述螺旋隔板组件包括2-6个螺旋叶片。

可选地，所述螺旋隔板组件为包括螺旋叶片的螺旋轴，螺旋隔板组件为具有一定厚度的隔板，螺旋叶片直径与螺旋轴的轴部直径比大于2：1。

优选地，所述螺旋叶片的间距相同。

可选地，所述螺旋隔板组件包括设置在原料区的原料区螺旋隔板。

可选地，所述原料区螺旋隔板的螺旋角为60°-90°，该角度配合坩埚旋转可以实现碳化硅气相的螺旋上升，且不会对气相传输造成太大阻碍。

可选地，所述原料区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度为90°-360°。

可选地，所述螺旋隔板组件还包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板。

可选地，所述气相传输区螺旋隔板的螺旋角为60°-90°，该角度可以更好的格挡大颗粒杂质，并且不需要提高长晶温度。

可选地，所述气相传输区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度为60°-180°。

可选地，所述原料区螺旋隔板与所述气相传输区螺旋隔板的高度比为：48-180:12-45。

可选地，所述原料区螺旋隔板包括2-6个螺旋叶片，所述气相传输区螺旋隔板包括2-6个螺旋叶片。

可选地，所述气相传输区螺旋隔距离原料的距离、气相传输区螺旋隔板长度和气相传输区螺旋隔板距离籽晶的距离的比值为：20-80:12-45:68-245。

可选地，所述气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋方向不同。优选地，坩埚组件的转动方向与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反，与气相传输区螺旋隔板的螺旋方向相同。

本申请中，气相传输区螺旋隔板的位置大致在坩埚主体内装载原料的上表面和长晶结束后的晶体下表面的气相传输区；原料区大致为坩埚主体内放置原料的区域。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供坩埚组件，通过螺旋隔板组件设计，改变了传统的碳化硅气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，螺旋隔板组件对向上传输的气相进行格挡过滤，阻止大颗粒杂质向晶体方向传输进入晶体，降低碳化硅等单晶的缺陷密度；既可以对大颗粒杂质进行有效的格挡，又不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗。

2.传统气相传输方式下，真空生长下的气相无法得到有效控制，单晶生长速率极快且结晶质量极差，微管、多型、位错等缺陷明显增多，本申请所提供坩埚组件，通过两个螺旋隔板，改变气相传输路径的同时对气相传输速率起到明显抑制调控作用，可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率较快且气相可以有序向上传输，生长的晶体的缺陷较少，实现真空低温快速生长，降低生长温度、减少生长时间，节能降本增效。

3.本申请所提供用于晶体生长的反应器，螺旋隔板组件与坩埚主体内壁充分接触，使坩埚主体内热传导更加均匀、温场更加稳定，提高晶体质量；原料区螺旋隔板与原料充分接触，且外壁与坩埚内壁充分接触向内传导热，使碳化硅原料受热更加均匀，减少原料边缘碳化，气相传导更加均匀有序。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例涉及的一种实施方式的坩埚组件剖视示意图。

图2为图1中的气相传输区螺旋隔板的俯视示意图。

图3为图2中的气相传输区螺旋隔板的一种立体示意图。

图4为图1中的气相传输区螺旋隔板的一种立体示意图。

图5为图1中的气相传输区螺旋隔板的正视示意图。

图6为图1中的原料区螺旋隔板的一种立体示意图。

图7为图1中的原料区螺旋隔板的一种立体示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。

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该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本申请的坩埚组件可用于制备碳化硅单晶，尤其适用于物理气相传输法(简称PVT法)生长碳化硅单晶。

本申请的一个实施例公开了一种坩埚组件，参考图1，该坩埚组件包括坩埚主体2、坩埚盖3和螺旋隔板组件4，坩埚盖3的内侧设置籽晶，螺旋隔板组件4设置在坩埚主体2内，螺旋隔板组件4的构造可形成螺旋气流通道。螺旋隔板组件4的数量至少为一个，图1所示的坩埚组件的实施方式中的螺旋隔板组件4的数量为2个。坩埚组件的材质包括石墨，优选以石墨为主。螺旋隔板组件4在坩埚主体内上端面至少不高于原料长晶结束后的晶面的位置。

螺旋隔板组件4可以通过设置在坩埚主体2内侧壁的卡台与坩埚主体2固定，或者可放置在坩埚主体2内。螺旋隔板组件4的上部与籽晶不接触。优选的，螺旋隔板组件4的长度方向平行于坩埚主体2的长度。

图1所示的实施方式中的螺旋隔板组件4直径和其相同高度的坩埚主体2内径相同。在没有示出的实施方式中，螺旋隔板组件4直径和其相同高度的坩埚主体2内径可以不同，或者部分螺旋隔板组件4直径与其相同高度的坩埚主体2内径不同。螺旋隔板组件4与坩埚主体充分接触使得坩埚内传热更加均匀，提高晶体质量。

作为一种优选的实施方式，螺旋隔板组件4和坩埚主体2内壁的构造包括形成单条螺旋气流通道。参考图1，螺旋隔板组件4为2个，则螺旋隔板组件4和坩埚主体2内壁的构造包括形成2个单条螺旋气流通道，以此类推。优选的单条螺旋气流通道为均匀通道，即单条螺旋通道的内径均匀。

进一步的，螺旋隔板组件4可以为中空的螺旋叶片或者为包括螺旋叶片43的螺旋轴，优选为螺旋轴，如图1，螺旋隔板组件4包括2-6个螺旋叶片43，螺旋叶片43的间距可以不同，优选的螺旋叶片43的间距相同。

参考图1，螺旋隔板组件4包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板41和，设置在原料区的原料区螺旋隔板42。参考图2-5，气相传输区螺旋隔板41的螺旋角α为60°-90°，该角度可以更好的格挡大颗粒杂质，并且不需要提高长晶温度。气相传输区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度β为60°-180°，进一步优化了气相传输区螺旋隔板格挡大颗粒杂质的效率。参考图6、7，原料区螺旋隔板42的螺旋角α为60°-90°，该角度配合坩埚旋转可以实现碳化硅气相的螺旋上升，且不会对气相传输造成太大阻碍。原料区螺旋隔板垂直方向的单个叶面角度β为90°-360°，进一步优化了气相传输路径。气相传输区螺旋隔板41与原料区螺旋隔板42的螺旋方向不同，可以使得对气相传输中的大颗粒杂质进行更有效的格挡过滤。

为了有效格挡大颗粒且不会对气相传输造成大的阻碍，将原料区螺旋隔板与气相传输区螺旋隔板的高度设比为：48-180:12-45，原料区螺旋隔板包括2-6个螺旋叶片，气相传输区螺旋隔板包括2-6个螺旋叶片。

气相传输区螺旋隔板41距离原料的距离、气相传输区螺旋隔板41长度和气相传输区螺旋隔板41距离籽晶31的距离的比值为：20-80:12-45:68-245。优选的实施方式中，原料的高度约为坩埚高度的1/3，气相传输区螺旋隔41的底度固定在坩埚主体2的约1/2处，气相传输区螺旋隔板41的长度约为坩埚高度的1/10，原料区螺旋隔板42的高度略低于原料的高度，原料区螺旋隔板42刚好埋没在原料中。优选的，原料的高度与原料区螺旋隔板42的高度的比例为1:0.7-0.98。原料区螺旋隔板42与坩埚主体2内壁充分接触时，原料区螺旋隔板42与原料充分接触，原料区螺旋隔板42与坩埚主体2内壁充分接触向内传导热，使原料受热更加均匀，减少原料边缘碳化，提高晶体质量，例如原料可以为碳化硅粉料。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种坩埚组件，其特征在于，该坩埚组件包括：

坩埚主体；

坩埚盖，所述坩埚盖内侧可设置籽晶；

至少一个螺旋隔板组件，所述螺旋隔板组件设置在所述坩埚主体内，所述螺旋隔板组件的构造可形成螺旋气流通道。

2.根据权利要求1所述的坩埚组件，其特征在于，所述螺旋隔板组件的至少部分直径和其相同高度的坩埚主体内径相同。

3.根据权利要求1所述的坩埚组件，其特征在于，所述螺旋隔板组件的轴线与坩埚主体轴线大致平行。

4.根据权利要求1所述的坩埚组件，其特征在于，所述螺旋隔板组件包括2-6个螺旋叶片。

5.根据权利要求1所述的坩埚组件，其特征在于，所述螺旋隔板组件为包括螺旋叶片的螺旋轴。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的坩埚组件，其特征在于，所述螺旋隔板组件包括设置在原料区的原料区螺旋隔板。

7.根据权利要求6所述的坩埚组件，其特征在于，所述原料区螺旋隔板的螺旋角为60°-90°，垂直方向的单个叶面角度为90°-360°。

8.根据权利要求6所述的坩埚组件，其特征在于，所述螺旋隔板组件还包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板。

9.根据权利要求8所述的坩埚组件，其特征在于，所述气相传输区螺旋隔板的螺旋角为60°-90°，垂直方向的单个叶面角度为60°-180°。

10.根据权利要求6所述的坩埚组件，其特征在于，所述气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋方向不同。

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