CN212103061U - 一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构 - Google Patents
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Abstract
本专利涉及半导体材料SiC单晶生长领域，具体公开了一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，所述单晶炉包括用坩埚围成的晶体生长用晶体生长室，配置于生长室室内顶部的石墨盘，和在所述晶体生长室外围的保温层，所述测温结构包括所述石墨盘中心设置通孔，通孔上镶嵌盖片形成的测温窗，以及设置于石墨盘上方保温层内和所述测温窗垂直贯穿的测温孔，使得测量温度的红外线能够穿过保温层和石墨盘，直接测量SiC晶体生长室内的温度，从而减小了生长温度的测量误差，使得PVT方法生长SiC单晶时的温度控制更精确，生长出的碳化硅单晶晶体缺陷密度降低。
Description
技术领域
本专利涉及半导体材料SiC单晶生长领域，具体涉及一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构。
背景技术
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，凭借这种特性，可以用来制作半导体器件。第一、二代半导体（如硅和砷化镓等）在材料领域的迅速发展使得光电子和微电子也随之快速成长，但是他们在物理和化学性质上却具有一定的局限性，这限制了材料在器件上的应用上限。随着科技进步，半导体材料被赋予了更高的要求，它希望新型的半导体材料能够耐高温，同时还具有大的功率、频率及其他一些物理化学性质，所以，第三代半导体材料如碳化硅（SiC）便得到了人们的关注。SiC可以适应更苛刻的应用环境，如高磁场，腐蚀性，高温，高功率，高频率等。这些性能使得SiC半导体材料应用范围更广泛。
世界上生长SiC体单晶的主要方法是采用物理气相传输法(亦称为“PVT”法)。该方法的基本原理是将SiC粉源和籽晶放在一个准密闭的坩埚里, 籽晶固定在温度较低的坩埚顶部, 粉源置于温度较高的坩埚底部, 在低压高温下SiC粉源升华分解产生气态物质, 在由生长源与籽晶之间存在的温度梯度而形成的压力梯度的驱动下, 这些气态物质自然输运到低温的籽晶位置, 并由于超饱和度的产生而结晶生长。合理的热场分布是SiC晶体生长的关键。
由于晶体生长时坩埚处于2000℃以上的高温以及自身的准密闭性,截至目前,还没有一个有效的方法可直接测量粉源、晶体生长面的温度和坩埚内的温度分布。通常的做法是通过测量一定深度的坩埚盖及底部上的两个测温盲孔的温度来间接地了解、推算坩埚内的温度, 这种方法难以精确调节和控制坩埚内的温度及分布，径向温度梯度和轴向温度梯度是影响SiC晶体生长的两个关键工艺参数。径向温度梯度决定了气相组分沿径向的过饱和度分布, 是晶体直径扩大的驱动力, 并影响晶体生长界面形状和异晶型成核, 也会导致晶体内部产生热应力从而诱导缺陷产生，因此改进测温结构对生长优质SiC晶体十分必要。
实用新型内容
面对现有技术中存在无法精准测量单晶炉温度的问题，本实用新型提供一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，以解决相关的技术问题，所述技术方案如下：
一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，所述单晶炉包括用坩埚围成的晶体生长用晶体生长室，配置于生长室室内顶部的石墨盘，和在所述晶体生长室外围的保温层，所述测温结构包括所述石墨盘中心设置通孔，通孔上镶嵌盖片形成的测温窗，以及设置于石墨盘上方保温层内和所述测温窗垂直贯穿的测温孔，使得测量温度的红外线能够穿过保温层和石墨盘，直接测量SiC晶体生长室内的温度。
进一步地，所述盖片由熔点不低于2200℃可透过红外线的耐高温材料制成。
进一步地，所述可透过红外线的耐高温材料为莫桑石或金刚石。
进一步地，所述盖片镶嵌于靠近保温层一侧。
进一步地，所述测温窗的面积小于所述测温孔的面积。
进一步地，所述测温窗的面积不小于所使用的测温器发出的红外线光斑面积。
本实用新型所提供的SiC单晶炉测温窗结构，基于PVT法生长SiC晶体体系，能够解决晶体生长过程中无法直接测量粉源、晶体生长面的温度和坩埚内的温度分布，掌控生长体系温度梯度问题，使用该技术方案减小了生长温度的测量误差，使得PVT方法生长SiC单晶时的温度控制更精确，生长出的碳化硅单晶晶体缺陷密度降低，所需结构无须过高成本，却改善了晶体材料的质量，而且可以减少企业的生产成本，使得碳化硅材料在半导体领域的应用中发挥更好更高效的作用。
附图说明
图1、PVT法生长SiC用的单晶炉结构示意图。
图2、测温窗的俯视图。
图3、测温窗的剖视图。
其中：1、测温孔；2、石墨盘；3、籽晶；4、SiC原料；5、坩埚；6、保温层；7、测温窗；8、盖片。
具体实施方式
参照说明书附图，并结合下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，说明书附图及下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。
图1为PVT法生长SiC用的单晶炉结构示意图，具有用坩埚5围成的晶体生长用晶体生长室，配置于生长室室内顶部的石墨盘2，和在所述晶体生长室外围的保温层6。通常使用石墨坩埚5，将SiC原料4置于生长室下部，固定有籽晶3的石墨盘2固定于由坩埚5围成的生长室的顶部。通过控制生长室的温度和压力条件，使SiC原料4从坩埚5下部升华，上升至籽晶3上进行堆积生长，最终获得SiC单晶，测量SiC单晶生长温度通常的做法是通过测量一定深度的坩埚盖及底部上的两个测温盲孔的温度来间接地了解、推算坩埚内的温度, 这种方法难以精确调节和控制坩埚内的温度及分布，径向温度梯度和轴向温度梯度是影响SiC晶体生长的两个关键工艺参数。径向温度梯度决定了气相组分沿径向的过饱和度分布, 是晶体直径扩大的驱动力, 并影响晶体生长界面形状和异晶型成核, 也会导致晶体内部产生热应力从而诱导缺陷产生。
本实用新型的PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，单晶炉包括用坩埚5围成的晶体生长用晶体生长室，配置于生长室室内顶部的石墨盘2，和在所述晶体生长室外围的保温层6，其特征在于，所述测温结构包括所述石墨盘中心设置通孔，通孔上镶嵌盖片8形成的测温窗7，以及设置于石墨盘2上方保温层6内和所述测温窗垂直贯穿的测温孔1，使得测量温度的红外线能够穿过保温层6和石墨盘2，直接测量SiC晶体生长室内的温度
图2为测温窗的俯视图，在一个实施例中，测温窗7的开孔位置为石墨盘2的中心圆点，中心圆点的位置为晶体生长的核心位置，更能体现晶体的生长温度梯度，在另外的实施例中，根据具体测量的需要，也可以选择石墨盘2不同的点开测温窗7，测温窗7和测温孔1其中心圆点在一条直线上，测温窗7的面积小于测温孔1的开孔面积，优选的，测温窗7的面积大于或者等于所使用的测温器发出的红外线光斑面积，以减小因开窗面积过大，而引起生长室内温度的不平衡，测温窗7和测温孔1的形状可以为多种形状，如椭圆形、方形等，优选为圆形，以便和测温器发出的红外线光斑相匹配，获取更准确的温度。
图3为测温窗的剖视图，盖片8设置于石墨盘2的一侧，在图3所示的实施例中，盖片8设置于靠近保温层7的一侧，考虑到测温器与其发射的红外线所形成的光斑的距离，盖片8设置于靠近保温层7的一侧，使测量温度更为精准，且盖片8的安放也更为方便，而在另外的实施例中，盖片8可置于靠近籽晶3一侧，也可置于石墨盘2通孔内部，盖片8和石墨盘2连接方式可以采用多种形式，一是采用套接的方式，盖片8和石墨盘2活动连接，在石墨盘2顶部测温窗7口周边加工凹台，其尺寸和盖片8相匹配，盖片置于凹台上，严格控制加工精确度，确保盖片的稳定性，不影响温度的测量；二是在石墨盘2的制作过程中，直接将盖片8镶嵌其中，盖片8和石墨盘2固定连接。
盖片8由熔点不低于2200℃可透过红外线的耐高温材料制成，进一步地，盖片8为可透过红外线的耐高温材料优选为为莫桑石或金刚石，优选金刚石，金刚石包括人工和天然形成的，考虑到成本可选择人工制造的，更进一步的优选为莫桑石，莫桑石的熔点为2300℃，且成本相对低廉，且不同的材质有不同的导热率，其导热率的差异对测温结果存在潜在的不利影响，从而影响精确控温，莫桑石本就是碳化硅的一种，当两者采用同一材质时，不存在导热率差异导致的问题，故更有利于准确测量温度值。
本实用新型提供的PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，适用于各种类型的SiC晶体生长测温使用，如现今通常生产的4H、6H晶型被认为具有更为有优异的性能，且容易获得单一多型，因此，目前的研究和生产多围绕4H或6H晶体，人们期望在一定的生长条件和工艺技术下获得高质量的4H或6H晶体，本实用新型提供的测温结构减小了生长温度的测量误差，使得PVT方法生长SiC单晶时的温度控制更精确，生长出的碳化硅单晶晶体缺陷密度降低，所需结构无须过高成本，却改善了晶体材料的质量，而且可以减少企业的生产成本，使得碳化硅材料在半导体领域的应用中发挥更好更高效的作用。
Claims (6)
1.一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，所述单晶炉包括用坩埚围成的晶体生长用晶体生长室，配置于生长室室内顶部的石墨盘，和在所述晶体生长室外围的保温层，其特征在于，所述测温结构包括所述石墨盘中心设置通孔，通孔上镶嵌盖片形成的测温窗，以及设置于石墨盘上方保温层内和所述测温窗垂直贯穿的测温孔，使得测量温度的红外线能够穿过保温层和石墨盘，直接测量SiC晶体生长室内的温度。
2.根据权利要求1所述的一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，其特征在于，所述盖片由熔点不低于2200℃可透过红外线的耐高温材料制成。
3.根据权利要求2所述的一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，其特征在于，所述可透过红外线的耐高温材料为莫桑石或金刚石。
4.根据权利要求1所述的一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，其特征在于，所述盖片镶嵌于靠近保温层一侧。
5.根据权利要求1所述的一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，其特征在于，所述测温窗的面积小于所述测温孔的面积。
6.根据权利要求5所述的一种PVT法生长SiC用的单晶炉测温结构，其特征在于，所述测温窗的面积不小于所使用的测温器发出的红外线光斑面积。
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| CN113106540A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-07-13 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 半导体设备 |
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