CN212533200U - 一种碳化硅单晶生长用坩埚和生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳化硅单晶生长用坩埚及生长装置，包括：第一坩埚，所述第一坩埚具有原料腔和位于所述原料腔上方的生长腔；第二坩埚，位于所述原料腔内；至少一层第一热辐射屏，位于所述第一坩埚和所述第二坩埚之间；所述第一坩埚、辐射热屏、第二坩埚之间的旋转对称轴重合；所述第一热辐射屏和所述第二坩埚的间距为1‑10mm。根据本实用新型提供的碳化硅单晶生长用坩埚受热时内部温度热场均匀，最大程度确保坩埚内SiC单晶生长用原料受热均匀，提高晶体成品质量。

Description

一种碳化硅单晶生长用坩埚和生长装置

技术领域

本实用新型属于半导体材料制造技术领域，具体地，涉及一种碳化硅单晶生长用坩埚和生长装置。

背景技术

碳化硅(SiC)材料由于具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率快、化学稳定性高、抗辐射能力强等各种优越性能，可以用于耐高温、高频、抗辐射、大功率半导体器件材料，具有广泛的运用前景，然而由于SiC单晶生长条件严苛，易受到环境的影响，导致产品质量缺陷，因此，对于获得高质量SiC以实现SiC基器件优异的性能，其生长技术是关键。

目前，SiC单晶的生长过程主要是通过石墨坩埚加热SiC单晶生长用原料，使其升华，并在SiC籽晶上凝结并结晶得到SiC单晶产品，然而，目前的石墨坩埚结构简单，其在受热时，内部不同位置有较大的温度差异，侧壁处的温度高，而中心区域的温度低，导致处于石墨坩埚内部的SiC原料所受的热场也不均匀，严重影响了坩埚内部的SiC单晶生长用原料升华后的气体组分的输运，进而导致晶体质量可控性变差。

因此，提供一种碳化硅单晶生长用坩埚和生长装置十分重要。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的之一在于提供一种SiC单晶生长用坩埚，所述坩埚受热时内部温度热场均匀，最大程度确保坩埚内SiC单晶生长用原料受热均匀，提高晶体成品质量。

本实用新型的另一个目的在于，提供一种SiC单晶的生长装置。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种碳化硅单晶生长用坩埚，包括：第一坩埚，所述第一坩埚具有原料腔和位于所述原料腔上方的生长腔；第二坩埚，位于所述原料腔内；至少一层第一热辐射屏，位于所述第一坩埚和所述第二坩埚之间；所述第一坩埚、辐射热屏、第二坩埚之间的旋转对称轴重合；所述第一热辐射屏和所述第二坩埚的间距为 1-10mm。

在一些实施例中，所述碳化硅单晶生长用坩埚还包括第二热辐射屏，所述第二热辐射屏位于所述第二坩埚内，并与所述第二坩埚的旋转对称轴重合。

在一些实施例中，所述碳化硅单晶生长用坩埚还包括籽晶托，所述籽晶托位于所述生长腔内。

在一些实施例中，所述第一热辐射屏包括2-10层，每一层之间的间距为2-10mm。

在一些实施例中，所述第一热辐射屏的厚度为0.5-1mm。

在一些实施例中，所述第一坩埚为石墨坩埚。

在一些实施例中，所述第二坩埚的厚度为0.5-2mm。

在一些实施例中，所述第二热辐射屏为金属圆筒，所述金属圆筒的外径为10-80mm。

本实用新型还提供了一种碳化硅单晶生长用坩埚，包括：第一石墨坩埚，所述第一石墨坩埚具有原料腔和位于所述原料腔上方的生长腔；第二金属坩埚，位于所述原料腔内；第一金属热辐射屏，位于所述第一石墨坩埚和所述金属坩埚之间；第二金属热辐射屏，位于所述第二金属坩埚内；所述第一石墨坩埚、第一金属热辐射屏、第二金属坩埚，以及第二金属热辐射屏之间的旋转对称轴重合；所述第一金属热辐射屏包括3-7层，最内的一层的第一金属热辐射屏与所述第二金属坩埚的间距为1-10mm。

本实用新型还提供一种碳化硅单晶的生长装置，所述生长装置包括：生长炉体；碳化硅单晶生长用坩埚，设置于所述生长炉体上；保温组件，设置于所述碳化硅单晶生长用坩埚的外周部；热控制单元，设置于所述保温组件的外周部，用于对所述碳化硅单晶生长用坩埚加热，其中，所述碳化硅单晶生长用坩埚包括：第一坩埚，所述第一坩埚具有原料腔和位于所述原料腔上方的生长腔；第二坩埚，位于所述原料腔内；至少一层第一热辐射屏，位于所述第一坩埚和所述第二坩埚之间；所述第一坩埚、第一热辐射屏、第二坩埚之间的旋转对称轴重合；所述第一热辐射屏和所述第二坩埚的间距为1-10mm。

如上所述，本实用新型提供了一种SiC单晶生长用坩埚，其在第一坩埚内设置第二坩埚，并在第一坩埚和第二坩埚之间设置至少一层第一热辐射屏，使得坩埚在受热时，利用热辐射屏阻挡第一坩埚内壁的辐射散热，降低第二坩埚内部的温度差异，使得SiC生长用原料均匀受热，进而减少晶体缺陷。此外，本实用新型还在第二坩埚内设置第二热辐射屏，利用其阻挡防止SiC生长用原料进入中心冷区，进一步地保证原料均匀受热，减少晶体缺陷，提高晶体质量。根据本实用新型提供的生长用坩埚生长得到的SiC单晶内部没有炭包裹物，在所述坩埚内的剩余原料中，靠近第二坩埚壁区域和第二辐射热屏的外壁区域的SiC单晶生长用原料炭化程度比较均匀，该坩埚100内的温度差异最大程度上得到优化。其他的特征、益处可以参考本实用新型公开的权利要求和说明书在内的内容。

附图说明

图1显示为本实用新型提供的SiC单晶生长装置的一具体实施例的结构示意图。

图2显示为本实用新型提供的SiC单晶生长用坩埚的一具体实施例的结构示意图。

图3显示为本实用新型提供的SiC单晶生长用坩埚的另一具体实施例的结构示意图。

图4显示为图3中主视面的结构示意图。

图5显示为图3中俯视剖面的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂注意。需要说明的是，如出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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，如出现术语“第一”或“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。

本实用新型制备的SiC单晶材料可以作为半导体器件和集成电路器件的元器件，例如宽带隙、激光二极管、抗辐射器件、超低漏电电流器件、高击穿电场、可控电力电子器件、空间运用的大功率器件、高导热器件，以及高密度机器集成，具体的例子例如可以列举绝缘栅型场效应管(MOS)器件、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)单管、晶闸管、芯片，从而在家电领域、电动汽车、电力、光伏通讯、铁路运输等领域发挥重大作用。

所述SiC单晶结构例如可以包括3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC，以及15R-SiC晶型的单晶结构，进一步地，所述晶型的有效面积大于等于95％，例如98％、99％、100％。所述宽禁带宽度为2.2～3.3eV，例如为2.36eV、3.26eV、3.02eV。所述电阻率为1x10^-3Ω·cm-1x10⁶Ω·cm，例如为0.001Ω·cm、0.015Ω·cm、0.1Ω·cm、1Ω·cm、100Ω·cm、1000Ω·cm、10000Ω·cm、 100000Ω·cm，所述击穿电压为600-1700V，例如为600V、1200V、1700V，所述热导率为 3-7w/cm·K，例如4w/cm·K、4.9w/cm·K、4.9w/cm·K、5w/cm·K。

本实用新型制备的SiC单晶的生长方法包括物理气相传输法(physical vaportransportmethod，PVT)、高温化学气相沉积法、溶液法等，例如PVT法，生长所述单晶。

图1示出了SiC单晶的生长装置1的结构示意图，所述生长装置1包括坩埚100、生长炉体200、保温组件300，以及热控制单元400。

如图1所示，所述坩埚100放置于所述生长炉体200上，例如通过托台201放置，进一步地，所述托台201可以进行自转，从而带动所述坩埚100旋转，所述坩埚100的外周部包围所述保温组件300，所述保温组件300的外周部为热控制单元400，例如所述热控制单元例如所述热控制单元400为感应线圈，将所述保温组件300放置于感应线圈中，从而最终对所述坩埚100进行加热。在进行SiC单晶的生长作业时，将SiC原料600和SiC籽晶700放置在所述坩埚100内，并启动所述生长装置1，所述坩埚100受热后，通过例如物理气相传输法，SiC原料600在高温低压的条件下升华，产生的气相组分(例如Si，Si2C，SiC2等)在温度梯度的驱动下到达位于较低温度的SiC籽晶700处，产生过饱和度而在籽晶700上结晶不断生长单晶。

如图1至图5所示，本实用新型示出了一种用于该SiC单晶生长用坩埚100的结构示意图，所述坩埚100制造的SiC单晶具有更高质量，避免了或极大程度的降低了所述SiC单晶中异质包裹物以及其他方面的结构缺陷，应当理解的是，坩埚100仅用于图示的目的并不限于特定的生长方法和生长装置，所有这些都可以基于SiC单晶的特定要求和预期的性能而变化。

如图2所示，在坩埚100中，所述坩埚100包括第一坩埚10、第二坩埚20、第一热辐射屏30、以及籽晶托40。

如图2所示，所述第一坩埚10由第一盖体和第一坩埚主体组成，例如所述第一坩埚主体的内侧壁上设有内螺纹(图中未示出)，所述第一盖体上设有与所述内螺纹相匹配的外螺纹(图中未示出)，从而所述第一盖体可以旋紧并盖合在所述第一坩埚主体上，形成例如圆筒状的容纳腔，所述容纳腔的下方空间作为原料腔10a，下方空间作为生长腔10b，用以分别容置SiC 单晶生长用原料600和SiC籽晶700。当然，此处仅是列举了所述第一坩埚主体10和第一盖体20之间盖合方式的一具体实施例，并不限定于此，还可以根据实际的需要进行选择例如密封圈密封、卡合等其他的盖合方式。

所述第一坩埚10的材料没有特别限定，例如可以采用石墨、钢材，例如石墨，从而具体优异的导热性能。

如图2所示，所述第二坩埚20位于所述原料腔10a内，具体而言，位于所述第一坩埚10内的下方容纳腔，并例如与所述第一坩埚10具有相同的旋转对称轴，所述第二坩埚20例如由第二坩埚主体和盖合于第二坩埚主体上的第二盖体组成，SiC单晶生长用原料600装填于所述第二坩埚主体和第二盖体组成的内部空间内，在进行SiC单晶的生长作业时，所述SiC 单晶生长用原料600通过依次通过第一坩埚10和第二坩埚20受热升华，从而从所述原料腔 10a进行生长腔10b中，并在籽晶700上凝结结晶，得到所述SiC单晶。所述第二坩埚主体和第二盖体之间的盖盒方式没有特别的限定，可以根据实际的需要进行选择。

如图2所示，所述第二坩埚20的厚度为0.5-2mm，例如为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm，所述厚度在上述范围内时，在第二坩埚20盛放SiC单晶生长用原料600可以将所述原料600 更好的进行均匀供热，避免来自第一坩埚10的影响。

如图2所示，所述第二坩埚20例如由高温难容金属构成，所述金属的熔点大于等于1650℃，更进一步的大于等于1852℃，从而在所述高温不变形，所述金属的具体的例子可以列举钨、钽、钼、铬、钒、钛、锆、铌等，进一步的，例如为钽，所述第二坩埚20在晶体生长初期吸收碳，并反应生成碳化钽，进而稳定存续，实现一定程度的吸碳提高晶体质量的作用。

如图2所示，所述第一热辐射屏30位于所述第一坩埚10和第二坩埚20之间，所述第一热辐射屏30为贯穿的圆筒而没有顶壁和底壁，并与所述第二坩埚20之间的旋转对称轴重合，从而避免第一热辐射屏30的底壁影响原料腔10a内SiC原料600受热的问题，以及第一热辐射屏30的顶壁影响SiC原料600受热后升华挥发的问题，同时，可以充分阻挡第一坩埚 10内壁的不均匀热辐射，降低第二坩埚20内部的温度差异，所述第一热辐射屏30和所述第二坩埚20的间距为1-10mm，1mm、3mm、5mm、10mm，在上述范围内时，所述第一热辐射屏30可以均匀的阻挡原料腔10a内部的热环境，从而最大程度的确保第二坩埚20内的温度均匀分布，调节SiC单晶生长用原料600的C和Si之间的挥发问题，减少异质包裹物，提高晶体的生长质量。从而进一步地，保证了第二坩埚20免受第一坩埚10内壁的高温的影响。

如图2所示，所述第一热辐射屏30的厚度例如为0.5-1mm，例如0.5mm、0.8mm、1mm，进一步地，所述第一热辐射屏30可以包括一层或多层，例如2-10层，例如3层、8层，可以根据实际的需要进行调整，每一层之间的间距例如为2-10mm，例如2mm、3mm、5mm、10mm。

如图2所示，所述第一热辐射屏30例如由高温难容金属构成的金属，所述金属的熔点大于等于1650℃，更进一步的大于等于1852℃，从而在所述高温不变形，所述金属的具体的例子可以列举钨、钽、钼、铬、钒、钛、锆、铌等，进一步的，例如为钽，所述第二坩埚20在晶体生长初期吸收碳，并反应生成碳化钽，进而稳定存续，实现一定程度的吸碳提高晶体质量的作用。

如图3至图5所示，在本实用新型的另一具体实施方式中，所述坩埚100还包括第二热辐射屏50，所述第二热辐射屏50位于所述第二坩埚30内，所述第二热辐射屏50可以与第一热辐射屏30具有相同的形状，例如为所述第一热辐射屏30为贯穿的圆筒而没有顶壁和底壁，与所述第二坩埚30的旋转轴对称轴重合，此时，所述第二热辐射屏50位于所述第二坩埚30内的中心区域，所述SiC单晶生长用原料600盛放于所述第二热辐射屏50和所述第二坩埚30之间的环形区域内，从而阻挡了SiC单晶生长用原料600落入中心冷区，最大程度的确保了所有原料处于等温区，进而提高晶体质量。

所述第二热辐射屏50厚度例如为0.5-1mm，例如0.5mm、0.8mm、1mm。

所述第二热辐射屏50例如由高温难容金属构成的金属，所述金属的熔点大于等于1650℃，更进一步的大于等于1852℃，从而在所述高温不变形，所述金属的具体的例子可以列举钨、钽、钼、铬、钒、钛、锆、铌等，进一步的，例如为钽，所述第二坩埚20在晶体生长初期吸收碳，并反应生成碳化钽，进而稳定存续，实现一定程度的吸碳提高晶体质量的作用。

如图图2和4所示，所述籽晶托40位于所述生长腔10a内，具体而言，位于所述第一坩埚10第一盖体的内侧壁，用于固定所述SiC单晶生长用籽晶700，从而SiC单晶生长用原料气化升华后的气体组分经原料腔10a进入生长腔10a，并SiC单晶生长用籽晶700凝结并结晶得到SiC单晶。所述籽晶托700的大小和形状没有特别的限定，可以根据实际的需要进行选择。

在利用本实用新型的提供的SiC单晶的生长装置1和生长用坩埚100进行SiC单晶的生长作业时，将第一辐射热屏30放入第一坩埚10中，使第一辐射热屏30与第一坩埚10的旋转对称轴重合；将第二坩埚20放置到第一辐射热屏30中，使第一辐射热屏30的最内侧与第二坩埚20坩埚外侧四周均保持2-10mm的间隙；将第二辐射热屏50放置到第二坩埚20中，使第二辐射热屏50与第二坩埚20的旋转对称轴重合；将生长用的SiC原料粉600通过震荡的方法均匀加入到第二辐射热屏50与第二坩埚20之间的环形区域中，采用少量多次的加料方法，确保粉料能够均匀填充；将生长用的SiC籽晶700，例如4H-SiC籽晶固定于第一坩埚 10的籽晶托40上；将整个坩埚100放置于生长装置1中的加热炉体200的托盘201上。接着例如采用物理气相传输法(physical vapor transportmethod，PVT)生长单晶。

具体而言，可以在生长开始前对系统抽真空以去除杂质气体，生长过程中以高纯惰性气体(例如氩气)作为保护气体。维持一段时间抽真空后开始将升高1000-1500℃预热，然后向生长室通入高纯惰性气体，然后再次向所述生长腔室10b内通入相同的惰性气体，压力控制为50-5000mbar，并保持0.5-1h。继续升高温度至1800-2200℃，以适应所述SiC单晶生长，保持反应时间1-3h，并在生长装置1中继续继续生长10-50h，例如10h、20h、30h、50h，并同步通入N2，生长完成后降温，即可得到n型SiC单晶晶体。当然，在其他的是实施例中，也可以不通入N2，制备得到非掺杂型SiC单晶晶体。所述SiC单晶的制造方法并不限定于此，还可以根据实际的需要选择其他的生长方法，例如高温化学气相沉积法、溶液法等。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，包括：

第一坩埚，所述第一坩埚具有原料腔和位于所述原料腔上方的生长腔；

第二坩埚，位于所述原料腔内；

至少一层第一热辐射屏，位于所述第一坩埚和所述第二坩埚之间；

所述第一坩埚、辐射热屏、第二坩埚之间的旋转对称轴重合；

所述第一热辐射屏和所述第二坩埚的间距为1-10mm。

2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述碳化硅单晶生长用坩埚还包括第二热辐射屏，所述第二热辐射屏位于所述第二坩埚内，并与所述第二坩埚的旋转对称轴重合。

3.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述碳化硅单晶生长用坩埚还包括籽晶托，所述籽晶托位于所述生长腔内。

4.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述第一热辐射屏包括2-10层，每一层之间的间距为2-10mm。

5.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述第一热辐射屏的厚度为0.5-1mm。

6.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述第一坩埚为石墨坩埚。

7.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述第二坩埚的厚度为0.5-2mm。

8.根据权利要求2所述的碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述第二热辐射屏为金属圆筒，所述金属圆筒的外径为10-80mm。

9.一种碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，包括：

第一石墨坩埚，所述第一石墨坩埚具有原料腔和位于所述原料腔上方的生长腔；

第二金属坩埚，位于所述原料腔内；

第一金属热辐射屏，位于所述第一石墨坩埚和所述金属坩埚之间；

第二金属热辐射屏，位于所述第二金属坩埚内；

所述第一石墨坩埚、第一金属热辐射屏、第二金属坩埚，以及第二金属热辐射屏之间的旋转对称轴重合；

所述第一金属热辐射屏包括3-7层，最内的一层的第一金属热辐射屏与所述第二金属坩埚的间距为1-10mm。

10.一种碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述生长装置包括：

生长炉体；

碳化硅单晶生长用坩埚，设置于所述生长炉体上；

保温组件，设置于所述碳化硅单晶生长用坩埚的外周部；

热控制单元，设置于所述保温组件的外周部，用于对所述碳化硅单晶生长用坩埚加热，其中，所述碳化硅单晶生长用坩埚包括：

第一坩埚，所述第一坩埚具有原料腔和位于所述原料腔上方的生长腔；

第二坩埚，位于所述原料腔内；

至少一层第一热辐射屏，位于所述第一坩埚和所述第二坩埚之间；

所述第一坩埚、辐射热屏、第二坩埚之间的旋转对称轴重合；

所述第一热辐射屏和所述第二坩埚的间距为1-10mm。

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