CN214992012U - 一种用于长晶的坩埚组件及长晶炉 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于长晶的坩埚组件，属于半导体材料制备领域。该用于长晶的坩埚组件，包括：反应腔，所述反应腔用于装载原料；长晶腔，所述长晶腔可拆卸的连接在所述反应腔上方，并与所述反应腔通过气相传输通道连通，所述气相传输通道内设置多孔隔板，所述反应腔内的原料升华产生的原料气通过所述气相传输通道的多孔隔板传输至所述长晶腔内长晶。该坩埚组件的气相传输通道内设置多孔隔板，能够阻挡气相组分中的细微颗粒参与长晶，并改变细微颗粒的传输方向，延长传输路径，使其进一步受热升华，提高碳化硅晶体的晶体质量。

Description

一种用于长晶的坩埚组件及长晶炉

技术领域

本申请涉及一种用于长晶的坩埚组件，属于半导体材料制备领域。

背景技术

碳化硅材料由于禁带宽度较大，能承受更大的电场强度，从而被称为宽禁带半导体材料，是目前最具有代表性第三代半导体材料之一。由于碳化硅具有具有高热导率、高饱和电子迁移率和高抗辐射性，能适应更恶劣的应用环境，如高温、高磁场、腐蚀性、高频率等场所。

目前碳化硅晶体的制备主要使用物理气相传输(简称PVT法)技术，该技术通过将碳化硅原料升华分解成气相组分Si_mC_n后，在轴向温度梯度的驱动下，传输至籽晶处结晶生长为碳化硅晶体。PVT法是一个复杂过程，必须对许多参数综合加以控制，任何一个参数未能得到很好地控制，晶体生长的稳定性将会被破坏。另外，气相组分中还会掺杂细微的原料颗粒，该细微颗粒传输至籽晶处晶体就会出现缺陷，导致晶体无法应用，提高生产成本。

实用新型内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种用于长晶的坩埚组件，该坩埚组件的气相传输通道内设置多孔隔板，能够阻挡气相组分中的细微颗粒参与长晶，提高碳化硅晶体的晶体质量。

根据本申请的一个方面，提供了一种用于长晶的坩埚组件，该坩埚组件将长晶腔设置在反应腔上方，气体通过气相传输通道自下而上传输至长晶腔进行长晶，在气相传输通道内设置多孔隔板，不仅能阻挡气相组分中的细微颗粒，还能改变细微颗粒的传输方向，使其向下传输，延长传输路径，继续受热升华后再进行长晶，提高了原料的利用率和晶体的质量，节约生产成本。

该用于长晶的坩埚组件，其特征在于，包括：

反应腔，所述反应腔用于装载原料；

长晶腔，所述长晶腔可拆卸的连接在所述反应腔上方，并与所述反应腔通过气相传输通道连通，所述气相传输通道内设置多孔隔板，所述反应腔内的原料升华产生的原料气通过所述气相传输通道的多孔隔板传输至所述长晶腔内长晶。

可选地，所述反应腔和所述长晶腔为圆筒形，所述长晶腔的直径与所述反应腔的直径的比值为1.1-1.8：1。

可选地，所述长晶腔和所述反应腔共中心轴线设置，所述反应腔和所述长晶腔通过螺纹或卡扣连接，且所述反应腔和所述长晶腔的连接处设置有密封件。

可选地，所述多孔隔板与所述原料气的传输方向垂直；

所述反应腔的顶部开设有凹槽，所述多孔隔板通过所述凹槽设置于所述反应腔的顶部。

可选地，所述多孔隔板与所述反应腔为圆筒形，所述凹槽为L形，所述多孔隔板的下端面与所述凹槽的上端面相抵接，所述多孔隔板外侧面与所述凹槽的内侧壁相抵靠，以使得所述多孔隔板卡合在所述凹槽内。

可选地，所述多孔隔板的高度为5-20mm，且所述多孔隔板的高度大于所述凹槽的高度。

可选地，所述多孔隔板与所述反应腔底部的距离和所述多孔隔板与所述长晶腔顶部的距离的比值为20-45：10-15。

可选地，所述长晶腔底部的内侧壁上设置有凸起，所述长晶腔与所述反应腔扣合，所述凸起用于将所述多孔隔板限制在所述反应腔的顶部。

可选地，所述凸起包括第一凸起和第二凸起，所述第一凸起的下端面与所述多孔隔板的上端面抵接，所述第二凸起的侧面与所述多孔隔板的外侧面相抵靠。

可选地，所述多孔隔板为多孔石墨板，所述反应腔和所述长晶腔为高纯石墨材料。

根据本申请的另一个方面，提供了一种长晶炉，该长晶炉包括炉体、加热机构和上述任一项所述的用于长晶的坩埚组件；

所述坩埚组件设置在所述炉体内，所述加热机构设置在炉体外，用于对所述炉体内的坩埚组件加热。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供的用于长晶的坩埚组件，通过在气相传输通道内设置多孔隔板，不仅能阻挡气相组分中的细微颗粒，还能改变细微颗粒的传输方向，使其向下传输，延长传输路径，继续受热升华后再进行长晶，提高了原料的利用率和晶体的质量，节约生产成本。

2.本申请所提供的用于长晶的坩埚组件，多孔隔板与原料气的传输方向垂直，细微颗粒受到多孔隔板的垂直阻挡后，在最大程度上改变了细微颗粒的传输方向，延长了细微颗粒的传输路径，使细微颗粒进一步受热升华，进一步提高晶体的生长质量。

3.本申请所提供的用于长晶的坩埚组件，反应腔顶部的凹槽的上端面和内侧壁与多孔隔板相抵靠，减少凹槽和多孔隔板的缝隙，避免原料气自多孔隔板和凹槽的连接处通过，从而使部分细微颗粒参与长晶，造成晶体的缺陷。

4.本申请所提供的用于长晶的坩埚组件，长晶腔底部的第一凸起和第二凸起共同将多孔隔板限制在反应腔顶部，阻止多孔隔板在垂直方向上运动，同时还能减少多孔隔板和长晶腔的接触缝隙，提高坩埚组件的密封性，节能增效。

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用于长晶的坩埚组件的侧截面图；

图2为图1中A部分的局部放大图；

部件和附图标记列表：

1、反应腔；11、凹槽；12、原料；2、长晶腔；21、第一凸起；22、第二凸起；23、籽晶；3、多孔隔板；4、气相传输通道。

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。

为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。

本申请的用于长晶的坩埚组件可以用于制备晶体，例如碳化硅单晶、碳化硅多晶等，但不限于此，本申请以碳化硅单晶为例进行说明该坩埚组件的结构和使用方法。

参考图1-2，本申请的实施例公开了一种用于长晶的坩埚组件，该坩埚组件包括反应腔1和长晶腔2，反应腔1用于装载原料12，长晶腔2可拆卸的连接在反应腔1上方，并与反应腔1通过气相传输通道4连通，气相传输通道4内设置多孔隔板3，反应腔1内的原料12升华产生的原料12气通过气相传输通道4的多孔隔板3传输至长晶腔2内长晶。

具体的，反应腔1和长晶腔2连通，长晶腔2内设置有籽晶23，原料12气传输至籽晶23处开始长晶，原料12气自反应腔1向长晶腔2传输的路径即为气相传输通道4。反应腔1在长晶腔2的下方，反应腔1内的原料12受热升华产生的原料12气自下而上传输至长晶腔2内进行长晶，原料12气中会不可避免的掺杂有细微颗粒，若细微颗粒随着原料12气传输至籽晶23处，会吸附在晶体表面，导致晶体出现包裹体，使晶体的质量下降，若包裹体数量过多，则会使晶体无法满足使用条件，只能进行报废。通过在气相传输通道4内设置多孔隔板3，不仅能阻挡气相组分中的细微颗粒，还能改变细微颗粒的传输方向，使其向下传输，延长传输路径，继续受热升华后再进行长晶，提高了原料12的利用率和晶体的质量，节约生产成本。

具体的，多孔隔板3设置在气相传输通道4中，多孔隔板3可以靠近原料12腔，也可以靠近长晶腔2，只要能对原料12气中的细微颗粒进行阻挡并改变其运动方向即可，对于多孔隔板3的位置不作限定。多孔隔板3的数量不作限定，可以为一个，也可以为多个，并且多孔隔板3在气相传输通道4中与原料12气的传输方向可以垂直，也可以与原料12气的传输方向呈一定的夹角，只要能保证在原料12气的传输过程中，会经过多孔隔板3即可，优选的，多孔隔板3与原料12气的传输方向垂直。多孔隔板3的孔径不做具体限定，为了满足碳化硅单晶的生产需要可进行调整，若需要生产的晶体质量较高，则多孔隔板3中每个孔的孔径应尽可能的小，保证能阻挡细微颗粒并改变其传输方向，使其进一步升华进行长晶，提高晶体的质量。

作为一种实施方式，反应腔1和长晶腔2为圆筒形，长晶腔2的直径与反应腔1的直径的比值为1.1-1.8：1。反应腔1和长晶腔2的形状一致，便于反应腔1和长晶腔2的密封，稳定晶体的生长环境，防止外部因素造成气相传输通道4中原料12气的波动，进一步提高晶体的生长质量；长晶腔2的直径与反应腔1的直径的比值为1.1-1.8：1，在该比值条件下，利于原料12气向长晶腔2的传输，长晶腔2空间变大，原料12气在进入长晶腔2后会进行扩散，利于原料12气中掺杂的细微颗粒受热升华，提高长晶速度和晶体的质量，若长晶腔2的直径过大，大于该比值的情况下，会导致原料12气扩散范围变大，不利于原料12气传输至长晶腔2内进行长晶，从而使长晶速度下降，因此将长晶腔2的直径和反应腔1的直径限定在该范围内，在保证长晶速度的基础上，还能提高晶体的质量。

作为一种实施方式，长晶腔2和反应腔1共中心轴线设置，反应腔1和长晶腔2通过螺纹或卡扣连接，且反应腔1和长晶腔2的连接处设置有密封件。将长晶腔2和反应腔1共中心轴线设置，有利于各处的原料12受热均匀，并且反应腔1内各处产生的原料12气的组分一致，各处的原料12气沿气相传输通道4直接传输至籽晶23处开始长晶，避免原料12气的过于分散，从而导致气相组分不一致，影响晶体质量。反应腔1和长晶腔2通过螺纹和卡扣连接，便于碳化硅晶体生长前后对长晶腔2进行安装或拆卸，通过密封件来实现反应腔1和长晶腔2的密封，有利于保证碳化硅在生长过程中，不会受到外界因素的干扰，利于晶体在稳定的环境下进行生长，进一步提高晶体的生长质量。

具体的，反应腔1顶部的外侧壁上设置有外螺纹，长晶腔2底部的内侧壁上设置有内螺纹，该内螺纹和外螺纹相互配合，以实现将长晶腔2安装在反应腔1的顶部。

作为一种实施方式，多孔隔板3与原料12气的传输方向垂直，反应腔1的顶部开设有凹槽11，多孔隔板3通过凹槽11设置于反应腔1的顶部。通过在反应腔1的顶部开设凹槽11，将多孔隔板3固定设置在反应腔1的顶部，并且多孔隔板3与原料12气的传输方向垂直，有利于垂直阻挡原料12气中掺杂的细微颗粒，该设置方式下，细微颗粒受到多孔隔板3的垂直阻挡后，改变传输方向，与原传输方向发生了180°的转变，变为垂直向下运动，相应传输路径也延长，通过向下运动过程中进一步受热再升华分解成原料12气，最后继续传输至长晶腔2进行长晶。与原料12气垂直设置的多孔隔板3，在最大程度上改变了细微颗粒的传输方向，延长了细微颗粒的传输路径，进一步提高晶体的生长质量。

作为一种实施方式，多孔隔板3与反应腔1为圆筒形，凹槽11为L形，多孔隔板3的下端面与凹槽11的上端面相抵接，多孔隔板3外侧面与凹槽11的内侧壁相抵靠，以使得多孔隔板3卡合在所述凹槽11内。该凹槽11的上端面和内侧壁与多孔隔板3相抵靠，减少凹槽11和多孔隔板3的缝隙，原料12气必须通过多孔隔板3才能达到长晶腔2，避免原料12气自多孔隔板3和凹槽11的连接处通过，从而使部分细微颗粒参与长晶，造成晶体的缺陷。

具体的，该凹槽11设置在反应腔1的顶部，凹槽11的高度不作限定，可以比多孔隔板3高，也可以比多孔隔板3低，只要是能将多孔隔板3固定住并且减少与多孔隔板3之间的缝隙即可，并且凹槽11自反应腔1的内侧壁向反应腔1的外侧壁方向延伸，但是凹槽11并不延伸至外侧壁，凹槽11的宽度小于反应腔1的壁厚，优选的，凹槽11的宽度占反应腔1壁厚的一半。

作为一种优选的实施方式，多孔隔板3的高度为5-20mm，且多孔隔板3的高度大于凹槽11的高度。多孔隔板3的高度为5-20mm，既能保证对原料12气中细微颗粒的阻挡及改变传输方向的作用，又能减少多孔隔板3的占用空间，使坩埚组件结构紧凑，减少坩埚组件的占用空间，提高坩埚组件地使用灵活性。

作为一种实施方式，多孔隔板3与反应腔1底部的距离和多孔隔板3与长晶腔2顶部的距离的比值为20-45：10-15。原料12装载于反应腔1内，并占据反应腔1的1/2-2/3的空间，多孔隔板3设置在反应腔1顶部，该设置方式下，能保证反应腔1内的原料12受热升华后经过一定的传输路径后再通过多孔隔板3，在通过多孔隔板3之前，能尽量的保证原料12气中掺杂的细微颗粒能受热升华，减少原料12气本身掺杂的细微颗粒的数量，从而减少改变传输方向的细微颗粒的数量，稳定晶体的生长环境。经过多孔隔板3的原料12气又经过一定的传输距离才到达长晶腔2的籽晶23处开始长晶，有利于对原料12气进一步加热分解，进一步提高晶体的质量。

作为一种实施方式，长晶腔2的底端的内侧壁上设置有凸起，长晶腔2与反应腔1扣合，凸起用于将多孔隔板3限制在反应腔1的顶部。该凸起设置在长晶腔2底部的内侧壁上，靠近长晶腔2和反应腔1的连接处，该凸起至少能与多孔隔板3的上端面接触，用于限制多孔隔板3在垂直方向的运动，保证在长晶过程中，原料12气不会因为流速过大，而造成多孔隔板3的移动，从而影响碳化硅的晶体质量。

作为一种优选的实施方式，该凸起包括第一凸起21和第二凸起22，第一凸起21的下端面与多孔隔板3的上端面抵接，第二凸起22的侧面与多孔隔板3的外侧面相抵靠。具体的，第一凸起21和第二凸起22相邻，并连接为一体，第一凸起21设置在第二凸起22的上方，并且第一凸起21的宽度大于第二凸起22的宽度，第一凸起21和第二凸起22共同将多孔隔板3限制在反应腔1顶部，阻止多孔隔板3在垂直方向上运动，第一凸起21和第二凸起22一体连接能减少多孔隔板3和长晶腔2的接触缝隙，提高坩埚组件的密封性，使得到晶体质量高，节能增效。

作为一种实施方式，多孔隔板3为多孔石墨板，反应腔1和长晶腔2为高纯石墨材料。多孔石墨板能保证在阻挡细微颗粒时，不会与细微颗粒发生反应，反应腔1和长晶腔2为高纯石墨材料能保证长晶过程中。原料12和原料12气均匀受热，使得到的碳化硅晶体的晶型一致，便于后续使用。

作为一种实施方式，一种长晶炉，其包括炉体、加热机构和上述任一实施方式中的用于长晶的坩埚组件，坩埚组件设置在炉体内，加热机构设置在炉体外，用于对炉体内的坩埚组件加热。该加热机构能够对坩埚组件进行加热，从而控制反应腔1和长晶腔2的温度，并使其温度保持一致，减少温度因素对碳化硅晶体质量的影响。

具体的，该加热机构采用感应加热的方式进行加热，优选的，该加热机构为感应加热线圈，该感应加热线圈套设在炉体外，优选的，坩埚组件、炉体和感应加热线圈共中心轴线设置，有利于保证反应腔1内原料12受热的均匀性，从而提高原料12气气相组分的一致性。

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)

1.一种用于长晶的坩埚组件，其特征在于，包括：

反应腔，所述反应腔用于装载原料；

长晶腔，所述长晶腔可拆卸的连接在所述反应腔上方，并与所述反应腔通过气相传输通道连通，所述气相传输通道内设置多孔隔板，所述反应腔内的原料升华产生的原料气通过所述气相传输通道的多孔隔板传输至所述长晶腔内长晶。

2.根据权利要求1所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述反应腔和所述长晶腔为圆筒形，所述长晶腔的直径与所述反应腔的直径的比值为1.1-1.8：1。

3.根据权利要求2所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述长晶腔和所述反应腔共中心轴线设置，所述反应腔和所述长晶腔通过螺纹或卡扣连接，且所述反应腔和所述长晶腔的连接处设置有密封件。

4.根据权利要求1所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述多孔隔板与所述原料气的传输方向垂直；

所述反应腔的顶部开设有凹槽，所述多孔隔板通过所述凹槽设置于所述反应腔的顶部。

5.根据权利要求4所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述多孔隔板与所述反应腔为圆筒形，所述凹槽为L形，所述多孔隔板的下端面与所述凹槽的上端面相抵接，所述多孔隔板外侧面与所述凹槽的内侧壁相抵靠，以使得所述多孔隔板卡合在所述凹槽内。

6.根据权利要求5所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述多孔隔板的高度为5-20mm，且所述多孔隔板的高度大于所述凹槽的高度；和/或

所述多孔隔板与所述反应腔底部的距离和所述多孔隔板与所述长晶腔顶部的距离的比值为20-45：10-15。

7.根据权利要求4所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述长晶腔底部的内侧壁上设置有凸起，所述长晶腔与所述反应腔扣合，所述凸起用于将所述多孔隔板限制在所述反应腔的顶部。

8.根据权利要求7所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述凸起包括第一凸起和第二凸起，所述第一凸起的下端面与所述多孔隔板的上端面抵接，所述第二凸起的侧面与所述多孔隔板的外侧面相抵靠。

9.根据权利要求1-8任一项所述的用于长晶的坩埚组件，其特征在于，所述多孔隔板为多孔石墨板，所述反应腔和所述长晶腔为高纯石墨材料。

10.一种长晶炉，其特征在于，其包括炉体、加热机构和权利要求1-9任一项所述的用于长晶的坩埚组件；

所述坩埚组件设置在所述炉体内，所述加热机构设置在炉体外，用于对所述炉体内的坩埚组件加热。

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