CN215593238U - 碳化硅晶体生长装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例的碳化硅晶体生长装置，涉及晶体制备技术领域，本实用新型实施例的碳化硅晶体生长装置，在进行碳化硅晶体的生长制备时，能够在坩埚内的底部装盛碳化硅原料；在设置在坩埚顶壁内侧的籽晶夹持部上设置籽晶，在对碳化硅原料加热时，由于原料处温度较高，籽晶处温度较低，套管从籽晶夹持部的外周缘向坩埚的底壁延伸，因此升华的碳化硅气体会进入由套管和籽晶夹持部共同围成的生长反应腔，直接通向籽晶，在籽晶朝向坩埚的底壁的表面生长碳化硅晶体，从而套管能够将生长反应腔内的气态碳化硅与坩埚的内壁相隔绝，防止坩埚自身的杂质混入生长反应腔内的碳化硅气体中，提高了生长的碳化硅晶体的纯度，进而保证碳化硅晶体的性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及晶体制备技术领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长装置。
背景技术
碳化硅(SiC)作为新兴的第三代半导体核心材料，具有宽禁带、高临界击穿电场强度、高电子迁移率以及良好的抗辐照性和化学稳定性等优异性，这使其成为一种广泛应用的重要衬底晶片材料，在航空器件、新能源汽车、轨道交通和家用电器等领域展现了良好的应用前景。
目前主要用物理气相输运法生长碳化硅晶体，然而，经发明人研究发现，现有技术中坩埚在生长碳化硅晶体的区域附近会产生杂质颗粒，这些杂质颗粒很容易被升华的气流带动至晶体生长表面，从而严重影响生长的碳化硅晶体的性能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种碳化硅晶体生长装置，其生长的碳化硅晶体的纯度高，能够保证碳化硅晶体的性能。
本实用新型实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置，该碳化硅晶体生长装置包括坩埚、籽晶夹持部和套管。籽晶夹持部设置于所述坩埚的顶壁内侧，用于设置籽晶。套管设置于所述坩埚内，从所述籽晶夹持部的外周缘向所述坩埚的底壁延伸，其中，所述套管的内侧壁和所述籽晶夹持部共同围成用于生长碳化硅晶体的生长反应腔，所述套管被配置成在晶体生长过程中避免坩埚自身杂质进入所述生长反应腔内。
本实用新型实施例的碳化硅晶体生长装置，在进行碳化硅晶体的生长制备时，能够在坩埚内的底部装盛碳化硅原料；在设置在坩埚顶壁内侧的籽晶夹持部上设置籽晶，在对碳化硅原料加热时，由于原料处温度较高，籽晶处温度较低，套管被配置成从籽晶夹持部的外周缘向坩埚的底壁延伸，因此升华的碳化硅气体会进入由套管和籽晶夹持部共同围成的生长反应腔，直接通向籽晶，在籽晶朝向坩埚的底壁的表面生长碳化硅晶体，从而套管能够将生长反应腔内的气态碳化硅与坩埚的内壁相隔绝，防止坩埚自身的杂质混入生长反应腔内的碳化硅气体中，提高了生长的碳化硅晶体的纯度，进而保证碳化硅晶体的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例碳化硅晶体生长装置的示意图。
图标:1-坩埚；10-锅体；12-锅盖；3-套管；30-锥管段；301-第一端；32-直管段；321-第二端；34-隔板；4-生长反应腔；5-籽晶；7-过滤隔层；70-汇流腔；72-第一过滤板；721-进气面；74-第二过滤板；741-出气面；76-挡板。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
目前主要用物理气相输运法生长碳化硅晶体，物理气相运输法也叫PVT生长法，其利用碳化硅升华，主要包括三个步骤：碳化硅原料的升华；升华后气体的输运；表面反应和结晶。物理气相输运法生长碳化硅晶体的过程是在一个密闭的坩埚中进行的，原料升华后的气体沿着温度梯度从高温区域流向低温区域，并在低温区域反应沉积为碳化硅晶体。
然而，经发明人研究发现，现有技术中坩埚在生长碳化硅晶体的区域附近会产生杂质颗粒，这些杂质颗粒很容易被升华的气流带动至晶体生长表面，从而严重影响生长的碳化硅晶体的性能。
针对上述缺陷，发明人经研究，提供了以下实施例进行改善。
请参考图1，本实用新型实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置，该碳化硅晶体生长装置包括坩埚1、籽晶5夹持部和套管3。籽晶5夹持部设置于所述坩埚1的顶壁内侧，用于设置籽晶5。套管3设置于所述坩埚1内，从所述籽晶5夹持部的外周缘向所述坩埚1的底壁延伸，其中，所述套管3的内侧壁和所述籽晶5夹持部共同围成用于生长碳化硅晶体的生长反应腔4，套管3被配置成在晶体生长过程中避免坩埚1自身杂质进入生长反应腔4内。
本实用新型实施例的碳化硅晶体生长装置，在进行碳化硅晶体的生长制备时，能够在坩埚1内的底部装盛碳化硅原料；在设置在坩埚1顶壁内侧的籽晶5夹持部上设置籽晶5，在对碳化硅原料加热时，由于原料处温度较高，籽晶5处温度较低，套管3从籽晶5夹持部的外周缘向坩埚1的底壁延伸，因此升华的碳化硅气体会进入由套管3和籽晶5夹持部共同围成的生长反应腔4，直接通向籽晶5，在籽晶5朝向坩埚1的底壁的表面生长碳化硅晶体，从而套管3能够将生长反应腔内的气态碳化硅与坩埚1的内壁相隔绝，防止坩埚1自身的杂质混入生长反应腔4内的碳化硅气体中，提高了生长的碳化硅晶体的纯度，进而保证碳化硅晶体的性能。
在本实施例中，坩埚1的材料可以是石墨，厚度为10～20mm，主要包括锅体10和锅盖12两部分，锅体10呈中空的圆柱形，其底端封闭，顶端开口。锅盖12呈圆板形，盖合在锅体10的顶端，从而锅盖12和锅体10围合形成密闭的空间，以在该空间内设置籽晶5、套管3等零部件。
籽晶5夹持部设置在锅盖12的底面的中心位置，从而籽晶5设置在锅盖12的底面的中心位置，籽晶5作为生长碳化硅晶体的种子，为给合成晶体提供一个现成的结晶中心，通常呈薄片状。籽晶5朝向坩埚1的底壁的表面为晶体生长面，即籽晶5朝向锅体10的底壁的表面为晶体生长面，升华的碳化硅气体在籽晶5的晶体生长面沉积结晶，从而生长碳化硅晶体。
碳化硅晶体生长装置还包括过滤隔层7，该过滤隔层7设置于坩埚1内，位于坩埚1的顶壁和底壁之间，被配置成在晶体生长过程中能够供碳化硅气流通过，过滤隔层7与坩埚1的顶壁之间设置有套管3。过滤隔层7和坩埚1的底壁之间被配置成原料装盛腔，从而能够装盛碳化硅原料。
由此，在过滤隔层7和坩埚1的底壁之间的原料装盛腔内装盛有碳化硅原料，对坩埚1加热后，碳化硅原料受热升华的气流先通过过滤隔层7后再流入生长反应腔4，原料碳化形成的碳颗粒随升华气流通过过滤隔层7时会被过滤隔层7拦截，从而这些碳颗粒不会随升华气流进入生长反应腔4内，从而保证生长反应腔4内的升华气流的纯度，进一步提升籽晶5处生长的碳化硅晶体纯度，保证碳化硅晶体的性能。同时，过滤隔层7朝向坩埚1的顶壁的一侧，即过滤隔层7靠近锅盖12的一侧抵持于套管3，从而将套管3撑起。
过滤隔层7朝向坩埚1的顶壁的一侧设置有汇流腔70，即过滤隔层7朝向锅盖12的一侧设置汇流腔70，汇流腔70的开口朝向锅盖12，汇流腔70与套管3的内部连通，即汇流腔70与生长反应腔4相连通，汇流腔70的内侧面为出气面741，过滤隔层7朝向坩埚1的底壁的一侧具有进气面721，进气面721与出气面741呈夹角。由此，升华气流会从进气面721进入，再从相对于进气面721倾斜的出气面741流出，使得升华气流更好的被过滤，最后才流入生长反应腔4内，以在设置于籽晶5夹持部的籽晶5的生长表面生长碳化硅晶体。
具体来说，过滤隔层7包括第一过滤板72、第二过滤板74和挡板76，第一过滤板72和第二过滤板74相层叠，且均呈环状的多孔石墨板；第一过滤板72相对于第二过滤板74靠近坩埚1的底壁，即第一过滤板72相对于第二过滤板74远离锅盖12。第一过滤板72和坩埚1的底壁之间，即与锅体10的底壁之间配置成原料装盛腔，第二过滤板74与坩埚1的顶壁之间，即与锅盖12之间设置套管3。第一过滤板72的孔隙率低于第二过滤板74的孔隙率，例如，第一过滤板72的孔隙率为30～40％。第二过滤板74的孔隙率为50～60％；第一过滤板72的厚度小于第二过滤板74的厚度，例如，第一过滤板72的厚度为1～3mm，第二过滤板74的厚度为3～5mm。从而第一过滤板72对升华气流进行粗过滤，拦截极大部分的碳颗粒，第二过滤板74能够保证升华气流顺畅通过的同时还能对通过第一过滤板72的升华气流进行精过滤，拦截未被第一过滤板72拦截的碳颗粒。其中，所述第一过滤板72设置有第一通孔，所述第二过滤板74设置有与所述第一通孔相连通的第二通孔。挡板76，布设于所述第一通孔，所述挡板76和所述第二通孔的内周面被配置成共同形成所述汇流腔70，所述第一过滤板72朝向所述坩埚1的表面为所述进气面721，所述第二过滤板74的内周面为所述出气面741，从而使得升华气流只能从挡板76周围的环状进气面721进入，并由汇流腔70的内侧面，即第二通孔的内侧面流出。
其中，进气面721围绕于汇流腔70的外周缘。沿着坩埚1的底壁至顶壁的方向，汇流腔70的口径逐渐减小，即汇流腔70的开口端的口径小于汇流腔70的底部的口径，也即沿着坩埚1的底壁至顶壁的方向，第二过滤板74的第二通孔的口径逐渐减小，第二通孔靠近坩埚1的底壁的一端的口径与第一通孔的口径相等，第二通孔靠近坩埚1的顶壁的一端的口径大于其底端的口径，使得汇流腔70呈锥台状，进气面721与出气面741呈钝角。籽晶5夹持部与汇流腔70同轴设置，从而籽晶5的生长表面能够更好地接触升华气流，进而能够更为快速地在籽晶5的生长表面生长碳化硅晶体，提高生产效率。挡板76的厚度为3～5mm，挡板76的材料为金属碳化物，例如碳化钽、碳化铪、碳化铌、碳化钛、碳化锆、碳化钨、碳化钒以及其他金属碳化物的一种或几种，具有密度高且耐高温的特性，有良好的保温作用。
套管3的第一端301围设于籽晶5夹持部的外周缘，从而在籽晶5夹持部设置有籽晶5的情况下，套管3的第一端301的内侧壁能够贴合于籽晶5的外周缘，所述套管3靠近所述坩埚1的底壁的一端的外侧壁，即套管3的第二端321的外侧壁贴合于所述坩埚1的内侧壁。套管3包括相连接的直管段32和锥管段30，且直管段32和椎管段同轴，所述锥管段30背离所述直管段32的一端围设于所述籽晶5夹持部的外周缘，即椎管段背离直管段32的一端即为套管3的第一端301，所述直管段32的外侧壁贴合于所述坩埚1的内侧壁，且被配置成朝向所述坩埚1的底壁延伸，直至该直管段32背离椎管段的一端，即套管3的第二端321接触过滤隔层7。其中，籽晶5夹持部、锥管段30的内侧壁和直管段32的内侧壁共同围成生长反应腔。沿所述坩埚1的底壁至顶壁的方向，所述锥管段30的口径逐渐减小，即锥管段30呈空心的锤台状；套管3的厚度为3mm；套管3的材料为金属碳化物，例如括碳化钽、碳化铪、碳化铌、碳化钛、碳化锆、碳化钨、碳化钒以及其他金属碳化物的一种或几种，具有密度高且耐高温的特性，有良好的保温作用。
所述套管3和所述过滤隔层7之间设置有隔板34，即该隔板34位于过滤隔层7朝向坩埚1的顶壁的表面与套管3朝向坩埚1的底壁的一端之间，并且，该隔板34围绕于汇流腔70的外周缘，具体来说，所述隔板34设置有于汇流腔70同轴设置的第三通孔，即该第三通孔与第一通孔和第二通孔以及籽晶5夹持部均同轴。所述套管3的内部和所述汇流腔70通过所述第三通孔连通，即第二通孔、第三通孔和套管3的内部依次连通，从而隔板34使得升华气流不能从第二过滤板74朝向坩埚1的顶壁的表面流出，只能够从第二通孔的内侧面流出。隔板34的材料为金属碳化物，例如括碳化钽、碳化铪、碳化铌、碳化钛、碳化锆、碳化钨、碳化钒以及其他金属碳化物的一种或几种，具有密度高且耐高温的特性，有良好的保温作用。该隔板34与套管3一体式连接，具体的，套管3背离坩埚1的顶壁的一端，即直管段32背离椎管段的一端的内壁与该隔板34的外壁一体式连接，即一体成型，从而该隔板34的厚度液位3mm，隔板34在重力作用下贴合于过滤隔层7，隔板34的第三通孔的口径小于或等于汇流腔70的开口端的口径，即第三通孔的口径小于第二通孔靠近坩埚1顶壁的一端的口径，从而进一步保证升华气流不会从过滤隔层7朝向籽晶5的表面流出，迫使升华气流只能从过滤隔层7中部的汇流腔70的内壁流出；同时增大套管3与过滤隔层7(第二过滤板74)的接触面积，从而过滤隔层7能够更好地支撑套管3。
当然，在其他实施例中，隔板34也可以作为一个与套管3分离的单独零部件存在，隔板34朝向坩埚1顶壁的表面贴合于套管3的朝向坩埚1底壁的一端，隔板34的下表面贴合于过滤隔层7(第二过滤板74)朝向坩埚1顶壁的表面，也能够实现相应的技术效果。另外，也可以不设置隔板34，直接在过滤隔层7朝向籽晶夹持部的表面(即第二过滤板74朝向籽晶夹持部的表面)涂覆金属碳化物涂层，也能够起到迫使碳化硅气流从第二通孔的内周面溢出的效果。
本实施例的碳化硅晶体生长装置中碳化硅晶体的工作原理如下：
首先在锅体10中装盛碳化硅原料，依次安装第一过滤板72、第二过滤板74、挡板76及一体成型的隔板34和套管3，将设置有籽晶5的锅盖12盖合在锅体10上。接着对坩埚1内的空间进行抽真空处理，使得坩埚1内的空间压力在5×10-2mpar以下。然后向坩埚1内冲入氩气使得坩埚1内的空间压力在600～800mbar。利用加热源(如水冷式感应线圈通电)加热坩埚1，同时通入200～800sccm的惰性气体，加热到2000～2300℃。维持温度1～5h后，停止通入氩气，并调节充入坩埚1内的氩气流量控制压力在5～100mbar，温度继续加热到2050～2250℃。此时，碳化硅原料开始升华变成碳化硅气体，由于坩埚1内设置籽晶5的区域温度较原料区域低，因此碳化硅气体会沿着温度梯度从高温区域流向低温区域，以在籽晶5的生长表面上沉积结晶；其中，在升华的碳化硅气体接触籽晶5前，由于挡板76设置在第一过滤板72的内孔中，气体被挡板76所阻隔，只能从第一过滤板72的环形下表面(进气面721)进入，穿过第一过滤板72后进入第二过滤板74，并由第二过滤板74的第二通孔的侧壁(出气面741)流出，然后流入套管3中，最后才接触籽晶5的生长表面，第一过滤板72和第二过滤板74能够拦截碳化硅原料形成的碳颗粒等杂质，套管3能够避免坩埚1的上部侧壁与升华的碳化硅气体直接接触，因此，利用本实施例的碳化硅晶体生长装置生长的碳化硅晶体的纯度高，以保证碳化硅晶体的性能。
综上，本实用新型实施例的碳化硅晶体生长装置，在进行碳化硅晶体的生长制备时，能够在坩埚1内的底部装盛碳化硅原料；在设置在坩埚1顶壁内侧的籽晶5夹持部上设置籽晶5，在对碳化硅原料加热时，由于原料处温度较高，籽晶5处温度较低，套管3被配置成从籽晶5夹持部的外周缘向坩埚1的底壁延伸，因此升华的碳化硅气体会进入由套管3和籽晶5夹持部共同围成的生长反应腔4，直接通向籽晶5，在籽晶5朝向坩埚1的底壁的表面生长碳化硅晶体，从而套管3能够将生长反应腔内的气态碳化硅与坩埚1的内壁相隔绝，防止坩埚1自身的杂质混入生长反应腔4内的碳化硅气体中，提高了生长的碳化硅晶体的纯度，进而保证碳化硅晶体的性能。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括：
坩埚；
籽晶夹持部，设置于所述坩埚的顶壁内侧，用于设置籽晶；
套管，设置于所述坩埚内，从所述籽晶夹持部的外周缘向所述坩埚的底壁延伸，其中，所述套管的内侧壁和所述籽晶夹持部共同围成用于生长碳化硅晶体的生长反应腔，所述套管被配置成在晶体生长过程中避免所述坩埚的自身杂质进入所述生长反应腔内。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述套管靠近所述坩埚的底壁的一端的外侧壁贴合于所述坩埚的内侧壁。
3.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述套管的材料为金属碳化物。
4.根据权利要求3所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述金属碳化物为碳化钽和碳化铌中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述套管包括相连接的直管段和锥管段，所述锥管段背离所述直管段的一端围设于所述籽晶夹持部的外周缘，所述直管段的外侧壁贴合于所述坩埚的内侧壁，且被配置成朝向所述坩埚的底壁延伸，其中，沿所述坩埚的底壁至顶壁的方向，所述锥管段的口径逐渐减小；所述籽晶夹持部、所述锥管段的内侧壁和所述直管段的内侧壁共同围成所述生长反应腔。
6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述碳化硅晶体生长装置还包括：
过滤隔层，被配置成在晶体生长过程中能够供气流通过，设置于所述坩埚内，位于所述坩埚的顶壁和底壁之间，所述过滤隔层与所述坩埚的顶壁之间设置有所述套管；所述过滤隔层和所述坩埚的底壁之间被配置成原料装盛腔。
7.根据权利要求6所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述过滤隔层朝向所述坩埚的顶壁的一侧设置有汇流腔，所述汇流腔与所述生长反应腔相连通，所述汇流腔的内侧面为出气面，所述过滤隔层朝向所述坩埚的底壁的一侧具有进气面，所述进气面与所述出气面呈夹角。
8.根据权利要求7所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述过滤隔层包括：
相层叠的第一过滤板和第二过滤板，所述第一过滤板相对于所述第二过滤板靠近所述坩埚的底壁，所述第一过滤板和所述坩埚的底壁之间被配置成所述原料装盛腔，所述第二过滤板和所述坩埚的顶壁之间设置有所述套管；且所述第一过滤板的孔隙率低于所述第二过滤板的孔隙率；
其中，所述第一过滤板设置有第一通孔，所述第二过滤板设置有与所述第一通孔相连通的第二通孔；
挡板，布设于所述第一通孔，所述挡板和所述第二通孔被配置成共同形成所述汇流腔，所述第一过滤板朝向所述坩埚的表面为所述进气面，所述第二通孔的内周面为所述出气面。
9.根据权利要求8所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述挡板的材料为碳化钽和碳化铌中的至少一种；和/或，
所述第一过滤板和所述第二过滤板均为多孔石墨板；和/或，
所述第一过滤板的孔隙率为30～40％；和/或，
所述第二过滤板的孔隙率为50～60％；和/或，
沿着所述坩埚的底壁至顶壁的方向，所述汇流腔的口径逐渐减小，所述进气面与所述出气面呈钝角。
10.根据权利要求6-8任一项所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述套管和所述过滤隔层之间设置有隔板，其中，所述隔板的材料为碳化钽和碳化铌中的至少一种。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114645317A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-06-21 | 国宏中宇科技发展有限公司 | 晶体制备装置和碳化硅晶体制备方法 |
| CN115852491A (zh) * | 2023-03-03 | 2023-03-28 | 西北电子装备技术研究所(中国电子科技集团公司第二研究所) | 减少碳化硅晶体缺陷的坩埚结构及碳化硅单晶制备方法 |
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2021
- 2021-08-12 CN CN202121880828.2U patent/CN215593238U/zh active Active
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