CN215668293U - 一种碳化硅晶体生长装置及碳化硅晶体生长设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种碳化硅晶体生长装置及碳化硅晶体生长设备，属于碳化硅籽晶生长技术领域。该碳化硅晶体生长装置包括坩埚载具以及坩埚盖，坩埚载具设有用于装载碳化硅原料的装载部，坩埚盖设有用于固定碳化硅籽晶的固定部，坩埚盖沿高度方向可移动地套装在坩埚载具上，以使装载部与固定部之间的距离可调。该碳化硅晶体生长装置能够增加碳化硅晶体的生长高度。

Description

一种碳化硅晶体生长装置及碳化硅晶体生长设备

技术领域

本实用新型涉及碳化硅籽晶生长领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长装置及碳化硅晶体生长设备。

背景技术

碳化硅单晶材料因其自身宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，其制成的半导体器件能够满足对当今对高功率和强辐射器件的需求，是制备高温、高频、高功率和抗辐射器件的理想衬底材料，并在混合动力汽车、高压输电、LED照明和航天航空等领域崭露头角，而生长高质量的SiC晶体则是实现这些SiC基器件的优异性能的基础。目前碳化硅单晶的方法主要有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相外延法等。

现有技术中，由于技术受限，导致碳化硅晶体的生长高度受限。

鉴于此，特提出本申请。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种碳化硅晶体生长装置，其能够增加碳化硅晶体的生长高度。

本实用新型的目的之二在于提供一种含有上述碳化硅晶体生长装置的碳化硅晶体生长设备。

本实用新型可这样实现：

第一方面，本实用新型提供一种碳化硅晶体生长装置，包括坩埚载具以及坩埚盖。

坩埚载具设有用于装载碳化硅原料的装载部。

坩埚盖设有用于固定碳化硅籽晶的固定部，坩埚盖沿高度方向可移动地套设于坩埚载具上，以使装载部与固定部之间的距离可调。

在可选的实施方式中，坩埚载具包括料筒，料筒的内部形成装载部，料筒的开口朝上。

在可选的实施方式中，坩埚载具还包括第一外保温毡，第一外保温毡设置于料筒的下方并与料筒的底壁固定连接。

在可选的实施方式中，坩埚载具还包括支架，支架位于第一外保温毡的下方并与第一外保温毡固定连接。

在可选的实施方式中，坩埚盖包括生长桶以及籽晶板，生长桶套设于料筒的上部且开口朝下，籽晶板横向设置于料筒内且与生长桶的内壁连接，籽晶板的下侧形成固定部。

在可选的实施方式中，坩埚盖还包括石墨外筒，石墨外筒沿高度方向可移动地套设于坩埚载具的外壁，且石墨外筒的顶部固定连接于生长桶的开口侧。

在可选的实施方式中，坩埚盖还包括呈桶状的第二外保温毡，第二外保温毡的开口朝下，第二外保温毡套设于生长桶以及石墨外筒外。

在可选的实施方式中，坩埚盖还包括石墨拉杆，石墨拉杆的一端穿过第二外保温毡并与生长桶固定连接。

在可选的实施方式中，坩埚盖还包括环状的保温毡托，保温毡托固定于第二外保温毡的底部并与石墨外筒的远离生长桶的一端连接。

第二方面，本实用新型提供一种碳化硅晶体生长设备，包括加热装置以及前述实施方式任一项的碳化硅晶体生长装置。

加热装置用于对碳化硅晶体生长装置进行加热。

本实用新型实施例的有益效果包括：

该坩埚载具的装载部可以装载碳化硅原料，同时，坩埚盖的固定部可以固定碳化硅籽晶，在两者装配到位后，在碳化硅晶体生长装置的外部加热，可以实现碳化硅的生长，生长一段时间后，可以操作坩埚盖，使其相对于坩埚载具沿高度方向移动，最终可以实现装载部和固定部之间的距离改变，通过增加两者之间的距离可以实现增加碳化硅晶体的生长高度。

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为本实施例提供的碳化硅晶体生长装置的分解示意图；

图2为本实施例提供的碳化硅晶体生长装置由第一状态切换至第二状态的示意图；

图3为本实施例提供的碳化硅晶体生长装置由第一状态切换至第二状态以及切换至第三状态的示意图。

图标：100-碳化硅晶体生长装置；10-坩埚载具；11-料筒；110-装载部；12-第一外保温毡；13-支架；20-坩埚盖；21-生长桶；22-籽晶板；220-固定部；23-石墨外筒；24-第二外保温毡；25-石墨拉杆；26-保温毡托；200-碳化硅原料；300-碳化硅籽晶；400-碳化硅晶体。

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“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“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“竖直”等术语并不表示要求部件绝对悬垂，而是可以稍微倾斜。如“竖直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加竖直，并不是表示该结构一定要完全竖直，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”、“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。

实施例

目前碳化硅单晶的方法主要有物理气相沉积法(PVD)、高温化学气相沉积法、液相外延法等。物理气相沉积法是发展最成熟的，这种方法被世界上绝大多数研究机构和公司所采用。物理气相沉积法采用中频感应加热，高密度石墨坩埚作为发热体。SiC粉料放置在石墨坩埚底部，SiC籽晶处于石墨坩埚顶部，生长4H-SiC普遍采用C面作为生长面进行晶体生长。通过调节坩埚外部的保温层使得SiC原料区处温度较高，而顶部坩埚盖籽晶处温度较低。然后必须在2100℃以上温度与低压环境下将碳化硅粉末直接升华成Si、Si₂C、SiC₂等气体，并沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶处沉积结晶成碳化硅单晶，对于底部碳化硅原料需要达到其升华温度，使碳化硅原料升华到顶部；对于坩埚顶部的碳化硅籽晶位置也需要一定的温度保障，使在生长过程中可以保证碳化硅晶体的生长质量。

在热量分布上，碳化硅原料部分温度偏高，籽晶位置温度偏低，因为两个位置均有温度的限制，为保证碳化硅原料与籽晶位置的温度，两个位置的距离便受到了一定的限制。

如果设计原料与籽晶的距离太大，两个位置的温度差将变化很大，在生长过程中也很难能保证生长的碳化硅晶体质量。如果设计原料与籽晶的距离太小，在生长碳化硅晶体时，当随着碳化硅晶体生长高度的变化，碳化硅生长界面的温度将变的很不稳定。这种因为碳化硅原料与籽晶之间距离的限制会导致晶体高度不能生长太高，随着晶体生长高度的增加，碳化硅原料与生长界面的距离在变小，碳化硅晶体生长界面的温度随着生长在不断的变化，同样也很难保证晶体生长的质量。

由于技术受限，导致碳化硅晶体的生长高度受限。请参考图1至图3，本实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置100及碳化硅晶体生长设备，采用可伸缩式的碳化硅晶体生长装置100，可以增加碳化硅晶体400的生长高度，因此，可以有效改善上述提到的技术问题。

具体地，以下将对本实施例提供的碳化硅晶体生长装置100及碳化硅晶体生长设备进行详细介绍。

本实施例提供的碳化硅晶体生长设备包括加热装置(图未示)以及碳化硅晶体生长装置100，该加热装置用于对碳化硅晶体生长装置100进行加热。该加热装置可以为感应线圈，其可绕设在碳化硅晶体生长装置100的外周以对碳化硅晶体生长装置100外周进行加热，使得碳化硅晶体生长装置100的内部达到预设的温度。

现有技术中，碳化硅晶体生长装置由顶部的坩埚盖以及底部的坩埚载具固定而成，整体表现为一个相对固定的结构。该结构限定了碳化硅原料与籽晶之间的距离。但在碳化硅晶体生长的过程中，碳化硅原料与籽晶生长界面之间的距离在不断缩短，坩埚内的空间在不停的变化，从而造成晶体生长界面的温度也是随着生长过程在不断的变化。变化的热场对碳化硅晶体生长造成了不稳定的生长环境，通过生长工艺调整很难达到稳定的生长状态。

结合图2和图3，本实施例中将碳化硅晶体生长装置100整体分为两部分，一部分为固定部分，一部分为可移动部分。

固定部分主要是装有碳化硅原料200的坩埚载具10，移动部分主要是固定有碳化硅籽晶300的坩埚盖20。相对固定的坩埚载具10可以保证碳化硅原料200在加热的温场中不随意变动，保证了碳化硅原料200的温度的稳定性。移动的坩埚盖20，随着晶体的生长可以向上缓慢提拉，来保证碳化硅晶体400生长界面一直控制在与碳化硅原料200界面相对固定的距离，在碳化硅原料200充足的情况下可以增加碳化硅晶体400的生长高度，可以保证碳化硅晶体400生长界面的温度不随意变化，减少碳化硅晶体400内部的生长缺陷。碳化硅晶体生长装置100的上述设计保证了碳化硅晶体400在生长过程中有一个稳定的温度环境以及一个不随碳化硅晶体400生长变化而又相对固定的生长空间。

具体地，本实施例提供的碳化硅晶体生长装置100包括坩埚载具10及坩埚盖20。

坩埚载具10设有用于装载碳化硅原料200的装载部110。

坩埚盖20设有用于固定碳化硅籽晶300的固定部220，坩埚盖20沿高度方向可移动地套设于坩埚载具10外，以使装载部110与固定部220之间的距离可调。

该坩埚载具10的装载部110可以装载碳化硅原料200，同时，坩埚盖20的固定部220可以固定碳化硅籽晶300，在两者装配到位后，在碳化硅晶体生长装置100的外部加热，可以实现碳化硅晶体400的生长，生长一段时间后，可以操作坩埚盖20，使其相对于坩埚载具10沿高度方向移动，最终可以实现装载部110和固定部220之间的距离改变，通过增加两者之间的距离，最后可以实现增加碳化硅晶体400的生长高度。

本实施例中，具体地，通过可滑动的方式来实现装载部110和固定部220之间的距离可调。例如，图2中示出了碳化硅晶体生长装置100处于第一状态以及第二状态下的示意图，以左侧的碳化硅晶体生长装置100为例，当坩埚载具10保持不动，并以左侧图中竖直向上的箭头所指的方向移动坩埚盖20，则可以得到图2中右侧的图。其它实施例中，也可以采用其它方式来实现，以保证生长界面及原料界面温度。例如，螺纹配合的方式，通过旋转实现坩埚盖20的上下移动。

具体地，本实施例中，坩埚载具10包括依次设置的料筒11、第一外保温毡12以及支架13。料筒11的内部形成装载部110，料筒11的开口朝上。第一外保温毡12设置于料筒11的下方并与料筒11的底壁固定连接。支架13位于第一外保温毡12的下方并与第一外保温毡12固定连接。

较佳地，料筒11、第一外保温毡12以及与支架13均固定连接。料筒11、第一外保温毡12以及支架13作为整体保持不动，一般地，可以将支架13固定安装至地面上，或某个平台上，以实现坩埚载具10的整体不动。

本实施例中，坩埚盖20包括生长桶21、籽晶板22、石墨外筒23、石墨拉杆25、呈桶状的第二外保温毡24以及环状的保温毡托26。

生长桶21套设于料筒11的上部且开口朝下，籽晶板22横向设置于料筒11内且与生长桶21的内壁连接，籽晶板22的下侧形成固定部220。石墨外筒23沿高度方向可移动地套设于坩埚载具10的外壁且石墨外筒23的顶部固定连接于生长桶21的开口侧。第二外保温毡24的开口朝下，第二外保温毡24套设于在生长桶21以及石墨外筒23外。石墨拉杆25的一端穿过第二外保温毡24并与生长桶21固定连接。保温毡托26固定于第二外保温毡24的底部并与石墨外筒23的远离生长桶21的一端连接。

具体地，本实施例中，生长桶21与石墨外筒23采用卡接的方式实现固定，同时，保温毡托26也采用卡接的方式与第二外保温毡24固定。

结合图3，碳化硅原料200(粉状)装在料筒11中，碳化硅籽晶300粘贴在籽晶板22上。石墨拉杆25、第二外保温毡24、籽晶板22以及生长桶21固定在一起。这样保证了当石墨拉杆25进行上提拉的时候可以带动第二外保温毡24、籽晶板22以及生长桶21共同向上运动。料筒、第一外保温毡12和支架13连接在一起，确保石墨拉杆25上提拉的过程时，料筒、第二外保温毡24和支架13保持原位置不动。

图3示出了碳化硅晶体生长装置100的三个状态，碳化硅晶体生长装置100的三个状态以上侧图、中间图以及下侧图示出。

其中，上侧图的碳化硅晶体生长装置100中，碳化硅晶体400还未进行生长，经过一段时间后，通过石墨拉杆25向上(上侧图中箭头所指方向)提拉整个坩埚盖20，可以呈现图3中的中间图。

中间图的碳化硅晶体生长装置100中，随着碳化硅晶体400生长，石墨拉杆25将带动籽晶板22及生长桶21缓慢上移，由此可以保证在碳化硅晶体400生长高度增加时，碳化硅晶体400生长界面和碳化硅原料200上表面的距离保持一致。这样保证了料面温度及生长面温度在整个生长过程中的温度差一致，保证了碳化硅晶体400生长质量的稳定性。

在中间图的碳化硅晶体生长装置100的基础上，继续向上拉动石墨拉杆25，可以呈现图3中的下侧图。这样会一直保证碳化硅晶体400生长界面与碳化硅原料200之间的距离不变。不会因为碳化硅晶体400生长过高而使新生长出来的碳化硅晶体400挤占了碳化硅原料200与碳化硅晶体400之间的空间。采用本实施例的碳化硅晶体生长装置100，可以在碳化硅原料200供应足够的前提下，生长出更长的碳化硅晶体400。碳化硅晶体400生长过程中所用的各种石墨耗材及保温材料均具有一定的使用寿命。如果能单次增加碳化硅晶体400的生长高度，就等同于降低了耗材成本。

本实施例提供的碳化硅晶体生长装置100至少具有以下优点：

1、通过坩埚盖20和坩埚载具10的可移动方式，在生长过程中料筒11的位置不变，保证了在生长过程中碳化硅原料200位置的温度。

2、在生长过程中随着碳化硅晶体400生长高度的变化，通过提高籽晶板22的高度，料筒11的位置不动，来保证碳化硅晶体400生长界面与碳化硅原料200之间的距离。既保证了碳化硅晶体400生长界面的温度恒定，又为后续生长碳化硅晶体400提供了生长空间。

3、生长4英寸碳化硅晶体400，采用此种方式。由于晶体生长界面温度比较稳定，生长出来的4英寸碳化硅晶体400，晶体无包裹物缺陷。生长界面的温度稳定，也杜绝了相变的产生。

4、生长6英寸碳化硅晶体400，采用此种方式。在降低晶体包裹物及相变的同时，增加了晶体的生长厚度，晶体生长有效厚度可达到40mm。

综上所述，本实用新型实施例提供的碳化硅晶体生长装置100中坩埚载具10的装载部110可以装载碳化硅原料200，同时，坩埚盖20的固定部220可以固定碳化硅籽晶300，在两者装配到位后，在碳化硅晶体生长装置100的外部加热，可以实现碳化硅晶体400的生长，生长一段时间后，可以操作坩埚盖20，使其相对于坩埚载具10沿高度方向移动，最终可以实现装载部110和固定部220之间的距离改变，一般地，通过增加两者之间的距离，最后，可以实现增加碳化硅晶体400的生长高度。包括该碳化硅晶体生长装置100的碳化硅生长设备具有该碳化硅晶体生长装置100的全部功能。

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 (9)

1.一种碳化硅晶体生长设备，其特征在于，包括碳化硅晶体生长装置以及固定设置的加热装置；

所述碳化硅晶体生长装置包括固定设置的坩埚载具以及移动设置的坩埚盖；

所述坩埚载具设有用于装载碳化硅原料的装载部；

所述坩埚盖设有用于固定碳化硅籽晶的固定部，所述坩埚盖沿高度方向可移动地套设于所述坩埚载具外，以使所述装载部与所述固定部之间的距离可调；

所述加热装置用于对所述碳化硅晶体生长装置进行加热。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚载具包括料筒，所述料筒的内部形成所述装载部，所述料筒的开口朝上。

3.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚载具还包括第一外保温毡，所述第一外保温毡设置于所述料筒的下方并与所述料筒的底壁固定连接。

4.根据权利要求3所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚载具还包括支架，所述支架位于所述第一外保温毡的下方并与所述第一外保温毡固定连接。

5.根据权利要求2-4任一项所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚盖包括生长桶以及籽晶板，所述生长桶套设于所述料筒的上部且开口朝下，所述籽晶板横向设置于所述料筒内且与所述生长桶的内壁连接，所述籽晶板的下侧形成所述固定部。

6.根据权利要求5所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚盖还包括石墨外筒，所述石墨外筒沿高度方向可移动地套设于所述坩埚载具的外壁，且所述石墨外筒的顶部固定连接于所述生长桶的开口侧。

7.根据权利要求6所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚盖还包括呈桶状的第二外保温毡，所述第二外保温毡的开口朝下，所述第二外保温毡套设于所述生长桶以及所述石墨外筒外。

8.根据权利要求7所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚盖还包括石墨拉杆，所述石墨拉杆的一端穿过所述第二外保温毡并与所述生长桶固定连接。

9.根据权利要求7所述的碳化硅晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚盖还包括环状的保温毡托，所述保温毡托固定于所述第二外保温毡的底部并与所述石墨外筒的远离所述生长桶的一端连接。

Images