CN218175201U - 一种用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，属于碳化硅单晶生长技术领域，包括坩埚、碳化硅籽晶部和用于加热所述坩埚的加热装置；所述碳化硅籽晶部设置于所述坩埚的内腔上部，所述坩埚的内腔下部填充有碳化硅粉料，所述碳化硅籽晶部与所述碳化硅粉料之间具有生长空腔；所述碳化硅籽晶部的生长面朝向所述生长空腔底部，非生长面朝向所述坩埚的坩埚盖，且所述坩埚盖与所述非生长面之间存在间隔。本实用新型提供的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，将籽晶搭接在籽晶支撑部上，且籽晶与坩埚盖无接触，采用热辐射的方式传热，籽晶的径向温度梯度更小，从而改善了晶体生长质量。

Description

一种用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅单晶生长技术领域，特别是涉及一种碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置。

背景技术

碳化硅晶体作为第三代宽禁带半导体材料的重要成员，具有宽带隙、高击穿电场、高热导率、高电子饱和迁移速率和高抗辐射能力，更适合制造高温、高频、大功率和抗辐射器件，在射频通信、卫星雷达、汽车电子、工业电力电子等邻域具有广阔的应用前景。

经过多年的研究,采用物理气相输运法(亦称为“PVT”法)生长晶体的技术日趋成熟。生长碳化硅晶体通常使用石墨坩埚,将碳化硅粉料置于生长室下部,籽晶固定在生长室顶部的石墨盖。通过控制生长室的温度和压力条件,使碳化硅粉料从坩埚下部升华，上升至籽晶上进行结晶生长,最终获得碳化硅单晶。该生长系统中籽晶需采用搭接或粘接的方法固定在生长坩埚上部的坩埚盖上,传统的籽晶化学粘接方法,使粘结剂在籽晶背面和石墨盖上均匀涂刷,使两者紧密粘接。由于粘结剂对籽晶背面有破坏作用,最终增加晶体的缺陷密度,粘接剂的固化与碳化会在粘结层形成气孔,籽晶背面没有气孔处和有气孔处的导热性不同,导致籽晶背面发生背向分解﹐致使生长的碳化硅晶体六方空洞缺陷密度增加,由于籽晶粘接面附近区域的热应力会很大,这将会使晶体在生长过程中产生大量的位错缺陷,并且使用该粘结方式,使用全石墨盖粘结，晶体生长完成后﹐需要对石墨盖进行刮除粘结剂，导致石墨盖损伤，无法重复使用，增加生产成本。而传统籽晶搭接方式，由于籽晶背部与坩埚盖无接触，籽晶容易背向升华，也会导致晶体在生长过程中产生大量位错缺陷。籽晶支撑处，与导向环上端接触，无法长晶，中部悬空处晶体生长后，重量增加，籽晶支撑部容易因应力过大，造成断裂，影响碳化硅单晶生长。因此找到更好的籽晶固定方法对生长高质量碳化硅晶体十分重要。

为解决上述问题，专利CN215593238U公开了一种碳化硅晶体生长装置，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，然而，该专利中坩埚与籽晶直接接触进行热传导，导致碳化硅籽晶的径向温度梯度变大，影响晶体生长；专利CN111411395A公开了一种碳化硅晶体生长用石墨坩埚装置及其单晶生长方法，通过改变石墨坩埚盖的结构，将石墨坩埚盖改成两段式结构，进而将籽晶固定方式由传统的胶粘方式变成机械固定方式，籽晶背面镀上碳膜，通过两段式石墨坩埚盖旋紧固定，籽晶和石墨坩埚盖上层之间根据厚度差可以放入保温石墨毡，然而，该专利中籽晶与保温石墨毡紧密接触，通过直接接触的方式对籽晶进行热传导，仍会导致碳化硅籽晶的径向温度梯度变大，影响晶体生长。

发明内容

本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，将籽晶搭接在籽晶支撑部上，且籽晶与坩埚盖无接触，采用热辐射的方式传热，籽晶的径向温度梯度更小，从而改善了晶体生长质量。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，包括坩埚、碳化硅籽晶部和用于加热所述坩埚的加热装置；所述碳化硅籽晶部设置于所述坩埚的内腔上部，所述坩埚的内腔下部填充有碳化硅粉料，所述碳化硅籽晶部与所述碳化硅粉料之间具有生长空腔；所述碳化硅籽晶部的生长面朝向所述生长空腔底部，非生长面朝向所述坩埚的坩埚盖，且所述坩埚盖与所述非生长面之间存在间隔。

优选地，所述碳化硅籽晶部通过籽晶支撑部与所述坩埚的内腔上部相连接，所述籽晶支撑部的顶端开设有阶梯状存放槽，所述碳化硅籽晶部置于所述阶梯状存放槽内，所述碳化硅籽晶部的边缘与所述阶梯状存放槽的内壁之间存在间隔。

优选地，所述阶梯状存放槽的支撑台阶设置为切削斜台。

优选地，所述生长空腔的内壁为环形导向内壁。

优选地，所述环形导向内壁与所述碳化硅籽晶部生长面的角度呈90°。

优选地，所述环形导向内壁为上细下粗的扩径内壁，所述环形导向内壁与所述碳化硅籽晶部生长面之间的角度小于90°，大于60°。

优选地，所述加热装置为绕设于所述坩埚外的感应加热线圈。

优选地，所述感应加热线圈与所述坩埚之间设有双层石英管，所述双层石英管形成密闭空间包围所述坩埚，所述双层石英管内通有循环冷却水。

优选地，所述碳化硅籽晶部的生长面背面涂有一层致密碳膜，所述致密碳膜与所述碳化硅籽晶部间隔设置。

优选地，所述坩埚与所述坩埚盖均由石墨材料制成。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本实用新型中，将籽晶搭接在籽晶支撑部上，且籽晶与坩埚盖间隔设置，与传统用粘接剂将碳化硅籽晶粘接在石墨盖底部不同，能够避免碳化硅籽晶和坩埚盖直接接触，消除籽晶粘接应力，防止粘接剂中残留杂质或气泡，使得生长出的碳化硅单晶晶体缺陷密度降低,改善了晶体质量,并且晶体更容易与坩埚盖分离，能够延长坩埚盖的使用寿命，并且，籽晶与坩埚盖缝隙的存在，使得坩埚盖与籽晶的传热方式为辐射传热，传热均匀，且碳化硅籽晶的径向温度梯度远小于传统粘接籽晶和传统的搭接籽晶。

2、本实用新型中阶梯状存放槽的支撑台阶设置为切削斜台，能够在晶体生长后加固籽晶支撑处，防止籽晶支撑部因应力过大而断裂。

3、本实用新型中碳化硅籽晶部非生长面涂有一层致密碳膜，能够防止碳化硅籽晶部背向升华。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置的结构示意图；

图2为用于碳化硅单晶生长环形扩径导向的籽晶搭接装置的结构示意图；

附图标记说明：1、坩埚盖；2、坩埚盖延伸台；3、碳化硅籽晶部；4、致密碳膜；5、籽晶支撑部；6、切削斜台；7、坩埚；8、碳化硅粉料；9、生长空腔；10、双层石英管；11、循环冷却水；12、感应加热线圈；100、碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置；200、碳化硅单晶生长环形扩径导向的籽晶搭接装置。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实施例提供一种用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，如图1和图2所示，碳化硅籽晶部3设置于坩埚7的内腔上部，坩埚7的内腔下部填充有碳化硅粉料8，碳化硅籽晶部3与碳化硅粉料8之间具有生长空腔9；碳化硅籽晶部的生长面朝向生长空腔9底部，经过非生长面朝向坩埚7的坩埚盖1，坩埚盖1与非生长面之间存在间隔，受加热装置加热的碳化硅粉料8升华，在碳化硅籽晶部3处结晶，并在生长空腔9内生长。

优选地，坩埚盖1设置于坩埚7顶部，坩埚盖1下面延伸出坩埚盖延伸台2，坩埚盖1与坩埚盖延伸台2为一体设置，坩埚7内壁径向延伸设置有环形的内壁台阶，籽晶支撑部5设置为环形，底端支撑于坩埚7的内壁台阶上，籽晶支撑部5的顶端开设有阶梯状存放槽，碳化硅籽晶部3置于阶梯状存放槽内，阶梯的深度为0.4-0.5毫米。

优选地，籽晶支撑部5顶端的阶梯由上到下分别为第一阶梯面和第二阶梯面，第一阶梯面与坩埚盖延伸台2抵接并且紧密配合，具有碳极性的碳化硅籽晶部3水平搭接在第二阶梯面上，碳化硅籽晶部3的厚度为350微米，碳化硅籽晶部3、籽晶支撑部5、坩埚7共同围成生长空腔9，生长空腔9的底部盛放碳化硅粉料8，碳化硅籽晶部3生长面朝向生长空腔9底部，生长面背面朝向坩埚盖延伸台2。

本实施例中，如图1和图2所示，坩埚7和坩埚盖1均由石墨材料制成，使用的石墨材料需具有高致密度性，即使用孔隙率低的石墨做机械处理，可以获得表面平整度极高的坩埚结构，尤其坩埚盖1的坩埚盖延伸台2面和籽晶支撑部5上端第一阶梯面，表面平整度要求极高。

本实施例中，如图1和图2所示，碳化硅籽晶部3生长面背面涂有一层致密碳膜4，防止碳化硅籽晶部3背向升华，致密碳膜4在真空下经高温固化与碳化制成，碳膜厚度为30-50微米。

本实施例中，如图1和图2所示，致密碳膜4与坩埚盖延伸台2间隔设置，留有20微米的缝隙；因缝隙的存在，坩埚盖1与碳化硅籽晶部3的传递热量方式为辐射传热，传热均匀，使得碳化硅籽晶部3的径向温度梯度减小，碳化硅籽晶部3的径向温度梯度约为0.8℃/cm，传统粘接籽晶的径向温度梯度约为1.5℃/cm，通过减小径向温度梯度，降低晶体生长中的内应力。

本实施例中，如图1和图2所示，碳化硅籽晶部3边缘与籽晶支撑部5的侧壁设置0.25毫米缝隙，用于籽晶扩张。

本实施例中，如图1和图2所示，籽晶支撑部5上的第二阶梯面的边缘，支撑碳化硅籽晶部3处切削出切削斜台6，切削斜台6角度为45°-50°，长度为0.5毫米-1.0毫米，用于在晶体生长后加固籽晶支撑处，防止籽晶支撑部因应力过大而断裂。

本实施例中，如图1所示，碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置100中，籽晶支撑部5的内壁为环形导向内壁，用于供碳化硅单晶部3按照环形内壁的形状生长。

进一步，如图2所示，碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置还可以为碳化硅单晶生长环形扩径导向的籽晶搭接装置200，籽晶支撑部5的内壁为扩径内壁，与水平放置的碳化硅籽晶部3呈60°-90°的角度，以达到籽晶扩径作用，以生长大尺寸碳化硅单晶。

本实施例中，如图1和图2所示，感应加热线圈12绕设于坩埚7外，感应加热线圈12用于对坩埚7和坩埚盖1进行加热，从而使生长空腔9内的碳化硅粉料8在高温条件下升华。双层石英管10设置于感应加热线圈12和坩埚7之间，石英管10用于放置坩埚7，形成密闭空间，利于真空实验，双层石英管10内通有循环冷却水11，感应加热线圈12通过电磁感应加热的方式对坩埚7和坩埚盖1进行加热，加热效率高，加热效果好。

本实施例中，如图1和图2所示，坩埚7内充满氩气和氮气混合气体，比例为150：5。

本实施例中，如图1和图2所示，碳化硅籽晶部3背表面加热到2000℃至2300℃，碳化硅粉料8加热到2100℃至2400℃。

本实施例中，如图1和图2所示，碳化硅晶体部3长晶速率在0.15-0.3毫米/小时的范围内。

在碳化硅单晶的生长过程中，首先将碳化硅粉料8倒入坩埚7底部，再将籽晶支撑部5放入坩埚7内，以使籽晶支撑部5下端与坩埚7内壁抵持；随后将碳化硅籽晶部3水平放置在籽晶支撑部5上端台阶处，接着盖上坩埚盖1，坩埚盖1的延伸台2刚好抵住籽晶支撑部5上端，形成生长空腔9；然后对生长空腔9内抽真空，以使生长空腔9内的气压低于0.05毫巴；接着向生长空腔9内通入氩气和氮气的混合气体，比例为150:5，以使生长空腔9内的气压达到500至600毫巴；再利用感应加热线圈12对坩埚7和坩埚盖1进行加热，直至生长空腔9内达到2000至2300摄氏度；随后生长空腔9内抽真空，以使生长空腔9内的气压达到5至20毫巴，将碳化硅籽晶部3后表面加热到2000-2300℃，将碳化硅粉料8加热到2100-2400℃，此时碳化硅粉料8开始升华，变成气相碳化硅，该气相碳化硅沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的碳化硅籽晶部3的位置沉积结晶；接着经过7至10天的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶的生长。晶体生长速率在0.15-0.3毫米/小时的范围内。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，包括坩埚、碳化硅籽晶部和用于加热所述坩埚的加热装置；所述碳化硅籽晶部设置于所述坩埚的内腔上部，所述坩埚的内腔下部填充有碳化硅粉料，所述碳化硅籽晶部与所述碳化硅粉料之间具有生长空腔；所述碳化硅籽晶部的生长面朝向所述生长空腔底部，非生长面朝向所述坩埚的坩埚盖，且所述坩埚盖与所述非生长面之间存在间隔。

2.根据权利要求1所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述碳化硅籽晶部通过籽晶支撑部与所述坩埚的内腔上部相连接，所述籽晶支撑部的顶端开设有阶梯状存放槽，所述碳化硅籽晶部置于所述阶梯状存放槽内，所述碳化硅籽晶部的边缘与所述阶梯状存放槽的内壁之间存在间隔。

3.根据权利要求2所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述阶梯状存放槽的支撑台阶设置为切削斜台。

4.根据权利要求1所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述生长空腔的内壁为环形导向内壁。

5.根据权利要求4所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述环形导向内壁与所述碳化硅籽晶部生长面的角度呈90°。

6.根据权利要求4所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述环形导向内壁为上细下粗的扩径内壁，所述环形导向内壁与所述碳化硅籽晶部生长面之间的角度小于90°，大于60°。

7.根据权利要求1所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述加热装置为绕设于所述坩埚外的感应加热线圈。

8.根据权利要求7所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述感应加热线圈与所述坩埚之间设有双层石英管，所述双层石英管形成密闭空间包围所述坩埚，所述双层石英管内通有循环冷却水。

9.根据权利要求1所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述碳化硅籽晶部的生长面背面涂有一层致密碳膜，所述致密碳膜与所述碳化硅籽晶部间隔设置。

10.根据权利要求1所述的用于碳化硅单晶生长的籽晶搭接装置，其特征在于，所述坩埚与所述坩埚盖均由石墨材料制成。

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