CN218756158U - 一种用于生长碳化硅单晶的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于生长碳化硅单晶的装置，涉及半导体生长技术领域，包括容纳容器以及过滤体，过滤体上布设有透气孔，透气孔能够使气相组分穿过并能够截留固体碳颗粒，过滤体用于设于容纳容器的空腔内，过滤体的外侧壁用于与空腔的内侧壁贴合，过滤体的顶面与空腔的顶壁之间留有第一空间，过滤体的底面与空腔的底壁之间留有第二空间，空腔的顶壁用于承载籽晶，第二空间用于容纳碳化硅粉料，本实用新型公开的用于生长碳化硅单晶的装置能够有效地避免在碳化硅晶体内形成碳包裹物。

Description

一种用于生长碳化硅单晶的装置

技术领域

本实用新型涉及半导体生长技术领域，特别是涉及一种用于生长碳化硅单晶的装置。

背景技术

碳化硅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。

采用物理气相输运法生长碳化硅晶体的技术日趋成熟，其原理是通过中频感应加热方式使放置于线圈内的石墨坩埚发热，且在石墨坩埚的竖直方向上形成轴向温度梯度，温度梯度为坩埚底部高、而顶部低；当加热达到一定温度时(比如2100摄氏度)，石墨坩埚里的碳化硅粉料升华形成晶体生长的气态氛围(包括si、si₂C、SiC₂等气相组分)，由于坩埚顶部温度低，这些升华出的气相组分输运到顶部的籽晶(籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的种子，也叫晶种)的表面后结晶，从而实现碳化硅单晶的生长。

现有的碳化硅单晶生长装置中，在碳化硅粉料分解升华的三种主要气相组分中，Si组分的分压高于si₂C和SiC₂两种含碳气相组分，使得升华法生长过程中的气相物质通常是富含si元素的，进而使得未蒸发的碳化硅粉料变得越来越富含C元素，导致单晶生长过程中发生粉料的碳化，而碳化的固态碳颗粒被输运到生长面上，在碳化硅晶体内就会形成碳包裹物。碳包裹物会成为微管道和螺旋位错的起始点，并形成更多的缺陷，严重影响碳化硅单晶体的质量。

因此，如何减少单晶中的碳包裹物，是目前碳化硅单晶生长技术中迫切需要解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于生长碳化硅单晶的装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效地避免在碳化硅晶体内形成碳包裹物。

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生长碳化硅单晶的装置，包括容纳容器以及过滤体，所述过滤体上布设有透气孔，所述透气孔能够使气相组分穿过并能够截留固体碳颗粒，所述过滤体用于设于所述容纳容器的空腔内，所述过滤体的外侧壁用于与所述空腔的内侧壁贴合，所述过滤体的顶面与所述空腔的顶壁之间留有第一空间，所述过滤体的底面与所述空腔的底壁之间留有第二空间，所述空腔的顶壁用于承载籽晶，所述第二空间用于容纳碳化硅粉料。

优选的，所述过滤体的中部具有凹陷部，且所述凹陷部到所述空腔的底壁的距离小于所述过滤体的外边沿到所述空腔的底壁的距离。

优选的，所述容纳容器包括坩埚和坩埚盖，所述坩埚的底端封闭，所述坩埚的顶端开口，所述坩埚盖用于固定封盖于所述坩埚的顶端并将所述坩埚的顶端开口完全遮盖，所述籽晶用于固定设于所述坩埚盖上靠近所述坩埚的壁面上。

优选的，所述坩埚为空心圆柱体。

优选的，所述坩埚和所述坩埚盖均由石墨材料制得。

优选的，所述凹陷部为圆筒状。

优选的，所述凹陷部的深度与所述碳化硅粉料的高度的比值为1:1～1:3。

优选的，所述过滤体的厚度为2～6毫米。

优选的，所述过滤体的孔隙率为30％～80％。

优选的，所述籽晶的具有碳极性的一端用于靠近所述碳化硅粉料，所述籽晶的另一端用于粘结固定于所述空腔的顶壁的中央。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型提供的用于生长碳化硅单晶的装置，通过在容纳容器内设置过滤体，并将碳化硅粉料置于过滤体的底面与空腔的底壁之间的第二空间内，将籽晶置于空腔的顶壁上，通过过滤体阻隔碳化硅单晶生长过程中碳化的固态碳颗粒，能够有效地避免固态碳颗粒随碳化硅粉料升华的气相组分达到生长面上，从而有效地避免在碳化硅晶体内形成碳包裹物以及微管等各种缺陷、位错，保证碳化硅单晶体的质量。

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为现有技术中的用于生长碳化硅单晶的装置示意图；

图2为本实用新型提供的用于生长碳化硅单晶的装置的一种结构示意图；

图3为本实用新型提供的用于生长碳化硅单晶的装置的另一种结构示意图。

图中：1’-坩埚盖；2’-籽晶；3’-碳化硅粉料；4’-坩埚；1-坩埚盖；2-籽晶；3-碳化硅粉料；4-坩埚；5-凹陷部；6-过滤体。

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。

本实用新型的目的是提供一种用于生长碳化硅单晶的装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效地避免在碳化硅晶体内形成碳包裹物。

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。

实施例一

如图2所示，本实施例提供一种用于生长碳化硅单晶的装置，包括容纳容器以及过滤体6，过滤体6上布设有透气孔，透气孔能够使气相组分穿过并能够截留固体碳颗粒，过滤体6用于设于容纳容器的空腔内，过滤体6的外侧壁用于与空腔的内侧壁贴合，过滤体6的顶面与空腔的顶壁之间留有第一空间，过滤体6的底面与空腔的底壁之间留有第二空间，空腔的顶壁用于承载籽晶2，第二空间用于容纳碳化硅粉料3。

现有的利用物理气相输运法生长碳化硅晶体的装置的粉料装填方式，常见的如图1所示，包含坩埚盖1’、粘贴到坩埚盖1’上的碳化硅的籽晶2’、碳化硅粉料3’以及坩埚4’，这种装填方式，碳化硅粉料3’完全装填到坩埚4’内，料面水平，在碳化硅单晶生长过程中，须将整个坩埚加热到2000～2400摄氏度，并通过调控外围保温体系使得坩埚4’下部的温度高于坩埚4’上部的温度，尤其使碳化硅的籽晶2’位置处的温度最低，这样碳化硅粉料3’中的组分才会在高温下分解，并输运到籽晶2’处成核并生长，但是现有的水平料面的装填方式，不能阻止中后期碳化硅粉料3’中的碳颗粒进入晶体，容易在晶体中形成碳包裹物，影响碳化硅晶体质量；相比如图1所示的现有技术中的用于生长碳化硅单晶的装置，本实施例提供的用于生长碳化硅单晶的装置，通过在容纳容器内设置过滤体6，并将碳化硅粉料3置于过滤体6的底面与空腔的底壁之间的第二空间内，将籽晶2置于空腔的顶壁上，通过过滤体6阻隔碳化硅单晶生长过程中碳化的固态碳颗粒，能够有效地避免固态碳颗粒随碳化硅粉料3升华的气相组分达到生长面上，从而有效地避免在碳化硅晶体内形成碳包裹物以及微管等各种缺陷、位错，保证碳化硅单晶体的质量。

进一步的，过滤体6的中部具有凹陷部5，且凹陷部5到空腔的底壁的距离小于过滤体6的外边沿到空腔的底壁的距离，由于中频感应加热存在趋肤效应，发热区位于容纳容器外壁，从容纳容器壁到空腔中心的径向温度会逐渐减小，径向传热不均匀易导致热场分布不均匀，从而引起碳化硅粉料3温度分布为外高内低，所以中间部分的粉料蒸发量很少，并且现有技术中还会沉积一部分蒸发的气相组分，在粉料表面形成重结晶，降低粉料升华速率，进而降低单晶生长速率，并且降低粉料的利用率，本实施例提供的用于生长碳化硅单晶的装置通过设置过滤体6的中部具有凹陷部5，增大碳化硅粉料3升华面积，并使得第二空间内中心区域的碳化硅粉料3的量要明显小于周侧区域，能够有效地抑制粉料表面的重结晶过程，提高粉料升华速率，进而提高单晶生长速率，并且提高粉料的利用率，降低生产成本。

进一步的，容纳容器包括坩埚4和坩埚盖1，坩埚4的底端封闭，坩埚4的顶端开口，坩埚盖1用于固定封盖于坩埚4的顶端并将坩埚4的顶端开口完全遮盖，籽晶2用于固定设于坩埚盖1上靠近坩埚4的壁面上，结构简单，方便使用，在本实施例中，采用现有的坩埚4以及坩埚盖1产品即可。

进一步的，坩埚4为空心圆柱体，能够使坩埚4的内部传热更加均匀。

进一步的，坩埚4和坩埚盖1均由石墨材料制得，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4以及坩埚盖1结构。

进一步的，凹陷部5为圆筒状，过滤体6在凹陷部5处设置为圆柱状结构，过滤体6优选为多孔石墨体，其中，石墨体加工成型后，内部具有多孔结构，也即石墨体自身具有多个能够供气体流动的通道，采用石墨体制成的过滤体6可以直接设置于碳化硅粉料3的顶部，碳化硅粉料3升华后的气体组分能够直接从石墨体上的通道排出并与籽晶2接触，而固态碳颗粒则被吸附在石墨体内以免其达到籽晶2处；在此需要说明的是，过滤体6的结构形状不局限于仅采用以上形状的凹陷部5，按需设置能够有效覆盖碳化硅粉料3即可，比如也可以设置凹陷部5为圆弧状、倒锥状等，或者直接设置过滤体6整体为圆弧状、倒锥状等，在此不作具体限定，具体设置可以结合实际使用需求进行确定。

进一步的，凹陷部5的深度与碳化硅粉料3的高度的比值为1:1～1:3，并且作为本实施例一种较为优选的实施方式，凹陷部5的深度与碳化硅粉料3的高度的比值为1:2，在此，对凹陷部5的深度不作具体限定，具体设置可以结合实际使用需求进行确定。

进一步的，过滤体6的厚度为2～6毫米，本实施例中，过滤体6的厚度为5毫米，但并不仅限于5毫米，比如，也可以为3毫米，在此不作具体限定，具体设置可以结合实际使用需求进行确定。

进一步的，过滤体6的孔隙率为30％～80％，其中较为优选的，孔隙率为50％～70％，具体可以设置为30％、50％、70％或80％等，孔隙率控制均匀，有利于碳化硅粉料3分解形成的气相组分从过滤体6中均匀逸出，并可以阻挡碳化后的固态碳颗粒向籽晶2飘动。

进一步的，籽晶2的具有碳极性的一端用于靠近碳化硅粉料3，籽晶2的另一端用于粘结固定于空腔的顶壁的中央，且在本实施例中，籽晶2的厚度为350微米，在此需要说明的是，籽晶2与空腔的顶壁的固定连接并不局限于通过粘结实现，其它能够实现便于拆装的固定方式也均可采用。

在本实施例中，碳化硅粉料3在重力作用下覆盖于坩埚4底部，然后在碳化硅粉料3的表面设置凹陷结构，将过滤体6设于凹陷结构内以及碳化硅料粉的表面，并且过滤体6上的凹陷部5朝向坩埚盖1方向敞口；将坩埚盖1置于坩埚4的顶端开口上并将其封闭，使碳化硅粉料3处于一个密闭的环境中，然后在坩埚4和坩埚盖1外均包覆一层保温层，将本实施例提供的用于生长碳化硅单晶的装置置于温度为2000～2400℃的高温环境中，进行碳化硅单晶的制备，其中，由于碳化硅粉料3表面设有过滤体6，碳化硅粉料3在高温下升华后能够通过过滤体6上的舒松孔到达碳化硅的籽晶2上，从而在碳化硅的籽晶22表层结晶形成碳化硅单晶，过滤体6可以过滤掉粉料升华运输的固态碳颗粒和其它固态杂质，从而避免了固态碳颗粒及杂质颗粒被带到籽晶2，减少晶体生长过程中碳包裹物、微管等各种缺陷、位错，提高碳化硅单晶生长质量，改善了现有技术中粉料表层重结晶形成多晶块的现象，能够抑制粉料表层重结晶现象，提高粉料的利用率，降低生产成本。

实施例二

如图3所示，本实施例提供一种用于生长碳化硅单晶的装置，与实施例一中提供的用于生长碳化硅单晶的装置的主要区别在于：在本实施例中的凹陷部5的深度与碳化硅粉料3的高度的比值为1:1，而在实施例一中的凹陷部5的深度与碳化硅粉料3的高度的比值为1:2，在此，对凹陷部5的深度不作具体限定，具体设置可以结合实际使用需求进行确定。

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)

1.一种用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：包括容纳容器以及过滤体，所述过滤体上布设有透气孔，所述透气孔能够使气相组分穿过并能够截留固体碳颗粒，所述过滤体用于设于所述容纳容器的空腔内，所述过滤体的外侧壁用于与所述空腔的内侧壁贴合，所述过滤体的顶面与所述空腔的顶壁之间留有第一空间，所述过滤体的底面与所述空腔的底壁之间留有第二空间，所述空腔的顶壁用于承载籽晶，所述第二空间用于容纳碳化硅粉料。

2.根据权利要求1所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述过滤体的中部具有凹陷部，且所述凹陷部到所述空腔的底壁的距离小于所述过滤体的外边沿到所述空腔的底壁的距离。

3.根据权利要求2所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述容纳容器包括坩埚和坩埚盖，所述坩埚的底端封闭，所述坩埚的顶端开口，所述坩埚盖用于固定封盖于所述坩埚的顶端并将所述坩埚的顶端开口完全遮盖，所述籽晶用于固定设于所述坩埚盖上靠近所述坩埚的壁面上。

4.根据权利要求3所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述坩埚为空心圆柱体。

5.根据权利要求4所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述坩埚和所述坩埚盖均由石墨材料制得。

6.根据权利要求4所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述凹陷部为圆筒状。

7.根据权利要求6所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述凹陷部的深度与所述碳化硅粉料的高度的比值为1:1～1:3。

8.根据权利要求1所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述过滤体的厚度为2～6毫米。

9.根据权利要求8所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述过滤体的孔隙率为30％～80％。

10.根据权利要求1所述的用于生长碳化硅单晶的装置，其特征在于：所述籽晶的具有碳极性的一端用于靠近所述碳化硅粉料，所述籽晶的另一端用于粘结固定于所述空腔的顶壁的中央。

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