CN218756162U - 高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效制备高质量碳化硅单晶生长装置，包括第一坩埚、第二坩埚和过滤部；籽晶纵向安装在第一坩埚内，且籽晶初始生长台阶端靠近第一坩埚顶壁；第二坩埚限定出原料腔，原料腔与第一坩埚内部连通；过滤部限定出容纳腔，容纳腔内设置有气氛调节件，气氛调节件包括碳框架和硅颗粒，硅颗粒内置在碳框架内部；过滤部安装在第二坩埚的出气口处，并对第二坩埚出气口形成遮挡，第二坩埚的出气口位于籽晶下方，第二坩埚内的原料升华为气体后经过滤部过滤后进入到第一坩埚内。本实用新型在长晶过程中能够降低籽晶初始生长台阶端的生长速率，同时能够调节碳化硅气氛中的Si/C原子比，从而降低晶体初期相变发生的概率，提高晶体的品质。

Description

高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置。

背景技术

相关技术中指出，由于现有4H和6H晶型的共存温度较大，晶体容易发生相变，尤其是初期相变是碳化硅晶体生长过程中存在的严重问题之一。引起晶体发生相变的原因通常有以下3点：1)传统的籽晶平行放置，籽晶的继承性错位容易贯穿晶体，容易导致相变的发生。2)籽晶初始生长台阶端的晶体生长速率过快：晶体的生长由籽晶初始生长台阶(生长小面)端开始，若籽晶初始生长台阶端的晶体生长速率过快，则会增加该端原子“错排”的概率，导致籽晶初始生长台阶端发生初期相变的情况，从而导致整个生长过程中相比贯穿晶体，降低了晶体的品质；3)在晶体生长过程中，碳化硅气氛中的Si/C原子比也会导致相变的发生。其中，初期相变多发生于籽晶的初始生长台阶端，因此，如何在长晶初期阶段抑制初始生长台阶端的初期相变的发生成为目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型在于提出一种高效制备高质量碳化硅单晶生长装置，在长晶过程中能够降低籽晶初始生长台阶端的生长速率，同时能够调节碳化硅气氛中的Si/C原子比，从而降低晶体初期相变发生的概率，提高晶体的品质。

本实用新型还提出一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，包括第一坩埚、第二坩埚和过滤部；籽晶纵向安装在所述第一坩埚内，且籽晶初始生长台阶端靠近第一坩埚顶壁；所述第二坩埚限定出原料腔，所述原料腔与所述第一坩埚内部连通；所述过滤部限定出容纳腔，所述容纳腔内设置有气氛调节件，所述气氛调节件包括碳框架和硅颗粒，所述硅颗粒内置在所述碳框架内部；所述过滤部安装在所述第二坩埚的出气口处，并对所述第二坩埚出气口形成遮挡，所述第二坩埚的出气口位于籽晶下方，所述第二坩埚内的原料升华为气体后经所述过滤部过滤后进入到所述第一坩埚内。

上述方案中籽晶纵向安装在第一坩埚内，且其初始生长台阶端靠近第一坩埚顶壁，因此，籽晶初始生长台阶端位于上部，而碳化硅气体进入到第一坩埚后，气体在上升的过程中其浓度会逐渐降低，因此，籽晶初始生长台阶端的气体浓度低于籽晶其他部分的气体浓度，从而使籽晶初始生长台阶端的晶体生长速率低于籽晶其他部分的生长速率，降低了籽晶初始生长台阶端的生长速率，该端生长速率降低后Si/C原子堆叠的稳定性更好，即排列更加稳定，有效地降低了原子“错排”等情况，较好地抑制了籽晶初始生长台阶端初期相变的发生，从而降低了晶体整体发生初期相变的概率，提高了晶体的品质。

另外，过滤部内部的气氛调节件可以调节碳化硅气氛中的Si/C原子比，实现了长晶前期和长晶后期气氛的选择性补偿，解决了碳包裹及晶体生长前期富硅、后期富碳的技术问题，进一步降低了晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的整体质量。

在一些实施例中，本实用新型第一坩埚顶壁开设有第一气流通道，用于加快气体的流速，所述第一气流通道的直径为3mm-5mm。本实施例第一气流通道实现了快速疏散第一坩埚内碳化硅气体的目的，防止了多余的气体因扩散速度慢，而导致碳化硅气体在籽晶初始生长台阶端停留并形成晶体，进一步降低了籽晶初始生长台阶端的碳化硅气体浓度，降低了该处晶体的生长速率，从而进一步降低了籽晶初始生长台阶端发生初期相变的几率，进而降低了晶体整体发生初期相变的几率，提高了晶体的整体质量。

在一些实施例中，本实用新型第一坩埚外侧壁设置有保温毡，所述第一坩埚外侧顶壁的保温毡限定出第二气流通道，所述第二气流通道通过所述第一气流通道与石英罩内部连通。本实施例设置第二气流通道可以使得第一坩埚内多余的气体从第一气流通道、第二气流通道快速从第一坩埚内部扩散出去，降低籽晶初始生长台阶端的气体浓度，进而降低晶体发生初期相变的几率，提高晶体的品质。

在一些实施例中，本实用新型第一坩埚包括气体疏散室和生长室，所述气体疏散室位于所述生长室上部，且所述气体疏散室与所述生长室连通，所述籽晶纵向安装在所述生长室内，所述第一气流通道设置在气体疏散室顶壁，所述气体疏散室的体积大于生长室的体积；所述第一坩埚连接在所述第二坩埚上方，所述第二坩埚的出气口开设在所述第二坩埚上部；所述过滤部安装在所述第二坩埚的出气口端，并向下延伸至所述第二坩埚的内侧底部。本实施例籽晶纵向安装在生长室内，气体疏散室安装在生长室上方，目的是为了使生长室内多余的气体可以快速扩散至气体疏散室，并通过第一气流通道和第二气流通道快速扩散至第一坩埚外部，进一步防止了多余气体在籽晶初始生长台阶端的停留并聚集，避免了籽晶初始生长台阶端的气体浓度升高，从而降低该端的晶体生长速率，有效地避免或降低了晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的整体品质。

在一些实施例中，本实用新型籽晶纵向安装在所述生长室内侧壁，所述生长室侧壁在由上而下的方向上其纵截面面积逐渐减小。本实施例生长室侧壁上厚下薄，而籽晶初始生长台阶端靠近生长室侧壁上部，因此，温度相对籽晶其他部位的温度偏高，进一步降低了该端晶体的生长速率，从而降低了晶体发生初期相变的概率，提高了晶体品质。

在一些实施例中，本实用新型气体疏散室内侧顶壁安装有第一发热体，并延伸至所述籽晶初始生长台阶端；所述第一发热体与所述第一坩埚同轴设置，且所述第一发热体与所述籽晶之间具有设定距离。本实施例第一发热体的底端位于籽晶初始生长台阶端，因此，第一发热体散发的热量会使籽晶初始生长台阶端的温度高于籽晶其他部位的温度，从而降低了晶体初期相变发生的概率，提高了晶体的品质。

在一些实施例中，本实用新型第一坩埚外侧顶壁的保温毡的厚度，以所述第一发热体的轴线延长线与所述气体疏散室顶壁交点为中心，向所述气体疏散室顶壁边缘处逐渐减小。这样设置的目的是为了使靠近第一发热体轴线的区域温度高，而远离第一发热体轴线的区域温度低，从而在横向方向上形成一个小的温度梯度。由于籽晶所在区域远离第一发热体轴线，因此，在横向方向温度梯度的影响下有利于气体向籽晶方向流动，并在晶体表面沉积结晶，形成这样的气流走向有利于原子在晶体表面排列的更加稳定，从而降低了晶体初期相变发生的概率，提高晶体的品质。

在一些实施例中，本实用新型气体疏散室顶壁安装有支撑件，并延伸至所述生长室内部，所述支撑件下部的纵截面呈倒“V”字型。本实施例在籽晶背面设置倒V型支撑件，目的是为了构建：竖直方向上，自籽晶初始生长台阶端向下，逐渐减少支撑件的用料，从而使得籽晶初始生长台阶端的温度最高，进而减缓该处的生长速率，进一步降低了该端初期相变的概率，从而降低了晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的品质。

在一些实施例中，本实用新型还包括导流件，所述导流件上连接有环形部件，所述环形部件向上延伸至所述支撑件底部，并与所述支撑件底部相连，所述环形部件的直径与支撑件的直径相同，所述导流件上还限定出多个导流孔。本实施例导流件一方面避免了支撑件底部结晶，另一方面使得气体垂直上升，提高了气体上升的速率，从而提高了长晶的整体速率。

在一些实施例中，本实用新型第一坩埚外侧顶部的所述保温毡内部设置有散热腔体，所述散热腔体与所述支撑件同轴设置，所述散热腔体的底部为所述第一坩埚的顶部，在由上而下的方向上，所述散热腔体的纵截面面积逐渐增大。本实施例散热腔体可以在横向方向上营造出籽晶所在位置的温度低，远离籽晶的位置温度高的温度梯度，从而使气体在上升的过程中，更有利于气体向籽晶方向流动，并在晶体表面沉积结晶，形成这样的气流走向有利于原子在晶体表面排列的更加稳定，从而降低了晶体初期相变发生的概率，提高晶体的品质。

在一些实施例中，本实用新型第二坩埚设置于所述第一坩埚内，所述第二坩埚的出气口开设在所述第二坩埚的侧壁，所述过滤部环绕在所述第二坩埚外侧壁，并紧贴第二坩埚对所述出气口形成遮挡；所述第二坩埚内部设置有第二发热体，所述第二坩埚外侧顶壁设置有保温毡，所述籽晶设置在所述第二坩埚外侧顶壁的所述保温毡侧壁。本实施例第二发热体的设置增加了原料腔内的温度，从而保证了原料升华为气体的温度，进而保证了晶体生长的速率和质量。

在一些实施例中，本实用新型第二坩埚外侧顶壁的所述保温毡内部设置有第三发热体，所述第三发热体底部与所述第二坩埚外侧顶壁相连，且其纵截面面积自上而下逐渐减小。本实施例可以使得籽晶初始生长台阶端的温度较籽晶其他部位的温度偏高，从而降低了该端的生长速率，降低了该端初期相变的发生概率，进而降低了晶体初期相变发生的概率，提高了晶体的品质。

在一些实施例中，所述第一坩埚外侧顶部的所述保温毡设有气体扩散腔，所述气体扩散腔底部为所述第一坩埚的顶壁，所述气体扩散腔与第二坩埚同轴设置，所述气体扩散腔的横截面面积大于所述第二坩埚的横截面面积，所述气体扩散腔高度为90cm-100cm。本实施例气体扩散腔可以快速使多余的气体排出生长室，避免了多余的气体在籽晶初始生长台阶端停留或聚集，降低了该端的气体浓度，从而降低了该端的生长速率，进而降低了晶体的初期相变发生的概率，提高晶体的品质。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的高效制备高质量碳化硅单晶生长装置的示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的高效制备高质量碳化硅单晶生长装置的示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的高效制备高质量碳化硅单晶生长装置的示意图。

附图标记：

100：碳化硅单晶生长装置；

10：第一坩埚，11：气体疏散室，111：第一气流通道，112：第一发热体，113，支撑件，12：生长室；

20：第二坩埚，21：碳化硅粉料，22：出气口，23：第二发热体；

30：籽晶；

40：过滤部，41：气氛调节件；

50：保温毡，51：第二气流通道，52：第三发热体，53：气体扩散腔体；

60：感应线圈；

70：石英罩；

80：散热腔体。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

下面参考图1-图3描述根据本实用新型实施例的高效制备高质量碳化硅单晶生长装置100，包括石英罩70以及环绕在石英罩70外侧的感应线圈60，石英罩70内部安装有生长坩埚和过滤部40，生长坩埚由石墨制作而成。

实施例一

参照图1所示，根据本实用新型实施例的高效制备高质量碳化硅单晶生长装置100，生长坩埚包括第一坩埚10和第二坩埚20，籽晶30纵向安装在第一坩埚20内，且籽晶30初始生长台阶(生长小面)端靠近第一坩埚10顶壁，可以理解的是，籽晶30初始生长台阶端位于籽晶30的上部，第二坩埚20限定出用于盛放碳化硅粉料21的原料腔，第一坩埚10内部与原料腔连通；过滤部40限定出容纳腔，容纳腔内密布有气氛调节件41，用于调节第一坩埚10内的气体氛围，气氛调节件41包括碳框架和硅颗粒，硅颗粒内置在碳框架内部，碳框架为密封结构，碳框架可以是方形，堆叠在容纳腔内，当然碳框架也可以是其他形状，如圆形等。在一些实施例中，多个碳框架也可以一体成型形成一个大的碳框架，安装起来更加方便。

过滤部40安装在第二坩埚20的出气口22处，并对第二坩埚20的出气口22处形成遮挡，第二坩埚20的出气口22位于籽晶30下方，第二坩埚20内的碳化硅粉料21升华为气体后经过滤部40过滤后进入到第一坩埚10内。例如：过滤部40可以是空心圆柱体，由过滤网制作而成，过滤网的孔径为300-500微米，孔隙率65％-75％，用于过滤气体中的大颗粒或杂质，以提高晶体的生长质量，同时过滤部40内部的气氛调节件41可以调节碳化硅气氛中的Si/C原子比，实现了长晶前期和长晶后期长晶气氛的选择性补偿，解决了碳包裹及晶体生长前期富硅、后期富碳的技术问题，进一步降低了晶体发生初期相变的概率提高了晶体的整体质量。

本实施例第二坩埚20内部盛放碳化硅粉料21，过滤部40对第二坩埚20的出气口22形成遮挡，且过滤部40内密布有气氛调节件41，长晶时，碳化硅受热升华为碳化硅气体后，经过过滤部40过滤气体中的大颗粒或杂质(如质量较轻，上浮的大粒径碳颗粒、碳屑、碳片等)后进入到第一坩埚10内，气体向上经过籽晶30时会在籽晶30表面沉积并结晶。由于气体是在由下向上的方向上扩散，因此，气体在向上扩散的时候，气体浓度会不断降低，又由于籽晶30纵向设置在第一坩埚10内，且籽晶30生长台阶端靠近第一坩埚10顶部(即位于籽晶30的上部)，因此，籽晶30表面下部的气体浓度高于籽晶30初始生长台阶端的气体浓度，而气体浓度又影响长晶速率，气体浓度越浓，晶体生长速率越快，因此，籽晶30初始生长台阶端(位于籽晶30上部)的晶体生长速率低于籽晶30下部和中部的晶体生长速率，而籽晶30生长台阶端的晶体生长速率慢，有效地降低了籽晶30生长台阶端的初期相变，从而降低长晶过程中晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的整体品质。

另外，因碳化硅粉受热情况下分解成Si、SiC₂、Si₂C气相，由于气氛物质的熔点及饱和蒸汽压不同，碳化硅气相中，一般是加热至长晶前期形成腐蚀性较强的富硅气氛，后期随着气氛中Si原子的不断消耗及溢出，以及碳化硅粉料21的局部碳化，长晶气氛逐渐转变至富碳相，而本实施例具有气氛调节及补偿作用的气氛调节件41，一方面可以过滤掉挥发气氛中上浮的大颗粒或杂质，另一方面，可以调节碳化硅气氛中的Si/C原子比。在长晶前期，含有强腐蚀性Si气氛的气流通过不断冲刷过滤部40内部的碳框架，一部分Si原子被吸附在碳框架上，一部分碳框架上的碳原子被带入富Si气流中，起到调节富Si气氛中Si/C原子比的作用。随着长晶的不断进行，前期的富Si气氛不断刻蚀气氛调节件41的碳框架，至长晶后期，气氛调节件41的碳框架被局部或大面积刻蚀，此时，碳框架内的硅颗粒裸露在外，长晶气氛也由富Si转变为富C，裸露的Si与富C的气氛接触，再次起到中和作用，一部分C被吸附，一部分Si参与到富C气氛中，起到了调节富C气氛中Si/C原子比的作用，解决了碳包裹及晶体生长前期富硅、后期富碳的技术问题，实现了前、后期长晶气氛的选择性补偿，进一步降低了晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的整体质量。

在其他可选实施方式中，本实用新型第一坩埚10顶壁开设有第一气流通道111，用于加快气流的流速，第一气流通道111的直径为3mm-5mm，优选4mm。本实施例加快了气体排出第一坩埚10的流速，进一步避免了气体在籽晶30初始生长台阶端停留并聚集，降低了籽晶30初始生长台阶端的晶体生长速率，进而降低了籽晶30初始生长台阶端发生初期相变的概率，降低了长晶过程中晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的品质。

在其他可选实施方式中，本实用新型第一坩埚10外侧壁设置有保温毡50，第一坩埚10外侧顶壁的保温毡50限定出第二气流通道51，第一气流通道111通过第二气流通道51与石英罩70内部连通。本实施例保温毡50是为了保持第一坩埚10内部晶体生长的温度始终达到工艺要求，而本实施例第二气流通道51与第一气流通道111连通，主要是为了第一坩埚10内气体的扩散。

为了快速疏散进入到第一坩埚10内的碳化硅气体，防止气体在籽晶30初始生长台阶端停留并聚集，在其他可选实施方式中，本实用新型第一坩埚10包括同轴设置的气体疏散室11和生长室12，气体疏散室11位于生长室12上部，且气体疏散室11和生长室12连通，籽晶30纵向安装在生长室12内，第一气流通道111位于气体疏散室11顶壁，气体疏散室11的体积大于生长室12的体积，例如：生长室12直径为直径d1、高度为h1，则气体疏散室11的直径d2和高度h2可以是：d2≥2*d1、h2≥h1。第一坩埚10连接在第二坩埚20上方，第二坩埚20的出气口22开设在第二坩埚20上部，且与生长室12连通；过滤部40安装在第二坩埚20的出气口22端，并向下延伸至第二坩埚20的内侧底部。本实施例气体疏散室11体积大于生长室12体积，有利于加快多余气体从生长室12扩散到气体疏散室11的速度，避免了气体在气体疏散室11内停留并聚集。另外，本实施例过滤部40延伸至第二坩埚20内侧底部，过滤面积更大，过滤效果更好。在长晶过程中，气体上升至生长室12，经过籽晶30时沉积在籽晶30表面并形成晶体，多余的气体继续上升进入至气体疏散室11，由于气体疏散室11的空间比较大，加快了多余的气体扩散至气体疏散室11内，进一步避免了气体在籽晶30初始生长台阶端的停留，抑制了该处的晶体生长速率，另一方面，气体疏散室11顶部的第一气流通道111，由于该第一气流通道111的孔径较大，有利于气体的快速扩散至气体疏散室11外部，防止了气体在气体疏散室11内聚集，进一步抑制了籽晶30初始生长台阶端的晶体的生长速率，从而降低了籽晶30初始生长台阶端的初期相变的概率，提高了晶体的质量。

在其他可选实施方式中，本实用新型籽晶30安装在生长室12内侧壁，生长室12侧壁的厚度在由上而下的方向上其纵截面面积逐渐减小；第二坩埚20外侧壁设置有保温毡50，用于保证原料腔内的温度可以长时间稳定的维持在工艺要求的温度。本实施例在自上而下的方向上，生长室12侧壁的厚度逐渐减小，本实施例的生长室12采用石墨制作而成，生长室12侧壁上部较厚，下部较薄，因此，生长室12侧壁上部的温度较高，而籽晶30初始生长台阶端的安装位置靠近生长室12上部，因此，籽晶30初始生长台阶端晶体生长速率会相对于籽晶30表面其他部分的晶体生长速率慢(温度越高结晶越慢)，而结晶慢会降低籽晶30生长初始生长台阶端发生初期相变的概率，进而降低长晶过程中晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的整体品质。

在其他可选实施方式中，本实用新型气体疏散室11顶壁还可以安装有第一发热体112，并延伸至籽晶30初始生长台阶端，第一发热体112与生长室12同轴设置，且第一发热体112与籽晶30之间具有一定距离，可以理解的是，紫晶30与第一发热体112不接触。本实施例由于第一发热体112末端位于籽晶30初始生长台阶端，因此，籽晶30初始生长台阶端的温度受到第二发热体112散发的热量的影响，该端的温度高于籽晶30其他部位的温度，从而降低了籽晶30初始生长台阶端的生长速率，进而降低了晶体初期相变发生的概率，提高晶体的品质。

在其他可选实施方式中，本实用新型第一坩埚10外侧顶壁保温毡50的厚度，以第一发热体112的轴线延长线与第一坩埚10顶壁交点为中心，向第一坩埚10顶壁边缘处逐渐减小，可以理解的是，越靠近第一发热体112的保温毡50其厚度越厚，因此，靠近第一发热体112轴线的区域散热快、温度偏低，而远离第一发热体112轴线的区域散热慢、温度偏高，从而在横向方向上形成了一个小的温度梯度。由于籽晶30设置在远离第一发热体112轴线的生长室12内侧壁上，因此，籽晶30所在的区域在横向方向上温度偏低。气体上升过程中，在横向温度梯度的影响下有利于气体向温度偏低的籽晶30方向流动(气体流向如图1所示)，并在晶体表面沉积结晶，形成这样的气流走向有利于原子在晶体表面排列的更加稳定，降低了晶体初期相变发生的概率，提高晶体的品质。

本实施例的第一坩埚10和第二坩埚20可以采用组装的形式的组合在一起，组装步骤如下：

1)首先将碳化硅粉料21和过滤部40放置在第二坩埚20内，然后再将第二坩埚20的顶壁组装到第二坩埚20的侧壁上；

2)将籽晶30安装在第一坩埚10的生长室12侧壁后，再将第一坩埚10整体安装在第二坩埚20上，组装完毕。

实施例二

参照图2所示，本实施例与实施例一大体相同，相同的部件采用相同的标号，不同之处仅在于：

本实施例气体疏散室11顶壁安装有支撑件113，并延伸至生长室12内部，支撑件113下部的纵截面呈倒“V”字型，即支撑件113底部中心位置高于边缘位置。本实施例支撑件113由石墨件制作而成，且籽晶30初始生长台阶端的背面的支撑件113厚度较厚，发热量多，从而使该端的生长速率降低，进而降低该端初期相变的概率，提高了晶体的品质。

在其他可选实施方式中，本实施例还包括导流件，导流件上连接有环形部件，该环形部件向上延伸至支撑件113底部，并与支撑件113底部相连，环形部件的直径与支撑件113的直径相同，导流件上还限定出多个导流孔，对气体具有导流作用。环形部件的使用，有效地防止了气体与支撑件113底部相接触，避免了在支撑件113底部结晶的可能性，避免了原料的浪费，节省了生成成本。

在其他可选实施方式中，本实施例第一坩埚10外侧顶部的保温毡50内部设置有散热腔体80，该散热腔体80与支撑件113同轴设置，散热腔体80的底部为第一坩埚10的顶部，在由上而下的方向上，散热腔体80纵截面面积逐渐增大。由于本实施例散热腔体80纵截面面积在自上而下的方向上逐渐增大，因此，本实施例靠近支撑件113轴线的区域散热快、温度偏低，远离支撑件113轴线的区域散热慢、温度偏高，从而在横向方向上形成了一个小的温度梯度。由于籽晶30设置在支撑件113上，因此，籽晶30所在的区域在横向方向上温度偏低。气流在上升的过程中，在横向温度梯度的影响下有利于气流向温度偏低的籽晶30方向流动(气体流向如图2所示)，并在籽晶30表面沉积结晶形成晶体，形成这样的气流走向有利于原子在晶体表面排列的更加稳定，降低了晶体初期相变发生的概率，提高了晶体的品质。

在具体实施时，碳化硅粉料21升华为碳化硅气体后，经过滤部40及其内部的气氛调节件41过滤后，再经导流件上的导流孔导流至生长室12内，在上升过程中，在横向梯度温度的影响下，气流向温度偏低的籽晶30方向流动，并沉积在籽晶30上进行长晶。由于环形部件的限制，气体从导流件出来后，直接顺着籽晶30与生长室12之间的空隙上升，避免了与支撑件113底部接触，有效地避免了支撑件113底部结晶的问题，节省了原料成本。

实施例三

参照图3所示，本实施例第一坩埚10、第二坩埚20以及过滤部40的结构与实施例一和实施例二相同，不同的是：本实施例第二坩埚20位于第一坩埚10内部，过滤部40位于第一坩埚10内部，并环绕在第二坩埚20侧壁上，具体结构如下：

参照图3所示，本实施例第二坩埚20同轴设置于第一坩埚10内，第二坩埚20的出气口22开设在第二坩埚20的侧壁，可以理解的是，在第二坩埚20侧壁开设多个出气口22，多个出气口22可以加快气体扩散的速度，过滤部40环绕在第二坩埚20外侧壁，并紧贴第二坩埚20外侧对出气口22形成遮挡，可以理解的是，气体经过第二坩埚20的出气口22后，再经过滤部40过滤，才能进入到第一坩埚10内，第二坩埚20内部设置有由石墨制作而成的第二发热体23，第二发热体23与第二坩埚20可以同轴设置，第二坩埚20外侧顶壁设置有保温毡50，籽晶30设置在第二坩埚20外侧顶壁的保温毡50侧壁。本实施例第二发热体23的设置是为了保证原料腔内的温度可以长时间稳定的维持长晶的工艺要求。

在其他可选实施方式中，本实施例第二坩埚20顶部的保温毡50内部还可以设置有由石墨制作而成的第三发热体52，第三发热体52底部与第二坩埚20外侧顶壁相连，且其纵截面面积自上而下逐渐减小，使得第三发热体52上部的发热量大于下部的发热量，从而使籽晶30初始生长台阶端背面的发热量多，进而使籽晶30初始生长台阶端的温度高，降低了该端晶体的生长速率，进而降低了晶体初期相变的概率，提高了晶体的品质。

在其他可选实施方式中，本实施第一坩埚10外侧顶部的保温毡50设有与第二坩埚20同轴设置的气体扩散腔53，气体扩散腔53底部为第二坩埚20的顶壁，气体扩散腔53的横截面面积大于第二坩埚20的横截面面积，气体扩散腔53高度为90-100cm。本实施例气体扩散腔53空间大，有利于第一坩埚10内多余气体通过第一气流通道111快速扩散至气体扩散腔53内，避免了多余气体在籽晶30初始生长台阶端停留并聚集，进一步降低了该端的气体浓度，从而避免了籽晶30初始生长台阶端的生长速率过快，从而导致初期相变的发生，提高了晶体的品质。

设备启动前，首先在第二坩埚20内盛放碳化硅粉料21，再将籽晶30安装在内部设置有第三发热体52的保温毡50的侧壁，最后将安装有籽晶30的保温毡50整体安装在第二坩埚20底部。长晶时，第二坩埚20内部的第二发热体23散发出的热量，保证了碳化硅粉料21升华所需的热量，而第三发热体52的设置又保证了籽晶30初始生长台阶端的温度高于籽晶30他部位的温度，碳化硅粉料21升华为气体后，经过滤部40和气氛调节件41进入到第一坩埚10内，在气体向上升的过程中，经过籽晶30时沉积在籽晶30上进行长晶，由于籽晶30纵向安装，气体在上升过程中浓度下降，到达籽晶30初始生长台阶端的气体浓度低于籽晶30表面其他部位的浓度，另外，又由于籽晶30初始生长台阶端的温度高于籽晶30其他部位的温度，因此，籽晶30初始生长台阶端的长晶速率低于籽晶30其他部位的长晶速率，从而降低了籽晶30初始生长台阶端初期相变的概率，提高了晶体的生长质量。由于气体经过滤部40过滤掉气体中的大颗粒及杂质，提高了晶体品质，同时过滤部40内部的气氛调节件41对长晶气氛进行调节，解决了晶体生长前期富硅、后期富碳的技术问题，实现了前、后期长晶气氛的选择性补偿，进一步降低了晶体发生初期相变的概率，提高了晶体的整体质量。

根据本实用新型实施例的高效制备高质量碳化硅单晶生长装置100的其他构成例如第一坩埚10、第二坩埚20、保温毡50、感应线圈60等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“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”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个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，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。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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实用新型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。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，包括：

生长坩埚，所述生长坩埚包括第一坩埚和第二坩埚，籽晶纵向安装在所述第一坩埚内，且籽晶初始生长台阶端靠近第一坩埚顶壁；所述第二坩埚限定出原料腔，所述原料腔与所述第一坩埚内部连通；

过滤部，所述过滤部限定出容纳腔，所述容纳腔内设置有气氛调节件，所述气氛调节件包括碳框架和硅颗粒，所述硅颗粒内置在所述碳框架内部；所述过滤部安装在所述第二坩埚的出气口处，并对所述第二坩埚出气口形成遮挡，所述第二坩埚的出气口位于籽晶下方，所述第二坩埚内的原料升华为气体后经所述过滤部过滤后进入到所述第一坩埚内。

2.根据权利要求1所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第一坩埚顶壁开设有第一气流通道，用于加快气体的流速，所述第一气流通道的直径为3mm-5mm。

3.根据权利要求2所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第一坩埚外侧壁设置有保温毡，所述第一坩埚外侧顶壁的保温毡限定出第二气流通道，所述第一气流通道通过所述第二气流通道与石英罩内部连通。

4.根据权利要求3所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第一坩埚包括气体疏散室和生长室，所述气体疏散室位于所述生长室上部，且所述气体疏散室与所述生长室连通，所述籽晶纵向安装在所述生长室内，所述第一气流通道设置在气体疏散室顶壁，所述气体疏散室的体积大于生长室的体积；

所述第一坩埚连接在所述第二坩埚上方，所述第二坩埚的出气口开设在所述第二坩埚上部；所述过滤部安装在所述第二坩埚的出气口端，并向下延伸至所述第二坩埚的内侧底部。

5.根据权利要求4所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述籽晶纵向安装在所述生长室内侧壁，所述生长室侧壁在由上而下的方向上其纵截面面积逐渐减小。

6.根据权利要求4或5所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述气体疏散室内侧顶壁安装有第一发热体，并延伸至所述籽晶初始生长台阶端；所述第一发热体与所述生长室同轴设置，且所述第一发热体与所述籽晶之间具有设定距离。

7.根据权利要求6所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第一坩埚外侧顶壁的保温毡的厚度，以所述第一发热体的轴线延长线与所述第一坩埚顶壁交点为中心，向所述第一坩埚顶壁边缘处逐渐减小；所述第二坩埚外侧壁设置有保温毡。

8.根据权利要求4所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述气体疏散室顶壁安装有支撑件，并延伸至所述生长室内部，所述支撑件下部的纵截面呈倒“V”字型。

9.根据权利要求8所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，还包括导流件，所述导流件上连接有环形部件，所述环形部件向上延伸至所述支撑件底部，并与所述支撑件底部相连，所述环形部件的直径与所述支撑件的直径相同，所述导流件上还限定出多个导流孔。

10.根据权利要求8或9所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第一坩埚外侧顶部的所述保温毡内部设置有散热腔体，所述散热腔体与所述支撑件同轴设置，所述散热腔体的底部为所述第一坩埚的顶部，在由上而下的方向上，所述散热腔体的纵截面面积逐渐增大。

11.根据权利要求3所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第二坩埚同轴设置于所述第一坩埚内，所述第二坩埚的出气口开设在所述第二坩埚的侧壁，所述过滤部环绕在所述第二坩埚外侧壁，并紧贴在所述第二坩埚侧壁对所述出气口形成遮挡；所述第二坩埚内部设置有第二发热体，所述第二坩埚外侧顶壁设置有保温毡，所述籽晶设置在所述第二坩埚外侧顶壁的所述保温毡侧壁。

12.根据权利要求11所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第二坩埚外侧顶壁的所述保温毡内部设置有第三发热体，所述第三发热体底部与所述第二坩埚外侧顶壁相连，且其纵截面面积自上而下逐渐减小。

13.根据权利要求12所述的一种高效制备高质量碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，所述第一坩埚外侧顶部的所述保温毡设有气体扩散腔，所述气体扩散腔底部为所述第一坩埚的顶壁，所述气体扩散腔与所述第二坩埚同轴设置；所述气体扩散腔的横截面面积大于所述第二坩埚的横截面面积，所述气体扩散腔高度为90cm-100cm。

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