CN219059208U - 坩埚结构和晶体生长设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及晶体生长技术领域，具体而言，涉及一种坩埚结构和晶体生长设备。坩埚结构包括坩埚筒，包括筒底壁和筒侧壁；坩埚盖，坩埚盖盖设于筒侧壁与筒底壁相对的一侧；以及筒状的内衬，内衬套设在坩埚筒的筒侧壁内；沿坩埚筒的高度方向，内衬从坩埚筒的筒底壁延伸至坩埚盖；内衬与筒底壁围合形成有腔室。如此能够改善坩埚过度粉化导致晶体的碳包裹缺陷，还能提高坩埚的复用次数，从而降低晶体生长成本。

Description

坩埚结构和晶体生长设备

技术领域

本实用新型涉及晶体生长技术领域，具体而言，涉及一种坩埚结构和晶体生长设备。

背景技术

目前SiC晶体普遍采用物理气相传输法(PVT)进行生长，该方法将碳化硅通过高温加热令碳化硅粉料发生升华，升华后的气体在低温区结晶生成单晶。

碳化硅晶体生长的温度很高，升华以及结晶反应只能在石墨坩埚中进行。

石墨虽然在绝缘环境下耐高温，但是长时间处于高温会导致石墨出现粉化，粉化的石墨颗粒随着升华过程进入碳化硅晶体，从而形成碳包裹缺陷。碳包裹缺陷容易诱发位错，甚至形成微管，危害晶体良率。

因此晶体中的碳包裹缺陷需要避免，而解决碳包裹缺陷也成为了碳化硅晶体生长的行业难题。

坩埚的粉化会导致晶体容易出现碳包裹缺陷，很多工艺采用石墨坩埚一炉一换的方式来解决这一问题。但是石墨坩埚体积大、成本高，采用石墨坩埚一炉一换的策略不利于控制成本，此外半绝缘晶体对杂质浓度有较高的要求，坩埚一炉一换不利于降低晶体中的杂质浓度。

实用新型内容

本实用新型的目的包括，例如，提供了一种坩埚结构和晶体生长设备，其能够改善坩埚过度粉化导致晶体的碳包裹缺陷，还能提高坩埚的复用次数，从而降低晶体生长成本。

本实用新型的实施例可以这样实现：

第一方面，本实用新型提供一种坩埚结构，包括：

坩埚筒，包括筒底壁和筒侧壁；

坩埚盖，所述坩埚盖盖设于所述筒侧壁与所述筒底壁相对的一侧；

以及筒状的内衬，所述内衬套设在所述坩埚筒的所述筒侧壁内；沿所述坩埚筒的高度方向，所述内衬从所述坩埚筒的所述筒底壁延伸至所述坩埚盖；

所述内衬与所述筒底壁围合形成有腔室。

本方案的坩埚结构在坩埚筒的筒侧壁内设置有筒状的内衬，因为内衬是与坩埚筒可拆卸连接，每次生产时均可以更换新的内衬，如此可以改善现有技术中因为坩埚筒自身因为长时间处于高温会导致石墨出现粉化，粉化的石墨颗粒随着升华过程进入碳化硅晶体，从而形成碳包裹缺陷的情况。具体分析，因为内衬是嵌套在石墨坩埚的筒侧壁，每次晶体生长完成之后，更换新的内衬。由于腔室内的石墨均是新的，石墨粉化不严重，因此可以抑制晶体出现碳包裹。同时由于内衬将坩埚筒和腔室隔绝，因此坩埚的粉化并不会诱发碳包裹，因此坩埚可以多次复用，节约成本。还需要说明的是，内衬是沿坩埚筒的高度方向延伸布置。这样的布置方式使得坩埚在高温中，碳化硅粉料的升华，以及碳化硅粉料在坩埚盖上的累积均在内衬中完成。而坩埚筒与内侧是相对隔开的，从而避免了坩埚筒的过度粉化导致晶体的碳包裹缺陷。综上，这样的坩埚结构具有结构简单、操作方便；且在保障硅晶体的品质的情况下，通过更换成本更低的内衬就能够使得坩埚多次重复使用，以大幅降低成本，节约开支。

在可选的实施方式中，所述内衬的外径小于所述坩埚筒的内径。

在可选的实施方式中，所述内衬外径与所述坩埚筒内径的尺寸差为0.1-10mm。

在可选的实施方式中，所述内衬外径与所述坩埚筒内径的尺寸差为0.5mm。

在可选的实施方式中，所述内衬的壁厚为0.5-10mm。

在可选的实施方式中，所述内衬的壁厚为3mm。

在可选的实施方式中，所述内衬采用石墨材质制成。

在可选的实施方式中，所述腔室包含相互连通的生长腔室和原料腔室；所述生长腔室靠近所述坩埚盖所在一侧，所述原料腔室靠近所述筒底壁所在一侧；

沿所述坩埚筒的高度方向，所述内衬包括可拆分的第一内衬和层叠于所述第一内衬的第二内衬；

所述第一内衬与所述筒底壁围合形成有所述原料腔室，所述第二内衬围合形成有所述生长腔室。

在可选的实施方式中，所述第一内衬和第二内衬的厚度相同。

在可选的实施方式中，所述第一内衬的厚度大于所述第二内衬的厚度；

在可选的实施方式中，所述第一内衬的厚度大于第二内衬的厚度的差值为5mm。

第二方面，本实用新型提供一种晶体生长设备，包括：

坩埚结构，所述坩埚结构包括：坩埚筒，包括筒底壁和筒侧壁；坩埚盖，所述坩埚盖盖设于所述筒侧壁与所述筒底壁相对的一侧；以及筒状的内衬，所述内衬套设在所述坩埚筒的所述筒侧壁内；沿所述坩埚筒的高度方向，所述内衬从所述坩埚筒的所述筒底壁延伸至所述坩埚盖；所述内衬与所述筒底壁围合形成有腔室；

保温毡，设置在所述坩埚结构的外侧，用于包裹所述坩埚结构；

加热装置，设置在所述保温毡的外侧，用于加热所述保温毡，且用于对所述坩埚结构加热。

这样的晶体生长设备具有结构简单、操纵方便，且防止坩埚过度粉化导致晶体的碳包裹缺陷，还能提高坩埚的复用次数，从而降低晶体生长成本。

本实用新型实施例的有益效果包括，例如：

本方案的坩埚结构包括坩埚筒、坩埚盖和筒状的内衬。本方案的坩埚结构在坩埚筒的筒侧壁内设置有筒状的内衬，因为内衬是与坩埚筒可拆卸连接，相较于现有技术中，碳化硅粉料直接设置在坩埚筒内，而温会导致石墨出现过度粉化而出现石墨颗粒，石墨颗粒随着升华气氛进入碳化硅晶体，进而导致晶体成碳包裹缺陷的情况。本案的坩埚结构在每次生产时可以更换新的内衬套设在坩埚筒中，而碳化硅粉料设置在全新的未出现过度粉化的内衬中，坩埚筒与内衬又相互隔开，一方面内衬不会出现过度碳粉化，第二方面坩埚筒出现碳粉化的碳颗粒也不能进入生长室，进而避免了石墨颗粒随着升华过程进入碳化硅晶体而形成碳包裹缺陷的情况。

本方案的晶体生长设备，包括坩埚结构、保温毡和加热装置。这样的晶体生长设备具有结构简单、操纵方便，且防止坩埚过度粉化导致晶体的碳包裹缺陷，还能提高坩埚的复用次数，从而降低晶体生长成本。

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1的坩埚结构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2的坩埚结构的结构示意图。

图标：10-坩埚结构；100-坩埚筒；100a-腔室；101-生长腔室；102-原料腔室；110-筒底壁；120-筒侧壁；200-坩埚盖；300-内衬；310-第一内衬；320-第二内衬；20-粉料；30-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，若出现术语“上”、“下”、“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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。

碳化硅(SiC)作为第三代半导体，具有禁带宽度大、热导率高、载流子饱和迁移率高等特点，其优异的物理性能可以满足功率半导体器件对于高温、高压、高频的需求，因此SiC在新能源汽车、通信、电力传输等领域有着重要的作用。此外SiC与氮化镓(GaN)的晶格与热膨胀相匹配，因此以SiC也可以作为生长高质量GaN理想的衬底材料。

目前SiC晶体普遍采用物理气相传输法(PVT)进行生长，该方法将碳化硅通过高温加热令碳化硅粉料发生升华，升华后的气体在低温区结晶生成单晶。

碳化硅晶体生长的温度很高，升华以及结晶反应只能在石墨坩埚中进行。石墨虽然在绝缘环境下耐高温，但是长时间处于高温会导致石墨出现粉化，粉化的石墨颗粒随着升华过程进入碳化硅晶体，从而形成碳包裹缺陷。碳包裹缺陷容易诱发位错，甚至形成微管，危害晶体良率。

因此晶体中的碳包裹缺陷需要避免，而解决碳包裹缺陷也成为了碳化硅晶体生长的行业难题。

坩埚的粉化会导致晶体容易出现碳包裹缺陷，很多工艺采用石墨坩埚一炉一换的方式来解决这一问题。但是石墨坩埚体积大、成本高，采用石墨坩埚一炉一换的策略不利于控制成本；

此外半绝缘晶体对杂质浓度有较高的要求，坩埚一炉一换不利于降低晶体中的杂质浓度。

为改善上述技术问题，在下面的实施例中提供一种坩埚结构和晶体生长设备。

请参考图1，本实施例提供了一种坩埚结构10，包括：坩埚盖200、坩埚筒100，以及筒状的内衬300。

坩埚筒100包括筒底壁110和筒侧壁120；

坩埚盖200盖设于筒侧壁120与筒底壁110相对的一侧；内衬300套设在坩埚筒100的筒侧壁120内；沿坩埚筒100的高度方向，内衬300从坩埚筒100的筒底壁110延伸至坩埚盖200；

内衬300与筒底壁110围合形成有腔室100a。

本方案的坩埚结构10在坩埚筒100的筒侧壁120设置有筒状的内衬300，因为内衬300是与坩埚筒100可拆卸连接，每次生产时均可以更换新的内衬300，如此可以改善现有技术中因为坩埚筒100自身因为长时间处于高温会导致石墨出现粉化，粉化的石墨颗粒随着升华过程进入碳化硅晶体30，从而形成碳包裹缺陷的情况。

具体分析，因为内衬300是嵌套在石墨坩埚的筒侧壁120，每次晶体30生长完成之后，更换新的内衬300。由于腔室100a内的石墨均是新的，石墨粉化不严重，因此可以抑制晶体30出现碳包裹。同时由于内衬300将坩埚筒100和生长室隔绝，因此坩埚的粉化并不会诱发碳包裹，因此坩埚可以多次复用，节约成本。

还需要说明的是，内衬300是沿坩埚筒100的高度方向延伸布置。这样的布置方式使得坩埚在高温中，碳化硅粉料20的升华，以及碳化硅粉料20在坩埚盖200上的累积均在内衬300中完成。而坩埚筒100与内侧是相对隔开的，从而避免了坩埚筒100的过度粉化导致晶体30的碳包裹缺陷。综上，这样的坩埚结构10具有结构简单、操作方便；且在保障硅晶体30的品质的情况下，通过更换成本更低的内衬300就能够使得坩埚多次重复使用，以大幅降低成本，节约开支。

请继续参阅图1，以了解坩埚结构10的更多结构细节。

从图中可以看出，坩埚筒100为圆柱形结构。坩埚筒100的底部封闭，顶部敞开。坩埚盖200为圆盘形，且坩埚盖200盖设在坩埚筒100的顶部开口处以封闭坩埚筒100。可选的，坩埚筒100为石墨材质制成。

可选的，内衬300是石墨材料，可以嵌套在石墨坩埚的筒侧壁120。由于内衬300将坩埚筒100和生长室隔绝，因此坩埚的粉化并不会诱发碳包裹，因此坩埚可以多次复用，节约成本。

可选的，内衬300的石墨孔隙的孔径为2-50nm。

关于内衬300的具体材质，本领域技术人员应当能够根据实际需求进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。

从图中可以看出，内衬300的筒状环壁的壁厚是小于坩埚筒100的壁厚的。内衬300从坩埚筒100的内部底部，一直延伸至坩埚筒100的开口处。这样的设置方式能够在保障坩埚内粉料20的升华效果的同时，还能够降低内衬300的成本，以提高坩埚结构10的经济性。

可以理解的是，关于内衬300的壁厚，本领域技术人员应当能够根据实际需求进行合理的选择和设计，这里不作具体限制，示例地，在其他实施例中，内衬300的壁厚还可以是等于或小于坩埚筒100的壁厚以适用于不同的实际情况，这里仅仅是个示例，只要内衬300能够将坩埚筒100和生长室隔开，同时能够传导热量使得碳化硅粉料20升华即可，具体不做限定。

从图中还可以看出，坩埚盖200上还具有用于容纳碳化硅晶体30的籽晶盖，该籽晶盖位于内衬300围合形成的筒状空间内。即内衬300围合形成的生长室既能够用于碳化硅粉料20的升华，还能够确保碳化硅粉料20的结晶成型。

进一步的，内衬300的外径小于坩埚筒100的内径。在本实用新型的本实施例中，内衬300外径与坩埚筒100内径的尺寸差为0.1-10mm。可选的，内衬300外径与坩埚筒100内径的尺寸差为0.5mm。

石墨在加热前后会出现不同程度的变形，因此内衬300的外径需要略小于坩埚筒100的内径，从而方便拆卸。

进一步的，在本实用新型的本实施例中，内衬300的壁厚为0.5-10mm。可选的，内衬300的壁厚为3mm。

过厚的内衬300壁会提高成本，过薄的内衬300壁容易被碳化硅气氛腐蚀破坏，起不到隔绝的作用。本实施例选用的内衬300壁厚0.5-10mm能够很好地兼顾内衬300成本，以及内衬300隔绝生长室和坩埚筒100的目的。

进一步的，请参考图2，内衬300包括上下布置的分体式内衬300。

具体的，在本实施例中，腔室100a包含相互连通的生长腔室101和原料腔室102；生长腔室101靠近坩埚盖200所在一侧，原料腔室102靠近筒底壁110所在一侧；

沿坩埚筒100的高度方向，内衬300包括可拆分的第一内衬310和层叠于第一内衬310的第二内衬320筒状的第一内衬310和第二内衬320；

第一内衬310与筒底壁110围合形成有原料腔室102，第二内衬320围合形成有生长腔室101。

考虑到和粉料20接触部分的内衬300受到的腐蚀较多、粉化严重，因此可采用上下分体式内衬300的设计。因为位于上方的第二内衬320没有接触碳化硅粉料20，而碳化硅粉料20则填满位于下方的第一内衬310内的原料腔室102内，如此使得坩埚加热时第一内衬310则迅速因与粉料20接触而受到更多的腐蚀、粉化情况也更加严重。而位于上方的第二内衬320则因为远离碳化硅粉料20，而受到腐蚀较少，收到粒料粉化的情况也更少。

如此根据具体的工艺参数，晶体30生长过后，若第二内衬320的粉化不严重，那么可多次复用，仅更换第一内衬310，从而进一步降低成本。这样上下分体的方式能够进一步减轻坩埚结构10生产碳化硅晶体30过程中的浪费。

关于第一内衬310和第二内衬320的具体连接方式，本领域技术人员应当能够根据实际需求进行合理的选择和设计，这里不作具体限制，示例地，第一内衬310和第二内衬320可采用螺纹连接、卡接等方式以适用于不同的实际情况，这里仅仅是个示例，只要第二内衬320层叠于第一内衬310上即可，具体不做限定。

可选的，第一内衬310和第二内衬320的厚度相同。

作为一种其他实施方式，第一内衬310的厚度大于第二内衬320的厚度。可选的，第一内衬310的厚度大于第二内衬320的厚度的差值为5mm。在坩埚受热时内衬300也相应地发热，相较于第二内衬320，因为第一内衬310直接与碳化硅粉料20接触，第一内衬310受到的腐蚀较大，因此可以适当增大第一内衬310的厚度，从而抵消第一内衬310的腐蚀量，以确保整个生长腔室101内径的统一，避免第一内衬310和第二内衬320直径的变化而对生产气氛的流动产生不利影响、进而影响硅晶体30的成型的情况。

使用时，将粉料20掺入内衬300中的生长腔室101内。

1.制备碳化硅颗粒：通过高温直接合成法制备晶粒粒度为0.1～1.0mm的碳化硅单晶粒；

2.将第一内衬310和第二内衬320依次叠放在坩埚筒100内；

3.将碳化硅粉料20装入第一内衬310中，且粉料20距离第一内衬310的顶部预设距离，并对粉料20进行压实；

4.对已装炉的原料进行预烧处理。

第二方面，本实用新型提供一种晶体生长设备，包括：

坩埚结构10，坩埚结构10包括：坩埚筒100，包括筒底壁110和筒侧壁120；坩埚盖200，坩埚盖200盖设于筒侧壁120与筒底壁110相对的一侧；以及筒状的内衬300，内衬300套设在坩埚筒100的筒侧壁120内；沿坩埚筒100的高度方向，内衬300从坩埚筒100的筒底壁110延伸至坩埚盖200；内衬300与筒底壁110围合形成有腔室100a；

保温毡，设置在坩埚结构10的外侧，用于包裹坩埚结构10；

加热装置，设置在保温毡的外侧，用于加热保温毡，且用于对坩埚结构10加热。

这样的晶体生长设备具有结构简单、操纵方便，且防止坩埚过度粉化导致晶体30的碳包裹缺陷，还能提高坩埚的复用次数，从而降低晶体30生长成本。

综上，本实用新型实施例提供了一种坩埚结构10和晶体生长设备，至少具有以下优点：

本方案的坩埚结构10在坩埚筒100的内壁处设置有筒状的内衬300，因为内衬300是与坩埚筒100可拆卸连接，相较于现有技术中，碳化硅粉料20直接设置在坩埚筒100内，而温会导致石墨出现过度粉化而出现石墨颗粒，石墨颗粒随着升华气氛进入碳化硅晶体30，进而导致晶体30成碳包裹缺陷的情况。本案的坩埚结构10在每次生产时可以更换新的内衬300套设在坩埚筒100中，而碳化硅粉料20设置在全新的未出现过度粉化的内衬300中，坩埚筒100与内衬300又相互隔开，一方面内衬300不会出现过度碳粉化，第二方面坩埚筒100出现碳粉化的碳颗粒也不能进入生长室，进而避免了石墨颗粒随着升华过程进入碳化硅晶体30而形成碳包裹缺陷的情况。

本方案的晶体生长设备，包括坩埚结构10、保温毡和加热装置。这样的晶体生长设备具有结构简单、操纵方便，且防止坩埚过度粉化导致晶体30的碳包裹缺陷，还能提高坩埚的复用次数，从而降低晶体30生长成本。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种坩埚结构，其特征在于，包括：

坩埚筒(100)，包括筒底壁(110)和筒侧壁(120)；

坩埚盖(200)，所述坩埚盖(200)盖设于所述筒侧壁(120)与所述筒底壁(110)相对的一侧；

以及筒状的内衬(300)，所述内衬(300)套设在所述坩埚筒(100)的所述筒侧壁(120)内；沿所述坩埚筒(100)的高度方向，所述内衬(300)从所述坩埚筒(100)的所述筒底壁(110)延伸至所述坩埚盖(200)；

所述内衬(300)与所述筒底壁(110)围合形成有腔室(100a)。

2.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

所述内衬(300)的外径小于所述坩埚筒(100)的内径。

3.根据权利要求2所述的坩埚结构，其特征在于：

所述内衬(300)外径与所述坩埚筒(100)内径的尺寸差为0.1-10mm。

4.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

所述内衬(300)采用石墨材质制成。

5.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

所述内衬(300)的壁厚为0.5-10mm。

6.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

所述腔室(100a)包括相互连通的生长腔室(101)和原料腔室(102)；所述生长腔室(101)靠近所述坩埚盖(200)所在一侧，所述原料腔室(102)靠近所述筒底壁(110)所在一侧；

沿所述坩埚筒(100)的高度方向，所述内衬(300)包括可拆分的第一内衬(310)和层叠于所述第一内衬(310)的第二内衬(320)；

所述第一内衬(310)与所述筒底壁(110)围合形成有所述原料腔室(102)，所述第二内衬(320)围合形成有所述生长腔室(101)。

7.根据权利要求6所述的坩埚结构，其特征在于：

所述第一内衬(310)和第二内衬(320)的厚度相同。

8.根据权利要求6所述的坩埚结构，其特征在于：

所述第一内衬(310)的厚度大于所述第二内衬(320)的厚度。

9.根据权利要求8所述的坩埚结构，其特征在于：

所述第一内衬(310)与所述第二内衬(320)的厚度差值为5mm。

10.一种晶体生长设备，其特征在于，包括：

坩埚结构，所述坩埚结构包括：坩埚筒(100)，包括筒底壁(110)和筒侧壁(120)；坩埚盖(200)，所述坩埚盖(200)盖设于所述筒侧壁(120)与所述筒底壁(110)相对的一侧；以及筒状的内衬(300)，所述内衬(300)套设在所述坩埚筒(100)的所述筒侧壁(120)内；沿所述坩埚筒(100)的高度方向，所述内衬(300)从所述坩埚筒(100)的所述筒底壁(110)延伸至所述坩埚盖(200)；所述内衬(300)与所述筒底壁(110)围合形成有腔室(100a)；

保温毡，设置在所述坩埚结构的外侧，用于包裹所述坩埚结构；

加热装置，设置在所述保温毡的外侧，用于加热所述保温毡，且用于对所述坩埚结构加热。

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