CN219059209U - 碳化硅生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种碳化硅生长装置，涉及碳化硅晶体生长技术领域，该碳化硅生长装置包括坩埚、籽晶载具、第一保温层和第一石墨纸，籽晶载具盖合在坩埚上，第一保温层包覆在坩埚外，且第一保温层的周缘开设有调温孔，第一石墨纸设置在第一保温层与坩埚之间，并至少封堵在调温孔的内侧周围。通过在第一保温层上贯通开设调温孔，整体降低了边缘区域的局部温度，从而改变坩埚内的温场分布，降低径向温度梯度，提高边缘的结晶速率。同时，第一石墨纸能够起到导热作用，从而调节热量分布，避免调温孔区域的温差过大，提升整体的温度均匀性，进而进一步优化生长腔室内的径向温度梯度，避免晶体生长时凸度过大，有利于晶体质量的提升。

Description

碳化硅生长装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅晶体生长技术领域，具体而言，涉及一种碳化硅生长装置。

背景技术

碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表，具有宽带隙、高临界电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度及化学稳定性好等特点，因此其作为制备高频率、大功率、高温、高频耐腐蚀和抗辐照半导体器件广泛的应用于极端环境中，碳化硅单晶在未来具有举足轻重的地位和很好的应用前景。同时，SiC衬底直径增加，能大幅降低用SiC制备的LED、功率器件或电力电子器件的价格，对SiC器件的推广使用有着深远的影响。

因为碳化硅单晶困难的生产工艺，目前最为成熟的工艺为物理气相输运法(PVT)。PVT法生长的过程是在一个密闭的石墨坩埚之中，通常在坩埚底部放置多晶SiC原料，在顶部放置籽晶，利用原料与籽晶之间存在温度梯度，SiC气体从表面运输至籽晶上。其径向温度分布特点为中心位置的温度最低，边缘温度最高，中心温度与边缘温度差别越大，晶体生长面就越凸。当使用PVT法生长大尺寸SiC晶体时，由于坩埚尺寸增大，其径向温梯增大，使得晶体生长时凸度过大，不利于生长出高质量SiC晶体。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种碳化硅生长装置，其能够优化径向温度梯度，能够避免晶体生长时凸度过大，有利于生长出高质量的碳化硅晶体。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型提供一种碳化硅生长装置，包括：

坩埚；

籽晶载具，所述籽晶载具盖合在所述坩埚上；

第一保温层，所述第一保温层包覆在所述坩埚外，且所述第一保温层的周缘开设有调温孔；

第一石墨纸，所述第一石墨纸设置在所述第一保温层与所述坩埚之间，并至少封堵在所述调温孔的内侧周围。

在可选的实施方式中，所述调温孔为多个，多个所述调温孔间隔分布在所述第一保温层上，多个所述调温孔相对于所述坩埚的底壁的高度相同。

在可选的实施方式中，多个所述调温孔的上侧边缘均与所述籽晶载具的底侧相平齐。

在可选的实施方式中，所述第一石墨纸环设在所述坩埚的外周面，并同时封堵多个所述调温孔。

在可选的实施方式中，所述第一石墨纸的外周缘缠绕有石墨绳，所述石墨绳用于将所述第一石墨纸捆绑固定在所述坩埚的外壁上。

在可选的实施方式中，多个所述调温孔均呈圆形。

在可选的实施方式中，每个所述调温孔的孔径为1-2cm。

在可选的实施方式中，所述籽晶载具的外侧设置有第二保温层。

在可选的实施方式中，所述第二保温层和所述籽晶载具之间还设置有第二石墨纸，所述第二石墨纸覆盖在所述籽晶载具的外侧表面。

在可选的实施方式中，所述调温孔内的所述第一保温层的厚度在0-8mm之间。

在可选的实施方式中，所述坩埚包括坩埚本体和坩埚盖体，所述坩埚盖体设置在所述坩埚本体的顶部，并设置有安装孔，所述籽晶载具装配在所述坩埚盖体上，并部分装配在所述安装孔中，且所述籽晶载具的底侧表面固定有籽晶。

在可选的实施方式中，所述籽晶载具包括限位部和装配部，所述装配部设置在所述限位部的底侧，所述装配部的形状与所述安装孔的形状相适配，并容置在所述安装孔中，且所述装配部的底侧表面与所述安装孔底侧边缘相平齐，所述限位部与所述坩埚盖体的外侧表面相抵持。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供的碳化硅生长装置，将籽晶载具盖合在坩埚上，籽晶载具上固定有籽晶，从而构成了密闭的生长腔室，在坩埚外包覆第一保温层，且第一保温层上贯通开设有调温孔，能够实现局部温度的调整，从而改变坩埚内的温场分布。同时，第一保温层与坩埚之间还设置有第一石墨纸，第一石墨纸能够至少封堵在调温孔的内侧周围，能够起到导热作用，从而调节热量分布，避免调温孔区域和非调温孔区域的温差过大，提升整体的温度均匀性，进而优化生长腔室内的径向温度梯度，避免晶体生长时凸度过大。相较于现有技术，本实用新型通过在第一保温层上设置调温孔，从而改变坩埚内的温场分布，并搭配第一石墨纸来改善局部温度的均匀性，能够优化坩埚内的径向温度梯度，避免晶体生长时凸度过大，有效厚度高，在整个生长阶段维持晶体形貌减少多型的产生以及降低缺陷密度，提升生长过程中晶体电阻的均一性，有利于生长出高质量的碳化硅晶体。

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提供的碳化硅生长装置在第一视角下的结构示意图；

图2为图1中Ⅱ的局部放大示意图；

图3为本实用新型实施例提供的碳化硅生长装置在第二视角下的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的碳化硅生长装置的局部结构示意图；

图5为其他较佳的实施例中碳化硅生长装置的局部结构示意图。

图标:

100-碳化硅生长装置；110-坩埚；111-坩埚本体；113-坩埚盖体；115-安装孔；130-籽晶载具；131-限位部；133-装配部；150-第一保温层；151-调温孔；170-第一石墨纸；180-第二保温层；190-第二石墨纸；200-碳化硅粉末。

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

正如背景技术中所公开的，现有技术中的碳化硅生长坩埚装置，其通常由坩埚和籽晶盖构成，并利用PVT法进行生长。通常在坩埚底部放置多晶SiC原料，在顶部放置籽晶，利用原料与籽晶之间存在温度梯度，SiC气体从表面运输至籽晶上。其径向温度分布特点为中心位置的温度最低，边缘温度最高，中心温度与边缘温度差别越大，晶体生长面就越凸。当使用PVT法生长大尺寸SiC晶体时，由于坩埚尺寸增大，其径向温梯增大，使得晶体生长时凸度过大，不利于生长出高质量SiC晶体。

因此，目前的坩埚尺寸较大，导致坩埚中心温度偏低，而边缘温度偏高，特别是在籽晶的生长界面处，由于远离热源，导致其温度最低，坩埚内径向温度梯度增大，晶体的生长面过于凸出，生长过程中容易造成多型和缺陷的产生，并且生长过程中晶体电阻的均一性也受到影响。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种新型的碳化硅生长装置，下面对该生长装置进行详细介绍。

请参照图1至图4，本实施例提供一种碳化硅生长装置100，适用于碳化硅单晶生长，其能够优化生长腔室内的径向温度梯度，并能够避免晶体生长时凸度过大，有利于生长出高质量的碳化硅晶体。

本实施例提供的碳化硅生长装置100，包括坩埚110、籽晶载具130、第一保温层150和第一石墨纸170，坩埚110为上部开口结构，并且内部用于放置碳化硅粉末200，籽晶载具130盖合在坩埚110上，并与坩埚110构成了晶体生长腔室，且籽晶载具130的底侧固定有籽晶，第一保温层150包覆在坩埚110外，且第一保温层150的周缘开设有调温孔151，第一石墨纸170设置在第一保温层150与坩埚110之间，并至少封堵在调温孔151的内侧周围。其中，第一石墨纸170用于实现导热，并改善调温孔151所在区域和非打孔区域的温度均匀性，避免出现温度突变区域。

在本实施例中，碳化硅生长装置100用于利用物理气相输运法(PVT)来实现碳化硅晶体的生长。具体地，籽晶的表面具有生长界面，碳化硅粉末200装入在坩埚110底部，在坩埚110的加热作用下，碳化硅粉末200升华为气体，从表面运输至籽晶的生长界面。而由于坩埚110的热源在底部和四周，故晶体生长腔室的温度分布特点为中心位置的温度最低，边缘位置的温度最高，而温度梯度越大，则会导致晶体生长面的凸度越大。而传统技术中利用PVT法进行生长时的坩埚110的尺寸较大，导致内部径向温度梯度进一步增大，从而导致晶体生长面凸度过大而影响晶体质量。针对这一现象，本实施例中通过在第一保温层150上贯通开设调温孔151，使得调温孔151区域失去保温效果，并与外部接触，从而能够实现温度的降低，整体降低了边缘区域的局部温度，能够实现局部温度的调整，从而改变坩埚110内的温场分布，降低径向温度梯度，提高边缘的结晶速率。同时，第一保温层150与坩埚110之间还设置有第一石墨纸170，第一石墨纸170能够至少封堵在调温孔151的内侧周围，能够起到导热作用，从而调节热量分布，避免调温孔151区域和非打孔区域的温差过大，提升整体的温度均匀性，进而进一步优化生长腔室内的径向温度梯度，避免晶体生长时凸度过大，有利于晶体质量的提升。

需要说明的是，本实施例中第一保温层150可以是碳毡保温层，碳毡保温层包覆在整个坩埚110的周面上，且碳毡保温层的高度与坩埚110的高度相同，能够实现整个坩埚110的保温作用。当然，此处第一保温层150也可以是其他材料，例如石墨毡保温层。

在本实施例中，调温孔151内的第一保温层150的厚度在0-8mm之间，优选可以是0mm，即调温孔151为多个通孔结构，多个调温孔151间隔分布在第一保温层150上，多个调温孔151相对于坩埚110的底壁的高度相同。具体地，多个调温孔151间隔分布在第一保温层150的上部，且多个调温孔151沿同一水平面布置，能够保证同一水平面上径向温度梯度得以改善。优选地，调温孔151可以是六个，六个调温孔151均匀分布在第一保温层150的周缘，并分布在同一高度。当然，此处对于调温孔151的数量仅仅是举例说明，并不起到任何限定作用。

参见图5，在一些实施方式中，调温孔151也可以是盲孔结构，且调温孔151的数量相对增加，例如可以是八个或十个，同时调温孔151内的第一保温层150的厚度小于或等于8mm，同样能够达到调温的目的。优选地，位于调温孔151内的第一保温层150的厚度可以是8mm。

需要说明的是，本实施例中调温孔151内的第一保温层150的厚度，指的是调温孔151所在区域且沿坩埚110径向方向上第一保温层150的厚度，其主要能够表征坩埚110的外壁与外部空间的最小距离。

请继续参见图1至图4，在本实施例中，多个调温孔151设置在第一保温层150的上部，优选地，多个调温孔151的上侧边缘均与籽晶载具130的底侧相平齐。具体地，多个调温孔151的上侧边缘位于同一平面，该平面与籽晶载具130的底侧表面共面，能够在晶体生长初期即对温度梯度进行优化。并且，多个调温孔151靠近上部设置，能够降低晶体生长腔室的顶部边缘的温度，提高边缘的结晶速率。

需要说明的是，此处籽晶载具130上并未设置热源，而坩埚110的周壁和底壁上均设置有热源，以实现加热。故传统技术晶体生长腔室中顶部的温度梯度最大，因而本实施例中在第一保温层150的上部开设调温孔151，能够更加有效地优化晶体生长腔室内的温度分布。

值得注意的是，本实施例中第一石墨纸170具有良好的导热性能，第一石墨纸170环设在坩埚110的外周面，并同时封堵多个调温孔151。其中第一石墨纸170的宽度大于调温孔151的宽度，且第一石墨纸170环坩埚110一圈放置，利用其良好的导热作用，使得同高度的调温孔151区域和未打孔区域温度均匀分布，进一步优化温度分布。

在本实施例中，为了方便第一石墨纸170的安装，第一石墨纸170的外周缘缠绕有石墨绳(图未示)，石墨绳用于将第一石墨纸170捆绑固定在坩埚110的外壁上。具体地，在实际装配时，首先需要调温孔151相对于坩埚110的位置，确定调温孔151位置后，用石墨绳将第一石墨纸170捆绑固定在坩埚110的外壁上，然后再进行第一保温层150的覆盖。此处石墨绳可以起到预固定的作用，在覆盖第一保温层150时，可以将石墨绳压平，从而保证第一保温层150与坩埚110外表面之间的紧密贴合。

在本实用新型其他较佳的实施例中，也可以利用导热胶将第一石墨纸170贴装在坩埚110的外周面上实现固定，或者在第一石墨纸170的端头位置设置卡扣结构，使得第一石墨纸170完成缠绕后利用自身结构实现固定。此处对于第一石墨纸170的固定方式在此不作具体限定。

在本实施例中，多个调温孔151均呈圆形。具体地，多个调温孔151的孔径均相同，且圆心位于同一平面上，每个调温孔151的孔径为1-2cm，优选地，每个调温孔151的孔径为1.5cm。当然，此处调温孔151的形状也可以是矩形、条形或菱形等其他形状，且此处调温孔151的尺寸仅仅是举例说明，并不起到限定作用。

在本实施例中，籽晶载具130的外侧设置有第二保温层180。具体地，籽晶载具130的顶侧表面覆盖有第二保温层180，第二保温层180也可以是碳毡，能够对顶部起到良好的保温作用，避免热量由籽晶载具130向外逸散。

进一步地，第二保温层180和籽晶载具130之间还设置有第二石墨纸190，第二石墨纸190覆盖在籽晶载具130的外侧表面。具体地，在籽晶载具130的顶侧放置第二石墨纸190，利用第二石墨纸190良好的导热作用，可以减小顶部的径向梯度，进一步优化晶体生长腔室内的温度分布，有利于提升生长晶体的质量。

需要说明的是，本实施例中通过顶部的第二石墨纸190配合调温孔151的设置，可以有效降低晶体生长腔室内的径向梯度，使得晶体维持在微凸的界面进行生长。

坩埚110包括坩埚本体111和坩埚盖体113，坩埚盖体113设置在坩埚本体111的顶部，并设置有安装孔115，籽晶载具130装配在坩埚盖体113上，并部分装配在安装孔115中，且籽晶载具130的底侧表面固定有籽晶。具体地，坩埚盖体113与坩埚本体111一体成型，坩埚盖体113由坩埚本体111的边缘朝向中心凸起，并围设形成安装孔115，其中坩埚盖体113的底侧表面呈斜面状，有助于将碳化硅气流导流至籽晶的表面。

籽晶载具130包括限位部131和装配部133，装配部133设置在限位部131的底侧，装配部133的形状与安装孔115的形状相适配，并容置在安装孔115中，且装配部133的底侧表面与安装孔115底侧边缘相平齐，限位部131与坩埚盖体113的外侧表面相抵持。具体地，籽晶载具130可以采用石墨载具，限位部131和装配部133一体成型，且整体截面呈T字形，装配部133能够恰好装配在安装孔115中，保证密封性，而限位部131能够抵持在坩埚盖体113的外侧表面，起到限位作用，保证装配部133能够恰好伸入到晶体生长腔室，保证装配的精确度。

在实际晶体生长时，可以先在坩埚本体111的底部装入4.0kg纯度5N-6N的碳化硅粉末200，然后将籽晶固定在籽晶载具130上，然后将籽晶载具130与坩埚盖体113装配。然后完成第一石墨纸170、第一保温层150、第二石墨纸190和第二保温层180的设置，利用顶部的第二石墨纸190以及搭配有第一石墨纸170的调温孔151形成的保温结构进行PVT法长晶。经过测试，长出晶体的凸出高度差在0-2mm，并无多型以及多晶现象，在进行切片制造衬底时，在candela下未发现线性SF的存在，单片电阻差值小于0.2mΩ/cm²。

综上所述，本实施例提供的碳化硅生长装置100，将籽晶载具130盖合在坩埚110上，籽晶载具130上固定有籽晶，从而构成了密闭的生长腔室，在坩埚110外包覆第一保温层150，且第一保温层150上贯通开设有调温孔151，能够实现局部温度的调整，从而改变坩埚110内的温场分布。同时，第一保温层150与坩埚110之间还设置有第一石墨纸170，第一石墨纸170能够至少封堵在调温孔151的内侧周围，能够起到导热作用，从而调节热量分布，避免调温孔151区域和非调温孔151区域的温差过大，提升整体的温度均匀性，进而优化生长腔室内的径向温度梯度，避免晶体生长时凸度过大。同时，在籽晶载具130的顶侧设置第二石墨纸190，能够进一步改善内部的温度分布。本实施例通过在第一保温层150上设置调温孔151，从而改变坩埚110内的温场分布，并搭配第一石墨纸170来改善局部温度的均匀性，能够优化坩埚110内的径向温度梯度，同时搭配顶部的第二石墨纸190进行径向温度的改善，能够避免晶体生长时凸度过大，有效厚度高，在整个生长阶段维持晶体形貌减少多型的产生以及降低缺陷密度，提升生长过程中晶体电阻的均一性，有利于生长出高质量的碳化硅晶体。

以上所述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 (10)

1.一种碳化硅生长装置，其特征在于，包括：

坩埚(110)；

籽晶载具(130)，所述籽晶载具(130)盖合在所述坩埚(110)上；

第一保温层(150)，所述第一保温层(150)包覆在所述坩埚(110)外，且所述第一保温层(150)上开设有调温孔(151)；

第一石墨纸(170)，所述第一石墨纸(170)设置在所述第一保温层(150)与所述坩埚(110)之间，并封堵在所述调温孔(151)的内侧周围。

2.根据权利要求1所述的碳化硅生长装置，其特征在于，所述调温孔(151)为多个，多个所述调温孔(151)间隔分布在所述第一保温层(150)上，且多个所述调温孔(151)相对于所述坩埚(110)的底壁的高度相同。

3.根据权利要求2所述的碳化硅生长装置，其特征在于，多个所述调温孔(151)的上侧边缘均与所述籽晶载具(130)的底侧相平齐。

4.根据权利要求2所述的碳化硅生长装置，其特征在于，所述第一石墨纸(170)环设在所述坩埚(110)的外周面，并同时封堵多个所述调温孔(151)。

5.根据权利要求4所述的碳化硅生长装置，其特征在于，所述第一石墨纸(170)的外周缘缠绕有石墨绳，所述石墨绳用于将所述第一石墨纸(170)捆绑固定在所述坩埚(110)的外壁上。

6.根据权利要求2所述的碳化硅生长装置，其特征在于，多个所述调温孔(151)均呈圆形。

7.根据权利要求6所述的碳化硅生长装置，其特征在于，每个所述调温孔(151)的孔径为1-2cm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的碳化硅生长装置，其特征在于，所述籽晶载具(130)的外侧设置有第二保温层(180)。

9.根据权利要求8所述的碳化硅生长装置，其特征在于，所述第二保温层(180)和所述籽晶载具(130)之间还设置有第二石墨纸(190)，所述第二石墨纸(190)覆盖在所述籽晶载具(130)的外侧表面。

10.根据权利要求1-7任一项所述的碳化硅生长装置，其特征在于，所述调温孔(151)内的所述第一保温层(150)的厚度在0-8mm之间。

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