CN219099384U - 一种碳化硅晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种碳化硅晶体生长装置，所述碳化硅晶体生长装置包括腔室和设置于所述腔室内部的石墨坩埚、石墨托、隔热箱、升降旋转组件和加热组件；所述升降旋转组件包括晶杆和坩埚托；所述晶杆贯穿于所述隔热箱和腔室的顶部并固定连接于所述石墨托；所述坩埚托贯穿于所述隔热箱和腔室的底部并固定连接于所述石墨坩埚；所述加热组件包括第一加热器和第二加热器；所述第一加热器设置于所述隔热箱和腔室的侧壁之间区域；所述第二加热器设置于所述石墨坩埚和隔热箱的底部之间区域；所述石墨坩埚和坩埚托分别与所述第二加热器之间呈现非直接接触。本实用新型提供的装置补偿了坩埚内壁的底部中央区域温度，改善了籽晶处的晶体生长质量。

Description

一种碳化硅晶体生长装置

技术领域

本实用新型属于半导体制造技术领域，涉及一种晶体生长装置，尤其涉及一种碳化硅晶体生长装置。

背景技术

碳化硅是一种宽禁带半导体材料，以碳化硅衬底制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射、效率高等优势，在射频、新能源汽车等领域具有重要的应用价值。

物理气相传输法是一种常见的碳化硅晶体生长方法，其在真空环境下通过感应加热的方式加热碳化硅粉料，使其升华产生包含Si、Si₂C、SiC₂等不同气相组分的反应气体，通过固-气反应产生碳化硅单晶。这种方法制造的单晶含有较多微管、位错等缺陷，给碳化硅器件的性能带来了负面影响。

溶液法的晶体生长更接近热力学平衡条件，可以制造出更高质量的碳化硅晶体。溶液法的基本原理是：将含硅助熔剂置于石墨坩埚中，利用感应加热的方式熔化助熔剂，石墨坩埚中的碳溶解到助熔剂中；然后将碳化硅籽晶置于助熔剂的液面，由于籽晶处的过冷，碳在籽晶的固液界面上析出，并和助熔剂中的硅结合形成碳化硅晶体。

目前的碳化硅晶体生长装置采用设置在坩埚外周的加热器对坩埚进行加热，坩埚内壁的底部在径向存在温度场不均匀的情况，坩埚内壁的底部中央区域温度低，四周温度高，使得碳化硅在坩埚内部的底部中央区域结晶。这部分晶体为多晶，附着在坩埚内壁，由于溶液的流动，会将晶体冲刷下来，并随着溶液流动而移动至籽晶或籽晶处外延生长的晶体固液界面附近，容易造成夹杂、多晶、多型共生等缺陷。

由此可见，如何对碳化硅晶体生长装置的结构进行优化改进，补偿坩埚内壁的底部中央区域温度，减少碳化硅在这一区域的结晶，从而改善籽晶处的晶体生长质量，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种碳化硅晶体生长装置，所述碳化硅晶体生长装置补偿了坩埚内壁的底部中央区域温度，减少了碳化硅在这一区域的结晶，从而改善了籽晶处的晶体生长质量。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种碳化硅晶体生长装置，所述碳化硅晶体生长装置包括腔室和设置于所述腔室内部的石墨坩埚、石墨托、隔热箱、升降旋转组件和加热组件。

所述石墨坩埚和石墨托分别设置于所述隔热箱的内部。

所述升降旋转组件包括晶杆和坩埚托。

所述晶杆贯穿于所述隔热箱和腔室的顶部并固定连接于所述石墨托。

所述坩埚托贯穿于所述隔热箱和腔室的底部并固定连接于所述石墨坩埚。

所述加热组件包括第一加热器和第二加热器。

所述第一加热器设置于所述隔热箱和腔室的侧壁之间区域。

所述第二加热器设置于所述石墨坩埚和隔热箱的底部之间区域。

所述石墨坩埚和坩埚托分别与所述第二加热器之间呈现非直接接触。

本实用新型通过对传统碳化硅晶体生长装置的结构进行优化改进，在石墨坩埚的底部设置第二加热器，提升了坩埚内壁底部在径向上的温度均匀性，补偿了坩埚内壁底部的中央区域温度，减少了碳化硅在这一区域的结晶，从而改善了籽晶处的晶体生长质量。

此外，本实用新型特别限定了石墨坩埚和坩埚托分别与第二加热器之间呈现非直接接触，出于以下两方面的考虑：

一方面，第二加热器需连接电极或电缆，若是固定连接于石墨坩埚或坩埚托，鉴于坩埚托在工作过程中会进行升降和旋转，则需要针对第二加热器设计复杂的电极动态接触结构或避免电缆缠绕的结构。对此，本实用新型通过非直接接触式设计避免了第二加热器的旋转，从而降低了设计难度，提升了结构的可靠性。

另一方面，第二加热器作为加热器件，其表面通常存在很高的电压，若是直接接触于石墨坩埚或坩埚托，则需要在第二加热器的表面设置极为可靠的绝缘层。对此，本实用新型通过非直接接触式设计避免了上述问题，不需要或只需要对第二加热器的表面进行等级较低的绝缘处理，从而降低了设计难度和制造成本。

优选地，所述腔室的表面设置有至少1个抽气口和至少1个充气口，例如可以是1个、2个、3个、4个或5个，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本实用新型中，所述腔室通过至少1个抽气口与外部抽真空装置相连接，以便将腔室内的气压降低至目标值；所述腔室还通过至少1个充气口与外部充气装置相连接，以便向腔室内充入空气、氮气、氩气或氦气，为碳化硅结晶营造特定的气氛环境。

优选地，所述腔室连接有真空测试仪，以便及时测量腔室内部的真空度。

优选地，所述石墨托靠近石墨坩埚的一侧表面设置有籽晶。

本实用新型提供的装置在碳化硅结晶过程中，所述石墨托在晶杆的带动下先浸入石墨坩埚的硅助溶剂至一定深度，然后一边旋转一边向上提拉，同时石墨坩埚在坩埚托的带动下旋转，碳化硅晶体在籽晶的下表面开始缓慢结晶生长。

优选地，所述晶杆和坩埚托分别与外部运动机构相连接。

本实用新型中，所述晶杆和坩埚托分别在外部运动机构的带动下进行升降或旋转运动，进而分别带动石墨托和石墨坩埚进行相应的运动。

优选地，所述第一加热器呈现筒状结构，且围绕于所述隔热箱的侧壁，用于对石墨坩埚的侧壁进行均匀加热。

优选地，所述第一加热器为感应加热线圈或石墨加热器。

优选地，所述第二加热器呈现环状结构，且围绕于所述坩埚托的外围，用于对石墨坩埚的底部进行均匀加热。

优选地，所述第二加热器为感应加热线圈或石墨加热器。

本实用新型中，所述感应加热线圈通入交变电流后在被加热物体中产生感应电流，从而实现加热。感应线圈的电流频率为1-100kHz，例如可以是1kHz、10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz或100kHz，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本实用新型中，所述石墨加热器在通入电流后自身温度升高，从而将热量传递给被加热物体以实现加热。

优选地，所述感应加热线圈呈现中空结构，且内部设置有冷却水通道。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过对传统碳化硅晶体生长装置的结构进行优化改进，在石墨坩埚的底部设置第二加热器，提升了坩埚内壁底部在径向上的温度均匀性，补偿了坩埚内壁底部的中央区域温度，减少了碳化硅在这一区域的结晶，从而改善了籽晶处的晶体生长质量；

(2)本实用新型特别限定了石墨坩埚和坩埚托分别与第二加热器之间呈现非直接接触，避免了第二加热器的旋转且不需要或只需要对第二加热器的表面进行等级较低的绝缘处理，降低了设计难度和制造成本，提升了结构的可靠性。

附图说明

图1为实施例1提供的碳化硅晶体生长装置结构示意图；

图2为实施例2提供的碳化硅晶体生长装置局部结构示意图；

图3为对比例1提供的碳化硅晶体生长装置局部结构示意图；

图4为对比例2提供的碳化硅晶体生长装置局部结构示意图；

图5为应用例1中石墨坩埚内壁底部在径向上的温度分布曲线图；

图6为对比应用例1中石墨坩埚内壁底部在径向上的温度分布曲线图。

其中：10-腔室；20-石墨坩埚；21-硅助溶剂；30-石墨托；40-隔热箱；50-升降旋转组件；51-晶杆；52-坩埚托；60-加热组件；61-第一加热器；62-第二加热器。

具体实施方式

需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种碳化硅晶体生长装置，如图1所示，所述碳化硅晶体生长装置包括腔室10和设置于所述腔室10内部的石墨坩埚20、石墨托30、隔热箱40、升降旋转组件50和加热组件60。所述石墨坩埚20和石墨托30分别设置于所述隔热箱40的内部。所述升降旋转组件50包括晶杆51和坩埚托52；所述晶杆51贯穿于所述隔热箱40和腔室10的顶部并固定连接于所述石墨托30；所述坩埚托52贯穿于所述隔热箱40和腔室10的底部并固定连接于所述石墨坩埚20。所述加热组件60包括第一加热器61和第二加热器62；所述第一加热器61设置于所述隔热箱40和腔室10的侧壁之间区域；所述第二加热器62设置于所述石墨坩埚20和隔热箱40的底部之间区域；所述石墨坩埚20和坩埚托52分别与所述第二加热器62之间呈现非直接接触。

本实施例中，所述腔室10的表面设置有1个抽气口和1个充气口，且所述腔室10还连接有真空测试仪(图1中未示出)。所述石墨托30靠近石墨坩埚20的一侧表面设置有籽晶。所述晶杆51和坩埚托52分别与外部运动机构相连接。所述第一加热器61呈现筒状结构，且围绕于所述隔热箱40的侧壁；所述第二加热器62呈现环状结构，且围绕于所述坩埚托52的外围。

具体地，所述第一加热器61为感应加热线圈，所述第二加热器62为石墨加热器，且所述感应加热线圈呈现中空结构，内部设置有冷却水通道。

实施例2

本实施例提供一种碳化硅晶体生长装置，如图2所示，所述碳化硅晶体生长装置除了将第二加热器62改为感应加热线圈，其余结构及条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。

实施例3

本实施例提供一种碳化硅晶体生长装置，所述碳化硅晶体生长装置除了将第一加热器61改为石墨加热器，其余结构及条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。

实施例4

本实施例提供一种碳化硅晶体生长装置，所述碳化硅晶体生长装置除了将第一加热器61改为石墨加热器，并将第二加热器62改为感应加热线圈，其余结构及条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。

对比例1

本对比例提供一种碳化硅晶体生长装置，如图3所示，所述碳化硅晶体生长装置除了将石墨坩埚20和坩埚托52分别与第二加热器62之间改为直接接触，其余结构及条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。

相较于实施例1，由于本对比例中的第二加热器直接接触于石墨坩埚和坩埚托，一方面，鉴于坩埚托在工作过程中会进行升降和旋转，则需要针对第二加热器设计复杂的电极动态接触结构或避免电缆缠绕的结构；另一方面，鉴于第二加热器表面存在很高的电压，则需要在第二加热器的表面设置极为可靠的绝缘层。因此，本对比例提供的装置在设计难度和制造成本上均高于实施例1，且结构的可靠性不及实施例1。

对比例2

本对比例提供一种碳化硅晶体生长装置，如图4所示，所述碳化硅晶体生长装置除了去除第二加热器62，其余结构及条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。

应用例1

本应用例应用实施例1提供的碳化硅晶体生长装置进行制备碳化硅晶体，具体制备方法包括以下步骤：

(1)将硅助溶剂21置于石墨坩埚20中，并使得腔室10内的气氛达到晶体生长的要求；

(2)设定第一加热器61的加热功率为20-200kW，设定第二加热器62的加热功率为2-20kW，使得石墨坩埚20中的硅助溶剂21充分熔化；

(3)利用晶杆51调节石墨托30的位置，使得石墨托30下表面的籽晶浸入硅助溶剂21至一定深度，然后一边旋转一边向上提拉，同时石墨坩埚20在坩埚托52的带动下旋转，碳化硅晶体在籽晶的下表面开始缓慢结晶生长。

其中，在步骤(3)进行的同时合理调节第二加热器62的加热功率，以便消除石墨坩埚20内壁底部中央区域的过冷现象，抑制这一区域的结晶，避免此处结晶对籽晶底部的晶体生长造成不利影响。

应用例2

本应用例应用实施例2提供的碳化硅晶体生长装置进行制备碳化硅晶体，具体制备方法与应用例1相同，故在此不做赘述。

应用例3

本应用例应用实施例3提供的碳化硅晶体生长装置进行制备碳化硅晶体，具体制备方法与应用例1相同，故在此不做赘述。

应用例4

本应用例应用实施例4提供的碳化硅晶体生长装置进行制备碳化硅晶体，具体制备方法与应用例1相同，故在此不做赘述。

对比应用例1

本对比应用例应用对比例2提供的碳化硅晶体生长装置进行制备碳化硅晶体，具体制备方法包括以下步骤：

(1)将硅助溶剂21置于石墨坩埚20中，并使得腔室10内的气氛达到晶体生长的要求；

(2)设定第一加热器61的加热功率为20-200kW，使得石墨坩埚20中的硅助溶剂21充分熔化；

(3)利用晶杆51调节石墨托30的位置，使得石墨托30下表面的籽晶浸入硅助溶剂21至一定深度，然后一边旋转一边向上提拉，同时石墨坩埚20在坩埚托52的带动下旋转，碳化硅晶体在籽晶的下表面开始缓慢结晶生长。

分别对应用例1与对比应用例1中的石墨坩埚20内壁底部在径向上的温度分布进行测量，由图5可知，应用例1中的石墨坩埚20内壁底部在径向上的温度均匀，由图6可知，对比应用例1中的石墨坩埚20内壁底部在径向上的温度呈现中央低边缘高的现象，即对比应用例1中的石墨坩埚20内壁底部在径向上的温度分布均匀性不及应用例1，最终导致对比应用例1所得碳化硅晶体质量不及应用例1。

由此可见，本实用新型通过对传统碳化硅晶体生长装置的结构进行优化改进，在石墨坩埚的底部设置第二加热器，提升了坩埚内壁底部在径向上的温度均匀性，补偿了坩埚内壁底部的中央区域温度，减少了碳化硅在这一区域的结晶，从而改善了籽晶处的晶体生长质量；此外，本实用新型特别限定了石墨坩埚和坩埚托分别与第二加热器之间呈现非直接接触，避免了第二加热器的旋转且不需要或只需要对第二加热器的表面进行等级较低的绝缘处理，降低了设计难度和制造成本，提升了结构的可靠性。

申请人声明，以上所述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，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于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，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述碳化硅晶体生长装置包括腔室和设置于所述腔室内部的石墨坩埚、石墨托、隔热箱、升降旋转组件和加热组件；

所述石墨坩埚和石墨托分别设置于所述隔热箱的内部；

所述升降旋转组件包括晶杆和坩埚托；

所述晶杆贯穿于所述隔热箱和腔室的顶部并固定连接于所述石墨托；

所述坩埚托贯穿于所述隔热箱和腔室的底部并固定连接于所述石墨坩埚；

所述加热组件包括第一加热器和第二加热器；

所述第一加热器设置于所述隔热箱和腔室的侧壁之间区域；

所述第二加热器设置于所述石墨坩埚和隔热箱的底部之间区域；

所述石墨坩埚和坩埚托分别与所述第二加热器之间呈现非直接接触。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述腔室的表面设置有至少1个抽气口和至少1个充气口。

3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述腔室连接有真空测试仪。

4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述石墨托靠近石墨坩埚的一侧表面设置有籽晶。

5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述晶杆和坩埚托分别与外部运动机构相连接。

6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述第一加热器呈现筒状结构，且围绕于所述隔热箱的侧壁。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述第一加热器为感应加热线圈或石墨加热器。

8.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述第二加热器呈现环状结构，且围绕于所述坩埚托的外围。

9.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述第二加热器为感应加热线圈或石墨加热器。

10.根据权利要求7或9所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述感应加热线圈呈现中空结构，且内部设置有冷却水通道。

Images