CN219174676U

CN219174676U - 一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置

Info

Publication number: CN219174676U
Application number: CN202320172174.0U
Authority: CN
Inventors: 陈晶莹; 罗烨栋; 浩瀚; 赵新田; 杨弥珺; 章宣; 都佳豪
Original assignee: Ningbo Hesheng New Material Co ltd
Current assignee: Ningbo Hesheng New Material Co ltd
Priority date: 2023-01-17
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2033-01-17

Abstract

本实用新型公开一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，涉及碳化硅生产设备技术领域，包括上部石墨坩埚、下部石墨坩埚、多孔石墨圆筒、多孔石墨筒、籽晶提杆、石墨籽晶盖、保温毡和感应线圈；上部石墨坩埚设置于下部石墨坩埚的顶部，且上部石墨坩埚的底部与下部石墨坩埚相连通；上部石墨坩埚和下部石墨坩埚内分别设置有一多孔石墨圆筒，多孔石墨圆筒内设置有多孔石墨筒；保温毡外侧设置有感应线圈。可先通过PVT法，使用扩径机械装配式石墨盖来减少由于粘接不均导致的六方空洞缺陷，同时可实现晶体的扩径生长，再使用PVT法得到更大的直径籽晶作为LPE法的籽晶。由于有两套加热系统和生长腔室，可在同一块晶体上实现不同类型的掺杂。

Description

一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅生产设备技术领域，特别是涉及一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置。

背景技术

SiC为代表的第三代半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有广阔的应用前景。目前生长大体积SiC晶体的多为改良的Lely法，即物理气相传输(physicalvaportransport，即PVT)法。高温下反应腔室下部的碳化硅固体粉料升华，得到非化学计量的SimCn气体，腔室上部粘有籽晶，设计的反应室具有一定温度梯度，符合条件的气体会在籽晶表面沉积结晶。虽然PVT法具有生长速率快，工艺条件和设备相对简单，但工艺稳定性和结晶质量难以保证。例如，籽晶粘接不稳定易形成六方空洞；粉料随着反应进行易形成富碳气氛进而形成碳包裹、微管甚至多型等晶体缺陷。而液相法(LPE)可以有效愈合碳化硅晶体的微管，但生长速率较慢且由于籽晶尺寸限制难以获得大直径、厚度的晶体，因此成本较高。

此外，常规PVT法或LPE法制备碳化硅单晶，无法在同一块半导体中生长P型和N型的半导体；碳化硅籽晶是靠胶粘接石墨盖上，由于胶水粘接分布不均，容易形成局部温度梯度，从而在局部区形成六方空洞，大大恶化晶体质量。此外碳化硅升华过程中碳和硅不遵循化学计量比，长晶后期气氛易富碳，引起结晶质量的下降。而LPE法可以提供充足且稳定的硅源，但相对缺碳，因此通过高空隙率的多孔石墨可有效阻隔夹杂同时提供充足且稳定的碳源。并且扩径结构的石墨环设计可以有效扩大晶体直径，为LPE提供更大直径的籽晶。

发明内容

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，可先通过PVT法，使用机械装配式石墨盖来减少由于粘接不均导致的六方空洞缺陷，同时扩径式石墨环可实现晶体的扩径生长，再使用PVT法得到更大的直径籽晶作为LPE法的籽晶。由于有两套加热系统和生长腔室，可在同一块晶体上实现不同类型的掺杂。

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大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，包括上部石墨坩埚、下部石墨坩埚、多孔石墨圆筒、多孔石墨筒、籽晶提杆、石墨籽晶盖、保温毡和感应线圈；所述上部石墨坩埚设置于所述下部石墨坩埚的顶部，且所述上部石墨坩埚的底部与所述下部石墨坩埚相连通；所述上部石墨坩埚和所述下部石墨坩埚内分别设置有一所述多孔石墨圆筒，所述多孔石墨圆筒内设置有所述多孔石墨筒；所述多孔石墨圆筒与所述上部石墨坩埚之间用于放置碳化硅粉料和N型掺杂剂混合物；所述多孔石墨圆筒与所述下部石墨坩埚之间用于放置硅、金属和P型掺杂剂的混合物；所述上部石墨坩埚和所述下部石墨坩埚的周围以及所述上部石墨坩埚的上方、所述下部石墨坩埚的底部均设置有所述保温毡；所述保温毡外侧设置有所述感应线圈。

可选的，所述感应线圈包括上部感应线圈和下部感应线圈；所述上部感应线圈与所述上部石墨坩埚相对应，所述下部感应线圈与所述下部石墨坩埚相对应；且所述上部感应线圈和所述下部感应线圈独立控制。

可选的，位于所述下部石墨坩埚底部的所述保温毡底部设置有石墨硬毡托底，所述石墨硬毡托底底部与旋杆相连接。

可选的，所述上部石墨坩埚顶部设置有上石墨盖，所述上石墨盖中部设置有贯通孔；所述贯通孔内位于所述多孔石墨筒与所述石墨籽晶盖之间设置有扩径石墨环，所述扩径石墨环用于支撑所述石墨籽晶盖底面附着的籽晶并实现晶锭的扩径生长。

可选的，所述石墨籽晶盖底面设置有环形凹槽，所述扩径石墨环的顶部深入所述环形凹槽内。

可选的，所述石墨籽晶盖的环形凹槽与一石墨压环可拆卸连接，所述石墨压环包括竖向结构和横向结构，所述竖向结构的内侧与所述石墨籽晶盖的环形凹槽相连接，所述竖向结构的底部与所述横向结构的一端相连接，所述横向结构的另一端向所述竖向结构的内部延伸，所述横向结构的顶面用于支撑所述籽晶。

可选的，所述扩径石墨环的中上部内壁上设置有横向的承托部，所述承托部用于支撑所述石墨压环。

可选的，所述承托部与所述石墨压环之间设置有石墨纸。

可选的，所述石墨纸厚度为0.5-1.5mm。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)两套可单独控制长晶的腔室，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体晶体上；

(2)机械式籽晶放置方式，避免由于籽晶粘接工艺不稳定带来的晶体缺陷；

(3)两套装料体系和长晶体系，上部通过PVT法获得大直径的晶锭，为下部LPE法制备晶体提供大直径的籽晶；

(4)使用多孔石墨材质(孔隙率40％-60％)为LPE法长晶提供更少夹杂、更充分更稳定的碳源；

(5)利用下部的LPE装置为上部的PVT装置提供更为充足的Si气氛源减少PVT装置长晶过程的富碳，进一步减少由料源富碳带来的晶体缺陷。

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为本实用新型大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置的结构示意图；

图2为本实用新型大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置中A处的局部放大的结构示意图。

附图标记说明：1、籽晶提杆；2、保温毡；3、石墨籽晶盖；4、扩径石墨环；5、石墨压环；6、上石墨盖；7、上部石墨坩埚；8、籽晶；9、石墨纸；10、多孔石墨圆筒；11、碳化硅粉料和N型掺杂剂混合物；12、硅、金属和P型掺杂剂的混合物；13、上部感应线圈；14、下部感应线圈；15、多孔石墨筒；16、石墨硬毡底托；17、旋杆；18、下部石墨坩埚。

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。

如图1和2所示，本实施例提供一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，包括上部石墨坩埚7、下部石墨坩埚18、多孔石墨圆筒10、多孔石墨筒15、籽晶提杆1、石墨籽晶盖3、保温毡2和感应线圈；上部石墨坩埚7设置于下部石墨坩埚18的顶部，且上部石墨坩埚7的底部与下部石墨坩埚18相连通；上部石墨坩埚7和下部石墨坩埚18内分别设置有一多孔石墨圆筒10，多孔石墨圆筒10内设置有多孔石墨筒15；多孔石墨圆筒10与上部石墨坩埚7之间用于放置碳化硅粉料和N型掺杂剂混合物11，提供大量的碳化硅原料；多孔石墨圆筒10与下部石墨坩埚18之间用于放置硅、金属和P型掺杂剂的混合物12，为LPE法制备碳化硅的原料并提供元素掺杂；上部石墨坩埚7和下部石墨坩埚18的周围以及上部石墨坩埚7的上方、下部石墨坩埚18的底部均设置有保温毡2；保温毡2外侧设置有感应线圈。

籽晶提杆1采用高密度的石墨圆棒，通过螺纹与石墨籽晶盖3相连接，可以通过红外测温仪对籽晶提杆1进行测温。

中空的多孔石墨圆筒10，可以对气氛进行筛分，阻挡大颗粒的杂质(例如石墨颗粒和金属液滴)获得纯净且稳定碳化硅气流，减少晶体缺陷。

中空的多孔石墨筒15，阻隔碳颗粒夹渣，并增加混合金属液和碳源的接触面积，提供稳定的碳源。

于本具体实施例中，感应线圈包括上部感应线圈13和下部感应线圈14；上部感应线圈13与上部石墨坩埚7相对应，下部感应线圈14与下部石墨坩埚18相对应；且上部感应线圈13和下部感应线圈14独立控制，以分别对上部石墨坩埚7和下部石墨坩埚18进行加热，便于控制上部石墨坩埚7和下部石墨坩埚18的温度，以提供反应的热源和合适的轴径向温度梯度，分别通过调节上部感应线圈13和下部感应线圈14的功率、时间和压力以及配合籽晶提杆1的升降高度控制，可调控不同掺杂类型、浓度和掺杂层厚度。

位于下部石墨坩埚18底部的保温毡2底部设置有石墨硬毡托底，石墨硬毡托底底部与旋杆17相连接。旋杆17采用高纯石英制作，反应过程中会按一定速率旋转，增加液相反应物的均匀性，以获得高质量的结晶。

上部石墨坩埚7顶部设置有上石墨盖6，上石墨盖6中部设置有贯通孔；贯通孔内位于多孔石墨筒15与石墨籽晶盖3之间设置有扩径石墨环4，扩径石墨环4用于支撑石墨籽晶盖3底面附着的籽晶8，并实现晶锭的扩径生长。上石磨盖主要用于支撑上方的保温毡2，提高系统的保温性。

石墨籽晶盖3底面设置有环形凹槽，扩径石墨环4的顶部深入环形凹槽内。

石墨籽晶盖3的环形凹槽与一石墨压环5通过螺纹连接，石墨压环5包括竖向结构和横向结构，竖向结构的内侧与石墨籽晶盖3的环形凹槽相连接，竖向结构的底部与横向结构的一端相连接，横向结构的另一端向竖向结构的内部延伸，横向结构的顶面用于支撑籽晶8。石墨压环5能够防止籽晶8掉落，同时有效避免籽晶8由于粘接不均匀带来的晶体缺陷。

扩径石墨环4的中上部内壁上设置有横向的承托部，承托部用于支撑石墨压环5，并实现晶体的扩径生长。

承托部与石墨压环5之间设置有石墨纸9，石墨纸9厚度为0.5-1.5mm，高温下石墨材质与SiC的热膨胀系数差异较大，石墨纸9起到柔性缓冲作用。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书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

1.一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，包括上部石墨坩埚、下部石墨坩埚、多孔石墨圆筒、多孔石墨筒、籽晶提杆、石墨籽晶盖、保温毡和感应线圈；所述上部石墨坩埚设置于所述下部石墨坩埚的顶部，且所述上部石墨坩埚的底部与所述下部石墨坩埚相连通；所述上部石墨坩埚和所述下部石墨坩埚内分别设置有一所述多孔石墨圆筒，所述多孔石墨圆筒内设置有所述多孔石墨筒；所述多孔石墨圆筒与所述上部石墨坩埚之间用于放置碳化硅粉料和N型掺杂剂混合物；所述多孔石墨圆筒与所述下部石墨坩埚之间用于放置硅、金属和P型掺杂剂的混合物；所述上部石墨坩埚和所述下部石墨坩埚的周围以及所述上部石墨坩埚的上方、所述下部石墨坩埚的底部均设置有所述保温毡；所述保温毡外侧设置有所述感应线圈。

2.根据权利要求1所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述感应线圈包括上部感应线圈和下部感应线圈；所述上部感应线圈与所述上部石墨坩埚相对应，所述下部感应线圈与所述下部石墨坩埚相对应；且所述上部感应线圈和所述下部感应线圈独立控制。

3.根据权利要求1所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，位于所述下部石墨坩埚底部的所述保温毡底部设置有石墨硬毡托底，所述石墨硬毡托底底部与旋杆相连接。

4.根据权利要求1所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述上部石墨坩埚顶部设置有上石墨盖，所述上石墨盖中部设置有贯通孔；所述贯通孔内位于所述多孔石墨筒与所述石墨籽晶盖之间设置有扩径石墨环，所述扩径石墨环用于支撑所述石墨籽晶盖底面附着的籽晶并实现晶锭的扩径生长。

5.根据权利要求4所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述石墨籽晶盖底面设置有环形凹槽，所述扩径石墨环的顶部深入所述环形凹槽内。

6.根据权利要求5所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述石墨籽晶盖的环形凹槽与一石墨压环可拆卸连接，所述石墨压环包括竖向结构和横向结构，所述竖向结构的内侧与所述石墨籽晶盖的环形凹槽相连接，所述竖向结构的底部与所述横向结构的一端相连接，所述横向结构的另一端向所述竖向结构的内部延伸，所述横向结构的顶面用于支撑所述籽晶。

7.根据权利要求6所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述扩径石墨环的中上部内壁上设置有横向的承托部，所述承托部用于支撑所述石墨压环。

8.根据权利要求7所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述承托部与所述石墨压环之间设置有石墨纸。

9.根据权利要求8所述的大尺寸低缺陷碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述石墨纸厚度为0.5-1.5mm。