CN219449957U - 一种碳化硅籽晶固定结构和碳化硅晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种碳化硅籽晶固定结构和碳化硅晶体生长装置，具体涉及碳化硅晶体生长技术领域。所述碳化硅籽晶固定结构包括籽晶托盘、陶瓷绝缘体、电极和碳化硅籽晶，所述陶瓷绝缘体设置在所述籽晶托盘的内部；所述电极设置在所述陶瓷绝缘体内，并与外部电源连通；所述碳化硅籽晶通过静电吸附作用固定在所述籽晶托盘的底部。本实用新型利用静电吸附作用将籽晶固定在籽晶托盘上，以改善籽晶托盘材质不均匀、变形、粘接不牢等引起的晶体质量问题。

Description

一种碳化硅籽晶固定结构和碳化硅晶体生长装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅晶体生长技术领域，具体涉及一种碳化硅籽晶固定结构和碳化硅晶体生长装置。

背景技术

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场和高载流子饱和漂移速度等特点，其优越的性能可以满足现代电子技术对高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射的新要求，被认为是半导体材料领域中最有前景的材料之一。

目前国内外在SiC基半导体器件研究方面所取得的重大进展，其中6英寸碳化硅不可避免向更厚的方向发展。一般来说SiC单晶的生长方法主要有物理气相传输法(physicalvapor transportmethod，PVT)、高温化学气相沉积法、溶液法。PVT法因其较高的生长速率、较为稳定的生长工艺和成本优势基本成为SiC单晶生长的标准方法。PVT法生长SiC晶体时，需要提前将SiC籽晶固定在石墨托盘上，目前SiC籽晶与托盘通常是通过含碳胶水，经碳化与石墨托盘键合固定，这种固定方式存在一些问题，如：石墨托盘的均匀性影响了籽晶的散热情况；同时由于胶水涂抹的均匀、碳化过程排气，造成籽晶与石墨托盘接触不紧密；对石墨和胶水的匹配要求很高，且多层籽晶粘接容易脱落。

因此，亟需提供一种能持续保证籽晶与托盘接触的籽晶固定方式，以解决是上述问题。

实用新型内容

鉴于以上现有技术的缺点，本实用新型提供一种碳化硅籽晶固定结构和碳化硅晶体生长装置，利用静电吸附作用将籽晶固定在籽晶托盘上，以改善籽晶托盘材质不均匀、变形、粘接不牢等引起的晶体质量问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本实用新型提供一种碳化硅籽晶固定结构，其包括籽晶托盘、陶瓷绝缘体、电极和碳化硅籽晶，所述陶瓷绝缘体设置在所述籽晶托盘的内部；所述电极设置在所述陶瓷绝缘体内，并与外部电源连通；所述碳化硅籽晶通过静电吸附作用固定在所述籽晶托盘的底部。

在本实用新型一示例中，所述籽晶托盘的内部设有用于容纳所述陶瓷绝缘体的空腔，所述籽晶托盘的顶部设有电极孔，所述电极穿过所述电极孔与所述外部电源导通。

在本实用新型一示例中，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所述外部电源的正极相连，所述第二电极与所述外部电源的负极相连，所述第一电极和所述第二电极相对间隔设置。

在本实用新型一示例中，所述第一电极和所述第二电极均为弧形电极，所述弧形电极包括依次排列的多个梳齿，所述第一电极的多个梳齿和所述第二电极的多个梳齿相互穿插设置组成圆盘形梳状电极。

在本实用新型一示例中，所述第一电极的梳齿和所述第二电极的梳齿之间的间隔缝隙为0.5mm至50mm，所述间隔缝隙的总面积占所述碳化硅籽晶面积的5％至95％。

在本实用新型一示例中，所述电极的直径与所述碳化硅籽晶的直径相匹配。

在本实用新型一示例中，所述籽晶托盘与所述碳化硅籽晶接触的表面厚度为0.1mm至5mm，所述籽晶托盘与所述碳化硅籽晶接触的表面的弯曲度(BOW)小于50μm，翘曲度(Warp)小于100μm；总厚度变化(多个厚度测量值中的最大厚度与最小厚度的差值，TTV)小于50μm；所述碳化硅籽晶与所述籽晶托盘贴合的贴合面的面型和所述籽晶托盘与所述碳化硅籽晶接触的表面的面型保持一致。

在本实用新型一示例中，所述陶瓷绝缘体的电阻率为10⁹Ω·cm至10¹³Ω·cm，所述陶瓷绝缘体为金属氧化物绝缘陶瓷。

在本实用新型一示例中，所述籽晶托盘为耐高温材料托盘，所述耐高温材料托盘的材质为石墨、铌、钽、钨、铼或金属碳化物。

在本实用新型一示例中，所述外部电源为直流恒压电源，所述直流恒压电源提供100V至900V的电压。

本实用新型另一方面还提供一种碳化硅晶体生长装置，所述碳化硅晶体生长装置包括本实用新型的碳化硅籽晶固定结构。

本实用新型的碳化硅籽晶固定结构，在籽晶托盘内部设置陶瓷绝缘体(电介质)和电极，利用电极与外部电源相连，当电极与外部电源连通后，会在陶瓷绝缘体的表面产生极化电荷或极化电荷和自由电荷，陶瓷绝缘体表面的电荷会产生电场，这一电场会进一步在籽晶托盘底部的籽晶表面产生极化电荷，籽晶表面的极化电荷与陶瓷绝缘体表面的电荷极性相反，利用异性相吸的原理，将碳化硅籽晶吸附在籽晶托盘底部。本实用新型利用静电吸附作用将碳化硅籽晶固定在籽晶托盘上，可有效改善托盘由于材质不均匀、变形、粘接不牢的引起的晶体质量问题。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本实用新型碳化硅籽晶固定结构于一实施例中的结构示意图；

图2为本实用新型碳化硅籽晶固定结构于一实施例中电极的结构示意图。

元件标号说明

100、籽晶托盘；101、电极孔；102、陶瓷绝缘体；103、电极；1031、第一电极；1032、第二电极；1033、梳齿；1034、间隙缝隙；200、碳化硅籽晶；300、电源。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本实用新型实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本实用新型的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

PVT法生长SiC晶体，一般是将SiC粉料放置在石墨坩埚底部，SiC籽晶放置在坩埚埚盖附近，坩埚通过射频感应加热，通过石墨毡或多孔石墨绝热，产生一定的温度梯度，在温度梯度的驱动下升华的气相组分可以在籽晶上凝结并结晶得到SiC单晶。目前，PVT法生长SiC晶体通常通过含碳胶水将SiC籽晶固定在石墨托盘上，这种固定方式受石墨托盘、胶水等各方面的影响，导致晶体生长过程中出现粘结不牢的问题，进而影响晶体质量。

基于此，本申请提供一种碳化硅籽晶固定结构和碳化硅晶体生长装置，以解决上述问题。

请参阅图1，本实用新型提供的碳化硅籽晶固定结构，包括籽晶托盘100、陶瓷绝缘体102、电极103和碳化硅籽晶200，其中，陶瓷绝缘体102设置在籽晶托盘100的内部；电极103设置在陶瓷绝缘体102内，并与外部电源300连通；碳化硅籽晶200通过静电吸附作用固定在籽晶托盘100的底部。其中，外部电源300为直流恒压电源，直流恒压电源提供100V至900V的电压。

请参阅图1，籽晶托盘100的形状不做限制，可以为圆柱形、方柱形或其他多边体结构，考虑到碳化硅晶体的形状，籽晶托盘100通常设置为圆柱形结构。籽晶托盘100为中空结构，即籽晶托盘100的内部设有用于容纳陶瓷绝缘体102的空腔，陶瓷绝缘体102填充在籽晶托盘100内部的空腔中，籽晶托盘100的顶部还设有电极孔101，电极103嵌入陶瓷绝缘体102内，并穿过电极孔101与外部电源300连通，当电极103与外部电源连通后，会在陶瓷绝缘体102的表面产生极化电荷或极化电荷和自由电荷，陶瓷绝缘体102表面的电荷会产生电场，这一电场会进一步在籽晶托盘底部的籽晶表面产生极化电荷，籽晶表面的极化电荷与陶瓷绝缘体表面的电荷极性相反，利用异性相吸的原理，将碳化硅籽晶吸附在籽晶托盘底部。

由于碳化硅籽晶固定结构用于碳化硅单晶的生长，使用时将其放置在碳化硅生长装置内部，因此，籽晶托盘100采用耐高温材料托盘，其材质例如为石墨、铌、钽、钨、铼或金属碳化物等金属或非金属。陶瓷绝缘体102在其中充当电介质层，其电阻率为10⁹Ω·cm至10¹³Ω·cm，陶瓷绝缘体102选用金属氧化物陶瓷，例如氧化镁、氧化锆等。

请参阅图1和图2，在一实施例中，电极103包括第一电极1031和第二电极1032，第一电极1031与外部电源300的正极相连，第二电极1032与外部电源300的负极相连，且第一电极1031和第二电极1032相对间隔设置。当外部电源300开启后，第一电极1031附近的陶瓷绝缘体102表面产生正电荷，第二电极1032附近的陶瓷绝缘体102表面产生负电荷，相应的，碳化硅籽晶200表面产生与之相反的电荷，以吸附在籽晶托盘100底部。第一电极1031和第二电极1032的形状不做限制，优选的，第一电极1031和第二电极1032组成的电极的形状与碳化硅籽晶200的形状相匹配，例如，碳化硅籽晶200为圆形，则第一电极1031和第二电极1032均为圆弧形电极，第一电极1031和第二电极1032相对间隔设置组成与碳化硅籽晶200相匹配的圆形电极。例如，碳化硅籽晶的直径145mm至245mm，则第一电极1031和第二电极1032组成的圆形电极的直径为145mm至245mm。

请参阅图2，在一实施例中，第一电极1031和第二电极1032均为圆弧形电极，圆弧形电极包括沿其径向依次排列的多个梳齿1033，第一电极1031和第二电极1032相对设置，且第一电极1031的多个梳齿1033与第二电极1032的多个梳齿1033相互穿插，以形成梳状圆盘型电极。进一步的，梳齿1033之间的间隔缝隙1034为0.5mm至50mm，例如0.5mm、10mm、30mm或50mm等，间隔缝隙1034的总面积占碳化硅籽晶面积的5％至95％，例如5％、25％、50％、75％或95等。梳状电极的设置，可使极化电荷分布更加均匀，碳化硅籽晶200的吸附更加稳固。

请参阅图1，需要说明的是，碳化硅籽晶300由一定厚度的单晶碳化硅沿C向([0001]晶向)偏转0°至10°的角度斜切而成，进一步的，偏转角度可为4°至8°。为使碳化硅籽晶300与籽晶托盘100贴合更加紧密，还需要对碳化硅籽晶300与籽晶托盘100的贴合面进行磨抛，以使其面型要求与籽晶托盘100安装籽晶的底面的面型要求保持一致。在一些实施例中，籽晶托盘与籽晶接触的底面厚度为0.1mm至5mm，例如0.1mm、1mm、3mm或5mm等；面型要求为：BOW<50um，Warp<100um，TTV<50um，进一步的，BOW<30um，Warp<50um，TTV<30um，BOW、Warp及TTV的取值越小，贴合度越高；相应的，碳化硅籽晶300的厚度维持在0.35mm至1mm，例如，0.35mm、0.5mm、0.8mm或1mm等，面型要求：BOW<50um，Warp<100um，TTV<50um，进一步的，BOW<30um，Warp<50um，TTV<30um。

本实用新型还提供一种碳化硅晶体生长装置，该生长装置包括生长腔、安装在生长腔内的坩埚和本实用新型的碳化硅籽晶固定结构，坩埚内设有碳化硅晶体的生长原料，碳化硅籽晶固定结构安装在坩埚上。需要说明的是，碳化硅晶体生长装置中未详述的结构皆可采用本领域内常规的结构。

请参阅图1和图2，在一实施例中，碳化硅籽晶由碳化硅晶体沿C向偏转4°夹角切割而成，其厚度为0.5mm，直径155mm，面型加工至BOW为25um，Warp为50um，TTV为25um；籽晶托盘100采用钨托盘，托盘直径为155mm，与籽晶接触处厚度为0.2mm；托盘内部填有电阻率为1.3e10¹¹Ωcm的氧化锆陶瓷绝缘体102，陶瓷绝缘体102内装有梳状电极103，结构如图2所示，直径为153mm，梳状齿间隙1034为1mm，间隙面积占籽晶面积的10％；梳状电极与直流电源300连通，电源两端电压为550V。

保持上述电源导通，将上述结构放置在盛有原料的坩埚上；将坩埚投入晶体生长装置的生长腔中，将原料的温度升至2450℃，设备内的压力控制在600mbar；当温度达2450℃时，将压力降低至1.5mbar，保持温度、压力和电压不变，稳定生长200h；将压力升高至30mbar，关闭直流电源；缓慢降温，取出晶体。

由于金属W在高温过程中存在一定的韧性，整个晶体生长过程中电场持续作用在籽晶上，籽晶与籽晶托盘贴合良好，晶体背部无六方孔洞，晶体界面无凹凸不平等情况。

在另一实施例中，碳化硅籽晶由碳化硅晶体沿C向偏转8°夹角切割而成，其厚度为0.35mm，直径155mm，面型加工至BOW为15um，Warp为20um，TTV为15um；籽晶托盘100采用钽托盘，托盘直径为155mm，与籽晶接触处厚度为0.15mm；托盘内部填有电阻率为7.5e10¹¹Ω·cm的氧化镁陶瓷绝缘体102，陶瓷绝缘体102内装有梳状电极103，结构如图2所示，直径为153mm，梳状齿间隙1034为0.3mm，间隙面积占籽晶面积的35％；梳状电极与直流电源300连通，电源两端电压为650V。

保持上述电源导通，将上述结构放置在盛有原料的坩埚上；将坩埚投入晶体生长装置的生长腔中，将原料的温度升至2250℃，设备内的压力控制在300mbar；当温度达2250℃时，将压力降低至0.5mbar，保持温度、压力和电压不变，稳定生长120h；将压力升高至30mbar，关闭直流电源；缓慢降温，取出晶体。

由于金属钽在高温过程中存在一定的韧性，且能够有效缓解碳深入晶体内，电场力持续将籽晶贴紧托盘，籽晶与籽晶托盘贴合良好，晶体背部无六方孔洞，晶体界面无凹凸不平等情况。

本实用新型的碳化硅籽晶固定结构，在籽晶托盘内部设置陶瓷绝缘体和电极，利用电极与外部电源连通，在陶瓷绝缘体表面产生电荷，利用静电吸附作用将籽晶固定在籽晶托盘上，避免石墨托盘材质不均匀、变形、粘接不牢的引起的晶体质量问题。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，包括：

籽晶托盘；

陶瓷绝缘体，设置在所述籽晶托盘的内部；

电极，设置在所述陶瓷绝缘体内，并与外部电源连通；及

碳化硅籽晶，通过静电吸附作用固定在所述籽晶托盘的底部。

2.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述籽晶托盘的内部设有用于容纳所述陶瓷绝缘体的空腔，所述籽晶托盘的顶部设有电极孔，所述电极穿过所述电极孔与所述外部电源导通。

3.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所述外部电源的正极相连，所述第二电极与所述外部电源的负极相连，所述第一电极和所述第二电极相对间隔设置。

4.根据权利要求3所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均为弧形电极，所述弧形电极包括依次排列的多个梳齿，所述第一电极的多个梳齿和所述第二电极的多个梳齿相互穿插设置组成圆盘形电极。

5.根据权利要求4所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述第一电极的梳齿和所述第二电极的梳齿之间的间隔缝隙为0.5mm至50mm，所述间隔缝隙的总面积占所述碳化硅籽晶面积的5％至95％。

6.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述籽晶托盘与所述碳化硅籽晶接触的表面厚度为0.1mm至5mm，所述籽晶托盘与所述碳化硅籽晶接触的表面的弯曲度小于50μm，翘曲度小于100μm；总厚度变化小于50μm；所述碳化硅籽晶与所述籽晶托盘贴合的贴合面的面型和所述籽晶托盘与所述碳化硅籽晶接触的表面的面型保持一致。

7.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述陶瓷绝缘体的电阻率为10⁹Ω·cm至10¹³Ω·cm。

8.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述籽晶托盘为耐高温材料托盘，所述耐高温材料托盘的材质为石墨、铌、钽、钨、铼或金属碳化物。

9.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶固定结构，其特征在于，所述外部电源为直流恒压电源，所述直流恒压电源提供100V至900V的电压。

10.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的碳化硅籽晶固定结构。