CN219547155U - 一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚，包括用于盛放SiC粉源的下部坩埚和可拆卸设置于所述下部坩埚顶部、用于承载籽晶托的上部坩埚，所述上部坩埚由若干个径向设置的坩埚环组成。本实用新型有助于释放部分由于晶体与石墨的热膨胀系数差异以及晶体扩径生长与石墨坩埚之间的挤压所导致的应力，同时可以通过改变上部坩埚环的环数或者抽除外层坩埚环来调节晶体表面的径向温差。

Description

一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚

技术领域

本实用新型涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚。

背景技术

半导体碳化硅材料(4H-SiC)具有禁带宽度大、热导率高、击穿场强高、饱和电子漂移速率高、化学稳定性及热稳定性良好等优异特性，在电力电子、射频微波及量子传感等领域具有重要的应用价值，是新能源技术、智能电网、信息通讯、轨道交通和国防军工等国民经济发展的基础核心材料。因为新能源汽车的火热，碳化硅正在以前所未有的速度增长。

现阶段碳化硅单晶衬底生长的主流方法仍为物理气相输运(PVT-Physical VaporTransport)法，整个生长室主要由碳化硅原料区、晶体生长区和籽晶区三部分组成。其核心方法如图1所示，将一块籽晶放置于坩埚内的一处温度稍低的坩埚盖附近区域，碳化硅粉源放置在圆柱形致密的石墨坩埚底部，然后通过射频感应或者电阻加热至2200℃以上，籽晶的温度设定比粉源温度低约100℃，这样使得碳化硅物质可以在籽晶上凝结并结晶。晶体生长通常选择在低压下进行以加强从源到籽晶的质量输运，并在生长过程中使用高纯Ar(或He)气流。

对于PVT法生长碳化硅单晶而言，其核心问题在于如何防止开裂并降低其位错，而防止开裂和降低位错的核心在于减小应力。应力主要来源于两部分，一方面是晶体与石墨的热膨胀系数差异以及晶体扩径生长与石墨坩埚之间的挤压导致的应力，另一方面是由于径向温差导致的热应力。此外，径向温差过大会导致热应力过大，然而径向温差过小也容易导致晶体边缘生成多晶或者产生二维形核。已知，在碳化硅晶体PVT生长过程中，升华的粉料会优先在低温处结晶，其结晶的顺序按从低温到高温的顺序排列。因此，微凸状的碳化硅晶体才是最佳的生长状态。

公告号为CN201706886U的专利说明书中公开了一种用于感应加热的拼装式石墨坩埚，坩埚基体的材质为石墨，坩埚基体分成可分拆拼装的上下两部分，坩埚上部为一般电极石墨，坩埚下部则是高纯高密度石墨，这样的结构，既保持坩埚结构尺寸，整体坩埚成本也相对较低，能稳定使用，但是这种坩埚不能调节径向温度梯度以及释放应力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚。

一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚，包括用于盛放SiC粉源的下部坩埚和可拆卸设置于所述下部坩埚顶部、用于承载籽晶托的上部坩埚，所述上部坩埚由若干个径向设置的坩埚环组成。

作为优选，相邻所述坩埚环之间的缝隙为0.1-0.3mm。

在高温下晶体生长的过程中，这些缝隙为石墨的膨胀留下了膨胀的余地，在一定程度上可以释放由于碳化硅晶体与石墨的热膨胀系数差，加上碳化硅扩径生长后与石墨坩埚之间产生的挤压，这两种因素导致的晶体与石墨坩埚之间形成的应力。除此之外，由于上部坩埚与下部坩埚呈分离状态，并且上部石墨坩埚最外层并未固定，因此，在受到碳化硅晶体的挤压后，上部石墨坩埚可以在一定程度上向外扩张来缓解应力。

作为优选，所述上部坩埚由3-5个径向设置的坩埚环组成。

由于石墨表面具有一定的粗糙度，因此，即便上部石墨坩埚环之间接触得再紧配，其两者之间的传热也会受到阻碍，这种阻碍称为接触热阻。因此，将上部石墨坩埚分成的环数越多，其接触热阻就越大。而市面上的碳化硅PVT生长炉主要分为电阻式加热和电磁感应加热，无论是哪种，其热量都是从坩埚的外部传到坩埚内部。因此，无论采取哪种加热方式，上部石墨坩埚环之间的热阻越大就会导致碳化硅晶体表面的径向温差减小。

对于八英寸碳化硅单晶衬底的生长，尤其是电磁感应加热法生长的八英寸碳化硅单晶衬底，如何减小其晶体表面的径向温差一直是行业最关注的问题。而通过这个将上部石墨坩埚分割成多个坩埚环的方式，可以有效增加接触热阻，从而减小晶体表面的径向温差。

上部石墨坩埚环结构除了减小碳化硅晶体表面的径向温差以外，还可以通过抽除外层的石墨坩埚环来增大晶体表面的径向温差，无论是通过电阻加热法还是电磁感应加热法，上部坩埚的最外层都能直接受到来自于坩埚外部的热辐射。而在抽除了最外层的石墨坩埚环以后，其热量传递到最内部的热阻就会减小，从而导致晶体表面的径向温差增大。根据晶体生长的实际状况以及数值模拟计算，我们可以抽除不同的外层石墨坩埚的层数来最终获得最适合碳化硅晶体生长的径向温差。

作为优选，所述上部坩埚的高度为40-80mm。

进一步优选，所述上部坩埚的高度为60mm。

上部坩埚的高度为60mm，以保证晶体生长的过程中，晶体不会超出上部坩埚的范围，避免下部坩埚被腐蚀。

作为优选，内、外所述坩埚环底部嵌于所述下部坩埚顶部。

作为优选，所述坩埚的材质为石墨、钽、铌、碳化钽、或碳化铌。

本实用新型的有益效果：

(1)上部坩埚在径向上被分割成若干个坩埚环，从而每次只需更换最内层石墨环，节约材料成本。

(2)上部石墨坩埚在径向上被分割成若干个石墨环，在石墨环间留有微小缝隙有助于释放部分由于晶体与石墨的热膨胀系数差异以及晶体扩径生长与石墨坩埚之间的挤压所导致的应力。

(3)可以通过改变上部坩埚环的环数或者抽除外层坩埚环来调节晶体表面的径向温差。

附图说明

图1为常规的碳化硅单晶衬底生长所用的PVT法示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3本实用新型抽除上部坩埚的外层坩埚环的结构示意图；

图中：1、下部石墨坩埚；2、上部石墨坩埚；3、SiC粉源；4、石墨籽晶托；5、碳化硅晶体。

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所示，一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚，包括下部石墨坩埚1和可拆卸设置于下部石墨坩埚1顶部的上部石墨坩埚2。

下部石墨坩埚1内形成容纳室用于放置SiC粉源3，上部石墨坩埚2内形成生长室用于晶体结晶，其顶部用于放置石墨籽晶托4。

上部石墨坩埚2的高度为60mm，以保证晶体生长的过程中，晶体不会超出上部坩埚的范围，避免下部坩埚1被腐蚀。上部坩埚2由五个径向设置的石墨坩埚环组成，相邻石墨坩埚环之间的缝隙为0.1-0.3mm。在高温下晶体生长的过程中，这些缝隙为石墨的膨胀留下了膨胀的余地，在一定程度上可以释放由于碳化硅晶体与石墨的热膨胀系数差，加上碳化硅扩径生长后与石墨坩埚之间产生的挤压，这两种因素导致的晶体与石墨坩埚之间形成的应力。除此之外，由于上部坩埚与下部坩埚呈分离状态，并且上部石墨坩埚最外层并未固定，因此，在受到碳化硅晶体的挤压后，上部石墨坩埚可以在一定程度上向外扩张来缓解应力。

上部石墨坩埚环结构除了减小碳化硅晶体表面的径向温差以外，还可以通过抽除外层的石墨坩埚环来增大晶体表面的径向温差，如图3所示，无论是通过电阻加热法还是电磁感应加热法，上部坩埚的最外层都能直接受到来自于坩埚外部的热辐射。而在抽除了最外层的石墨坩埚环以后，其热量传递到最内部的热阻就会减小，从而导致晶体表面的径向温差增大。根据晶体生长的实际状况以及数值模拟计算，我们可以抽取不同的外层石墨坩埚的层数来最终获得最适合碳化硅晶体生长的径向温差。

本实施例中，内、外石墨坩埚环底部嵌于下部石墨坩埚1顶部。即最内层和最外层石墨坩埚环与下部石墨坩埚1为凹凸结合的方式从而固定这两层石墨坩埚环的位置，在实际情况中，我们可以根据自己的需求增加或者减少层数。

将石墨坩埚制备成如图2所示的结构，上部石墨坩埚的环数以及是否需要抽除上部石墨坩埚的外层和需要抽除的层数可以通过事先的数值模拟计算以及自身生长碳化硅单晶的径向温差的实际需求而定。

将碳化硅粉源放置于石墨坩埚底部，对生长室进行抽气至真空度为一定的压强以下，然后进行升温。升温至一定温度时，逐渐向生长室冲入一定量的氩气，升压至一定的压强后，再升温至适合碳化硅单晶生长的温度，然后将压强降至1mbar-3mbar之间。在该生长温度保持一定的时间(如100小时)，然后在一定时间内将PVT生长炉的加热功率降为0，待坩埚温度完全降到室温后，便可打开坩埚，取出碳化硅晶体5。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (6)

1.一种能调节径向温度梯度以及释放应力的坩埚，其特征在于，包括用于盛放SiC粉源的下部坩埚和可拆卸设置于所述下部坩埚顶部、用于承载籽晶托的上部坩埚，所述上部坩埚由若干个径向设置的坩埚环组成。

2.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，相邻所述坩埚环之间的缝隙为0.1-0.3mm。

3.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述上部坩埚由3-5个径向设置的坩埚环组成。

4.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述上部坩埚的高度为40-80mm。

5.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，内、外所述坩埚环底部嵌于所述下部坩埚顶部。

6.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述坩埚的材质为石墨、钽、铌、碳化钽或碳化铌。