CN219752494U - 坩埚结构和晶体生长设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及晶体生长技术领域，具体而言，涉及一种坩埚结构和晶体生长设备。坩埚结构包括坩埚，坩埚内包括用于放置碳化硅原料粉末的原料腔室和用于生长晶体的生长腔室，碳化硅原料粉末能在坩埚被加热时气化为碳化硅气氛；至少一个挡板，挡板均密闭地设置在坩埚中，且挡板被配置为将原料腔室和生长腔室隔开；挡板上设置有多个通孔，并通过通孔连通原料腔室和生长腔室。如此能够将长晶过程中原料和石墨坩埚中产生的碳颗粒进行阻挡，从而降低晶体中的碳包裹。

Description

坩埚结构和晶体生长设备

技术领域

本实用新型涉及晶体生长技术领域，具体而言，涉及一种坩埚结构和晶体生长设备。

背景技术

碳化硅具有禁带宽度宽、电子饱和漂移速度高、临界击穿电场高、热导率高、熔点高等特性，因此使用SiC单晶作为衬底材料制作的器件具有抗辐射能力强、工作温度高、阻断电压高、导通电阻小以及开关速度快，能够较好地适应高频大功率和高集成度产生的高温、高辐射工作环境等优点，因此碳化硅(SiC)是继Si和Ga As之后的第三代半导体的核心材料之一。

生长SiC晶体的方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transportation，简称PVT法)、高温化学气相沉积法、液相法等。PVT法具有设备易于制造、长晶过程更好控制以及成本较低等优点，目前，PVT法是较为普遍使用的碳化硅晶体生长方法，PVT长晶主要包括对腔室抽真空、高压预加热、低压高温生长、降温等阶段，该方法以碳化硅粉料作为反应原料，在高温生长阶段碳化硅原料分解升华，在温度梯度的作用下在碳化硅原料分解的气氛在碳化硅籽晶处形成碳化硅单晶。

在温度梯度的作用下，高温区的碳化硅原料会优先分解升华，由于低温区的相对温度较低，低温区的碳化硅原料分解时间相对于高温区更晚。

碳包裹会在晶体中诱发微管、多型、位错等缺陷，降低衬底的物化性能。碳包裹主要来自于两个方面，其一：碳化硅原料分解的气氛(Si、Si2C、SiC2)在从原料处传输至籽晶表面时，其不可避免的与石墨件内壁发生反应生成碳化硅，其在生长后期会发生分解，分解出的C会在晶体中形成碳包裹；其二：碳化硅原料分解过程中C元素的分解量仅18％，因此在长晶后期原料中富碳，靠近坩埚壁边缘的原料碳化比坩埚中心的更加严重。

实用新型内容

本实用新型的目的包括，例如，提供了一种坩埚结构和晶体生长设备，其能够将长晶过程中原料和石墨坩埚中产生的碳颗粒进行阻挡，从而降低晶体中的碳包裹。

本实用新型的实施例可以这样实现：

第一方面，本实用新型提供一种坩埚结构，包括：

坩埚，所述坩埚内包括用于放置碳化硅原料粉末的原料腔室和用于生长晶体的生长腔室，所述碳化硅原料粉末能在所述坩埚被加热时气化为碳化硅气氛；

至少一个挡板，所述挡板均密闭地设置在所述坩埚中，且所述挡板被配置为将所述原料腔室和所述生长腔室隔开；所述挡板上设置有多个通孔，并通过所述通孔连通所述原料腔室和所述生长腔室。

本方案的坩埚结构具有沿轴向依次布置的原料腔室和生长腔室，挡板密闭地设置在坩埚中且能够将原料腔室和生长腔室隔开。如此使得原料腔室内的碳化硅粉料受热升华后的生长气氛，需要通过挡板上的通孔进入生长腔室内。相较于现有技术，碳化硅气氛和碳化的碳颗粒直接从原料腔室进入生长腔室，从而导致碳颗粒在在晶体中形成碳包裹。本方案中的碳化硅气氛和碳化的碳颗粒从原料腔室进入生长腔室时，粒径较大的碳颗粒不能通过通孔而是被挡板的板面阻挡，而粒径较小的碳化硅气氛则能够通过通孔进入生长腔室而完成长晶。即多个挡板的设置能够在保障碳化硅气氛能够顺利地从原料腔室进入生长腔室以保障晶体生长的同时，还能够有效地阻挡来自原料腔室的碳颗粒进入生长腔室中从而避免碳颗粒在晶体中形成碳包裹的情况。综上，这样的坩埚结构具有结构简单、设置方便，且有效的减少了坩埚产生的碳颗粒形成碳包裹，从而降低了晶体的碳包裹产生几率。

在可选的实施方式中，所述通孔的孔径为0.1～0.2mm。

在可选的实施方式中，所述挡板包括工作区域和配合区域；

所述工作区域位于在所述挡板的中间，所述配合区域位于在所述工作区域的边缘与所述挡板的周缘之间；

所述通孔均设置在所述工作区域。

在可选的实施方式中，所述挡板的材料为石墨材质。

在可选的实施方式中，还包括环状的安装件，所述挡板通过所述安装件设置在所述坩埚中；

所述安装件的外侧壁与所述坩埚连接，所述安装件的内侧壁设置有多个环形凹槽；所述环形凹槽与所述挡板的数量相同，且一一对应；

所述挡板设置在所述环形凹槽中。

在可选的实施方式中，所述安装件包括对称布置的第一半环和第二半环，所述第一半环和第二半环上均设置有半环形的凹槽，所述第一半环和第二半环被配置为相互对应地将两个半环形的凹槽拼成环形凹槽。

在可选的实施方式中，所述安装件的材料为多孔石墨材质。

在可选的实施方式中，所述安装件嵌入所述坩埚内壁；

或所述坩埚内壁具有安装台，所述安装件设置在所述安装台上。

在可选的实施方式中，沿所述坩埚的轴线方向，所述安装件的厚度大于多个所述挡板的厚度之和。

在可选的实施方式中，还包括碳化钽涂层；

所述碳化钽涂层设置于所述生长腔室的内壁。

第二方面，本实用新型提供一种晶体生长设备，包括：

坩埚结构，所述坩埚结构包括：坩埚，所述坩埚内包括用于放置碳化硅原料粉末的原料腔室和用于生长晶体的生长腔室，所述碳化硅原料粉末能在所述坩埚被加热时气化为碳化硅气氛；至少一个挡板，所述挡板均密闭地设置在所述坩埚中，且所述挡板被配置为将所述原料腔室和所述生长腔室隔开；所述挡板上设置有多个通孔，并通过所述通孔连通所述原料腔室和所述生长腔室；

保温毡，设置在所述坩埚结构的外侧，用于包裹所述坩埚结构；

加热装置，设置在所述保温毡的外侧，用于加热所述保温毡，且用于对所述坩埚结构加热。

本实用新型实施例的有益效果包括，例如：

这样的坩埚结构包括具有原料腔室和生长腔室的坩埚，以及至少一个挡板。挡板上设置有多个能够连通原料腔室和生长腔室的通孔。在现有技术中，当坩埚加热时，碳化硅原料受热升华形成碳化硅气氛，这时石墨坩埚内壁和碳化硅原料也会产生碳颗粒，碳颗粒会在晶体中形成碳包裹。而本方案在原料腔室和生长腔室之间设置有挡板，挡板的通孔仅能使粒径较小的碳化硅气氛通过，而粒径较大的碳颗粒而是被挡板的板面阻挡。如此就能够阻挡原料腔室的碳颗粒进入生长腔室，从而使得改善碳颗粒在沉积形成碳包裹的现象，降低碳包裹产生几率，提高碳化硅晶体的生长良率。综上，这样的坩埚结构具有结构简单、改进成本低，且降低碳包裹现象显著的优点。

这样的晶体生长设备包括上述坩埚结构，其能够通过简单改进以减少进入生长腔室的碳颗粒，从而改善生长腔室中晶体中形成碳包裹的情况，有利于提高晶体的品质，保障碳化硅晶体的生长良率。

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的坩埚结构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的坩埚结构的挡板的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的坩埚结构的安装件和挡板装配示意图；

图4为本实用新型实施例的坩埚结构的安装件和挡板的结构示意图。

图标：10-坩埚结构；100-坩埚；101-原料腔室；102-生长腔室；110-坩埚体；120-坩埚盖；200-挡板；201-工作区域；202-配合区域；210-通孔；300-安装件；301-第一半环；302-第二半环；310-环形凹槽；400-碳化钽涂层；21-籽晶；22-碳化硅原料。

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，若出现术语“上”、“下”、“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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。

PVT法主要包括对坩埚内部抽真空、高压预加热、低压高温生长、降温等阶段，该方法以碳化硅粉料作为反应原料，在高温生长阶段碳化硅粉料分解升华形成生长气氛，生长气氛在温度梯度的作用下输送至碳化硅籽晶沉积反应结晶为碳化硅晶体。在温度梯度的作用下，高温区碳化硅粉料会优先分解升华，低温区的碳化硅粉料的分解时间相对于高温区更晚。

在PVT生长过程中，由于坩埚的中心温度相对于靠近坩埚侧壁位置的温度更低，因此靠近坩埚侧壁处的碳化硅粉料碳化会比坩埚中心处的碳化更加严重，碳化后产生的碳颗粒容易被生长气氛携带至籽晶处沉积，从而形成碳包裹。

为了改善碳包裹的产生，因此本实施例提供了一种坩埚结构和晶体生长设备。

请参考图1，本实施例提供了一种坩埚结构10，包括：

坩埚100，坩埚100内包括用于放置碳化硅原料粉末的原料腔室101和用于生长晶体的生长腔室102，碳化硅原料粉末能在坩埚100被加热时气化为碳化硅气氛；

至少一个挡板200，挡板200均密闭地设置在坩埚100中，且挡板200被配置为将原料腔室101和生长腔室102隔开；挡板200上设置有多个通孔210，并通过通孔210连通原料腔室101和生长腔室102。

本方案的坩埚结构10具有沿轴向依次布置的原料腔室101和生长腔室102，挡板200密闭地设置在坩埚100中且能够将原料腔室101和生长腔室102隔开。如此使得原料腔室101内的碳化硅粉料受热升华后的生长气氛，需要通过挡板200上的通孔210进入生长腔室102内。相较于现有技术，碳化硅气氛和碳化的碳颗粒直接从原料腔室101进入生长腔室102，从而导致碳颗粒在在晶体中形成碳包裹。本方案中的碳化硅气氛和碳化的碳颗粒从原料腔室101进入生长腔室102时，粒径较大的碳颗粒不能通过通孔210而是被挡板200的板面阻挡，而粒径较小的碳化硅气氛则能够通过通孔210进入生长腔室102而完成长晶。即多个挡板200的设置能够在保障碳化硅气氛能够顺利地从原料腔室101进入生长腔室102以保障晶体生长的同时，还能够有效地阻挡来自原料腔室101的碳颗粒进入生长腔室102中从而避免碳颗粒在晶体中形成碳包裹的情况。这样的坩埚结构10具有结构简单、设置方便，且有效的减少了坩埚100产生的碳颗粒形成碳包裹，从而降低了晶体的碳包裹产生几率。

请参阅图1至图4，以了解坩埚结构10的更多结构细节。

坩埚100是整个晶体生长装置的主体结构，以为碳化硅晶体提供生长的环境和场所。

如图1所示，坩埚100采用高纯高密度的石墨材质制成，整体中空的圆柱状。坩埚100包括相对的坩埚体110和坩埚盖120。即坩埚体110和坩埚盖120均为圆柱形结构。当然坩埚100的形状还可以根据需求进行调整，例如可以是方形柱等。

坩埚盖120靠近坩埚体110的中部设置有籽晶21。坩埚盖120盖设在坩埚体110上，以围合形成密闭的容纳空间。进一步的，容纳空间包括用于放置碳化硅粉料原料腔室101和用于生长晶体的生长腔室102。

继续参阅图1，可以看出，多个挡板200设置在坩埚100上，且挡板200的外壁与坩埚100内壁密闭连接。如此使得挡板200上方围合形成了密闭的生长腔室102，挡板200下方围合形成密闭的原料腔室101。这样的布置方式能够保障原料腔室101和生长腔室102相互隔离，避免原料腔室101的碳颗粒溢散进入生长腔室102，进而导致籽晶21处的晶体碳包裹的形成。

在本实施例中，挡板200均为圆盘形结构。坩埚100中设置有三个相互平行布置的挡板200。

关于挡板200的具体结构，本领域技术人员应当能够根据实际需求进行合理的选择和设计，这里不作具体限制，示例地，挡板200可采用方形、四边形等以适用于不同的实际情况，同样的多个挡板200既可以仅部分相互平行或者全部保持夹角等情形，这里仅仅是个示例，只要挡板200能够将碳颗粒阻挡即可，具体不做限定。

可选的，在本实施例中，通孔210的孔径为0.1～0.2mm。因为SiC原料平均颗粒尺寸约200um，碳化硅原料22升华为碳化硅气氛后粒径更小。这样的设置能够便于碳化硅气氛顺利地穿过通孔210进入生长腔室102；而粒径更大的碳颗粒则不能通过上述通孔210，碳颗粒被挡板200的板面阻挡后依然滞留在原料腔室101内。

从图1和图2中可以看出，挡板200包括工作区域201和配合区域202；工作区域201位于在挡板200的中间，配合区域202位于在工作区域201的边缘与挡板200的周缘之间；通孔210均设置在工作区域201。

可选的，工作区域201为设置圆形区域，且工作区域201的圆心与挡板200的圆心重合。配合区域202为圆环形结构，且配合区域202的圆心与挡板200的圆心重合。一方面因为籽晶21位于坩埚100的中心，将通孔210设置在挡板200的中心有利于生长气氛迅速地移动至籽晶21处，从而保障晶体的生长效率；另一方面配合区域202没有开设通孔210，从而使得挡板200的周缘具有更好的结构强度，从而确保挡板200与坩埚100稳定连接。

从图2中还可以看出，多个通孔210均匀地布置在工作区域201。沿坩埚100的轴线方向，多个挡板200上的通孔210既可以依次对齐，也可以是错位布置，具体根据实际需求进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。例如需要加快晶体生长效率，则可以将多个挡板200上的通孔210依次对齐；当需要更加精细地过滤碳颗粒，则可以将两个或者多个挡板200的通孔210保持错位布置，以进一步减少进入生长腔室102的碳颗粒。

可选的，在本实用新型的本实施例中，挡板200的材料为石墨材质。

从图1、图3和图4中还可以看出，在本实施例中，坩埚结构10还包括环状的安装件300，挡板200通过安装件300设置在坩埚100中；安装件300的外侧壁与坩埚100连接，安装件300的内侧壁设置有多个环形凹槽310；环形凹槽310与挡板200的数量相同，且一一对应；挡板200设置在环形凹槽310中。

安装件300用于支撑多个挡板200，以保障多个挡板200均能够与坩埚100内壁紧密连接，从而避免碳颗粒通过挡板200与坩埚100内壁之间缝隙从原料腔室101进入生长腔室102内。

进一步的，多个环形凹槽310的深度相同，且环形凹槽310的圆心与挡板200的圆心重合。沿坩埚100的轴线方向，相邻的环形凹槽310之间的间距相同。

请参阅图1、图2和图3，在本实施例中，沿挡板200的径向方向，配合区域202的宽度小于或等于环形凹槽310的深度。如此使得配合区域202全部位于环形凹槽310内，即挡板200上未被环形凹槽310覆盖的区域均设置有通孔210，既能够确保挡板200的通气效果，又能够避免配合区域202开孔而不是实现生长气氛通过的情况。

在本实用新型的本实施例中，沿坩埚100的轴线方向，安装件300的厚度大于多个挡板200的厚度之和。因为碳化硅原料22在分解升华的过程中，靠近石墨坩埚100内壁的原料优先碳化，坩埚100中心位置的碳化硅碳化程度相对较低，厚度更厚的安装件300有利于阻挡碳环的碳颗粒进入生长腔室102。

可选的，在本实施例中，安装件300的材料为多孔石墨材质。

需要说明的是，安装件300可以嵌入坩埚100内壁；或坩埚100内壁具有安装台，安装件300设置在安装台上。这样的布置一方面能够确保安装件300与坩埚100的稳定连接；另一方面还能够保障安装件300与坩埚100内壁密闭连接，如此避免原料腔室101中的碳颗粒溢散进入生长腔室102内。

进一步的，安装件300为包括对称布置的第一半环301和第二半环302。第一半环301和第二半环302能够拼接组成完成的圆环形结构。第一半环301和第二半环302上均设置有半环形的凹槽，相互对应的两个半环形的凹槽能够拼接形成完成的环形凹槽310。这样的布置方式便于挡板200可拆卸地与安装件300连接，从而有利于挡板200和安装件300的维护和装卸。

请参阅图1，从图1中还可以看出，在本实施例中，坩埚结构10还包括碳化钽涂层400；碳化钽涂层400设置于生长腔室102的内壁。碳化硅原料22分解的气氛向上输运的过程中会与坩埚100壁发生反应，进而形成碳颗粒。生长腔室102内的坩埚100内部设置一层碳化钽涂层400，碳化钽涂层400可有效的隔离原料分解升华产生的Si、Si2C和SiC2等气氛对坩埚100的腐蚀，抑制石墨坩埚100壁碳颗粒的产生。

作为一种实施方式，本实施例中石墨坩埚100厚度为10～30mm。在坩埚100内装入纯度为5N～6N的碳化硅原料22，原料的装料量为3～6kg，原料上方直接放置多孔石墨材质的安装件300和打孔石墨材质的挡板200。安装件300的厚度为8～15mm，挡板200的厚度为3～5mm。

料面坩埚100壁上方(即生长腔室102内)设计一层碳化钽涂层400，该涂层可通过刷涂-烧结法进行制备。特别的，该涂层的厚度约50～150μm，用于隔离碳化硅原料22分解的气氛与坩埚100反应产生碳颗粒。

第二方面，本实用新型提供一种晶体生长设备，包括：

坩埚结构10，坩埚结构10包括：坩埚100，坩埚100内包括用于放置碳化硅原料粉末的原料腔室101和用于生长晶体的生长腔室102，碳化硅原料粉末能在坩埚100被加热时气化为碳化硅气氛；至少一个挡板200，挡板200均密闭地设置在坩埚100中，且挡板200被配置为将原料腔室101和生长腔室102隔开；挡板200上设置有多个通孔210，并通过通孔210连通原料腔室101和生长腔室102；

保温毡，设置在坩埚结构10的外侧，用于包裹坩埚结构10；

加热装置，设置在保温毡的外侧，用于加热保温毡，且用于对坩埚结构10加热。

综上，本实用新型实施例提供了一种坩埚结构10和晶体生长设备，至少具有以下优点：

多孔石墨的安装件300和打孔石墨材质的挡板200有效的隔离了原料碳化产生的碳颗粒；

碳化钽涂层400避免原料分解产生的气氛直接与石墨坩埚100接触；

安装件300、挡板200和碳化钽涂层400协同配合能够有效的减少了坩埚100产生的碳颗粒形成碳包裹，从而降低了晶体的碳包裹产生几率。

以上，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，任何熟悉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，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种坩埚结构，其特征在于，包括：

坩埚(100)，所述坩埚(100)内包括用于放置碳化硅原料(22)粉末的原料腔室(101)和用于生长晶体的生长腔室(102)，所述碳化硅原料(22)粉末能在所述坩埚(100)被加热时气化为碳化硅气氛；

至少一个挡板(200)，所述挡板(200)均密闭地设置在所述坩埚(100)中，且所述挡板(200)被配置为将所述原料腔室(101)和所述生长腔室(102)隔开；所述挡板(200)上设置有多个通孔(210)，并通过所述通孔(210)连通所述原料腔室(101)和所述生长腔室(102)。

2.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

所述通孔(210)的孔径为0.1～0.2mm。

3.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

所述挡板(200)包括工作区域(201)和配合区域(202)；

所述工作区域(201)位于在所述挡板(200)的中间，所述配合区域(202)位于在所述工作区域(201)的边缘与所述挡板(200)的周缘之间；

所述通孔(210)均设置在所述工作区域(201)。

4.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

所述挡板(200)的材料为石墨材质。

5.根据权利要求1所述的坩埚结构，其特征在于：

还包括环状的安装件(300)，所述挡板(200)通过所述安装件(300)设置在所述坩埚(100)中；

所述安装件(300)的外侧壁与所述坩埚(100)连接，所述安装件(300)的内侧壁设置有多个环形凹槽(310)；所述环形凹槽(310)与所述挡板(200)的数量相同，且一一对应；

所述挡板(200)设置在所述环形凹槽(310)中。

6.根据权利要求5所述的坩埚结构，其特征在于：

所述安装件(300)包括对称布置的第一半环(301)和第二半环(302)，所述第一半环(301)和第二半环(302)上均设置有半环形的凹槽，所述第一半环(301)和第二半环(302)被配置为相互对应地将两个半环形的凹槽拼成环形凹槽(310)。

7.根据权利要求5所述的坩埚结构，其特征在于：

所述安装件(300)嵌入所述坩埚(100)内壁；

或所述坩埚(100)内壁具有安装台，所述安装件(300)设置在所述安装台上。

8.根据权利要求5所述的坩埚结构，其特征在于：

沿所述坩埚(100)的轴线方向，所述安装件(300)的厚度大于多个所述挡板(200)的厚度之和。

9.根据权利要求5所述的坩埚结构，其特征在于：

所述安装件(300)的材料为多孔石墨材质。

10.一种晶体生长设备，其特征在于，包括：

坩埚结构，所述坩埚结构包括：坩埚(100)，所述坩埚(100)内包括用于放置碳化硅原料(22)粉末的原料腔室(101)和用于生长晶体的生长腔室(102)，所述碳化硅原料(22)粉末能在所述坩埚(100)被加热时气化为碳化硅气氛；至少一个挡板(200)，所述挡板(200)均密闭地设置在所述坩埚(100)中，且所述挡板(200)被配置为将所述原料腔室(101)和所述生长腔室(102)隔开；所述挡板(200)上设置有多个通孔(210)，并通过所述通孔(210)连通所述原料腔室(101)和所述生长腔室(102)；

保温毡，设置在所述坩埚结构的外侧，用于包裹所述坩埚结构；

加热装置，设置在所述保温毡的外侧，用于加热所述保温毡，且用于对所述坩埚结构加热。