CN220034736U - 一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，包括坩埚本体，缩颈环与籽晶托，所述缩颈环与所述籽晶托通过螺纹可拆卸连接；设生长晶体的直径为D，所述缩颈环的内直径为D～(D+5)，所述缩颈环的底部为向外逐渐扩大的喇叭口形状。通过本实用新型的结构缩径生长SiC，可以减少晶体生长边缘裂纹和降低晶体的含碳缺陷，降低晶体的边缘位错密度，晶体的位错密度比籽晶降低了50％，解决了边缘位错密度高的问题，大大提高了碳化硅单晶的质量，使用缩径生长SiC,能提高单个出炉晶体的厚度，能在后续的工序中产出更多的晶片，提高单个晶棒出产晶片的数量，降低单片碳化硅的成本。

Description

一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构

技术领域

本实用新型属于碳化硅晶体生长技术领域，涉及生长碳化硅的结构，尤其涉及一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构。

背景技术

碳化硅(SiC)是第三代半导体材料，具有较大的禁带宽度、较高的热导率以及较高的饱和电子迁移率等优良的物理性质，常被用于高温、高频、抗辐射、节能、通信等领域。制作出的SiC基电子器件具有尺寸小、正向导通电阻小、开关损耗低、响应频率高等优点。因此SiC具有很高的应用价值，已经应用的领域有5G通信、智能电网、轨道交通、雷达探测等，特别是SiC基MOSFET在电动汽车中的应用，比Si基IGBT在电动汽车中的整体工作效率得到显著提高。碳化硅耐高温性能好，不需要复杂的散热结构，因此碳化硅电驱模块的重量也实现很大的下降和尺寸的缩小。电动车产业的蓬勃发展，为SiC产品的应用带来广阔的前景。

现有的PVT法生长的SiC单晶主要有以下两种方案，如生长直径D(单位mm)的碳化硅单晶：

等径生长：装料坩埚内径小于等于籽晶直径大约在/>之间，等径环内径在/>之间，籽晶直径比等径环大5mm，等径环内径和坩埚内径决定了碳化硅单晶的直径。

扩径生长：装料坩埚内径小于等于籽晶尺寸大约在/>之间，等径环为喇叭状，贴近籽晶一侧内径比籽晶直径略小，远离籽晶一侧直径在/>之间，坩埚内径决定了碳化硅单晶的直径。

碳化硅单晶生长需要在反应腔(石墨坩埚)顶上放置一块籽晶，作为晶体生长的初始形核和生长的模板，籽晶的表面状态和籽晶内部的缺陷密度，将在很大程度上决定了生长出来的碳化硅单晶的晶体缺陷水平。

等径生长的单晶边缘会出现小裂纹、多晶，石墨坩埚的碳化比较严重，更换新石墨坩埚的频率高，成本增加。主要原因是碳化硅在生长过程中，碳化硅气氛与石墨坩埚发生反应，在单晶边缘超过籽晶边缘边界的部分生长碳化硅所致。这部分碳化硅生长超出了籽晶边界的限制，也受到籽晶直径方向温度梯度的影响，容易造成异质成核，形成新的形核中心，导致边缘多晶化。

扩径生长的单晶边缘由于没有籽晶的晶格结构作为生长的模板，同样的，这部分碳化硅生长超出了籽晶边界的限制，也受到籽晶直径方向温度梯度的影响，容易造成异质成核，形成新的形核中心，导致边缘多晶化。会出现较大的裂纹，取单晶时，出炉晶体极易沿裂纹开裂。

受到晶体生长径向梯度的影响，无论是等径生长还是扩径生长，晶体的边缘温度梯度大，位错密度通常比较高，特别是BPD(基平面)位错和TED(螺旋刃位错)的边缘密度高。利用这样的晶体做籽晶，继续生长新的碳化硅单晶，边缘密度缺陷区将会继续被后续生长出来新的单晶所继承，限制了新生长出来晶体质量的提升。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，通过缩径生长，保证碳化硅生长边缘，籽晶原子排布结构能够完整的被复制，减少晶体生长边缘的裂纹，降低边缘位错的密度，因此实现更好的晶体品质，更低缺陷密度。缩径生长过程，可以避开籽晶边缘高缺陷密度的区域，利用晶体质量更好的籽晶中心部分进行生长，有利于得到低位错的高质量碳化硅晶体。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，包括坩埚本体，缩颈环与籽晶托，所述缩颈环与所述籽晶托通过螺纹可拆卸连接；设生长晶体的直径为D，所述缩颈环的内直径为D～D+5，所述缩颈环的底部为向外逐渐扩大的喇叭口形状。

作为本实用新型的一种优选方案，所述缩颈环外缘的下侧均设有缺口。

作为本实用新型的一种优选方案，所述缺口的高度为所述缩颈环整体高度的1/5。

作为本实用新型的一种优选方案，所述缺口的宽度为高度的一半。

作为本实用新型的一种优选方案，所述缩颈环上部内侧设有用于承载部分籽晶托的平台。

作为本实用新型的一种优选方案，所述缩颈环的高度为50mm。

作为本实用新型的一种优选方案，缩颈环底部的喇叭口延伸至缺口处设有第二平台。

作为本实用新型的一种优选方案，生长高质量4英寸SiC的籽晶的直径大于D+15。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1)本实用新型在PVT法生长碳化硅单晶的热场结构中，由于坩埚从外壁到粉料内侧，温度依次降低，SiC粉料是从靠近坩埚壁的粉料先开始蒸发。生长初期因石墨坩埚在硅气氛中腐蚀，C颗粒随SiC气氛蒸发到单晶内部形成C包裹、微管、多晶、相变等的缺陷生成。缩颈结构，前期蒸发的SiC气氛不会直流到籽晶，通过缩颈环结构，可以遮挡住前期含有C颗粒的碳化硅气氛。因此缩颈生长结构有利于降低碳化硅晶体中的碳夹杂。

2)等径或者扩径生长，通过会继承原有的籽晶上的位错密度水平，复制了边缘高位错密度，采用缩颈生长，可以避开边缘籽晶的高位错密度区域，利用中心部分低位错密度的区域来生长单晶，有效的规避了籽晶边缘位错密度高的问题。

3)在缩径结构中籽晶为晶体生长的边缘提供了完整的生长模板，因此在晶体的边缘能够复制到籽晶的晶体结构，可以抑制多晶的生成；同时缩径结构可以避免晶体边缘由于和等径环接触热膨胀系数不同引起的边缘小裂纹。基于上述两方面原因，缩颈生长可以降低边缘多晶和裂纹的形成，提高晶体的品质，保证晶体在后续加工中的成品率。

4)缩颈生长的坩埚较原先坩埚容量更大，可以填装更多的碳化硅粉体，生长的晶碇更厚，能在后续的工序中产出更多的晶片，提高单个晶碇出产晶片的个数，提升单炉生长的收益，有利于晶片生产成本的降低。

5)通过本实用新型的结构缩径生长SiC，可以减少晶体生长边缘裂纹和降低晶体的含碳缺陷，降低晶体的边缘位错密度，晶体的位错密度比籽晶降低了50％，解决了边缘位错密度高的问题，大大提高了碳化硅单晶的质量，使用缩径生长SiC,能提高单个出炉晶体的厚度，能在后续的工序中产出更多的晶片，提高单个晶棒出产晶片的数量，降低单片碳化硅的成本。

附图说明

图1是本实用新型的示意图。

图2是本实用新型籽晶托的示意图。

图3是本实用新型缩颈环的示意图。

图4是本实用新型缩径结构生长的单晶位错密度检测结果。

图中，1.坩埚本体；2.籽晶托；3.缩颈环；31.缺口；32.喇叭口；33.平台；34.第二平台。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图及实施例对本实用新型作详细描述。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。本实用新型中所述的第一、第二等词语，是为了描述本实用新型的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本实用新型的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。同一实施例中的多个技术方案，以及不同实施例的多个技术方案之间，可进行排列组合形成新的不存在矛盾或冲突的技术方案，均在本实用新型要求保护的范围内。

实施例1

参见图1，图2与图3，本实施例公开了一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，包括坩埚本体1，缩颈环3与籽晶托2，所述缩颈环3与所述籽晶托2通过螺纹可拆卸连接；设生长晶体的直径为D，所述缩颈环3的内直径为D～(D+5)，所述缩颈环3的底部为向外逐渐扩大的喇叭口32形状。

缩颈环3外缘的下侧均设有缺口31，以便于缩颈环3固定在坩埚本体1上。

缺口31的高度为所述缩颈环3整体高度的1/5，缺口31的宽度为高度的一半，缩颈环3的高度为50mm，因此缺口31的高度为10mm，缺口31的宽度为5mm。

缩颈环3上部内侧设有用于承载部分籽晶托2的平台33。

缩颈环3底部的喇叭口31延伸至缺口32处设有第二平台34，将晶体生长的直径过度到坩埚的内径，其主要的作用是收集粉料挥发的碳化硅气氛，用于晶体的生长，同时起到遮挡坩埚边缘挥发物的作用。

生长高质量4英寸SiC的籽晶的直径大于D+15。

使用上述结构生长氮化硅晶体的步骤包括：

1)取直径大于(D+15)mm的碳化硅籽晶，根据籽晶粘接的标准工艺流程，将籽晶和石墨托粘接在一起，防止籽晶在生长过程中脱落，并防止籽晶背面受到生长热环境的腐蚀破坏。

2)石墨坩埚内填加一定粒径配比的碳化硅粉体，达到合适的位置和重量并填装紧密。

3)加工石墨缩颈环，使得缩颈环的内直径为所需生长的晶体的直径D～(D+5)mm；缩颈环高度50mm，除了直径为D～(D+5)mm的部分外，底部10mm左右高度为喇叭口，将晶体生长的直径过度到坩埚的内径，其主要的作用是收集粉料挥发的碳化硅气氛，用于晶体的生长，同时起到遮挡坩埚边缘挥发物的作用。

4)把石墨托和籽晶、缩径环和装料坩埚等配件组装在一起，达到合格装配的要求。如图1所示。

5)籽晶托和缩径环直接是通过螺纹结构固定，首先，由于螺纹结构中存在一些小的缝隙，高温生长过程中缝隙会变大，碳化硅气氛通过缝隙流出坩埚，可以有效的起到导流和泄压的作用；其次这种螺纹结构可以很好的把籽晶和缩径环之间的缝隙减到最小，缩颈环遮挡住了籽晶的外周，可避免生长过程中高温而造成籽晶背面边缘热腐蚀的现象。

参见图4，通过本实用新型的结构缩径生长SiC，可以减少晶体生长边缘裂纹和降低晶体的含碳缺陷，降低晶体的边缘位错密度，晶体的位错密度比籽晶降低了50％，解决了边缘位错密度高的问题，大大提高了碳化硅单晶的质量，使用缩径生长SiC，能提高单个出炉晶体的厚度，能在后续的工序中产出更多的晶片，提高单个晶棒出产晶片的数量，降低单片碳化硅的成本。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，包括坩埚本体，缩颈环与籽晶托，所述缩颈环与所述籽晶托通过螺纹可拆卸连接；设生长晶体的直径为D，所述缩颈环的内直径为D～D+5，所述缩颈环的底部为向外逐渐扩大的喇叭口形状。

2.根据权利要求1所述的一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，所述缩颈环外缘的下侧均设有缺口。

3.根据权利要求2所述的一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，所述缺口的高度为所述缩颈环整体高度的1/5。

4.根据权利要求2所述的一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，所述缺口的宽度为高度的一半。

5.根据权利要求1所述的一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，所述缩颈环上部内侧设有用于承载部分籽晶托的平台。

6.根据权利要求2所述的一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，所述缩颈环的高度为50mm。

7.根据权利要求1所述的一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，缩颈环底部的喇叭口延伸至缺口处设有第二平台。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种缩径生长高质量4英寸SiC的结构，其特征在于，生长高质量4英寸SiC的籽晶的直径大于D+15。