本实用新型专利技术提供了一种碳化硅单晶制造装置，属于半导体机械设备技术领域。它解决了现有碳化硅单晶制造装置生长的单晶后期机械加工损失大的问题。本碳化硅单晶制造装置，包括炉体和设置在炉体内的坩埚，在坩埚的上部设置能够安装籽晶的籽晶保持架，籽晶保持架能够自转和上下升降，在炉体内还设有加热炉体使炉体形成环境温度梯度的炉体加热器，在籽晶保持架外设有能作用在碳化硅单晶上的加热冷却器。本碳化硅单晶制造装置能够在保证碳化硅单晶的高品质的前提下高速生长碳化硅单晶，实现碳化硅单晶的大口径生长，减少后期机械加工的损失。
【技术实现步骤摘要】
本技术属于半导体机械设备
，涉及一种碳化硅单晶制造装置。
技术介绍
升华法是目前制造碳化硅晶体的标准方法，一般采用中频感应加热方式，即对坩埚内的碳化硅进行加热升华，并在坩埚上方还设有籽晶，因此气态碳化硅上升并接触到籽晶后凝结并形成碳化硅单晶。加热器对炉体内的大环境进行加热，难以对晶体生长面的温度进行精准控制，且目前采用的方法是直接将晶体生长面的温度设置在2250℃左右，但是直接在该温度下生长的碳化硅单晶在后续的机械加工过程中容易出现破损，为了提高碳化硅单晶的品质，只能降低生长速度，同时减小生长口径，为了保证碳化硅晶体品质而降低生长速度以及减少生长口径也导致碳化硅单晶的成本过高。另外还有一种CVD法制作碳化硅单晶，如中国专利技术专利申请(申请号：201110431762.3)公开了一种制造碳化硅单晶的装置，通过从籽晶的下面供应原料气体来在籽晶上生长碳化硅单晶，该装置包括加热容器和定位于加热容器中的基部，籽晶安装于基部上，该装置还包括用于引起净化气体沿着加热容器的内壁表面流动的第一入口、用于将净化气体供应至第一入口的净化气体源、用于引起净化气体沿着基部的外壁表面流动的第二入口、以及用于支撑基部以及用于将净化气体从基部的下面供应至基部的机构，该装置是高温CVD法制作碳化硅单晶的设备，通过气体作为原料并通过SiH4来制作碳化硅单晶，不使用粉末，气体污染大，与通过物理的升华法制作碳化硅单晶是完全不同的制作原理。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种碳化硅单晶制造装置，该碳化硅单晶制造装置能够在保证碳化硅单晶的高品质的前提下高速生长碳化硅单晶，实现碳化硅单晶的大口径生长，减少后期机械加工的损失。本技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种碳化硅单晶制造装置，包括炉体和设置在炉体内的坩埚，在坩埚的上部设置能够安装籽晶的籽晶保持架，所述籽晶保持架能够自转和上下升降，在炉体内还设有加热炉体使炉体形成环境温度梯度的炉体加热器，其特征在于，在籽晶保持架外设有能作用在碳化硅单晶上的加热冷却器。坩埚内放置碳化硅粉末，炉体加热器能够对炉体进行加热，使得炉体内形成一个沿轴向呈梯度分布的环境温度，在炉体加热器的加热下坩埚内的碳化硅粉末升华成气态并上升至籽晶处，籽晶保持架上安装有籽晶，籽晶的下端面为晶体生长面，加热冷却器设置在籽晶保持架外部且对籽晶形成主要的温度影响因素。加热冷却器的下端处能够产生低于炉体温度的冷却温度来促进气态碳化硅在晶体生长面上凝结成碳化硅晶体。随着碳化硅单晶的生长生成，籽晶保持架向上旋转上升，由于采用冷却加热器对晶体生长面进行加速冷却结晶，在晶体生长面上产生了凹进或者凸出的不规则结晶面，或者生长出了针状的表面或出现毛细气孔，导致加快冷却产生了较坏的结晶和机械性能，此时，加热冷却器对这些不利的结晶面进行高于炉体温度的碳化硅升华温度进行加热，使得不利的结晶面气化升华并恢复至较为平整的结晶生长面，保证碳化硅单晶的品质，即减少其后的机械性加工损失，之后又进行快速冷却，如此冷却加热循环进行，达到快速长晶的效果，同时又能保持好好的机械性能。在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述的加热冷却器能够形成沿着碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度。气态碳化硅能够在籽晶生正面上凝结，并逐渐凝结成柱状，该柱状的方向为单晶生长轴向，而加热冷却器内有一段沿碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度，该温度梯度能减少生成的碳化硅单晶在冷却后内部的应力，减少其后的机械性加工损失，即切割研磨时的破裂与破损。在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述加热冷却器为频率为10KHz～50KHz的感应加热线圈，包括螺旋设置的铜管，上述籽晶保持架上升时能够穿过铜管。螺旋设置的铜管产生中高频电流进行加热，需要降低温度时在铜管内通入冷却介质使碳化硅单晶生长的区域温度低于炉体内环境温度，冷却介质可以是惰性气体氩气等常规的介质，而且冷却介质的流速大小能够形成梯度分布的温度区间。在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述加热冷却器形成的温度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者减少。该温度梯度能减少生成的碳化硅单晶内部的应力，减少后期碳化硅单晶在机械加工中的损失。在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述加热冷却器下端与坩埚端口之间的距离d等于或大于20cm。晶体生长面与坩埚端口之间的距离对碳化硅单晶品质有很大的影响，该距离的变化与原料的粒度分布、形状差异、晶体生长速度、气态碳化硅流速等因素存在复杂的关系，且会相互干涉，如籽晶保持架转速和气态碳化硅流速一定的情况下，晶体生长面与坩埚端口距离过小，则导致未完全气化的碳化硅粉末被带到晶体生长面上，碳化硅单晶生长速度过快，导致碳化硅单晶品质下降；反之，在籽晶保持架转速和气态碳化硅流速一定的情况下，若晶体生长面与坩埚端口之间的距离大于60cm，晶体生长面处气态碳化硅浓度过低，碳化硅单晶生长速度过慢，因此为了获得快速高品质的碳化硅单晶时晶体生长面与坩埚端口之间的理想距离为20cm～60cm。在上述的碳化硅单晶制造装置中，本碳化硅单晶制造装置还包括能使籽晶或者已经生长的碳化硅晶体的中央部分与周围部分的温度差变小的参数控制器，参数控制器能够设置籽晶保持架的旋转速度和提升速度以及加热冷却器下端处的气态碳化硅流速使碳化硅单晶的生长面形成横向温度梯度。横向温度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者减少，碳化硅单晶凝结后形成柱状，后续机械加工时需要沿径向切片成为晶片，然后对晶片长外延并进行横向和竖向切割形成芯片，其中如果在碳化硅晶体生长过程中中央部分与周围部分温度差较大，则会在碳化硅单晶内部产生较大的沿径向的应力，该应力会导致在碳化硅晶体后期的机械加工过程中，容易导致晶片破损，为此本制造装置设置有参数控制器，通过参数控制器来减小碳化硅晶体中央部分与周围部分的温度差，具体的，参数控制器通过控制籽晶保持架的旋转速度、提升速度以及气态碳化硅的流速来控制，如合理控制籽晶保持架的旋转速度能够使晶体生长面受热均匀、提升速度和气态碳化硅的流速将影响晶体生长面处的浓度，这些都是影响碳化硅晶体中央部分与周围部分的温度差的因素。在上述的碳化硅单晶制造装置中，所述坩埚的最小开口面积小于坩埚内腔横截面面积的一半，所述坩埚高度与直径的高宽比大于5:1。传统的坩埚端口较大，上升的气态碳化硅弥漫在炉体内，而晶体生长面仅仅是其中一小部分面积，因此难以精确控制晶体生长面处的气态碳化硅浓度，浓度稀薄，而本坩埚的端口面积较小，小于坩埚内腔横截面的一半，使得气态碳化硅具有一个较快的流速后提高浓度，因此上升的气态碳化硅能够直接流向晶体生长面，便于对晶体生长面处的气态碳化硅浓度进行精确控制，从而对碳化硅晶体的品质进行保障，进而提高长晶速度，坩埚高度与直径的比值为5:1，也可以增加，使坩埚内的粉末有充分时间气化。在上述的碳化硅单晶制造装置中，本碳化硅单晶制造装置还包括能控制炉体加热器形成的温度梯度的大小的温度控制器，该温度控制器能够控制炉体加热器平缓碳化硅晶型转变时对应的温度，使得温度的下降速度为0.5℃/min～30℃/min。本制造装置设置有温度控制器，能够感应温度梯度区间内的温度波动变化，从而及时的控制炉体加热器进行温度调节，进而提高碳化硅晶体的品质，随着本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳化硅单晶制造装置，包括炉体(1)和设置在炉体(1)内的坩埚(2)，在坩埚(2)的上部设置能够安装籽晶(8)的籽晶保持架(3)，所述籽晶保持架(3)能够自转和上下升降，在炉体(1)内还设有加热炉体(1)使炉体(1)形成环境温度梯度的炉体加热器(4)，其特征在于，在籽晶保持架(3)外设有能作用在碳化硅单晶上的加热冷却器(5)。
【技术特征摘要】
1.一种碳化硅单晶制造装置，包括炉体(1)和设置在炉体(1)内的坩埚(2)，在坩埚(2)的上部设置能够安装籽晶(8)的籽晶保持架(3)，所述籽晶保持架(3)能够自转和上下升降，在炉体(1)内还设有加热炉体(1)使炉体(1)形成环境温度梯度的炉体加热器(4)，其特征在于，在籽晶保持架(3)外设有能作用在碳化硅单晶上的加热冷却器(5)。2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述的加热冷却器(5)能够形成沿着碳化硅单晶生长轴向分布的温度梯度。3.根据权利要求2所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述加热冷却器(5)为频率为10KHz～50KHz的感应加热线圈，包括螺旋设置的铜管(51)，上述籽晶保持架(3)上升时能够穿过铜管(51)。4.根据权利要求2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述加热冷却器(5)沿晶体生长轴方向形成的温度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者减少。5.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述加热冷却器(5)下端与坩埚(2)端口之间的距离d等于或大于20cm。6.根据权利要求4所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述的炉体加热器(4)包括对加热冷却器(5)下端和坩埚(2)端口之间的区域进行加热和冷却的第三感应加热线圈(43)。7.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，本碳化硅单晶制造装置还包括能使籽晶(8)或者已经生长的碳化硅晶体的中央部分与周围部分的温度差变小的参数控制器，参数控制器能够设置籽晶保持架(3)的旋转速度和提升速度以及加热冷却器(5)下端处的气态碳化硅流速使碳化硅单晶的生长面形成横向温度梯度。8.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，所述坩埚(2)的最小开口面积小于坩埚(2)内腔横截面面积的一半，所述坩埚(2)高度与直径的高宽比大于5:1。9.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅单晶制造装置，其特征在于，本碳化硅单晶制造装置还包括能控制炉体加热器(4)形成的温度梯度的大小的温度控制器，该温度控制器能够控制炉体加热器(4)平缓碳化硅晶型转变时对应的温度，使得温度的下降速度为0.5℃/min～30℃/min。10....
【专利技术属性】
技术研发人员：星野政宏，张乐年，
申请(专利权)人：台州市一能科技有限公司，张乐年，
类型：新型
国别省市：浙江;33
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