一种制备单晶的装置和碳化硅单晶的制备方法制造方法及图纸

本申请公开了一种制备单晶的装置和碳化硅单晶的制备方法，属于半导体材料领域。该制备单晶的装置包括坩埚、加热线圈组和保温结构，所述坩埚形成生长腔，所述生长腔包括盛放原料的原料区和设置籽晶的长晶区，所述加热线圈组围绕所述坩埚的侧壁设置，所述加热线圈组包括与所述原料区对应设置的第一线圈组和，与所述长晶区对应设置的第二线圈组，沿自原料至籽晶的方向，所述第二线圈组的内径增大。该单晶生长装置不仅可以调节生长单晶的生长腔内径向温度梯度；并且可以在降低径向温度梯度的同时，可以保证具有一定的轴向温度梯度，而可以高效率的制得高质量的单晶。

A device for preparing single crystals and a method for preparing silicon carbide single crystals

【技术实现步骤摘要】
一种制备单晶的装置和碳化硅单晶的制备方法
本申请涉及一种制备单晶的装置和碳化硅单晶的制备方法，属于半导体材料领域。
技术介绍
碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。目前碳化硅单晶的主要制备方法是物理气相传输(PVT)法。在PVT法制备单晶的过程中，生长单晶的生长腔内存在径向温度梯度和轴向温度梯度。在单晶稳定生长阶段，较大的轴向温度梯度具有较快的单晶生长速度，较小的径向温度梯度可以减少引入应力及位错。但是在实际生产中难以同时达到大轴向温度梯度和小径向温度梯度。另一方面，在碳化硅单晶生长过程中，常常需要径向温度梯度发生一定的变化来改善单晶质量。单晶生长初期需要一定的径向温度梯度来完成横向生长，生长初期较大的径向温度梯度可在一定程度上减轻空洞的产生。而单晶生长后期则需要促进单晶纵向生长，不需要较大的径向温度梯度。总的来说，为快速制得高质量、低缺陷的碳化硅单晶，需要在单晶生长初期的径向温度梯度大，轴向温度梯度小；而在稳定生长阶段的径向温度梯度小，轴向温度梯度大。然而，目前制备碳化硅的PVT设备通常采用上下直径相同的感应线圈。现有的感应线圈的加热方式，一方面，难以在提高生长腔的轴向温度梯度时，不影响径向温度梯度，保证小的径向温度梯度；另一方面，在降低径向温度梯度时，轴向温度梯度也有很大的下降，无法保证生长速率。另外，目前的设备中也难以实现在碳化硅单晶的生长过程中的径向温度梯度在较大范围内的调控，难以实现碳化硅单晶生长中所需的径向温度梯度的改变。
技术实现思路
为了解决上述问题，提供了一种单晶生长装置，该单晶生长装置不仅可以调节生长单晶的生长腔内径向温度梯度；并且可以在降低径向温度梯度的同时，可以保证具有一定的轴向温度梯度，而可以高效率的制得高质量、低缺陷的单晶。根据本申请的一个方面，提供了一种制备单晶的装置，包括由内至外设置的坩埚、保温结构和加热线圈组，所述坩埚形成生长腔，所述生长腔包括盛放原料的原料区和设置籽晶的长晶区，所述加热线圈组包括与所述原料区对应设置的第一线圈组和，与所述长晶区对应设置的第二线圈组，沿自原料至籽晶的方向，所述第二线圈组的内径增大。从原料向上的区域增大线圈直径，从而减小籽晶处的温度，相比于以往直径不变的线圈设计增大了轴向温度梯度，然而对于籽晶处的径向温度梯度影响较小。可选地，制备单晶的装置还包括长晶炉，由内之外依次设置坩埚、保温结构和长晶炉，长晶炉的侧壁外围设置加热线圈组。可选地，所述第一线圈组的内径相同。为保证原料内部温场不发生大的变化，线圈直径在原料区域基本保持不变。可选地，所述坩埚与所述加热线圈组共中心轴线，同一高度的所述加热线圈组的内壁与所述坩埚外侧壁的距离相等。优选地，所述加热线圈组为中空圆柱形，所述坩埚为圆柱形。可选地，所述第二线圈组的内径连续增大，所述第二线圈组的侧壁与所述坩埚的中轴线的夹角为10-45°。优选地，所所述第二线圈组的侧壁与所述坩埚的中轴线的夹角为20-35°。可选地，所述保温结构包括上保温结构，所述上保温结构与所述籽晶对应的位置设置测温孔；所述装置还包括调节机构，所述调节机构能够调节所述测温孔的开口面积，以调节所述生长腔内的径向温度梯度。单晶生长初期与稳定生长阶段对生长腔内的长晶面的径向温度梯度要求的不同，通过调节测温孔的大小来调节长晶面的径向温度梯度。虽然测温孔尺寸的减小会同时降低径向温度梯度及轴向温度梯度，但是加热线圈组的结构使得生长腔内具有较大的轴向温度梯度，该轴向温度梯度仍然能够保证单晶生长所需的生长速率。可选地，所述调节机构包括保温环组，所述保温环组的外径与所述测温孔的内径相同，所述保温环组的中心设置通孔；所述保温环组包括多个内径递减保温环，将内径由大至小的所述保温环依次放入所述测温孔，以减小所述测温孔的内径。单晶生长初期需要在长晶面形成大的径向温度梯度，需要大横截面的测温孔；稳定生长阶段需要在长晶面形成尽量小的径向温度梯度，需要小横截面的测温孔，所以在测温孔内添加保温环以减小测温孔的内径。可选地，所述保温环包括保温环主体和保温环主体内壁设置的向内延伸的支撑台，所述支撑台设置在所述保温环主体的底部，所述支撑台的厚度不大于5mm。优选地，所述支撑台的厚度为3mm。可选地，所述保温环组的高度与所述上保温结构的厚度大致相同。可选地，所述测温孔的开口面积占所述籽晶的面积的比例为2％-25％。优选地，所述测温孔的开口面积占所述籽晶的面积的比例为7％-15％。可选地，所述保温环组的中心通孔的开口面积占籽晶面积的比例为0.1％-10％。优选地，所述保温环组的中心通孔的开口面积与籽晶面积的比值为：0.5％-2％。可选地，所述调节机构还包括调节室和第一输送机构；所述调节室与所述测温孔连通，所述调节室设置石英窗，所述石英窗与所述测温孔光路连接，以使用设置在石英窗外的非接触式测温计测量所述测温孔的温度；所述第一输送机构将所述保温环组输送至所述测温孔内。可选地，所述石英窗设置在所述调节室顶部，所述石英窗与所述测温孔相对设置；所述保温环组设置在所述调节室内，所述保温环组包括沿其轴向分体设置的分体保温环组；所述第一输送机构包括设置在所述调节室外的操作部和，设置在所述调节室内的推送部；沿所述推送部至所述测温孔方向，放置的所述分体保温环的内径递增；控制操作部带动所述推送部推动所述分体保温环依次进入所述测温孔内。优选地，所述保温环组包括沿其轴向分体设置的两个对称设置的分体保温环组，所述分体保温环组为半圆形结构，所述第一输送机构包括分别与所述分体保温环组对应设置的两对第一输送机构。作为一种实施方式，所述操作部包括把手，所述推动部包括推动板，所述把手与所述推动板通过连杆连接，通过推动设置在所述调节室外的把手，从而带动所述推动板推动所述分体保温环组进入所述测温孔。作为一种实施方式，所述第一输送机构设置为机械手，所述操作部包括控制面板，所述推动部为抓手，所述第一输送机构还包括控制系统和机械臂。操作控制面板通过控制系统，移动机械臂至目标位置后，抓手抓取保温环后放入所述测温孔内，机械手返回至原来位置。可选地，所述调节机构还包括缓冲室，所述缓冲室与所述调节室设置第一阀门；所述缓冲室连接气路系统和设置加热件，以控制所述缓冲室与所述生长腔的温度和环境气体相同；所述第一输送机构设置为机械手，所述机械手将获取的所述保温环输送至所述缓冲室后，待所述保温环的温度与所述调节室的温度相同时，打开所述第一阀门，机械手将所述保温环放置在所述测温孔内；所述石英窗设置在所述调节室的侧壁，所述调节室内设置反光镜以将所述非接触式测温计与所述测温孔光路连接。加热件的设置在较低温度的保温环放入调节室内后，避免引起生长腔内的温度较大波动。优选地，所述加热件为石墨加热器，所述加热件设置在所述缓冲室内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备单晶的装置，包括由内至外设置的坩埚、保温结构和加热线圈组，所述坩埚形成生长腔，所述生长腔包括盛放原料的原料区和设置籽晶的长晶区，其特征在于，/n所述加热线圈组包括与所述原料区对应设置的第一线圈组和，与所述长晶区对应设置的第二线圈组，/n沿自原料至籽晶的方向，所述第二线圈组的内径增大。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备单晶的装置，包括由内至外设置的坩埚、保温结构和加热线圈组，所述坩埚形成生长腔，所述生长腔包括盛放原料的原料区和设置籽晶的长晶区，其特征在于，
所述加热线圈组包括与所述原料区对应设置的第一线圈组和，与所述长晶区对应设置的第二线圈组，
沿自原料至籽晶的方向，所述第二线圈组的内径增大。


2.根据权利要求1所述的制备单晶的装置，其特征在于，所述第一线圈组的内径相同；
优选地，所述坩埚与所述加热线圈组共中心轴线，同一高度的所述加热线圈组的内壁与所述坩埚外侧壁的距离相等；
优选地，所述加热线圈组为中空圆柱形，所述坩埚为圆柱形。


3.根据权利要求1所述的制备单晶的装置，其特征在于，所述第二线圈组的内径连续增大，所述第二线圈组的侧壁与所述坩埚的中轴线的夹角为10-45°。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备单晶的装置，其特征在于，所述保温结构包括上保温结构，所述上保温结构与所述籽晶对应的位置设置测温孔；
所述装置还包括调节机构，所述调节机构能够调节所述测温孔的开口面积，以调节所述生长腔内的径向温度梯度。


5.根据权利要求4所述的制备单晶的装置，其特征在于，所述调节机构包括保温环组，所述保温环组的外径与所述测温孔的内径相同，所述保温环组的中心设置通孔；
所述保温环组包括多个内径递减保温环，将内径由大至小的所述保温环依次放入所述测温孔，以减小所述测温孔的开口面积。


6.根据权利要求5所述的制备单晶的装置，其特征在于，所述保温环包括保温环主体和保温环主体内壁设置的向内延伸的支撑台，所述支撑台设置在所述保温环主体的底部，所述支撑台的厚度不大于5mm。


7.根据权利要求5所述的制备单晶的装置，其特征在于，所述调节机构还包括调节室和第一输送机构；
所述调节室与所述测温孔连通，所述调节室设置石英窗，所述石英窗与所述测温孔光路...

【专利技术属性】
技术研发人员：高宇晗，方帅，周敏，姜兴刚，窦文涛，宗艳民，
申请(专利权)人：山东天岳先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37