具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备制造技术

本发明专利技术申请公开了一种具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，包括石英管、感应线圈和石墨坩埚，所述石墨坩埚包括碳化硅粉末加热区、生长腔室和籽晶托，所述碳化硅粉末加热区与所述生长腔室之间还设有第二盖板和第三盖板，所述碳化硅粉末加热区底部设有穿过碳化硅粉末的竖直气管。本发明专利技术申请的技术方案采用石墨坩埚底部结构和多盖板相配合的结构，实现了对碳化硅粉末加热区的多空间分隔，改变了碳化硅粉末升华后气体组分的输出路径，使得升华气体多次通过碳化硅粉末并形成持续大循环，使得碳化硅粉末得到多次重复加热，协调富硅组分和富碳组分气体的升华速度，进而获得高质量的碳化硅单晶。进而获得高质量的碳化硅单晶。进而获得高质量的碳化硅单晶。

【技术实现步骤摘要】
具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备


[0001]本专利技术涉及碳化硅单晶生长领域，更具体地，涉及一种具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备。

技术介绍

[0002]碳化硅是第三代半导体材料的典型代表，目前碳化硅的生长技术主要以物理气相输运(PVT)为主，其原理是通过加热线圈感应方式使石墨坩埚整体发热，坩埚底部碳化硅粉末温度高，顶部籽晶温度低，使坩埚内部形成轴向温度梯度，碳化硅粉末在坩埚底部受热升华后在籽晶生长面上实现碳化硅单晶的生长。
[0003]碳化硅单晶生长初期，硅组分会在坩埚内优先升华，使得碳化硅粉末中的相对硅含量越来越低，导致在碳化硅晶体生长中后期，碳化硅粉末中剩余的未升华的碳化硅粉末变得越来越富含碳，进而在生长气氛中出现碳硅比例大幅超过1：1，在籽晶生长面处造成硅流量偏低，生长表面出现碳化问题，并由此导致碳化硅单晶内部缺陷增多的问题。
[0004]因此，设计一种新型结构的石墨坩埚，使得在碳化硅单晶生长的初期和中后期，生长气氛中的碳硅比例都能处于合理的比例范围，将有助于获得低缺陷高质量的碳化硅单晶。

技术实现思路

[0005]就上述现有技术存在的问题，本专利技术申请通过对石墨坩埚的碳化硅粉末存放区结构进行优化设计，采用多盖板分隔的方式形成多个空间，利用空间结构实现碳化硅粉末升华气体组分输送通道路径的改变，使得碳化硅粉末中气相碳和气相硅组分的挥发速度和挥发量得到合理匹配，从而调节生长气氛中的碳硅比例，进而获得高质量的碳化硅单晶。
[0006]为实现上述目的，本专利技术申请提出了一种具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，其采用的主要技术方案如下：包括石英管、感应线圈和石墨坩埚，所述石墨坩埚包括碳化硅粉末加热区、生长腔室和籽晶托，所述碳化硅粉末加热区由第一盖板和石墨坩埚底部构成，所述碳化硅粉末加热区与所述生长腔室之间还设有第二盖板和第三盖板，所述碳化硅粉末加热区底部设有穿过碳化硅粉末的竖直气管，所述碳化硅粉末加热区与石墨坩埚内壁之间至少设有一条气体通道与所述竖直气管的底部相通，所述气体通道的上端与第一盖板及第二盖板之间的半密闭空间相连通。
[0007]本专利技术申请还包括如下附属的技术方案：第一盖板和石墨坩埚底部构成半密闭空间，所述碳化硅粉末加热区在装填完碳化硅粉末后仍留有空间。
[0008]所述竖直气管的顶部超过所述碳化硅粉末的上表面。
[0009]所述第三盖板位于所述第二盖板的上方，所述第三盖板和第二盖板之间构成半密闭空间。
[0010]所述第一盖板、第二盖板和第三盖板的直径依次增大。
[0011]所述石墨坩埚的内壁包括第一盖板固定块、第二盖板固定块和第三盖板固定块。由于第一盖板固定块、第二盖板固定块和第三盖板固定块都是具有一定宽度的环形条，因此当第一盖板、第二盖板和第三盖板安装到位后，会利用各自的重力作用于各个盖板固定块之间形成密封配合。
[0012]所述竖直气管的底部设有与所述气体通道相通的进气口，所述竖直气管的下部1/3高度范围的外表面存在贯通的第一气孔，所述竖直气管超过碳化硅粉末上表面的上部外表面存在贯通的第二气孔，竖直气管第一气孔所在横截面内的气孔数量多于第二气孔所在横截面内的气孔数量，第二气孔的存在可以使得竖直气管内的气体形成循环驱动力。
[0013]所述第一盖板表面设有均匀分布的第一微孔，所述第二盖板表面只在中心处设有均匀分布的第二微孔，所述第三盖板表面设有均匀分布的第三微孔。
[0014]第三微孔的密度大于第一微孔的密度。不同的微孔密度设计，可以调节气相组分快速输出，或者部分输出部分返回进行循环。
[0015]所述第一盖板和第二盖板之间的间距不超过20 mm，所述第二盖板和第三盖板之间的间距不超过20 mm。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果在于：第一，本专利技术申请的技术方案采用石墨坩埚底部结构和多盖板相配合的结构，实现了对碳化硅粉末加热区的多空间分隔。通过第一盖板与第一盖板固定块的配合，使得碳化硅粉末加热区成为半密闭空间，加热升华的气相组分只能通过第一盖板表面的第一微孔输出；通过第二盖板与第二盖板固定块的配合，使得第二盖板下方再次出现半密闭空间，由于第二盖板只在中部存在少量的第二微孔，因此透过第一盖板表面输出的气相组分中的大部分气体来不及通过第二微孔，从而通过气体通道进入碳化硅粉末的竖直气管当中，二进入竖直气管中的气体大部分通过其底部1/3高度范围内的第一气孔进入到碳化硅粉末中，对粉末进行二次加热后再次穿过第一盖板表面的第一微孔。
[0017]第二，本专利技术申请的技术方案通过结构设计改变了碳化硅粉末升华后气体组分的输出路径，使得升华气体多次通过碳化硅粉末并形成持续大循环，使得碳化硅粉末得到多次重复加热，协调富硅组分和富碳组分气体的升华速度。本专利技术技术方案中的多个半密闭空间中通过微孔的密度设计，实现了对气体输出路径的可控。通常情况下，碳化硅粉末上方是敞开的空间，受热升华的气相组分可以直接自由进入生长腔室中，而本专利技术申请中利用特殊的结构设计改变了升华气体的输出路径，使其中的大部分气体在碳化硅粉末中不断循环穿过，这样处理一方面有利于含碳气相组分的加速升华缩短与硅气相组分的升华速度，另一方面使得碳化硅粉末得到充分的翻动搅动，促进了碳化硅粉末的混合。最终使得碳化硅粉末中气相碳和气相硅组分的挥发速度和挥发量得到合理匹配，从而调节生长气氛中的碳硅比例，进而获得高质量的碳化硅单晶。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的SiC单晶生长设备的整体结构示意图。
[0019]图2为本专利技术的图1中A
‑
A剖面结构示意图。
[0020]图3为本专利技术的第一盖板的结构示意图。
[0021]图4为本专利技术的第二盖板的结构示意图。
[0022]图5为本专利技术的第三盖板的结构示意图。
[0023]图6为本专利技术的竖直气管的结构示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和实施例，对本专利技术技术方案进行详细阐述。需要说明的是，本专利技术文件中的“半密闭空间”指的是除了盖板表面气孔和气体通道之外，没有其它位置可供气体出入的空间。
[0025]参见图1和图2，本专利技术申请的一种具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，包括石英管2、感应线圈3和石墨坩埚1，所述石英管和加热线圈位于所述石墨坩埚的外部，所述石墨坩埚1包括碳化硅粉末加热区11、生长腔室12和籽晶托13，所述碳化硅粉末加热区受热升华的气体进入生长腔室内，并在所述籽晶托上的籽晶表面生长碳化硅单晶，所述碳化硅粉末加热区11由第一盖板14和石墨坩埚1底部构成，所述碳化硅粉末加热区11与所述生长腔室12之间还设有第二盖板15和第三盖板16，所述碳化硅粉末加热区11底部设有穿过碳化硅粉末的竖直气管17，所述碳化硅粉末加热区11与石墨坩埚1内壁之间至少设有一条气体通道18与所述竖直气管17的底部相通，所述气体通道18的上端与第一盖板14及第二盖板15之间的半密本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，包括石英管、感应线圈和石墨坩埚，其特征在于，所述石墨坩埚包括碳化硅粉末加热区、生长腔室和籽晶托，所述碳化硅粉末加热区由第一盖板和石墨坩埚底部构成，所述碳化硅粉末加热区与所述生长腔室之间还设有第二盖板和第三盖板，所述碳化硅粉末加热区底部设有穿过碳化硅粉末的竖直气管，所述碳化硅粉末加热区与石墨坩埚内壁之间至少设有一条气体通道与所述竖直气管的底部相通，所述气体通道的上端与第一盖板及第二盖板之间的半密闭空间相连通。2.如权利要求1所述的具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，其特征在于，第一盖板和石墨坩埚底部构成半密闭空间，所述碳化硅粉末加热区在装填完碳化硅粉末后仍留有空间。3.如权利要求1所述的具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，其特征在于，所述竖直气管的顶部超过所述碳化硅粉末的上表面。4.如权利要求1所述的具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，其特征在于，所述第三盖板位于所述第二盖板的上方，所述第三盖板和第二盖板之间构成半密闭空间。5.如权利要求1所述的具有生长气氛中碳硅比例调节功能的碳化硅单晶生长设备，其特征在于，所述第一盖板、第二盖板和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启生，许学仁，
申请(专利权)人：中科汇通内蒙古投资控股有限公司，
类型：发明
国别省市：