本发明专利技术属于碳化硅晶体生长技术领域，具体涉及一种碳化硅单晶的生长装置及生长方法，生长装置包括坩埚部和加热部：坩埚部包括自上而下同轴设置的第一坩埚部和第二坩埚部，第一坩埚部的顶部的中间设置有籽晶容纳部，第二坩埚部具有空腔，空腔为原料容纳部，第一坩埚部的外径小于第二坩埚部的外径，第二坩埚部的底部中间设置有向第一坩埚部凹陷的凹槽；加热部包括第一加热部、第二加热部和第三加热部；第一加热部周向设置于凹槽内，第二加热部周向设置于第二坩埚部的外侧，第三加热部周向设置于第一坩埚部的外侧，第三加热部的内径小于第二坩埚部的外径。本发明专利技术的生长装置能够减少碳化硅单晶中的包裹体、位错密度、微管等缺陷，提高晶体内部质量。体内部质量。体内部质量。
【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅单晶的生长装置及生长方法
[0001]本专利技术属于碳化硅晶体生长
，具体涉及碳化硅单晶的生长装置及生长方法。
技术介绍
[0002]物理气相输运法（PVT）是目前工业化生长碳化硅晶体的主要方法，具体为使碳化硅原料升华和分解产生的气体输运至籽晶表面重新结晶，得到面积较大的碳化硅单晶。
[0003]然而在高温下，硅元素和富硅的原子团更容易从原料中逸出，造成原料碳化。碳化严重的原料会产生碳粉尘，跟随气流沉积在晶体生长界面上形成包裹体缺陷，包裹体缺陷会进一步成长为螺旋位错、层错和微管等更大范围的缺陷，严重影响碳化硅的晶体质量。尤其是生长大尺寸晶体时，原料的径向温度梯度随着坩埚的直径加大而增加，高温区的原料碳化现象趋于严重，导致晶体的包裹体的数量和体积进一步上升。另外生长大尺寸晶体时，很容易因为晶体的温度梯度太大，导致晶体因为内部应力过大，诱导位错等晶体缺陷的产生，严重时晶体甚至会开裂。
[0004]CN105734671B涉及在原料表面平铺一层碳化钽粉末，以过滤碳粉尘；CN115261991A涉及将钽微孔块体放在原料的表面，以过滤碳粉尘；CN 113445121A和CN102534763A涉及在原料和籽晶之间的空间用多孔石墨分隔开，以过滤碳粉尘。上述现有技术虽然提及，通过碳化钽粉末、钽微孔块体和多孔石墨，过滤碳粉尘从而抑制碳沉积，但碳化钽粉末和钽微孔块体的价格昂贵，不利于大规模生产，而多孔石墨本身也会产生碳粉尘，多孔石墨会消耗原料挥发出来的硅原子团，进一步恶化碳和硅元素的比例平衡，对后期的晶体生长不利。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的PVT法生长的碳化硅单晶中存在包裹体、螺旋位错、层错和微管的缺陷，以及碳化硅单晶中由于内部应力过大，诱导位错产生，甚至晶体开裂的缺陷，提供一种碳化硅单晶的生长装置及生长方法，该生长装置及生长方法有效减少碳化硅单晶中的包裹体、螺旋位错、层错和微管等缺陷，减少内部应力。
[0006]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种碳化硅单晶的生长装置，所述装置包括坩埚部和加热部：所述坩埚部包括自上而下同轴设置的第一坩埚部和第二坩埚部，所述第一坩埚部的顶部的中间设置有籽晶容纳部，所述第二坩埚部具有空腔，所述空腔为原料容纳部，所述第一坩埚部的外径小于所述第二坩埚部的外径，所述第二坩埚部的底部中间设置有向所述第一坩埚部凹陷的凹槽；所述加热部为石墨加热部，所述加热部包括第一加热部、第二加热部和第三加热部；所述第一加热部设置于所述凹槽内，沿所述凹槽周向设置，所述第二加热部设置
于所述第二坩埚部的外侧，沿所述第二坩埚部周向设置，所述第三加热部设置于所述第一坩埚部的外侧，沿所述第一坩埚部周向设置，所述第三加热部的内径小于所述第二坩埚部的外径。
[0007]在一些优选实施方式中，所述凹槽的底部中间设置有弧形凸起，所述弧形凸起设置于朝向所述第一坩埚部的一侧。
[0008]在一些优选实施方式中，所述第二坩埚部的外径与所述第一坩埚部的外径的比值的取值范围为1.05~4.0，所述第二加热部的内径与所述第三加热部的内径的比值的取值范围为1.05~4.0，所述籽晶容纳部的直径与所述第三加热部的内径的比值的取值范围为0.26~0.92。
[0009]在一些优选实施方式中，相对所述第二坩埚部的原料装料基准面，所述第二加热部的上端的位置比所述原料装料基准面的位置高10mm~50mm；所述第二加热部的下端的位置比所述第二坩埚部的下端的位置低20mm~100mm。
[0010]更优选地，所述第三加热部的下端与所述第二加热部的上端的竖直距离为15mm~60mm；所述第三加热部的上端的位置高于所述籽晶容纳部的籽晶容纳空间的上端的位置，所述第一坩埚部的上方设置有上炉盖，所述第三加热部的上端连接有第三电极，所述第三电极与所述上炉盖活动连接。
[0011]在一些优选实施方式中，所述第二坩埚部的下方设置有下炉盖，所述第一加热部的下端连接有第一电极，所述第一电极与所述下炉盖活动连接；所述凹槽的底部中间连接有支撑柱，所述支撑柱连接于背离所述第一坩埚的一侧，所述第一加热部与所述支撑柱、所述凹槽的底部和所述凹槽的侧面分别间隔设置，所述间隔设置的间隔为15mm~40mm。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种应用第一方面所述的生长装置的碳化硅单晶的生长方法，第一加热部、第二加热部和第三加热部的功率分别为P1、P2和P3，所述生长方法包括以下步骤：升温步骤：使原料装填入原料容纳部，使籽晶安装固定在籽晶容纳部；检测上炉盖、下炉盖和炉筒围成的炉壳腔体内部的气密性后对所述炉壳腔体内部进行抽真空处理；通过所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部的加热使第一坩埚部的顶部的温度达到2100℃~2200℃，其中，所述加热的过程中，P1、P2和P3的关系为：P1＜P3＜P2、P2＞P1+P3、P1∶P3=0.1~0.5；长晶步骤：依次进行第一调节、第二调节、第三调节和第四调节，所述第一调节为调节P1和P2的比例，使第二坩埚部的坩埚侧壁侧的原料与凹槽侧的原料的温度差小于15℃，所述第二调节为调节P3以调整P3与P1+P2的比例，使原料上表面的温度比籽晶下表面的温度高15℃~80℃，所述第三调节为调节P3，使边缘的所述籽晶与中间的所述籽晶的温度差小于20℃，所述第四调节为调节所述炉壳腔体内部的压强为50Pa~1500Pa，使所述原料挥发出来的原子团在籽晶表面进行结晶生长，所述原料的上层预设厚度的部分原料未发生反应；生长结束步骤：依次进行第五调节、第六调节和第七调节，所述第五调节为增大所述炉壳腔体内部的压强至2500Pa~20000Pa，所述第六调节为向下调节P1+P2，降低碳化硅单
晶的轴向温度梯度，使碳化硅单晶下表面和碳化硅单晶上表面之间的轴向温度梯度≤20℃/cm，所述第七调节为调低P1、P2和P3，使P1=P2=P3=0，其中所述第六调节和所述第七调节之间间隔预设时间，所述预设时间为2h以上。
[0013]在一些优选实施方式中，所述抽真空处理依次包括用机械泵抽真空使所述炉壳腔体内部的压强为0.1Pa~5Pa，用分子泵抽真空使所述炉壳腔体内部的压强为10
‑2Pa~10
‑4Pa，通过所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部的加热使所述第一坩埚部的顶部的温度达到750℃~850℃。
[0014]在一些优选实施方式中，所述升温步骤还包括，当所述第一坩埚部的顶部的温度达到900℃~1100℃时，调节并保持所述炉壳腔体内部的压强为10000Pa~20000Pa。
[0015]在一些优选实施方式中，所述第四调节后还包括第八调节，所述第八调节包括：在P1与P2的比值恒定的情况下，向上调节P1+P2，使原料上表面与碳化硅单晶下表面的温度差以0.5℃/h~5.0℃/h的速率增加，使原料上表面的温度比碳化硅单晶下表面的温度高30~100℃。
[0016]本专利技术通过在第二坩埚部的底部中间设置向第一坩埚部凹陷的凹槽，并在凹本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种碳化硅单晶的生长装置，所述装置包括坩埚部（1）和加热部（2），其特征在于，所述坩埚部（1）包括自上而下同轴设置的第一坩埚部（101）和第二坩埚部（102），所述第一坩埚部（101）的顶部的中间设置有籽晶容纳部（3），所述第二坩埚部（102）具有空腔，所述空腔为原料容纳部（4），所述第一坩埚部（101）的外径小于所述第二坩埚部（102）的外径，所述第二坩埚部（102）的底部中间设置有向所述第一坩埚部（101）凹陷的凹槽（1021）；所述加热部（2）为石墨加热部，所述加热部（2）包括第一加热部（201）、第二加热部（202）和第三加热部（203）；所述第一加热部（201）设置于所述凹槽（1021）内，沿所述凹槽（1021）周向设置，所述第二加热部（202）设置于所述第二坩埚部（102）的外侧，沿所述第二坩埚部（102）周向设置，所述第三加热部（203）设置于所述第一坩埚部（101）的外侧，沿所述第一坩埚部（101）周向设置，所述第三加热部（203）的内径小于所述第二坩埚部（102）的外径。2.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述凹槽（1021）的底部中间设置有弧形凸起（1022），所述弧形凸起（1022）设置于朝向所述第一坩埚部（101）的一侧。3.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述第二坩埚部（102）的外径与所述第一坩埚部（101）的外径的比值的取值范围为1.05~4.0，所述第二加热部（202）的内径与所述第三加热部（203）的内径的比值的取值范围为1.05~4.0，所述籽晶容纳部（3）的直径与所述第三加热部（203）的内径的比值的取值范围为0.26~0.92。4.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，相对所述第二坩埚部（102）的原料装料基准面（5），所述第二加热部（202）的上端的位置比所述原料装料基准面（5）的位置高10mm~50mm；所述第二加热部（202）的下端的位置比所述第二坩埚部（102）的下端的位置低20mm~100mm。5.根据权利要求4所述的生长装置，其特征在于，所述第三加热部（203）的下端与所述第二加热部（202）的上端的竖直距离为15mm~60mm；所述第三加热部（203）的上端的位置高于所述籽晶容纳部（3）的籽晶容纳空间的上端的位置，所述第一坩埚部（101）的上方设置有上炉盖（6），所述第三加热部（203）的上端连接有第三电极（7），所述第三电极（7）与所述上炉盖（6）活动连接。6.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述第二坩埚部（102）的下方设置有下炉盖（8），所述第一加热部（201）的下端连接有第一电极（9），所述第一电极（9）与所述下炉盖（8）活动连接；所述凹槽（1021）的底部中间连接有支撑柱（10），所述支撑柱（10）连接于背离所述第一坩埚部（101）的一侧，所述第一加热部（201）与所述支撑柱（10）、所述凹槽（1021）的底部和所述凹槽（1021）的侧面分别间隔设置，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈建明，周元辉，赵文超，耿安东，杨洪雨，
申请(专利权)人：苏州优晶光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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