本发明专利技术提供了一种碳化硅单晶生长装置及生长方法，包括坩埚主体，用于盛放及加热碳化硅原料，坩埚主体内设置有阻流元件，将坩埚主体的内腔分为由上至下的生长腔与原料腔，阻流元件开设有连通生长腔与原料腔的开口，生长腔用于生长碳化硅晶体，原料腔内填充碳化硅原料；原料腔内设置有Si源补充容器，Si源补充容器与阻流元件之间形成气体通道，Si源补充容器埋覆于所述碳化硅原料内，Si源补充容器内填充有含硅粉料，含硅粉料的Si组分与碳化硅原料在坩埚主体的加热下升华，经过气体通道并由开口上升至生长腔内。本发明专利技术解决了因碳化硅粉料碳化导致的晶体内碳包裹物数量超标的问题，极大提高了碳化硅晶体质量。提高了碳化硅晶体质量。提高了碳化硅晶体质量。
【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅单晶生长装置及生长方法
[0001]本专利技术属于单晶体生长
，涉及一种碳化硅单晶生长装置及生长方法。
技术介绍
[0002]碳化硅是一种宽禁带半导体材料，以碳化硅衬底制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射、效率高等优势，在射频、新能源汽车等领域具有重要的应用价值。
[0003]物理气相传输法（Physical Vapor Transport，PVT）是一种常见的碳化硅晶体生长方法，其在真空环境下通过感应加热的方式加热碳化硅原料，使其升华产生包含Si、Si2C、SiC2等不同气相组分的反应气体，最后在温度较低的碳化硅籽晶表面重结晶，进行SiC单晶生长。
[0004]PVT法感应加热过程中，受功率及线圈位置影响较大的粉料高温区会加速碳化硅原料中Si的挥发，尤其是坩埚底部和内侧壁附近粉料会优先其它区域出现Si与C比例失衡，即粉料碳化现象。原料碳化后所产生的碳颗粒会随着气流被带到晶体表面形成碳包裹，碳包裹的形成会直接导致晶体质量的下降，给碳化硅器件的性能带来负面影响。因此，抑制原料碳化后的碳颗粒，避免其输运到晶体表面，对于生长高质量碳化硅晶体是至关重要的。
技术实现思路
[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种碳化硅单晶生长装置及生长方法，通过在碳化硅原料中埋覆装填有含硅粉料的特殊结构导热坩埚，搭配环状镀涂层的石墨阻流元件，Si源补充容器与阻流元件之间形成气体通道，以限制坩埚主体侧壁及底部高温区产生碳颗粒的输运路径，同时补充坩埚主体侧壁及气道内的Si组分，坩埚主体壁上侧边缘及气体通道内Si蒸汽与游离碳重新结合，减少碳颗粒向生长腔内的晶体表面输运；此外，Si源补充容器的上盖体可以屏蔽掉下方高温区部分热量，使得上方阻流组件中心开口区域内的碳化硅原料上表面形成阻碍大粒径碳颗粒通过的致密碳化硅结晶区，进一步对碳颗粒的输运起到过滤作用；另外，通过控制导热坩埚内Si源的纵向梯度浓度，可保证长晶过程中，特别是生长中后期的Si组分的持续供给，在上述多重作用下可有效抑制最终到达晶体表面碳颗粒数量，极大提高碳化硅晶体质量。
[0006]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种碳化硅单晶生长装置，所述的碳化硅单晶生长装置包括坩埚主体，所述坩埚主体用于盛放及加热碳化硅原料，所述坩埚主体内设置有阻流元件，所述阻流元件将所述坩埚主体的内腔分为由上至下的生长腔与原料腔，所述阻流元件开设有连通所述生长腔与原料腔的开口，所述生长腔用于生长碳化硅晶体，所述原料腔内填充所述碳化硅原料；
[0008]所述原料腔内设置有Si源补充容器，所述Si源补充容器埋覆于所述碳化硅原料内，所述Si源补充容器与所述阻流元件之间形成气体通道，所述Si源补充容器内填充有含硅粉料，所述含硅粉料的Si组分与碳化硅原料在所述坩埚主体的加热下升华，经过所述气
体通道并由所述开口上升至生长腔内。
[0009]本专利技术在坩埚主体的原料中埋覆装填有含硅粉料的Si源补充容器，搭配料表的阻流元件，在Si源补充容器与阻流元件之间形成气体通道，且在阻流元件靠近坩埚主体内碳化硅粉料的上表面处开设连通生长腔与原料腔的开口，限制坩埚主体的侧壁及底部高温区产生碳颗粒的运输路径，同时，坩埚主体的热量传导至Si源补充容器内，使得含硅粉料升华，能够补充坩埚主体原料腔上侧壁附近、气体通道内以及生长腔内的Si元素，与碳化硅原料碳化后输运到此处的游离碳重新结合，减少碳颗粒向晶体表面的输运，有效抑制最终到达晶体表面碳颗粒数量，极大提高碳化硅晶体质量。
[0010]本专利技术中由于阻流元件与Si源补充容器形成阻挡，使得气体组分需绕过Si源补充容器，依次流经Si源补充容器外壁与坩埚主体内壁之间，以补充坩埚主体侧壁附近的Si元素，再上升至Si源补充容器顶部与阻流元件之间，以补充气体通道内的Si元素，最后由开口进入生长腔内，以补充生长腔内的Si元素。本专利技术采用阻流元件将坩埚主体划分为原料腔与生长腔，其中原料腔内充满碳化硅原料，阻流元件上表面与碳化硅原料上表面齐平，且阻流元件可采用环状结构，其中心孔即为开口。其中，所述碳化硅原料上表面是指显露于开口内的碳化硅原料表面。
[0011]在碳化硅晶体生长过程中，坩埚主体加热原料腔内的碳化硅原料，使其逐渐升华形成碳化硅蒸汽，上升至气体通道并由阻流元件的开口进入生长腔内沉积生长晶体。在坩埚主体的加热过程中，坩埚主体内腔侧壁及底部因温度较高，Si组分流失较快，出现剩余粉料碳化现象，形成碳颗粒。坩埚主体底部剩余碳颗粒上升过程中受Si源补充容器阻挡后，同坩埚主体内壁高温区的碳颗粒一同汇集于气体通道内上升。在此过程中，Si源补充容器内的含硅粉料受热挥发，进行Si组分的补充，以平衡Si/C比，并且挥发的Si蒸汽能够将坩埚主体内壁上侧、气体通道内、生长腔的多余碳结合掉，减少碳颗粒向晶体表面输运。
[0012]作为本专利技术一个优选技术方案，所述Si源补充容器包括导热坩埚与上盖体，所述导热坩埚为敞口结构，用于容纳含硅粉料，所述上盖体旋合连接于所述导热坩埚的顶部。
[0013]所述Si源补充容器位于所述原料腔的中上部，所述上盖体与所述阻流元件之间形成所述气体通道，允许Si蒸汽通过。
[0014]所述上盖体与所述原料腔内碳化硅原料上表面的垂直距离小于所述导热坩埚底部与所述坩埚主体底部的垂直距离。
[0015]需要说明的是，所述碳化硅原料上表面是指显露于开口内的碳化硅原料表面。本专利技术的Si源补充容器位于所述原料腔的中上部，避免Si源补充容器快速受热，导致含硅粉料直接挥发，能够实现为晶体生长的中后期进行Si补充，以结合游离的碳颗粒。
[0016]作为本专利技术一个优选技术方案，将所述上盖体在所述坩埚主体底部表面的正投影的最小线性距离记为第一长度，将所述导热坩埚在所述坩埚主体底部表面的正投影的最大线性距离记为第二长度。
[0017]所述第一长度大于所述第二长度。
[0018]所述第二长度大于所述开口的直径。
[0019]本专利技术中上盖体起到阻挡作用，使得导热坩埚内受热挥发形成的Si蒸汽先向靠近坩埚主体侧壁的方向扩散，以补充侧壁高温区附近流失的Si组分，再向开口上升，以补充气体通道内及生长腔内的Si组分。同时，上盖体能够屏蔽掉导热坩埚下方高温区的部分热量，
导致上方开口区域内的粉料表面形成阻碍大粒径碳颗粒通过的致密碳化硅结晶区，可进一步对碳颗粒起到过滤作用。
[0020]所述开口的直径为40~80mm，例如可以是40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、78mm或80mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0021]所述上盖体至所述原料腔内碳化硅原料上表面的最大线性距离为10~30mm，例如可以是10mm、15mm、18mm、20mm、22mm、25mm、28mm或30mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述的碳化硅单晶生长装置包括坩埚主体，所述坩埚主体用于盛放及加热碳化硅原料，所述坩埚主体内设置有阻流元件，所述阻流元件将所述坩埚主体的内腔分为由上至下的生长腔与原料腔，所述阻流元件开设有连通所述生长腔与原料腔的开口，所述生长腔用于生长碳化硅晶体，所述原料腔内填充所述碳化硅原料；所述原料腔内设置有Si源补充容器，所述Si源补充容器埋覆于所述碳化硅原料内，所述Si源补充容器与所述阻流元件之间形成气体通道，所述Si源补充容器内填充有含硅粉料，所述含硅粉料的Si组分与碳化硅原料在所述坩埚主体的加热下升华，经过所述气体通道并由所述开口上升至生长腔内。2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述Si源补充容器包括导热坩埚与上盖体，所述导热坩埚为敞口结构，用于容纳含硅粉料，所述上盖体旋合连接于所述导热坩埚的顶部；所述Si源补充容器位于所述原料腔的中上部，所述上盖体与所述阻流元件之间形成所述气体通道；所述上盖体与所述原料腔内碳化硅原料上表面的垂直距离小于所述导热坩埚底部与所述坩埚主体底部的垂直距离。3.根据权利要求2所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，将所述上盖体在所述坩埚主体底部表面的正投影的最小线性距离记为第一长度，将所述导热坩埚在所述坩埚主体底部表面的正投影的最大线性距离记为第二长度；所述第一长度大于所述第二长度；所述第二长度大于所述开口的直径。4.根据权利要求2或3所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述导热坩埚为多孔结构，使得含硅粉料内Si组分受热后扩散至所述原料腔内；所述导热坩埚采用等静压多孔石墨材质；所述导热坩埚的壁厚为5~10mm；所述导热坩埚的横截面为圆台形、倒立圆锥形、圆柱形或倒立凹字形。5.根据权利要求2所述的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述导热坩埚内的含硅粉料包括依次层叠的至少两层填料层，相邻两个所述填料层内的Si浓度沿所述导热坩埚的高度方向由下至上呈梯度增加。6....
【专利技术属性】
技术研发人员：吴江，乔建东，郭超，母凤文，
申请(专利权)人：青禾晶元晋城半导体材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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