一种大直径碳化硅单晶的双感应加热生长装置及生长方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于晶体生长技术领域，具体涉及一种大直径碳化硅单晶的双感应加热生长装置及生长方法。所述双感应加热生长装置包括石墨坩埚、第一感应加热线圈、第二感应加热线圈；所述第一感应加热线圈和所述第二感应加热线圈设置于所述石墨坩埚的外周；所述第一感应加热线圈位于所述第二感应加热线圈上方；所述第一感应加热线圈与所述第二感应加热线圈互不重合；所述第一感应加热线圈对应的感应电源频率为30～100kHz，所述第二感应加热线圈对应的感应电源频率为1～10kHz。本发明专利技术采取不同频率的感应加热线圈相互耦合，有效改善了碳化硅籽晶处的径向温度梯度，并保持较低的加热功率，提高了大直径碳化硅单晶生长质量，降低了生产成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种大直径碳化硅单晶的双感应加热生长装置及生长方法


[0001]本专利技术属于晶体生长
，具体涉及一种大直径碳化硅单晶的双感应加热生长装置及生长方法。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]碳化硅(SiC)是一种第三代半导体材料，其具有耐高温、耐辐照、热导率高、禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、击穿电压高等优点，被广泛应用于电动汽车、轨道交通、5G通信、高压输变电等领域，是一种重要的半导体材料。
[0004]目前生长碳化硅单晶比较成熟的方法是物理气相传输(PVT)法。在PVT法中，粉料被放置于坩埚底部，籽晶放置在坩埚上盖处，当粉料受热时，发生升华分解，输运至碳化硅籽晶处沉积形成碳化硅单晶。碳化硅粉料的升华和碳化硅籽晶生长面的重结晶是单晶生长中的两个核心过程，与生长体系的温场密切相关。目前感应加热是最为常见的加热方式，在感应加热中，石墨坩埚为发热体，坩埚壁产生热量向坩埚中心传输。感应电源的频率越高，感应电流的趋肤效应就越强，坩埚壁与坩埚中心的温度差异也就越大，使得坩埚内部的轴向温度梯度与径向温度梯度均被拉大。若籽晶处的径向温度梯度过大，则会导致生长晶体中的热应力较大，继而引发大量位错缺陷，严重时甚至会导致晶体开裂；此外径向温度梯度过大还会导致晶体的凸度过大，影响晶体利用率。若碳化硅粉料中的轴向温度梯度过大，容易导致生长组分在料表面进行重结晶，阻碍生长组分向碳化硅籽晶生长面传输，影响单晶生长。目前，碳化硅单晶的直径越来越大，对应地，坩埚的尺寸也需要变大，导致籽晶表面的径向温度梯度增大。采用感应加热时，坩埚自身为发热体，受感应加热原理限制，坩埚内的径向与轴向温度梯度相互耦合，难以单独对其中一种温度梯度进行调节。电阻加热被认为是生长低应力、大直径碳化硅单晶的一种可能加热方式。采用物理气相传输法生长碳化硅单晶时，晶体在高温低压(>2000℃、<100mbar)状态下进行生长，在该状态下，电阻加热器非常容易出现电流电压增加引起二次气体电离而导致辉光放电，存在电极打火等现象，加热器损坏几率大(参考美国专利文件US0092288274B2)。此外，采用电阻加热方式生长碳化硅单晶，所需的能耗比感应加热加热要大的多，导致单晶生长成本急剧增大。
[0005]中国专利文件CN 110359087 B公开了一种用于碳化硅单晶的生长装置及制造碳化硅单晶的方法。该方法使用两套相互独立但直径不同的同轴感应加热线圈对石墨坩埚进行加热，采用高频加热的第二感应线圈靠近坩埚底部，套在采用中频加热的第一感应线圈外围，以此来在晶体生长过程中对碳化硅粉料处的温度梯度进行微调。该方法可对坩埚粉料处的温度梯度进行微调，但由于第二感应线圈位于坩埚底部，对大尺寸碳化硅生长时籽晶处的温场影响有限，因此无法实现对籽晶生长面的温度进行调整，进而无法降低大尺寸碳化硅单晶内的热应力。此外，该方法中的两组线圈虽为同轴放置，但其直径不同，并且由
于在感应加热中，感应加热效率随感应线圈与发热体距离的增加而下降，直径较大的感应加热线圈会导致耦合效率较低，特别是第二感应线圈位于碳化硅粉料处，而此处温度是反应坩埚中的最高温，高频率的感应加热会导致电流趋肤效应更加严重，造成碳化硅单晶生长的功率消耗较大。
[0006]中国专利文件CN 108286074 B公开了一种用于生长大尺寸碳化硅单晶的生长装置及其工作方法。该方法首先采用恒定频率、恒定强度的电流加热模式对生长室进行加热至预设温度，然后以第一步加热中的恒定频率作为中心频率进行多频加热，同时调整加热电流的强度，来减小晶体生长装置中晶体生长面的径向温度梯度，提高晶体品质。该方法虽可减小晶体生长界面处的径向温度梯度，但由于其只有一组线圈，因此无法实现单独调节碳化硅粉料和碳化硅籽晶生长界面的温场。此外该专利技术中，感应电源在使用过程中由于感应频率不断发生变化，因此需要感应加热电源为变频装置，参考中国专利文件CN 108064095B，目前改变感应加热谐振频率的方法主要是通过改变谐振电容的电容柱数量来改变谐振电容容量的大小，而每调节一节电容引起的频率改变较大，精确度不高，波动较大，导致变频感应加热系统的制备难度增大、造价昂贵，间接增大了碳化硅单晶生长成本。
[0007]中国专利文件CN 217077865 U公开了一种高频双线圈感应加热的碳化硅单晶生长装置。该方法采用上下两组线圈分别对坩埚粉料处和籽晶处进行加热，并在生长过程中根据上下测温点温度与设定温度间的差异，实时调整两组线圈的功率与位置，从而精确控制坩埚顶部的径向温度梯度和坩埚的轴向温度梯度。该方法虽可打破径向温度梯度与轴向温度梯度的耦合，但由于其两组线圈位置的调整是根据上下测温的温度来进行的，而目前测温所采用的高温计普遍为红外高温计，存在精度差等缺点，并且生长过程中的组分挥发易导致测温窗脏污，甚至导致测温孔堵塞。一旦出现测温不准的情况，便无法对两组线圈的上下移动进行控制，甚至系统会根据错误温度数据控制线圈移动，对晶体生长的稳定性产生严重的负面影响；即使对测温机构进行改进，也存在方法复杂、成本较高等缺点。此外，该方法采用高频感应加热，相比中频以及低频感应加热的电流趋肤效应更强，所需加热功率更高，生长功耗更高，不利于碳化硅单晶生长成本的降低；并且高频加热时粉料内部轴梯过大，料内径向温度梯度过小，导致气相组分垂直向上输运至粉料表面结晶，阻碍后续粉料输运，影响晶体生长。

技术实现思路

[0008]针对现有技术生长大直径碳化硅单晶应力大开裂、缺陷多、无法单独调节籽晶生长界面温场和碳化硅粉料温场等技术问题，本专利技术的目的是提供一种大直径碳化硅单晶的双感应加热生长装置及生长方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0010]第一方面，一种大直径碳化硅单晶的双感应加热生长装置，包括石墨坩埚、第一感应加热线圈、第二感应加热线圈；所述第一感应加热线圈和所述第二感应加热线圈设置于所述石墨坩埚的外周；所述第一感应加热线圈位于所述第二感应加热线圈上方；所述第一感应加热线圈与所述第二感应加热线圈互不重合；所述第一感应加热线圈对应的感应电源频率为30～100kHz，所述第二感应加热线圈对应的感应电源频率为1～10kHz。
[0011]优选地，所述石墨坩埚使用时顶部粘接碳化硅籽晶，底部设置碳化硅粉料；所述石
墨坩埚被保温材料包裹。
[0012]优选地，所述第一感应加热线圈的下端位于碳化硅籽晶的生长面以下，所述第二感应加热线圈的上端位于碳化硅粉料以上，所述第一感应加热线圈和所述第二感应加热线圈的间隔为20～50mm。
[0013]优选地，所述第一感应加热线圈、所述第二感应加热线圈的对称轴与所述石墨坩埚的对称轴重合。
[0014]优选地，所述第一感应加热线圈的长度为碳化硅粉料表面与碳化硅籽晶之间距离的1～1.5倍，所述第二感应加热线圈的长度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大直径碳化硅单晶的双感应加热生长装置，其特征在于，包括石墨坩埚、第一感应加热线圈、第二感应加热线圈；所述第一感应加热线圈和所述第二感应加热线圈设置于所述石墨坩埚的外周；所述第一感应加热线圈位于所述第二感应加热线圈上方；所述第一感应加热线圈与所述第二感应加热线圈互不重合；所述第一感应加热线圈对应的感应电源频率为30～100kHz，所述第二感应加热线圈对应的感应电源频率为1～10kHz。2.如权利要求1所述的双感应加热生长装置，其特征在于，所述石墨坩埚使用时顶部粘接碳化硅籽晶，底部设置碳化硅粉料；所述石墨坩埚被保温材料包裹。3.如权利要求2所述的双感应加热生长装置，其特征在于，所述第一感应加热线圈的下端位于碳化硅籽晶的生长面以下，所述第二感应加热线圈的上端位于碳化硅粉料以上，所述第一感应加热线圈和所述第二感应加热线圈的间隔为20～50mm。4.如权利要求1所述的双感应加热生长装置，其特征在于，所述第一感应加热线圈、所述第二感应加热线圈的对称轴与所述石墨坩埚的对称轴重合。5.如权利要求2所述的双感应加热生长装置，其特征在于，所述第一感应加热线圈的长度为碳化硅粉料表面与碳化硅籽晶之间距离的1～1.5倍，所述第二感应加热线圈的长度为碳化硅粉料高度的1.5～3倍。6.如权利要求5所述的双感应加热生长装置，其特征在于，第一感应加热线圈的长度小于所述第二感应加热线圈的长度。7.如权利要求1所述的双感应加热生长装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢雪健，王兴龙，徐现刚，陈秀芳，杨祥龙，彭燕，胡小波，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：