【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳化硅单晶制备领域，尤其涉及一种多温区加热装置及长晶工艺。
技术介绍
1、碳化硅(sic)作为第三代半导体材料，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势，在高温、高压、高频领域表现优异，已成为半导体材料
的主要发展方向之一，在新能源汽车、5g通讯、轨道交通、光伏发电等领域具有重要应用潜力。
2、碳化硅晶体生长主要采用物理气相输运pvt法，碳化硅单晶生长对温度的控制要求高，其生长温度在2300℃以上，长晶速度慢，7天时间大约可生长2cm碳化硅晶锭；晶型要求高，良品率低，只有少数晶型的碳化硅才可以作为半导体材料。碳化硅单晶生长的技术难度大，衬底制备环节成为目前sic产业的瓶颈，6英寸碳化硅衬底约占碳化硅器件成本的47％，衬底环节成本高，与市场需求不匹配。而8英寸的衬底面积大，边缘损耗小，产出效率高，是增加产能供给、降低成本的有效措施。
3、由于碳化硅晶体生长温度在2300℃高温区范围，4h型碳化硅单晶生长需在动态状态下保持较大的轴向温度梯度和合适的径向温度梯度，行业内通常都是采用感应式加热方式，开环控制技术结合红外测温仪检测坩埚顶部温度作为温度参考值，据此温度测量值反复增减加热功率值，直至调试到满足晶体生长的适宜温度值；此种方法存在明显的缺点，一是感应式加热方式难以保障8英寸轴向温度梯度和径向温度梯度的获得，二是开环控制需要根据保温材料的损耗每次对工艺生长加热功率都进行微小修正，不适用产业化推广应用，不能完全满足晶体生长所需的适宜温度；三是每次温度调节波动不利于生产出高品
4、电阻式加热是实现大尺寸碳化硅单晶生长的可行性方法，单一的加热器设计容易在坩埚内部形成均温场，达不到碳化硅单晶生长所需要的梯度热场，多个加热器设计，加热器之间互相影响，容易造成坩埚内部热场紊乱，各个区域内的梯度有差异，甚至相反的现象，很难调节各个加热器的功率分布，实现坩埚内部的稳定梯度热场。
技术实现思路
1、鉴于此，本专利技术的目的在于，提供一种多温区加热装置及长晶工艺，能够达到碳化硅单晶生长所需要的生长温度，生长压力和生长梯度热场分布。
2、为了达到上述专利技术目的，进而采取的技术方案如下：
3、一种多温区加热装置，包括坩埚，坩埚的底端安装有坩埚支撑，坩埚可升降和旋转，所述坩埚的周向上部设有上加热器，周向下部设有下加热器，所述上加热器的上方设置有顶加热器，所述上加热器的外部周向设置有上屏蔽筒，所述下加热器的外部周向设置有下屏蔽筒，所述上加热器和下加热器之间设置有上屏蔽环，所述下屏蔽筒的下部设置有下屏蔽环，所述顶加热器的上方设置有上保温层，上屏蔽筒和下屏蔽筒的外侧设有侧保温层，所述侧保温层外部裹有外保温层，侧保温层的下部设有下保温层。
4、作为本专利技术的进一步改进，所述顶加热器、上加热器、下加热器均为石墨加热器，所述下加热器为环形石墨。
5、作为本专利技术的进一步改进，所述上加热器和所述下加热器均为圆柱形结构，且二者的轴向均设有开槽，可以增加上/下加热器的电阻，增加电压，降低电流。
6、作为本专利技术的进一步改进，所述顶加热器为片状花瓣式结构，所述顶加热器的功率为1～5kw，顶加热器中间的开孔为10～50mm，用于红外测温。
7、作为本专利技术的进一步改进，所述坩埚内从上到下依次设置为晶体区、过渡区和粉料区，所述晶体区位于上加热器的范围内，初始位置，可以预设晶体区中心和上加热器中心齐平，通过后续的调控方法，最终确定坩埚最终位置。
8、作为本专利技术的进一步改进，所述上加热器的功率为2～10kw，上加热器的高度设置为晶体区高度+(10～30)mm。
9、作为本专利技术的进一步改进，所述下加热器的功率范围为20～50kw，下加热器设计高度≈坩埚高度。
10、一种采用如上所述的多温区加热装置的长晶工艺，包括以下步骤：
11、s1、将多温区加热装置装入碳化硅单晶生长炉；
12、s2、装炉完成后，对单晶生长炉进行抽真空；
13、s3、单晶生长炉内的真空度到10-1pa时，保持抽真空，同时开启顶加热器、上加热器和下加热器，其中，顶加热器功率设定为1～5kw，上加热器功率设定为5～10kw，下加热器功率设定为5～10kw，保持一定时间，直至坩埚温度曲线平稳；
14、s4、当坩埚温度曲线平稳，真空度低于10-2pa压力时，停止抽真空，保持顶加热器、上加热器功率不变，将下加热器的功率增加1～3kw，向单晶生长炉内冲入氮气和氩气的混合气体，氮气流量为1～10ml/min，氩气的流量为100～1000ml/min，提升炉体压力至800mbar；
15、s5、持续输入氩气和氮气的混合气体，氮气流量为1～10ml/min，氩气的流量为100～500ml/min，保持800mbar腔体压力不变，保持顶加热器、上加热器功率不变，逐步调整下加热器功率，使得上测温计数据达到1500℃～2000℃，可以采用手动输入功率方式，也可以采用pid控温的方式；
16、s6、保持顶加热器、上加热器和下加热器功率不变，保持气体流量不变，逐步降低腔体压力至1～10mbar，降压时间5～10h；
17、s7、腔体压力降低至1～10mbar后，保持一定时间，直至上测温计数据趋于平缓；
18、s8、保持气体流量、腔体压力不变，顶加热器功率不变，上加热器功率不变，逐步提升下加热器功率，使得上测温计数据稳定至2000℃～2300℃，可以采用手动输入功率方式，也可以采用pid控温的方式；
19、s9、坩埚顶盖温度稳定到2000～2300℃后，观察下测温计温度，计算轴向温度梯度，如果轴向温度梯度大于或者小于4～5℃/cm，移动坩埚位置，每次移动距离1～2mm，移动后，观察上下测温计数据，直至上下测温计数值平缓稳定后，再次计算轴向温度梯度，根据轴向温度梯度再次调整坩埚位置，直至轴向温度梯度达到4～5℃/cm；
20、s10、轴向温度梯度稳定达到4～5℃/cm后，观察上测温计数据，判断是否在2000～2300℃范围内，如果超出范围，保持顶加热器、上加热器功率不变，调整下加热器功率，使得上测温计数据达到2000～2300℃，可以采用手动输入功率方式，也可以采用pid控温的方式；
21、s11、温度调整完成后，氮气流量保持7ml/min的设定值，氩气的流量保持在200ml/min的设定值，进行晶体稳定生长100h；
22、s12、提升炉内压力至100～800mbar，升压时间为1h；
23、s13、按照1～2kw/1h的速率降低加热功率，逐步降低加热功率，直至腔体内温度降到1000摄氏度，之后随炉降至室温，生长结束，制得碳化硅晶体；
24、s14、取出碳化硅晶体，进行切割、研磨和抛光，抽取第一片、最后一片和中间一片进行检测，包括微管、晶型和位错缺陷。
【技术保护点】
1.一种多温区加热装置，包括坩埚，坩埚的底端安装有坩埚支撑，其特征在于：所述坩埚的周向上部设有上加热器，周向下部设有下加热器，所述上加热器的上方设置有顶加热器，所述上加热器的外部周向设置有上屏蔽筒，所述下加热器的外部周向设置有下屏蔽筒，所述上加热器和下加热器之间设置有上屏蔽环，所述下屏蔽筒的下部设置有下屏蔽环，所述顶加热器的上方设置有上保温层，上屏蔽筒和下屏蔽筒的外侧设有侧保温层，所述侧保温层外部裹有外保温层，侧保温层的下部设有下保温层。
2.根据权利要求1所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述顶加热器、上加热器、下加热器均为石墨加热器，所述下加热器为环形石墨。
3.根据权利要求2所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述上加热器和所述下加热器均为圆柱形结构，且二者的轴向均设有开槽，可以增加上/下加热器的电阻，增加电压，降低电流。
4.根据权利要求3所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述顶加热器为片状花瓣式结构，所述顶加热器的功率为1～5kW，顶加热器中间的开孔为10～50mm，用于红外测温。
5.根据权利要求4所述的一种多
6.根据权利要求5所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述上加热器的功率为2～10kW，上加热器的高度设置为晶体区高度+(10～30)mm。
7.根据权利要求6所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述下加热器的功率范围为20～50kW，下加热器设计高度≈坩埚高度。
8.一种采用如权利要求7所述的多温区加热装置的长晶工艺，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的长晶工艺，其特征在于：在步骤S9中，如果轴向温度梯度大于4～5℃/cm，坩埚向下移动，反之，坩埚向上移动。
10.根据权利要求8所述的长晶工艺，其特征在于：在步骤S9中，轴向温度梯度＝(下测温计数据-上测温计数据)/坩埚高度。
...【技术特征摘要】
1.一种多温区加热装置，包括坩埚，坩埚的底端安装有坩埚支撑，其特征在于：所述坩埚的周向上部设有上加热器，周向下部设有下加热器，所述上加热器的上方设置有顶加热器，所述上加热器的外部周向设置有上屏蔽筒，所述下加热器的外部周向设置有下屏蔽筒，所述上加热器和下加热器之间设置有上屏蔽环，所述下屏蔽筒的下部设置有下屏蔽环，所述顶加热器的上方设置有上保温层，上屏蔽筒和下屏蔽筒的外侧设有侧保温层，所述侧保温层外部裹有外保温层，侧保温层的下部设有下保温层。
2.根据权利要求1所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述顶加热器、上加热器、下加热器均为石墨加热器，所述下加热器为环形石墨。
3.根据权利要求2所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述上加热器和所述下加热器均为圆柱形结构，且二者的轴向均设有开槽，可以增加上/下加热器的电阻，增加电压，降低电流。
4.根据权利要求3所述的一种多温区加热装置，其特征在于：所述顶加热器为片状花瓣式结构，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：靳丽岩，师开鹏，王毅，郭帝江，王宏杰，王殿，武昕彤，
申请(专利权)人：西北电子装备技术研究所中国电子科技集团公司第二研究所，
类型：发明
国别省市：
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