一种PVT法连续生长单晶碳化硅的装置和方法

一种pvt法连续生长单晶碳化硅的装置和方法
技术领域
1.本发明涉及碳化硅技术领域，具体涉及一种pvt法连续生长单晶碳化硅的装置和方法。


背景技术：

2.目前常用的pvt方法生长碳化硅单晶的设备装置，普遍使用石墨坩埚将碳化硅单晶生长原料装填完毕后，放进密闭的真空腔体里，导致一次装料完成后，只能生长一次单晶，装料量较少，每一炉单晶晶锭轴向尺寸较小，原材料损耗较多。并且每次生长单晶，需要经过升温、降温的过程。由于pvt法生长温度在2000℃以上，又存在保温系统，在升温、降温两个过程中，需要较多的时间来完成，降低了长晶的效率，同时损耗了大量的电能。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种pvt法连续生长单晶碳化硅的装置和方法。
4.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种pvt法连续生长单晶碳化硅的装置，包括：晶体生长设备，所述晶体生长设备用于碳化硅晶体的pvt法生长；上料设备，所述上料设备包括固体粉末源和气流源，所述固体粉末源与气流源可分离，上料设备采用带载模式或鼓泡模式上料；混料设备，所述混料设备连接于上料设备和晶体生长设备之间，利用混料设备进行多级混料，在进入晶体生长设备之前将固体粉末气流搅拌均匀。
5.可选的，所述晶体生长设备包括高温长晶腔体、真空腔体、感应加热线圈和碳化硅籽晶，所述碳化硅籽晶固定在高温长晶腔体内壁，所述真空腔体套在高温长晶腔体外，所述感应加热线圈缠绕在真空腔体外壁。
6.可选的，所述感应加热线圈等间距缠绕在真空腔体外壁，对真空腔体均匀加热，从而使热量均匀传递给高温长晶腔体。
7.可选的，所述固体粉末源为碳粉和硅粉混合粉末，或者为碳化硅粉末。
8.可选的，所述固体粉末源中的粉末颗粒的直径为10nm-100nm。
9.可选的，所述上料设备还包括存储容器、鼓泡阀门、粉末控制阀、载气控制阀和流量计，所述固体粉末源位于存储容器内，所述存储容器通过两个导管分别连接有鼓泡阀门和粉末控制阀，所述鼓泡阀门对应的导管出气口位于存储容器底部，所述粉末控制阀对应的导管出气口位于存储容器顶部，所述两个导管共同连通有长管，所述载气控制阀和流量计安装在长管上。
10.可选的，所述带载模式的气流源为氩气，所述流量计量程为0~300sccm，固体粉末源位于存储容器的底部，开启粉末控制阀、载气控制阀，关闭鼓泡阀门，由于氩气从长管流过，产生低压区，存储容器内气压较高，由于压差作用，会将存储容器的粉末带出来。
11.可选的，所述鼓泡模式气流源为氩气，所述流量计量程为0~300sccm，固体粉末源位于存储容器的底部，开启粉末控制阀、鼓泡阀门，关闭载气控制阀，通入的氩气将存储容器的粉末带出来。
12.可选的，所述混料设备包括混料腔体、多级扇叶，所述混料腔体的侧壁与长管连通，所述混料腔体与高温长晶腔体连通，多级扇叶安装在混料腔中，固体粉末源通过长管进入到混料腔体中，多级扇叶将固体粉末源混合均匀后送入高温长晶腔体内。
13.一种pvt法连续生长单晶碳化硅的方法，包括：第一阶段，采用带载模式注入氩气，将固体粉末源带入到混料腔体中，并经过混合后，将混合后的固体粉末源送入到晶体生长设备，并在碳化硅籽晶上快速生长碳化硅晶体；第二阶段，当后期生长碳化硅晶体，将带载模式进气转为鼓泡模式进气，保持碳化硅晶体的稳定生长；固体粉末源用完后，将存储容器拆卸，并向存储容器中加入固体粉末源后重新安装到设备内，使固体粉末源持续供给本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明采用固体粉末源与气流源可分离，当固体粉末源使用完之后，可以将装有固定粉末的存储容器拆卸，将新的固体粉末源后重新安装到设备中，实现碳化硅晶体生长的原料持续供给，且选择性地采用带载模式或鼓泡模式进气，采用带载模式进气，能够快速生长碳化硅晶体，采用鼓泡模式进气，能稳定的生长碳化硅晶体。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本发明实施例中一种pvt法连续生长单晶碳化硅的装置的结构示意图。
16.1、感应加热线圈；2、真空腔体；3、高温长晶腔体；4、多级扇叶；5、载气控制阀；6、流量计；7、鼓泡阀门；8、粉末控制阀；9、存储容器；10、驱动源；11、碳化硅籽晶；12、抽气口；13、混料腔体。
具体实施方式
17.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明， 以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
18.如图1所示，一种pvt法连续生长单晶碳化硅的装置，包括：晶体生长设备，所述晶体生长设备用于碳化硅晶体的生长；上料设备，所述上料设备包括固体粉末源和气流源，所述固体粉末源与气流源可分离，上料设备采用带载模式或鼓泡模式上料；混料设备，所述混料设备连接于上料设备和晶体生长设备之间，利用混料设备进行多级混料，在进入晶体生长设备之前将固体粉末气流搅拌均匀。
19.本实施例中，所述晶体生长设备包括高温长晶腔体3、真空腔体2、感应加热线圈1
和碳化硅籽晶11，所述碳化硅籽晶11固定在高温长晶腔体3内壁，所述真空腔体2套在高温长晶腔体3外，真空腔体2的一侧设有抽气口12，所述感应加热线圈1缠绕在真空腔体2外壁。
20.所述感应加热线圈1等间距缠绕在真空腔体2外壁，对真空腔体2均匀加热，从而使热量均匀传递给高温长晶腔体3。
21.本实施例中，高温长晶腔体3的抽气口12连接有尾气排出管，尾气排出管上安装有控制阀，通过控制阀将高温长晶腔体3的尾气排出。
22.本实施例中，真空腔体2与高温长晶腔体3之间的连接处设有密封圈，使真空腔体2保持密封状态。
23.本实施例中，所述高温长晶腔体3内的温度大于2000℃，使得利用固体粉末源在碳化硅籽晶11上进行碳化硅晶体生长。
24.具体的，固体粉末源受热升华，由于热场存在温度梯度，置于高温长晶腔体3内顶端的碳化硅籽晶11长晶面上温度较低，碳化硅分子在长晶面上按照指定晶向生长。
25.本实施例中，所述固体粉末源中的粉末颗粒的直径为10nm-100nm，只有采用小于100nm的粉末颗粒，才能有效地进行带载模式上料。
26.本实施例中，所述上料设备还包括存储容器9、鼓泡阀门7、粉末控制阀8、载气控制阀5和流量计6，所述固体粉末源位于存储容器9内，所述存储容器9通过两个导管分别连接有鼓泡阀门7和粉末控制阀8，所述鼓泡阀门对应的导管出气口位于存储容器底部，所述粉末控制阀对应的导管出气口位于存储容器顶部，两个导管共同连通长管，所述载气控制阀5和流量计6安装在长管上。
27.本实施例中，存储容器9与两个导管通过螺纹方式连接在一起，可以快速安装与拆卸。
28.本实施例中，当处于带载模式，所述带载模式的气流源为氩气，所述流量计量程为0~300sccm，固体粉末源位于存储容器的底部，开启粉末控制阀、载气控制阀，关闭鼓泡阀门，氩气不经过存储容器，由于氩气从长管流过，产生低压区，存储容器内气压较高，由于压差作用，会将存储容器的粉末从粉末控制阀带出来，且由于本发明实施例的所述固体粉末源中的粉末颗粒的直径为10nm-100nm，只有采用小于100nm的粉末颗粒，才能有效地进行带载模式或鼓泡模式上料，带载模式带入生长腔体的粉末量较少，使用的氩气量较大。
29.当处于鼓泡模式，所述带载模式的气流源为氩气，所述流量计量程为0~300sccm，固体粉末源位于存储容器的底部，所述鼓泡阀门对应的导管出气口位于存储容器底部，开启粉末控制阀、鼓泡阀门，关闭载气控制阀，通入的氩气通过鼓泡模式将存储容器的粉末从粉末控制阀带出来，鼓泡模式带入生长腔体的粉末量较多，使用的氩气量较小。
30.在本实施例中，所述气流源为氩气，所述流量计6量程为0~300sccm。
31.本实施例中，用高压输送气流源时，通过带载模式持续将固体粉末源送入到高温长晶腔体3，高温长晶腔体3的压强快速增大，适合快速地生长碳化硅晶体；用低压输送气流源时，通过鼓泡模式间接性的将固体粉末源送入到高温长晶腔体3，高温长晶腔体3的压强趋于稳定，适合稳定地生长碳化硅晶体。
32.本实施例中，气流源通过两个长管进行上料，两个存储容器9分别装有碳粉和硅粉。
33.在其他实施例中，气流源通过一个、三个等多个长管上料。
34.本实施例中，所述混料设备包括混料腔体13、多级扇叶4和驱动源10，所述混料腔体13的侧壁与长管连通，所述混料腔体13与高温长晶腔体3连通，多级扇叶4安装在混料腔体13中，固体粉末源通过长管进入到混料腔体13中，多级扇叶4将固体粉末源混合均匀后送入高温长晶腔体3内，可以精准地控制气流源的流量。
35.所述混料腔体13转动连接有转轴，转轴贯穿混料腔体13，转轴上设有橡胶圈，从而对混料腔体13密封，转轴的一端连接有驱动源10，转轴的另一端与多级扇叶4连接，本实施例中，驱动源10带动多级扇叶4进行转动，多级扇叶4产生负压，将高温长晶腔体3中的气体带入到混料腔体13内，之后将混料腔体13内的粉末固体带入到高温长晶腔体3。
36.本实施例中，当固体粉末源进入到混料腔体13后，经过多级扇叶4后，多级扇叶4由转轴带动高速旋转，实现固体粉末源充分混合分散，同时设置混料腔体13的高度合适，待固体粉末源分散好后，由多级扇叶4带动，将固体粉末源送入高温长晶腔体3。
37.本发明还提出一种pvt法连续生长单晶碳化硅的方法，包括：采用带载模式注入氩气，将固体粉末源带入到混料腔体13中，并经过混合后，将混合后的固体粉末源送入到高温长晶腔体3，并在碳化硅籽晶11上快速生长碳化硅晶体；当后期生长碳化硅晶体，将带载模式进气转为鼓泡模式进气，保持碳化硅晶体的稳定生长；固体粉末源用完后，将存储容器9拆卸，并向存储容器9中加入固体粉末源后重新安装到设备内，使固体粉末源持续供给。
38.采用pvt法连续生长单晶碳化硅的工作原理：采用带载模式，通过高压输入氩气，氩气经过流量计6精准控制后，氩气从长管流过，产生低压区，存储容器内气压较高，由于压差作用，会将存储容器的粉末从粉末控制阀带出来，同时经过载气控制阀的气体将固体粉末源分散，之后经过多级扇叶4的混合后进入到到高温长晶腔体3进行碳化硅晶体生长，通过高压可以快速增加高温长晶腔体3的压强，快速进行碳化硅晶体的生长；采用鼓泡模式，进行低压输入氩气，高温长晶腔体3的压强趋于稳定，稳定地生长碳化硅晶体。
39.当存储容器中9的固体粉末源使用完之后，将存储容器9从两个导管中快速拆卸，此时不需要停止其他设备工作，快速将固体粉末源装入到存储容器9中，之后将存储容器9安装到两个导管中，可以实现对固体粉末源的不断供给，对碳化硅单晶的持续生长。
40.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。