一种碳化硅单晶用生长装置及生长方法与流程

本发明属于碳化硅晶体生长，具体涉及一种碳化硅单晶用生长装置及生长方法。

背景技术：

1、碳化硅具有禁带宽度大、热导率高，载流子迁移率高等优良材料特性，被认为是制作高温、高频、大功率基高压器件的理想材料，碳化硅单晶是制作碳化硅基器件的基础材料，制备碳化硅单晶晶锭的方法主要有高温气相沉积法、液相法以及物理气相传输方法（简称pvt法），市场上绝大多数的单晶衬底均采用pvt法制成，pvt法通过在高温下使材料升华，然后在低温区域结晶，从而生长出高质量的晶体，使用该种方法的单晶在生长的过程中，籽晶内的穿透型位错（包括螺位错和刃位错）的位错线与生长方向基本平行，导致籽晶中的穿透型位错会延伸至外延层，提高了形成的单晶晶锭中穿透型位错缺陷密度，降低了使用该晶锭制成的功率器件的性能和可靠性。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种碳化硅单晶用生长装置及生长方法，旨在解决现有碳化硅单晶采用pvt法生长的过程中穿透型位错缺陷密度较高，降低了使用该晶锭制成的功率器件的性能和可靠性的技术问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种碳化硅单晶用生长装置，包括：

3、坩埚，具有位于中心的第一腔体、位于所述第一腔体外周的第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体连通，所述第二腔体的顶面高于所述第一腔体的顶面，底面低于所述第一腔体的底面，所述坩埚的顶部和底部均凹陷形成有测温槽，两个所述测温槽位于所述第一腔体的顶部和底部；

4、籽晶固定组件，包括设于所述第一腔体内顶部的上固定件和设于所述第一腔体内底部的下固定件，所述上固定件和所述下固定件位于籽晶外周的空间围合形成生长腔，所述生长腔沿靠近所述第二腔体的方向宽度逐渐增大；

5、原料区，设于所述第二腔体内背离所述生长腔的一圈；

6、石墨筒，设于所述原料区的内周，所述石墨筒上设有开孔；

7、保温结构，设于所述坩埚外周，所述保温结构具有与所述测温槽对应的通孔。

8、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述上固定件和所述下固定件均包括：

9、石墨片，固接于所述第一腔体内的顶壁或底壁，所述石墨片的中部具有安装孔，所述石墨片的顶面凹陷形成有与所述安装孔同轴的柱形空腔，所述空腔的直径大于所述安装孔的直径；

10、插杆，与所述安装孔配合；

11、固定盘，固接于所述插杆朝向籽晶的一端；

12、其中，所述固定盘和所述空腔的直径均小于籽晶的直径，所述上固定件中的所述石墨片的底面和所述下固定件中所述石墨片的顶面围合形成所述生长腔。

13、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一腔体的顶壁和底部均设有限位环，所述石墨片卡接配合于所述限位环内圈。

14、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述固定盘的直径小于所述空腔的直径。

15、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述保温结构包括：

16、外保温层，包裹于所述坩埚的外周，所述外保温层对应所述坩埚的第二腔体，所述外保温层的顶部和底部分别开设有对应所述测温槽的测温孔；

17、内保温层，分别设于两个所述测温槽的侧壁，所述内保温层的内径小于所述测温孔的直径。

18、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述内保温层的厚度为10mm以上。

19、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述外保温层位于所述坩埚顶部和底部的部分壁厚相等，所述保温层位于所述坩埚顶部的部分壁厚与位于所述坩埚外周的部分壁厚的比值为3∶1以上。

20、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第二腔体和所述第一腔体的高度比为3∶2~4∶1。

21、本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，本发明碳化硅单晶用生长装置中坩埚的第一腔体和第二腔体的截面呈h型，整个生长装置的发热区或直接接收加热器热辐射区为坩埚的外周侧壁，对应外周侧壁的第二腔体局域更大的电磁感应或热辐射接收面积，便于高效的加热，以满足碳化硅粉料（原料）的升华；并且第二腔体能够保证更大的装料空间，避免扩大坩埚外径造成的保温材料等成本上升的温度，也避免较大的原料径向厚度导致料表结晶问题；坩埚的顶部和底部设置测温槽，可保证测温的位置更加接近第一腔体，使得测温值能够准确反应生长腔轴向的温度梯度，便于控制生长腔的轴向温度梯度，降低生长腔多晶沉积的风险；生长腔靠近第二腔体的方向宽度逐渐增大，可以调制生长腔等温线呈中间凸的形貌，降低籽晶生长过程中与上固定件或下固定件发生粘连的风险；传统生长主要依靠轴向温度梯度不同，本发明生长装置中的籽晶进行侧面生长，生长方向垂直于籽晶中穿透型位错的位错线，可以有效避免穿透型位错延伸至生长单晶内。

22、第二方面，本发明实施例还提供了一种碳化硅单晶生长方法，采用上述碳化硅单晶用生长装置，包括如下步骤：

23、s10：取一块初始籽晶，所述初始籽晶为柱状结构，将所述初始籽晶固定在所述上固定件和所述下固定件之间；

24、s20：待所述初始籽晶生长预设时间，在所述初始籽晶的外周形成环形的生长区；

25、s30：将带有生长区的所述初始籽晶取下，在所述生长区挖去柱状的生长籽晶；

26、s40：将所述生长籽晶固定在所述上固定件和所述下固定件之间，直至生长形成整锭碳化硅单晶。

27、本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，通过初始籽晶生长在其外周形成生长区，随后在生长区挖出柱状的生长籽晶，再使用生长籽晶采用同样的方式生长形成整锭的碳化硅单晶，将该整锭的碳化硅单晶作为功率器件的生产材料，可提高功率器件的性能和可靠性。

28、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述s10步骤之前还包括：

29、在所述初始籽晶的上下两个端面涂覆耐腐蚀涂层。

技术特征：

1.一种碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，所述上固定件和所述下固定件均包括：

3.如权利要求2所述的碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，所述第一腔体的顶壁和底部均设有限位环，所述石墨片卡接配合于所述限位环内圈。

4.如权利要求2所述的碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，所述固定盘的直径小于所述空腔的直径。

5.如权利要求1所述的碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，所述保温结构包括：

6.如权利要求5所述的碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，所述内保温层的厚度为10mm以上。

7.如权利要求5所述的碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，所述外保温层位于所述坩埚顶部和底部的部分壁厚相等，所述保温层位于所述坩埚顶部的部分壁厚与位于所述坩埚外周的部分壁厚的比值为3∶1以上。

8.如权利要求1所述的碳化硅单晶用生长装置，其特征在于，所述第二腔体和所述第一腔体的高度比为3∶2~4∶1。

9.一种碳化硅单晶生长方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的碳化硅单晶用生长装置，包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述s10步骤之前还包括：

技术总结
本发明提供了一种碳化硅单晶用生长装置及生长方法，属于碳化硅晶体生长技术领域，所述碳化硅单晶用生长装置包括坩埚、籽晶固定组件、原料区、石墨筒以及保温结构，所述坩埚具有位于中心的第一腔体、位于所述第一腔体外周的第二腔体，所述坩埚的顶部和底部均凹陷形成有测温槽；所述籽晶固定组件包括设于所述第一腔体内顶部的上固定件和设于所述第一腔体内底部的下固定件，所述上固定件和所述下固定件位于籽晶外周的空间围合形成生长腔；所述原料区设于所述第二腔体内背离所述生长腔的一圈；所述石墨筒设于所述原料区的内周，所述石墨筒上设有开孔；所述保温结构设于所述坩埚外周，所述保温结构具有与所述测温槽对应的通孔。

技术研发人员：李扬,郑向光,杨昆,刘新辉,路亚娟
受保护的技术使用者：河北同光半导体股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/9