一种碳化硅晶体生长装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于新材料加工技术领域，具体涉及一种新型碳化硅晶体生长装置。
【背景技术】
[0002]碳化硅(SiC)是继硅、锗、砷化镓等之后的第三代半宽禁带半导体材料，其在禁带宽度、热导率、临界击穿场强、饱和电子漂移速率等方面具有明显的优势。4H-SiC和6H-SiC的禁带宽度分别为3.26eV和3.08eV，3C_SiC的禁带最窄，其禁带宽度也在2.39eV左右。SiC的禁带宽度是Si的2-3倍，热导率是Si的2.6-3.3倍，临界击穿场强是Si的7_13倍，饱和电子漂移速率是Si的2-2.7倍。使用宽禁带材料可以大幅提高器件的工作温度，采用SiC衬底的功率器件，最高工作温度有可能超过600°C。更高的临界击穿场强可以使减少器件的体积，因此可以使器件小型化的同时省去大量的散热装置，减少能源的消耗。更高的饱和电子漂移速率可提高器件的开关速度，降低开关损耗。所以与Si相比，SiC更适合用于制造高温、高频、大功率的功率器件。
[0003]目前商品化的SiC衬底通过物理气相输运(PVT)法获得，衬底中含有大量的缺陷，尤其是微管缺陷，会导致器件的击穿失效。随着功率器件的大功率化和高频化，生产高质量SiC衬底的需求越来越迫切。溶液法因其生长过程处于近平衡状态，是一种生长高品质的SiC晶体的理想方法，特别是可以消除PVT法生长过程中难以避免的微管缺陷。在溶液法生长SiC晶体过程中，晶体生长发生在生长腔内，生长腔内包括开放的坩祸、溶液、籽晶轴和籽晶等几部分。坩祸为高纯石墨坩祸，通过感应加热把坩祸中的高纯多晶硅熔化，形成熔融的硅。碳源是通过熔融的硅对石墨坩祸的腐蚀来提供，进而形成S1-C体系的溶液。通过调整坩祸与感应线圈的相对位置，使溶液中形成稳定的温度和温度梯度。籽晶粘贴在籽晶杆上，生长时浸入溶液的过饱和区进行生长。
[0004]通常使用碳粘合剂将籽晶与籽晶轴粘贴在一起，通过烧结过程，使碳粘合剂固化，形成稳定的连接。但是这个过程中，由于碳粘合剂涂抹的不均匀或者籽晶轴表面不平整等原因，籽晶和籽晶轴之间的会存在部分的空隙，由于空气和石墨的热导率的不同，籽晶与籽晶轴的空隙处和其他区域的温度不同，这会引起晶体在生长过程中多型共生等缺陷的产生，或者由于应力的存在，导致生长的晶体中缺陷数量增加，严重时甚至引起晶体的开裂。因此这是现有溶液法生长SiC晶体难以避免的一个问题。
【发明内容】
[0005]针对现有溶液法生长SiC晶体存在的不足之处，本实用新型的发明人提供了一种新型碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩祸，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩祸内的籽晶轴，籽晶轴下端连接有籽晶托架，采用这种结构的生长装置在整个生长过程中，不使用任何的粘合剂固定籽晶，只通过籽晶托架来承载籽晶。籽晶在晶体生长过程中，由于籽晶与籽晶托架之间存在空隙，在溶液流动的作用下，籽晶不受籽晶托架的束缚，这样可有效避免在晶体中产生应力，避免使用粘合剂时固化不均匀时造成晶体内局部应力大造成开裂、缺陷多等情况。通过使用籽晶托架，可以生长出高质量的SiC晶体。
[0006]本实用新型的具体技术方案是:
[0007]一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩祸，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩祸内的籽晶轴，籽晶轴下端连接有籽晶托架；
[0008]其中所述的保温桶下部连接有保温桶轴，保温桶轴穿出生长腔体与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置连接；所述的保温桶顶部的桶盖上设置有允许籽晶轴和籽晶托架通过的通孔；
[0009]所述的坩祸采用高纯石墨制成，用于收纳原料多晶硅及熔化后的溶液；坩祸既是盛放溶液的容器，又为晶体生长提供碳源。多晶硅熔化后形成熔融的Si，腐蚀石墨坩祸，形成SiC溶液。坩祸还可以使用其他材质，如陶瓷、钽(Ta)等，这种情况下，生长时需向坩祸加入石墨原料或者通入含C的气体(如C3H8等)，来提供碳源，故此优选采用石墨材质。
[0010]所述的籽晶托架籽晶托架包括石墨板和石墨手臂，石墨手臂固定连接在石墨板下方，所述的石墨板通过机械连接或者通过粘合剂与籽晶轴固定连接，石墨板为正方形，也可以为圆形。石墨手臂为L型结构或方柱型结构。石墨手臂下方有开口，用来容纳籽晶，为了承托籽晶一般设置有四个石墨手臂也可以设置为三个石墨手臂；所述开口的高度大于籽晶的厚度，一般控制为籽晶的厚度的1-4倍，优选为2倍；所述的籽晶轴内设置有空腔，可向空腔内通入冷却气体对籽晶轴进行冷却。通过设置的保温桶轴旋转装置和籽晶轴升降旋转装置可以实现坩祸和籽晶轴的转动，同时还可以实现其垂直方向的移动。
[0011]采用这种结构的生长装置，使用时可以将籽晶插入石墨手臂的开口中，将其固定在石墨手臂上，之后将整个籽晶托架伸入到坩祸内部，在坩祸内放入多晶硅，封闭生长腔体后通入保护气，利用感应线圈对石墨坩祸进行加热，将坩祸的温度升至原料熔点以上，形成熔融的硅；通过溶液对石墨坩祸的腐蚀，形成SiC溶液，控制籽晶轴升降旋转装置使籽晶托架降入溶液区以完成SiC晶体生长；生长时可根据具体需要控制坩祸和籽晶轴旋转，具体可通过保温桶轴旋转装置旋转保温桶从而实现坩祸的旋转，而籽晶轴的旋转则通过籽晶轴升降旋转装置完成。
[0012]综上所述，采用这种结构的生长装置在整个生长过程中，不使用任何的粘合剂固定籽晶，只通过籽晶托架来承载籽晶。籽晶在晶体生长过程中，由于籽晶与籽晶托架之间存在空隙，在溶液流动的作用下，籽晶不受籽晶托架的束缚，这样可有效避免在晶体中产生应力，避免使用粘合剂时固化不均匀时造成晶体内局部应力大造成开裂、缺陷多等情况。通过使用籽晶托架，可以生长出高质量的SiC晶体。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型所述生长装置的结构剖视图；
[0014]图2为本实用新型所述籽晶托架的主视图；
[0015]图3为图2的侧视图；
[0016]图4为图2的仰视图；
[0017]图5和图6为籽晶托架其他形式的俯视图；
[0018]图中I为保温桶，2为生长腔体，3为感应线圈，4为保温桶轴，5为保温桶轴旋转装置，6为坩祸，7为籽晶，8为籽晶托架，9为籽晶轴升降旋转装置，10为空腔，11为籽晶轴，12为石墨板，13为石墨手臂，14为开口。
【具体实施方式】
[0019]一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体2，腔体2内设置有保温桶1，保温桶I外侧设置有感应线圈3，保温桶I内设置有坩祸6，生长腔体2上侧设置有籽晶轴升降旋转装置9，该装置下端设置有伸入坩祸6内的籽晶轴11，籽晶轴11下端连接有籽晶托架8 ；
[0020]其中所述的保温桶I下部连接有保温桶轴4，保温桶轴4穿出生长腔体2与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置5连接；所述的保温桶顶部的桶盖上设置有允许籽晶轴和籽晶托架通过的通孔；
[0021]所述的坩祸采用高纯石墨制成，用于收纳原料多晶硅及熔化后的溶液；坩祸既是盛放溶液的容器，又为晶体生长提供碳源。多晶硅熔化后形成熔融的Si，腐蚀石墨坩祸，形成SiC溶液。坩祸还可以使用其他材质，如陶瓷、钽(Ta)等，这种情况下，生长时需向坩祸加入石墨原料或者通入含C的气体(如C3H8等)，来提供碳源，故此优选采用石墨材质。
[0022]所述的籽晶托架8籽晶托架包括石墨板12和石墨手臂13，石墨手臂13固定连接在石墨板12下方，所述的石墨板12通过机械连接或者通过粘合剂与籽晶轴11固定连接，石墨板为正方形，也可以为圆形。石墨手臂为L型结构或方柱型结构。石墨手臂13下方有开口 14，用来容纳籽晶，为了承托籽晶一般设置有四个石墨手臂也可以设置为三个石墨手臂(如图4、5和6所示之结构)；所述开口 14的高度大于籽晶7的厚度；所述的籽晶轴11内设置有空腔10，可向空腔内通入冷却气体对籽晶轴进行冷却。
【主权项】
1.一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体(2)，其特征在于:腔体(2)内设置有保温桶(1)，保温桶⑴外侧设置有感应线圈(3)，保温桶⑴内设置有坩祸(6)，生长腔体(2)上侧设置有籽晶轴升降旋转装置(9)，该装置下端设置有伸入坩祸￠)内的籽晶轴(11)，籽晶轴(11)下端连接有籽晶托架⑶； 其中所述的保温桶⑴下部连接有保温桶轴(4)，保温桶轴⑷穿出生长腔体(2)与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置(5)连接；所述的保温桶顶部的桶盖上设置有允许籽晶轴和籽晶托架通过的通孔； 所述的籽晶托架⑶籽晶托架包括石墨板(12)和石墨手臂(13)，石墨手臂(13)固定连接在石墨板(12)下方，所述的石墨板(12)通过机械连接或者通过粘合剂与籽晶轴(11)固定连接，石墨手臂(13)下方有开口(14)。
2.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于:所述的石墨板(12)为正方形或圆形；所述石墨手臂(13)为L型结构或方柱型结构。
3.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于:所述开口(14)的高度大于籽晶(7)的厚度。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的籽晶轴(11)内设置有空腔(10)。
【专利摘要】本实用新型属于新材料技术领域，具体涉及一种新型碳化硅晶体生长装置可适用于溶液法生长SiC晶体，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩埚，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩埚内的籽晶轴，籽晶轴下端连接有籽晶托架；采用这种结构的生长装置在整个生长过程中不使用任何的粘合剂固定籽晶，只通过籽晶托架来承载籽晶，籽晶在晶体生长过程中，在溶液流动的作用下，籽晶不受籽晶托架的束缚，这样可有效避免在晶体中产生应力，避免使用粘合剂时固化不均匀时造成晶体内局部应力大造成开裂、缺陷多等情况。通过使用籽晶托架，可以生长出高质量的SiC晶体。
【IPC分类】C30B27-02, C30B29-36
【公开号】CN204325549
【申请号】CN201420832198
【发明人】朱灿, 宗艳民, 王希杰, 张志海
【申请人】山东天岳晶体材料有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月24日