CN115537926B - 一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物理气相法碳化硅生产领域，尤其涉及一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其包括坩埚主体以及坩埚顶盖，坩埚主体从下至上依次包括粉源区以及籽晶生长区域，所述坩埚主体其底部中心处设置有一个向粉源区内部凸起的第一加热装置，同时在坩埚主体侧边设置有氩气入口以及氩气出口；所述坩埚顶盖朝向空腔的一侧放置有用于沉积碳化硅晶体的籽晶，坩埚顶盖的上方还设置有一个第二加热装置。本发明在坩埚主体底部增加了第一加热装置，提升了粉源中心温度，同时在坩埚主体侧边壁面增加了氩气入口，在氩气气流的作用下，靠近坩埚壁面的高温气流被输送至粉源中心，进一步提升了粉源中心温度，同时也提高了粉源内部温度分布的均匀。

Description

一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚

技术领域

本发明涉及物理气相法碳化硅生产领域，尤其涉及一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚。

背景技术

碳化硅作为第三代半导体的代表性宽禁带材料，是继第一代半导体材料Si以及第二代半导体材料GaAs之后，有希望在半导体行业占据主导地位的半导体材料。与前两代半导体材料相比，其具有非常优异的半导体性能，碳化硅的禁带宽度是硅的2-3倍，其热导率是硅的3.3倍，击穿场强是硅的10倍，饱和电子迁移率是硅的2.5倍，此外，碳化硅还具有硬度高，抗磨损性能强，化学性质稳定以及高键合能等优异特点。基于以上性能，碳化硅材料越来越广泛地应用于工作环境更恶劣，性能要求更高（如高温、高频、抗腐蚀、抗辐射以及高功率）的电子器件。目前，碳化硅已在航天、通信、石油行业、新能源汽车、机械加工等领域。

碳化硅大尺寸晶体的生长目前主要是使用物理气相运输法（PVT）实现，该方法也是未来大尺寸碳化硅生产研究的重点。例如申请号为CN201210014045.5的一种物理气相沉积法生长大尺寸碳化硅单晶的石墨坩埚及其应用，该发明涉及一种物理气相沉积法生长大尺寸碳化硅单晶的石墨坩埚，包括收容碳化硅原料的坩埚桶和上盖，在所述坩埚桶的内壁上部和上盖的外壁上设置有相互旋合的螺纹，所述上盖和坩埚桶通过螺纹连接；在所述的坩埚桶内壁上设置有放置多孔石墨板的定位块；在定位块上放置有多孔石墨板，所述多孔石墨板的外径与坩埚桶的内径相适应。该发明有效的避免了生长过程中碳化硅原料的碳化对晶体生长造成的影响，提高晶体生长的稳定性和成功率。

然而经过本发明人本申请人研究发现，PVT法碳化硅晶体生长过程中，随着尺寸的增加，碳化硅生长过程会产生许多新问题。主要集中在两个方面，其一是碳化硅粉源中心温度降低较多，粉源内部温度分布不均匀，造成粉源靠近坩埚处升华效率高，中心处升华效率低，甚至出现粉源板结现象，降低晶体生长速度与效率；其二是碳化硅籽晶随着尺寸的增加，其径向温度分布不均匀现象更为明显，造成晶体在生长过程中出现应力集中，晶体开裂以及位错增加等问题，此外由于温度梯度径向分布不均匀，也不利于晶体生长界面的稳定性，造成晶体生长界面波动，降低成品质量。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的物理气相法（PVT）生产块状碳化硅晶体过程中容易出现碳化硅粉源温度分布不均、粉源与籽晶温差减小、籽晶径向温度梯度分布不均的缺陷，提供了一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚以克服上述缺陷。

为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，包括坩埚主体，其内部设置有一空腔，所述空腔从下至上依次包括用于放置碳化硅粉源的粉源区以及用于碳化硅晶体沉积的籽晶生长区域，所述坩埚主体其底部中心处设置有一个向粉源区内部凸起的第一加热装置，所述坩埚主体侧边设置有用于将靠近坩埚主体壁面的高温气体吹向粉源区中心的氩气入口，坩埚主体的顶部侧边还设置有用于将氩气从籽晶生长区域流出的氩气出口；

还包括坩埚顶盖，其朝向空腔的一侧放置有用于沉积碳化硅晶体的籽晶，且所述坩埚顶盖的上方还设置有一个第二加热装置。

现有技术中采用物理气相法（PVT）生产块状碳化硅晶体过程中，通常是在坩埚外部启动热源，然后热量依次沿着坩埚进入到坩埚内部，从而对碳化硅粉源起到加热作用，碳化硅粉源受热后升华形成碳化硅蒸汽，碳化硅蒸汽上升到坩埚的上方后，在位于坩埚上方的籽晶表面沉积，从而形成碳化硅晶体。

然而本发明申请人发现，由于热量的传导是从坩埚外部向坩埚内部传导的，因此靠近坩埚壁面的部分碳化硅粉源的温度必然会高于靠近坩埚中心处的碳化硅粉源，从而此时便产生了碳化硅粉源温度分布不均的问题。此时，造成近坩埚壁面处的碳化硅粉源的升华速率远远高于位于坩埚中心处的碳化硅粉源的升华速率，导致靠近坩埚中心处的碳化硅粉源会出现板结现象，进而导致这一部分碳化硅粉源的升华速率与效率进一步降低。

本发明针对现有技术中的这一缺陷，在传统坩埚的基础上在坩埚主体的底部设置有一个向粉源区内部凸起的第一加热装置，其可在沉积碳化硅晶体的过程中对中心处的碳化硅粉源起到加热作用，从而可有效改善粉源内部的温度分布情况，提高粉源中心的温度，使得碳化硅粉源内外部分的温差降低，从而实现热场的优化，在不影响近坩埚壁面的部分碳化硅粉源的升华效率的前提下，阻止了靠近坩埚中心处的碳化硅粉源的板结现象，提升了粉源中心的升华速率与效率。

由于碳化硅粉源在受热升华后形成的碳化硅气体会在碳化硅粉源的内部流动，因此当本发明在设置有第一加热装置之后，必定会对碳化硅粉源内部的碳化硅升华气体的流动起到一定阻碍作用，从而导致碳化硅升华气体在碳化硅粉源内部的流动紊乱，因此不利于碳化硅升华气体向坩埚主体上方的籽晶生长区域扩散，最终影响碳化硅的沉积效果。因此针对这一问题，本发明特意在坩埚主体侧边设置有用于将靠近坩埚主体壁面的高温气体吹向粉源区中心的氩气入口，生长过程中可向氩气入口通入氩气，氩气在经过碳化硅粉源后由顶部的氩气出口排出，从而引导碳化硅升华气体的流动，使得碳化硅升华气体在向坩埚主体上方的籽晶生长区域扩散的过程中更加平稳，保障了最终碳化硅沉积效果。此外，氩气的通入还能够将靠近壁面的高温气体吹向粉源中心，以进一步提高粉源内部温度分布的均匀性。

此外，虽然粉源中心增加了第一加热装置，使得整个粉源的平均温度相对提升，但是由于坩埚主体侧壁的氩气通入，不可避免地会影响籽晶生长温度，为保持籽晶生长温度的稳定性，本发明在坩埚顶盖顶部增加了一个第二加热装置，其能够减小氩气对于籽晶温度的影响，使得籽晶生长区域的温度环境始终能够处在一个平稳水平，提高了碳化硅晶体的沉积效果。

上文说到，粉源区加热后形成的碳化硅升华气体会向着坩埚主体上方的籽晶生长区域扩散，现有技术中的坩埚由于籽晶生长区域中没有遮挡，因此会贴着坩埚的内壁向上流动，直至抵达坩埚的最上端之后，然后朝着籽晶流动，并在籽晶表面沉积碳化硅晶体，未参与沉积碳化硅晶体的气体则会在籽晶生长区域中与向上流动的碳化硅升华气体形成气体循环回路，从而不断在籽晶表面沉积碳化硅晶体。但是，这种气体流动条件下会产生以下两点不足之处：第一，由于碳化硅升华气体是直接沿着坩埚的内壁向上流动至坩埚顶部，因此此时位于坩埚顶部的碳化硅升华气体与位于底部的碳化硅升华气体的温差较低，导致碳化硅升华气体难以在籽晶表面沉积，从而造成籽晶表面再结晶速率降低，减缓了碳化硅的生长速度。第二，在由于碳化硅升华气体在流动至坩埚上端后其是沿着坩埚的边缘逐渐流动至籽晶的中心处，因此碳化硅升华气体在流动过程中会导致碳化硅升华气体从籽晶的边缘流动至籽晶的中心处温度会发生下降，从而形成了晶体沿径向温度梯度分布不均匀现象，从而造成晶体生长界面凹凸度过大，或产生M形界面，从而不利于晶体的平稳生长。

本发明中通过第一加热装置以及氩气入口的设置，由于碳化硅升华气体在粉源区内部形成时受到了氩气的导流作用，使得碳化硅升华气体会向粉源区的中心处汇聚，从而使得碳化硅升华气体能够沿着粉源区的中心向上流动，然后竖直向上流动至籽晶生长区域中然后与籽晶先接触沉积碳化硅晶体，然后未沉积的碳化硅升华气体则顺着籽晶的径向流动至坩埚的内壁，并顺着氩气出口流至坩埚外部，从而不对内部气流产生影响。

由于改变了碳化硅升华气体的流动分布情况，因此在籽晶表面沉积碳化硅晶体的过程中，沉积温度能够保持一致，从而在多种因素的作用下提高了籽晶表面碳化硅气体分布均匀性与晶体生长效率。

作为优选，所述第一加热装置包括一个向粉源区内部凸起的石墨柱槽；

所述石墨柱槽内部设置有一个第一加热器。

本发明中的第一加热装置中的第一加热器与粉源区内部的碳化硅粉源并不是直接接触，而是设置在向粉源区内部凸起的石墨柱槽的内部，当启动第一加热器时，第一加热器产生的热量能够沿着石墨柱槽传递到碳化硅粉源的中心，从而能够保持碳化硅粉源中心处的温度能够保持稳定均匀。

作为优选，所述第一加热器为圆柱形电阻加热器。

作为优选，所述石墨柱槽的高度低于粉源区内部碳化硅粉源的高度。

作为优选，所述氩气入口位于放置在粉源区内部的碳化硅粉源的上表面以下。

本发明中向氩气入口中通入氩气主要是用于提高碳化硅粉源内部温度分布的均匀性，同时引导碳化硅升华气体更加稳地向籽晶生长区域平流动扩散，当氩气入口设置在碳化硅粉源的上表面以上时，不仅达不到提高碳化硅粉源内部温度分布的均匀性的目的，并且会扰乱碳化硅升华气体向籽晶生长区域的平稳流动。因此，本发明的氩气入口设置在碳化硅粉源的上表面以下的位置，能够保证在提高碳化硅粉源内部温度分布的均匀性的前提下，还能够维持碳化硅升华气体向籽晶生长区域的平稳流动。

作为优选，所述氩气入口上下分层布置，且每层中的氩气入口环绕粉源区均匀阵列布置。

本发明通过多层结构的氩气入口设置，能够有效提升氩气对于提升碳化硅粉源内部温度分布的均匀性的效果，同时还能够维持气流的稳定性。

作为优选，所述氩气入口与氩气出口内部通过多孔石墨片封堵。

作为优选，所述第二加热装置包括一个设置在坩埚顶盖上方的圆盘形电阻加热器；

所述第二加热装置与坩埚顶盖之间存在间隙。

作为优选，所述第二加热装置的半径大于等于籽晶的半径。

本发明中通过设置第二加热装置的半径大于等于籽晶的半径能够有效保证热源的控制作用，从而保证籽晶生长区域的温度稳定性。

作为优选，所述坩埚主体外部还套设有一层保温石墨毡。

因此，本发明具有以下有益效果：

（1）在坩埚主体底部增加了第一加热装置，提升了粉源中心温度，同时在坩埚主体侧边壁面增加了氩气入口，在氩气气流的作用下，靠近坩埚壁面的高温气流被输送至粉源中心，进一步提升了粉源中心温度，同时也提高了粉源内部温度分布的均匀性；

（2）坩埚主体下部增加的氩气入口与顶部增加的出口，提高了坩埚内部气流的稳定性，进而也能提高籽晶表面温度梯度分布的均匀性以及碳化硅溶质分布的均匀性；

（3）坩埚主体顶部上方增加的第二加热装置，可以进一步改善籽晶生长的温度环境，提高籽晶生长表面温度梯度分布的均匀性；

（4）本发明具体结构可根据实际生长情况，调整新增第二加热装置高度以及氩气入口布置位置，来调整粉源内部温度场分布情况。调整氩气出口与坩埚顶部第二加热装置的位置，可以改善籽晶域温度场分布，该发明装置具有很强的适应性；

（5）本发明结构对于粉源和籽晶温度场的控制调整，同样适用于物理气相运输法生长其他类型晶体。本发明对PVT法生长系统的改进，结构简单，易于实行，成本较低，可重复利用。

附图说明

图1 为本发明提出的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的立体结构示意图。

图2 为本发明提出的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的剖面结构及尺寸示意图。

图 3 传统碳化硅生长坩埚的结构示意图。

图4为两种不同的碳化硅生长坩埚内部流场分布云图；

图中左侧（a）为传统碳化硅生长坩埚的内部流场分布云图；

图中右侧（b）为本发明提出的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的内部流场分布云图。

图5为两种不同的碳化硅生长坩埚内部温度分布云图。

图中左侧（a）为传统碳化硅生长坩埚的内部温度分布云图；

图中右侧（b）为本发明提出的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的内部温度分布云图。

图6给出了在两种不同的生长坩埚下，籽晶径向温度梯度分布曲线图。

其中：坩埚主体1、坩埚顶盖2、空腔3、籽晶生长区域4、粉源区5、籽晶6、第一加热装置 7、氩气入口8、氩气出口9、第二加热装置10、石墨柱槽11、第一加热器12、多孔石墨片13、保温石墨毡14、电磁线圈15。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明提供了一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，包括坩埚主体1以及设置在所述坩埚主体1上方的坩埚顶盖2，坩埚主体1内部设置有一空腔3，所述空腔3从下至上依次包括用于放置碳化硅粉源的粉源区5以及用于碳化硅气体流通的籽晶生长区域4，坩埚顶盖2朝向空腔3的一侧放置有用于沉积碳化硅晶体的籽晶6。

本发明在坩埚主体1其底部中心处设置有一个向粉源区5内部凸起的第一加热装置 7，其包括一个向粉源区5内部凸起的石墨柱槽11，石墨柱槽11内部设置有一个第一加热器12，在一些实施方式中第一加热器12可以选择为圆柱形电阻加热器。因此，当启动第一加热器12后其可以在沉积碳化硅晶体的过程中对位于粉源区5中心处的碳化硅粉源起到加热作用，从而可有效改善粉源内部的温度分布情况，提高粉源中心的温度，使得碳化硅粉源内外部分的温差降低，从而实现热场的优化，在不影响近坩埚壁面的部分碳化硅粉源升华效率的前提下，阻止了靠近坩埚中心处的碳化硅粉源的板结现象，提升了粉源中心的升华速率与效率。

同时，本发明还在坩埚主体1侧边设置有若干组氩气入口8以及氩气出口9，其两者内部通过多孔石墨片13封堵，当向氩气入口8入口中通入氩气后，氩气可将靠近坩埚主体1壁面的高温气体吹向粉源区5中心，从而进一步提升粉源中心温度，以及粉源内部温度分布的均匀性。

本发明中氩气入口8上下分层布置（本实施例中氩气入口8的层数为3，每层氩气入口8的数量为4），且每层中的氩气入口8环绕粉源区5均匀阵列布置。

由于氩气由氩气入口8中通入，然后由顶部的氩气出口9排出，从而能够引导碳化硅升华气体流动，使得碳化硅升华气体向坩埚主体1上方的籽晶生长区域4扩散过程中更加平稳，保障了最终碳化硅沉积效果。

对于碳化硅升华气体的流动，由于碳化硅升华气体在粉源区5内部形成时受到了氩气的导流作用，使得碳化硅升华气体会向粉源区5的中心处汇聚，从而使得碳化硅升华气体能够沿着粉源区5的中心向上流动，然后竖直向上流动至籽晶生长区域4中然后与籽晶6先接触沉积碳化硅晶体，然后未沉积的碳化硅升华气体则顺着籽晶6的径向流动至坩埚主体1的内壁，并顺着氩气出口9流至坩埚主体1外部，从而不对坩埚主体1内部气流产生影响。本发明由于改变了碳化硅升华气体的流动分布情况，因此在籽晶6表面沉积碳化硅晶体的过程中，沉积温度能够保持一致，从而在多种因素的作用下提高了籽晶表面碳化硅气体分布均匀性与晶体生长效率。

此外，本发明还在坩埚顶盖2的上方还设置有一个第二加热装置10，在一种优选方式中第二加热装置10可以选择为圆盘形电阻加热器。其原因在于，虽然粉源中心增加了第一加热装置7，使得整个粉源的平均温度相对提升，但是由于坩埚主体1侧壁的氩气通入，不可避免地会影响籽晶生长温度，为保持籽晶生长温度的稳定性，在坩埚顶盖2顶部增加了一个第二加热装置10，从而能够减小氩气对于籽晶6温度的影响，使得籽晶生长区域4的温度环境始终能够处在一个平稳水平，提高了碳化硅晶体的沉积效果。在一种优选方式中，圆盘形电阻加热器的半径大于等于籽晶6的半径，从而保证籽晶生长区域的温度稳定性。

本发明中整体装置尺寸设置如下：

H1＜H；

δ = 5~15mm；

r = 35~45mm;

di = 10~30mm;

do = 25~45mm;

R＞ Rs；

Rh ＞ Rs

其中，H1为新增石墨柱槽11高度，H为碳化硅粉源高度，δ为新增石墨柱槽11壁厚，r为石墨柱槽11外径，di为氩气入口8直径，do为氩气出口9直径，R为空腔3内部半径， Rh为圆盘式电阻加热器半径，Rs为籽晶6半径。

本发明设计的带有第一加热器12圆柱形电阻加热器的石墨柱槽11，置于碳化硅粉源内部，通过第一加热器12的作用，可有效提高粉源中心温度，同时碳化硅粉源侧壁增加的多层氩气入口8，可以有效地将坩埚主体1石墨壁面的高温气体吹向粉源中心，提高粉源内部温度场分布均匀性。同时，坩埚顶盖2上方增加的第二加热装置10（即圆盘形电阻加热器）可改善籽晶生长过程中的温度梯度分布，为晶体生长创造更好的温度环境。

实际生长过程中，可根据具体生长情况，调整中心石墨柱槽11高度，氩气入口8布置，以及新增第一加热器12（即圆柱形电阻加热器）以及第二加热装置10（即圆盘形电阻加热器）的功率等，以确保晶体生长环境达到最优情况。

本发明实例仅仅是针对本发明技术方案所做的举例说明，本发明所涉及的提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，并不仅仅限定于碳化硅生长，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

【应用例】

为验证本发明所述一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的运行效果，发明人根据坩埚的结构及尺寸，构建了该提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的多物理场模型，对多物理场流场和热场进行了仿真计算，并将计算结果（包括温度场、坩埚内部流场以及籽晶径向温度梯度）与传统碳化硅生长坩埚（其结构如图3所示）进行了对比。

计算对比用的传统碳化硅生长坩埚，其坩埚主体1内径0.2m，坩埚主体1高0.36m，粉源放置于坩埚主体1底部，碳化硅粉源高度0.2m，坩埚主体1壁厚0.02m，籽晶6布置于坩埚顶盖2处，其圆直径0.16m。

计算采用的本发明所述一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其具体结构尺寸如下：坩埚主体1内径0.2m，坩埚主体1高度0.36m，碳化硅粉源高度0.2m，中心石墨柱槽110.18m，氩气入口8直径0.02m，相邻两层氩气入口8中心间距0.06m，氩气出口9直径0.04m，籽晶6直径0.16m，圆盘式电阻加热器直径0.24m，石墨柱槽11外径0.04m，石墨柱槽11壁厚0.01m。

作为示例，两个生长系统基本结构相同，采用相同的电磁线圈电流，均为1000A，线圈个数为8个，线圈组中心与粉源高度1/2处对齐。

本发明所述一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其碳化硅生长过程包括如下步骤：

（1）将碳化硅粉源放置于坩埚主体1底部的粉源区5，由坩埚主体1底部通入氩气3min,氩气入口流速0.01m/s，以排净坩埚内部其他气体。

（2）接通电磁线圈15与石墨柱槽11内的第一加热器12，调节线圈电流与第一加热器12功率，使得第一加热器12与坩埚壁面升温速度相近，整个升温阶段包括如下3个阶段：第一阶段控制电磁线圈15以及第一加热器12，使得温度达到 1650℃~1740℃，该升温阶段持续时间预设为 15~30min，第二升温阶段通过控制电磁线圈15以及第一加热器12使得温度达到2185℃~2285℃，该升温阶段持续时间预设为 24h~36h，第三阶段控制控制电磁线圈15以及第一加热器12使得温度达到2300℃~2400℃，该升温阶段持续时间预设为8~12h。

（3）调节坩埚顶部第二加热装置10（圆盘式电阻热源）的功率，确保籽晶维持在合适的生长温度下。

对比用的传统碳化硅生长坩埚，其碳化硅生长过程包括如下步骤：

（1）将碳化硅粉源放置于坩埚主体1底部的粉源区5。

（2）接通电磁线圈15，调节线圈电流功率，使得坩埚升温，整个升温阶段包括如下3个阶段：第一阶段控制电磁线圈15，使得温度达到 1650℃~1740℃，该升温阶段持续时间预设为 15~30min，第二升温阶段通过控制电磁线圈15使得温度达到2185℃~2285℃，该升温阶段持续时间预设为 24h~36h，第三阶段控制控制电磁线圈15使得温度达到2300℃~2400℃，该升温阶段持续时间预设为8~12h。

（3）籽晶生长。

作为示例，图4为两种不同的碳化硅生长坩埚内部流场分布云图，其中图中左侧（a）为传统碳化硅生长坩埚的内部流场分布云图，图中右侧（b）为本发明提出的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的内部流场分布云图。由流场分布云图可以看出，采用本发明所述一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长系统，坩埚主体1内部的流动情况将明显改变，气流由坩埚主体1底部的氩气入口8流入，沿中心向上流动，最后由坩埚主体1顶部的氩气出口9流出，这种流动形式，可以将底部坩埚主体1壁面的高温升华气体带向粉源区5中心提高碳化硅粉源的中心温度，同时，由于高温气流沿坩埚主体1中心流向籽晶，可以一定程度上提高籽晶6中心温度，进而改善籽晶6表面温度分布情况，以使得籽晶6生长界面达到理想状态。

图5为两种不同的碳化硅生长坩埚内部温度分布云图，其中图中左侧（a）为传统碳化硅生长坩埚的内部温度分布云图，图中右侧（b）为本发明提出的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的内部温度分布云图。由温度分布云图可以看出，采用本发明所述一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，粉源内部温度得到了明显的提升，且温度分布更为均匀，有利碳化硅粉末升华速率与效率的提升。同时，由于坩埚顶盖2顶部新增的第二加热装置10（圆盘式电阻热源）的作用，籽晶生长区域4的温度仍保持在较优的水平。

图6给出了在两种不同的生长坩埚下，籽晶径向温度梯度分布曲线图，其中图中所述的基本结构表示为传统碳化硅生长坩埚的籽晶径向温度梯度分布曲线，而优化结构表示为本发明提出的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚的籽晶径向温度梯度分布曲线，从图中可以看出，采用本发明所述一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，籽晶6的径向温度梯度分布均匀性得到了相应的提升，有利于晶体生长时界面形状的改善。

Claims (9)

1.一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，包括坩埚主体（1），其内部设置有一空腔（3），所述空腔（3）从下至上依次包括用于放置碳化硅粉源的粉源区（5）以及用于碳化硅晶体沉积的籽晶生长区域（4），所述坩埚主体（1）其底部中心处设置有一个向粉源区（5）内部凸起的第一加热装置 （7），所述坩埚主体（1）侧边设置有用于将靠近坩埚主体（1）壁面的高温气体吹向粉源区（5）中心的氩气入口（8），坩埚主体（1）的顶部侧边还设置有用于将氩气从籽晶生长区域（4）流出的氩气出口（9），所述氩气入口（8）位于放置在粉源区（5）内部的碳化硅粉源的上表面以下；

还包括坩埚顶盖（2），其朝向空腔（3）的一侧放置有用于沉积碳化硅晶体的籽晶（6），且所述坩埚顶盖（2）的上方还设置有一个第二加热装置（10）。

2.如权利要求1所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述第一加热装置 （7）包括一个向粉源区（5）内部凸起的石墨柱槽（11）；

所述石墨柱槽（11）内部设置有一个第一加热器（12）。

3.如权利要求2所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述第一加热器（12）为圆柱形电阻加热器。

4.如权利要求2或3所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述石墨柱槽（11）的高度低于粉源区（5）内部碳化硅粉源的高度。

5.如权利要求1所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述氩气入口（8）上下分层布置，且每层中的氩气入口（8）环绕粉源区（5）均匀阵列布置。

6.如权利要求5所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述氩气入口（8）与氩气出口（9）内部通过多孔石墨片（13）封堵。

7.如权利要求1所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述第二加热装置（10）包括一个设置在坩埚顶盖（2）上方的圆盘形电阻加热器；

所述第二加热装置（10）与坩埚顶盖（2）之间存在间隙。

8.如权利要求7所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述第二加热装置（10）的半径大于等于籽晶（6）的半径。

9.如权利要求1所述的一种提高生长效率的大尺寸物理气相法碳化硅生长坩埚，其特征在于，所述坩埚主体（1）外部还套设有一层保温石墨毡（14）。

Images