CN207498512U - 一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，包括坩埚、坩埚盖、石墨软毡保温层、感应线圈，所述坩埚盖位于顶部封闭所述坩埚，所述坩埚盖内侧中心突出区域粘合有籽晶片，所述石墨软毡保温层包覆所述坩埚的周围、顶部、底部，所述感应线圈围绕石墨软毡保温层设置，所述坩埚内底部中心开设有安装槽，所述安装槽上放置一中心核心件，所述中心核心件内设有相适配的中心过滤挡板，所述中心核心件顶端与坩埚内侧壁之间架设有中心核心挡环。本实用新型中心核心件设计，重新设定原料位置，提高到达各个位置的原料升华蒸气均匀度，减小晶体凸出率，从而降低晶体应力及缺陷，提高了原料的利用率，减少原料使用量。
Description
技术领域
本实用新型涉及碳化硅单晶生长设备制造领域，具体为一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置。
背景技术
碳化硅单晶材料属于第三代宽带隙半导体材料的代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，SiC器件可用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、空天飞行器、海洋勘探、地震预报、石油钻井、机械加工以及汽车电子化等重要领域。尤其是5G通信及电动汽车的应用。
目前碳化硅单晶生长以物理气相沉积法(PVT)为主要生长方式，已经被证明是生长SiC晶体最成熟的方法。将SiC粉料加热到2200～2500℃，在惰性气氛的保护下，使其升华到冷端籽晶上，结晶成为块状晶体。这种方法的关键技术有两点，第一是建立一个合适的温场，形成稳定的气相SiC从高温到低温的输运流，第二是使得气相SiC可以在籽晶上形成良好的生长界面生长。同时，在生长过程中还需要控制生长室内气体的压力。
虽然传统物理气相沉积法(PVT)生长碳化硅单晶是应用最广的，但由于热场设计上的差异，很多热场的设计不良容易导致晶体中心凸出率过大，利用率过低以及晶体凸出率过大产生的晶体应力和缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，重新设定原料位置，提高到达各个位置的原料升华蒸气均匀度，减小晶体凸出率，从而降低晶体应力及缺陷，提高了原料的利用率，减少原料使用量，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，包括坩埚、坩埚盖、石墨软毡保温层、感应线圈，所述坩埚盖位于顶部封闭所述坩埚，所述坩埚盖内侧中心突出区域粘合有籽晶片，所述石墨软毡保温层包覆所述坩埚的周围、顶部、底部，所述感应线圈围绕石墨软毡保温层设置，所述坩埚内底部中心开设有安装槽，所述安装槽上放置一中心核心件，所述中心核心件内设有相适配的中心过滤挡板，所述中心核心件顶端与坩埚内侧壁之间架设有中心核心挡环。
优选的，所述石墨软毡保温层设有1-4层，每层厚度为5-10mm，所述坩埚上部及下部的转接处多增设1-2层石墨软毡保温层。
优选的，所述石墨毡保温层与感应线圈之间套设有一石英筒。
优选的，所述中心核心件为下窄上宽且有Nb、Ta镀层的多孔石墨桶，所述中心核心件内和两侧与坩埚内侧壁之间的空隙放置有纯度为5-6N的碳化硅粉末。
优选的，所述中心过滤挡板为有Nb、Ta镀层的多孔石墨挡板，所述中心核心挡环为有Nb、Ta镀层的高密度石墨挡环。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型根据温度梯度设置一特定形状的中心核心件，重新设定原料在坩埚内的分布位置，提高到达各个位置的原料升华蒸气均匀度，减少晶体中心的凸出率，降低了晶体的应力，减少应力产生的缺陷，从而使晶体界面趋于平面，增加所需直径的厚度。
2、本实用新型重新设定原料位置设置提高了原料的利用率，减少原料使用量，在不改变温度梯度分布下，该原料设计位置可以使得原料充分利用，不仅使得各个位置升华的蒸气量均匀，并却使得各个位置原料充分升华，节省掉了原来不能升华位置的原料，生长同样厚度的晶体只需原来原料的 50-70％。
3、本实用新型中心核心件及中心过滤挡板都采用多孔高纯石墨，并进行Nb、Ta镀层，有效过滤掉了碳颗粒及杂质，避免杂质颗粒到达籽晶，减少杂质颗粒引起的碳包裹物及其他晶体生长缺陷，控制了生长初期的生长速度。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图。
图中：1、坩埚，2、坩埚盖，3、石墨软毡保温层，4、感应线圈，5、籽晶片，6、安装槽，7、中心核心件，8、中心过滤挡板，9、中心核心挡环， 10、石英筒，11、碳化硅粉末。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，包括坩埚1、坩埚盖2、石墨软毡保温层3、感应线圈4，所述坩埚盖2位于顶部封闭所述坩埚1，所述坩埚盖2内侧中心突出区域粘合有籽晶片5，所述石墨软毡保温层3包覆所述坩埚的周围、顶部、底部，所述石墨软毡保温层4设有1-4层，每层厚度为5-10mm，所述石墨毡保温层3与感应线圈4之间套设有一石英筒10，所述坩埚1上部及下部的转接处多增设1-2 层石墨软毡保温层3，所述感应线圈4围绕石墨软毡保温层3设置，所述坩埚 1内底部中心开设有安装槽6，所述安装槽6上放置一中心核心件7，所述中心核心件7为下窄上宽且有Nb、Ta镀层的多孔石墨桶，所述中心核心件7内和两侧与坩埚1内侧壁之间的空隙放置有纯度为5-6N的碳化硅粉末11，所述中心核心件7内设有相适配的中心过滤挡板8，所述中心过滤挡板8为有Nb、Ta镀层的多孔石墨挡板，所述中心核心挡环9为有Nb、Ta镀层的高密度石墨挡环，所述中心核心件7顶端与坩埚1内侧壁之间架设有中心核心挡环9。
工作原理：首先抽真空到压力5x10-2mbar以下，充入氩气控制压力在 1-50mbar环境之下，水冷式感应线圈4通电感应加热石墨坩埚1，当加热温度达到2100℃以上，碳化硅粉末11开始升华变成碳化硅气体通过中心石墨桶7和多孔石墨的中心过滤挡板8，并沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶处沉积结晶，经过5-10天的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶生长。
本实用新型根据温度梯度设置一特定形状的中心核心件，重新设定原料在坩埚内的分布位置，提高到达各个位置的原料升华蒸气均匀度，减少晶体中心的凸出率，降低了晶体的应力，减少应力产生的缺陷，从而使晶体界面趋于平面，增加所需直径的厚度。提高了原料的利用率，减少原料使用量，在不改变温度梯度分布下，该原料设计位置可以使得原料充分利用，不仅使得各个位置升华的蒸气量均匀，并却使得各个位置原料充分升华，节省掉了原来不能升华位置的原料，生长同样厚度的晶体只需原来原料的50-70％。中心核心件及中心过滤挡板都采用多孔高纯石墨，并进行Nb、Ta镀层，有效过滤掉了碳颗粒及杂质，避免杂质颗粒到达籽晶，减少杂质颗粒引起的碳包裹物及其他晶体生长缺陷，控制了生长初期的生长速度。
实施例一
在坩埚1装入中心石墨桶7，并装入0.8kg纯度5N-6N碳化硅粉末11，装入带有4寸偏4°的4H籽晶的坩埚盖2，后抽真空到压力5x10-2mbar以下, 初期抽气速率为50mbar/min，充入氩气控制压力在1-30mbar环境之下开始加热生长，在2100℃-2300℃高温环境连续生长5-10天后，长出晶体凸出的高度差在0-6mm，无多晶，进行切片制造衬底，在偏光仪下看晶片无碳包裹物， MPD<1，总位错密度<3000个/cm2
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，包括坩埚(1)、坩埚盖(2)、石墨软毡保温层(3)、感应线圈(4)，所述坩埚盖(2)位于顶部封闭所述坩埚(1)，所述坩埚盖(2)内侧中心突出区域粘合有籽晶片(5)，所述石墨软毡保温层(3)包覆所述坩埚的周围、顶部、底部，所述感应线圈(4)围绕石墨软毡保温层(3)设置，其特征在于：所述坩埚(1)内底部中心开设有安装槽(6)，所述安装槽(6)上放置一中心核心件(7)，所述中心核心件(7)内设有相适配的中心过滤挡板(8)，所述中心核心件(7)顶端与坩埚(1)内侧壁之间架设有中心核心挡环(9)。
2.根据权利要求1所述的一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述石墨软毡保温层(3)设有1-4层，每层厚度为5-10mm，所述坩埚(1)上部及下部的转接处多增设1-2层石墨软毡保温层(3)。
3.根据权利要求1所述的一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述石墨毡保温层(3)与感应线圈(4)之间套设有一石英筒(10)。
4.根据权利要求1所述的一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述中心核心件(7)为下窄上宽且有Nb、Ta镀层的多孔石墨桶，所述中心核心件(7)内和两侧与坩埚(1)内侧壁之间的空隙放置有纯度为5-6N的碳化硅粉末(11)。
5.根据权利要求1所述的一种生长高利用率的碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述中心过滤挡板(8)为有Nb、Ta镀层的多孔石墨挡板，所述中心核心挡环(9)为有Nb、Ta镀层的高密度石墨挡环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20240604 Address after: 410000 No. 399, Changxing Road, high tech Development Zone, Changsha, Hunan Province Patentee after: Hunan San'an Semiconductor Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 362211 enterprise operation center building, Jiangpu community, Chendai Town, Jinjiang City, Quanzhou City, Fujian Province Patentee before: FUJIAN NORSTEL MATERIAL TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| TR01 | Transfer of patent right |