一種控制碳化硅單晶生長裝置的制作方法

本發明涉及一種用于控制碳化硅單晶生長裝置。

背景技術：

碳化硅作為第三代寬禁帶半導體材料，與硅和砷化鎵等傳統的半導體材料相比，具有寬帶隙、高熱導率、高臨界擊穿電場和高載流子飽和漂移速度等特點，其優越的性能可以滿足現代電子技術對高溫、高頻、大功率、光電子以及抗輻射的新要求，被認為是半導體材料領域中最有前景的材料之一。

碳化硅單晶制備的方法主要為物理氣相傳輸法。這種常規方法是：晶體生長過程中，在坩堝內部，碳化硅原料處于坩堝底部相對高溫區(2200—2300℃)，籽晶粘結在坩堝鍋蓋上為相對低溫區(2100—2200℃)，坩堝整體是封閉的放在加熱線圈中間，坩堝底部和鍋蓋中間有一定的距離，高溫區的碳化硅原料升華，由于原料區和籽晶存在溫度差，原料以氣態的形式升華到籽晶表面，氣相成分主要有si、si2c和sic2，氣相在籽晶上結晶形成碳化硅晶體，原料區和籽晶表面存在的溫度差是碳化硅單晶生長的驅動力來源，如美國專利us6261363b1和中國專利cn1247831c。在中國專利cn1261622c中，對上述結構進行改進，坩堝蓋可以上下移動，控制晶體生長區溫度，但在晶體生長中，原料會不斷消耗，使得原料區的溫度會不斷發生變化，從而會影響溫度梯度，造成碳化硅晶體生長質量難以控制。

在生長過程中，由于原料會不斷消耗，原料表面相對感應線圈的位置也會發生變化，導致原料區溫度不斷變化改變。同時，籽晶處晶體不斷生長，會逐漸變厚，晶體表面不斷向高溫區移動，表面溫度也會越來越高，氣相區越來越短，致使碳化硅單晶生長的驅動力降低。原料升華溫度和晶體表面溫度的變化導致的溫度梯度的變化，會改變坩堝內部溫場，影響氣相組分的化學組成，在單晶生長過程中，前期溫度條件和后期溫度條件發生非常大的變化，不利于晶體的穩定生長。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術存在的問題，提出一種控制碳化硅單晶生長裝置。本發明能夠實現對物理氣相傳輸法制備碳化硅單晶的原料區和晶體生長區溫度的精確控制，保持溫度梯度均勻穩定，使碳化硅單晶能夠在一個穩定可控的環境中生長，提高單晶生長質量。

本發明碳化硅單晶生長裝置包括真空腔室、感應線圈、坩堝、氣路系統和升降旋轉控制系統。感應線圈、坩堝、氣路系統和升降旋轉控制系統均位于真空腔室內，其中感應線圈位于真空腔室中心位置，用以加熱坩堝。坩堝為發熱體，內部裝有碳化硅粉料和籽晶，用于碳化硅晶體生長。坩堝位于升降旋轉控制系統的上托盤和下托盤之間，放置在感應線圈內部，坩堝外面包覆有保溫層。氣路系統連接在真空腔室側壁上，用于提供碳化硅晶體生長時所需要的氣氛。

所述的升降旋轉控制系統包括上托盤、下托盤、上旋轉軸和下旋轉軸。所述的上托盤和下托盤分別固定在上旋轉軸和下旋轉軸上。上旋轉軸和下旋轉軸位于托盤的中心，通過伺服控制電機控制上、下旋轉軸的上下移動和圓周運動，帶動上托盤和下托盤的升降和圓周旋轉。原料物碳化硅粉料放置于坩堝的內底部，籽晶粘結在坩堝堝蓋上。坩堝的底部固定在下托盤上，坩堝堝蓋固定在上托盤的下表面上，坩堝和坩堝堝蓋分體，也可以扣合。扣合后的坩堝和坩堝蓋可以整體垂直上下移動和沿圓周方向水平360°轉動。分體的坩堝和坩堝蓋也可以各自獨立360°旋轉和上下移動。坩堝和坩堝堝蓋分別能夠跟隨上托盤和下托盤升降或圓周轉動。坩堝、上托盤、下托盤和感應線圈與上旋轉軸、下旋轉軸同軸。軸向方向上，上托盤和下托盤均在感應線圈外部，徑向方向上，上托盤和下托盤均在感應線圈內部。托盤的垂直投影位于感應線圈垂直投影中心位置。真空腔室及感應線圈均裝有冷卻水裝置，分別有一個冷卻水進水口和出水口進行水循環，循環水利用外部制冷機保持恒定的溫度。感應線圈、坩堝、保溫層、氣路系統、上托盤、下托盤、上旋轉軸和下旋轉軸均在真空腔室內。真空腔室開有氣路進出口，通入氣體，用以調節進氣量和氣體種類。

坩堝堝蓋粘結有籽晶，籽晶表面為晶體生長區，生長碳化硅單晶；原料區位于坩堝內的底部。

晶體生長時，可以通過調整坩堝和坩堝鍋蓋的運動，使坩堝中原料區位置和晶體生長區表面位置相對感應線圈位置不變，從而保證溫度和溫度梯度在整個晶體生長過程中保持一致。

本發明裝置在碳化硅單晶生長過程中，感應線圈固定不動，通過控制上托盤和下托盤的轉速和上下升降移動的速度，實現原料區和晶體生長區溫度精確控制。由于坩堝隨上托盤和下托盤的上下移動，通過坩堝的升降，控制坩堝內底部原料區的中部位置始終處于感應線圈中央，也即加熱溫度的最高點。通過坩堝鍋蓋的升降，使坩堝內氣相區的高度始終保持不變。

升降旋轉控制系統的轉速在0.05—30rpm可控，升降速度分為快慢兩檔，慢速檔升降范圍為0.06—20mm/h，快速檔升降范圍為0.1—60mm/min；

感應線圈加熱采用中頻加熱方式，通過控制功率輸出，使感應線圈中部溫度最高點范圍為2200—2300℃，籽晶和生長原料表面之間的區域稱為氣相區，氣相區高度范圍可設置為5—60mm；旋轉軸帶動上托盤和下托盤轉動和上下移動，控制坩堝和坩堝鍋蓋相互運動，使生長原料區溫度保持不變，同時生長原料區到晶體生長區表面的溫度梯度保持不變，這樣氣相區的高度也保持不變，實現生長溫度和溫度梯度的精確控制。

本發明可以精確控制生長原料區和晶體生長區的溫度，使生長原料區始終處于最佳溫度，同時保持生長原料區和晶體表面距離不變，這樣，作為晶體生長驅動力來源的溫度梯度和氣相組分的化學組成均保持不變，因此，晶體一直在穩定的環境中生長，極大的提高了晶體生長質量和效率。

生長原料為碳化硅粉，純度大于99.999％，粒徑在0.05—1范圍之間。

附圖說明

圖1為本發明的結構剖面圖；1感應線圈；2坩堝；3坩堝鍋蓋；4保溫層；5原料區；6籽晶；7上旋轉軸；8上托盤；9下旋轉軸；10下托盤；11固定桿；12真空腔室；

圖2為本發明的結構俯視圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

如圖1所示，本發明晶體生長裝置包括真空腔室12、感應線圈1、坩堝2、氣路系統和升降旋轉控制系統，感應線圈1、坩堝2、氣路系統和升降旋轉控制系統均位于真空腔室內。坩堝2位于升降旋轉控制系統的上托盤8和下托盤10之間，放置在感應線圈1內的中央位置。坩堝2外包覆有保溫層4。感應線圈1位于真空腔室中心位置，用以加熱坩堝2。坩堝2為發熱體，內裝有碳化硅粉料和籽晶，用于碳化硅晶體生長。氣路系統連接在真空腔室側壁上，用于提供碳化硅晶體生長時所需要的氣氛。

所述的升降旋轉控制系統包括上托盤8、下托盤10、上旋轉軸7和下旋轉軸9。上托盤8、下托盤10分別固定在上旋轉軸7和下旋轉軸9上。上旋轉軸7和下旋轉軸9位于托盤的中心，通過伺服控制電機控制上、下旋轉軸的上下移動和圓周運動，以帶動上托盤8和下托盤10的升降和圓周旋轉。坩堝2放置在上托盤8和下托盤10之間，坩堝2的底部固定在下托盤10上，坩堝堝蓋3固定在上托盤8的下表面上。坩堝2和坩堝堝蓋3分體，也可以扣合。扣合后的坩堝和坩堝蓋可以整體垂直上下移動和沿圓周方向水平360°轉動。分體的坩堝和坩堝蓋也可以獨立360°旋轉和上下移動。坩堝2和坩堝堝蓋3能夠分別跟隨上托盤8和下托盤10升降或沿圓周水平轉動。坩堝2放置在感應線圈1內，位于感應線圈1的中央。坩堝2外面包覆有保溫層4。坩堝2、上托盤8、下托盤10和感應線圈1與上旋轉軸7、下旋轉軸9同軸，軸向方向上，上旋轉軸7和下旋轉軸9在感應線圈1的外部，徑向方向上，上旋轉軸7和下旋轉軸9在感應線圈1內部。上、下托盤、坩堝2、保溫層4以及感應線圈1的垂直投影如圖2所示，上、下托盤、坩堝2和保溫層4同軸，位于感應線圈垂直投影中心位置。

坩堝堝蓋3粘結有籽晶6，籽晶6表面為晶體生長區，生長碳化硅單晶。原料區5位于坩堝2的內底部。

本發明生長晶體的實施例1

把粒徑>0.5mm的碳化硅粉放置在坩堝2內，置于坩堝2的底部，籽晶6粘結在坩堝鍋蓋3上。坩堝2固定在下托盤10上，坩堝鍋蓋3固定在上托盤8上。升降旋轉控制系統控制坩堝2和坩堝鍋蓋3移動，使坩堝2中生長原料區5的中部位置處于感應線圈1中央加熱溫度的最高點。感應線圈1采用中頻加熱方式，采用物理氣相傳輸法生長碳化硅單晶時，原料加熱升華，在籽晶上結晶形成碳化硅單晶。為了減輕徑向溫度梯度的影響，使原料氣相升華時沉積的更加均勻，在晶體生長過程中，通過調節上旋轉軸7和下旋轉軸9，帶動上托盤8和下托盤10按照同樣的轉速和方向一致旋轉。晶體生長過程中，由于碳化硅粒徑較大，原料堆積松散，升華通道通暢，原料消耗比較快，而晶體生長緩慢，一般消耗和生長的速度比例為2:1，隨著生長時間的增加，料面和晶體表面的距離越來越大，溫度梯度會發生變化。料面和晶體表面位置的變化，所處的溫區也會發生變化，因此在晶體生長時，坩堝2根據原料的升華量向上緩慢運動，保持料面一直處于最高溫區。坩堝鍋蓋3同時也以更慢的速度向上移動，保持料面和晶體表面距離不變，也即整個氣相區的長度不變，保證所處溫區不變的同時，籽晶6表面和原料區5表面之間的溫度梯度也是恒定的。

本發明生長晶體的實施例2

把粒徑<0.1mm的碳化硅粉放置在坩堝2內，置于坩堝2的內底部，籽晶6粘結在坩堝鍋蓋3上，其中坩堝2固定在下托盤10上，坩堝鍋蓋3固定在上托盤8上。升降旋轉控制系統控制坩堝2和坩堝鍋蓋3移動，使坩堝2中原料區5的中部位置處于感應線圈中央加熱溫度的最高點。感應線圈1采用中頻加熱方式，采用物理氣相傳輸法生長碳化硅單晶時，原料加熱升華，在籽晶6上結晶形成碳化硅單晶。為了減輕徑向溫度梯度的影響，使原料氣相升華時沉積的更加均勻，在晶體生長過程中，通過調節上旋轉軸7和下旋轉軸9，帶動上托盤8和下托盤10按照同樣的轉速和方向一致旋轉。晶體生長過程中，由于碳化硅粒徑較小，原料堆積致密，這種情況下，碳化硅粉在升華過程中，升華通道容易被堵塞，升華比較慢，且硅元素消耗的比較快，容易在原料表面形成石墨化，使原料面不會降低，而晶體緩慢生長，隨著生長時間的增加，料面和晶體表面的距離越來越小，溫度梯度會發生變化。因此在晶體生長時，坩堝蓋3會向原料區方向以緩慢的速度移動，保持料面和晶體表面距離不變，也就是整個氣相區的距離不變，保證所處溫區不變的同時，籽晶表面和生長原料區之間的溫度梯度也是恒定的。

本發明生長晶體的實施例3

把0.1mm<粒徑<0.5mm的碳化硅粉放置在坩堝2內，置于坩堝2的內底部，籽晶6粘結在坩堝鍋蓋3上，其中坩堝2固定在下托盤10上，坩堝鍋蓋3固定在上托盤8上。升降旋轉控制系統控制坩堝2和坩堝鍋蓋3移動，使坩堝2中原料區5的中部位置處于感應線圈中央加熱溫度的最高點。感應線圈1采用中頻加熱方式，采用物理氣相傳輸法生長碳化硅單晶時，原料加熱升華，在籽晶6上結晶形成碳化硅單晶。為了減輕徑向溫度梯度的影響，使原料氣相升華時沉積的更加均勻，在晶體生長過程中，通過調節上旋轉軸7和下旋轉軸9，帶動上托盤8和下托盤10按照同樣的轉速和方向一致旋轉。晶體生長過程中，坩堝2和坩堝鍋蓋3完全扣合在一起，由于碳化硅粒徑適中，這種情況下，碳化硅粉在升華過程中，碳化硅粉升華使料面降低的速度和晶體生長的速度相同，隨著生長時間的增加，料面和晶體表面距離沒有變化，也就是整個氣相區的距離不變，而料面的高度相對線圈中央位置會下降，因此在晶體生長時，坩堝2和坩堝鍋蓋3以相同的速度向上移動，保持料面一直處于最高溫區，籽晶表面和生長原料區之間的溫度梯度也是恒定的。

本發明的裝置可以根據晶體生長過程中具體情況，調整料面和晶體生長區的距離，使整個氣相區的長度不變，保證原料區和晶體生長區表面溫度不發生變化，同時保持了溫度梯度穩定，因此能夠實現對碳化硅晶體生長溫度和溫度梯度的精確控制，提高碳化硅單晶生長質量和效率。