一種具有中心對稱性的SiC單晶生長裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有中心對稱性的SiC單晶生長裝置及方法，屬于晶體生長設備技術領域。
【背景技術】
[0002]SiC晶體與諸多其他半導體單晶材料相比，其具有硬度高(僅次于金剛石)、熱導率高(4.9W/cm.1()、熱膨脹系數低(3.1-4.5\10-6/10、禁帶寬度大(2.40-3.266￥)、飽和漂移速度高(2.0-2.5乂107011/8)，臨界擊穿場強大(2?3\106￥/011)、化學穩定性高、抗輻射能力強等優異性能。這些優異的性能使SiC晶體在高溫、高壓、強輻射的工作環境下具有廣闊的應用前景，并對未來電子信息產業技術的發展產生重要影響。
[0003]物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport-PVT)是目前主流生長SiC晶體的方法，即將SiC晶片貼在石墨坩禍蓋上或頂端用作籽晶，石墨坩禍內裝有作為生長原料的SiC粉末，生長溫度控制在2273K到2773K之間，生長原料分解成氣相組分后在石墨坩禍內部軸向溫度梯度的驅動下輸運到籽晶處結晶生長SiC晶體。
[0004]目前，傳統的SiC晶體生長系統常用的加熱方法是中頻感應加熱，整個生長過程中將石墨坩禍外圍纏繞好保溫材料后放置于感應線圈中央，線圈通交流電后產生交變磁場，石墨坩禍在交變磁場中產生渦流電，從而加熱生長原料和籽晶。但傳統的SiC晶體生長裝置由于以下原因，導致生長的晶體不具有中心對稱性，使晶體邊緣各處厚度不等，大大降低了晶體材料的利用率;I)傳統的SiC晶體生長裝置感應線圈是螺旋形的，其形狀不具有中心軸對稱性;感應加熱會使坩禍發熱體所產生的溫度場具有非中心軸對稱性，并使物質傳輸呈現非中心軸對稱性。2)保溫材料不具有中心軸對稱性。
[0005]中國專利文獻201110440573.2公開了一種大尺寸碳化硅單晶生長裝置，具體是一種物理氣相輸運法(PVT)生長大尺寸SiC單晶的裝置。該裝置具體涉及一種使用PVT技術生長碳化硅單晶的坩禍結構。本發明在坩禍蓋上表面開個球面孔，然后將完全貼合整個孔的特制外形的保溫材料放進孔內鋪平，然后將石墨蓋片放入孔內并用力壓平。這樣使坩禍蓋內部有一個夾心保溫層，使坩禍蓋表面對外綜合散熱均勻，減小晶體生長的徑向溫度梯度。該裝置雖然采用保溫層設計可以在一定程度上抑制非中心軸對稱的情況，減小徑向溫度梯度，但是并不能改變線圈的非對稱性，生長出的晶體仍具有中心對稱性，且隨著保溫層使用需要定期更換，重復性差。
[0006]因此如何使SiC晶體生長過程中物質傳輸具有中心對稱性，使晶體生長過程中固/氣界面保持較理想的形狀，以提高晶體的利用效率是目前SiC單晶生長需要解決的一個技術難題。
【發明內容】
[0007]針對現有技術的不足，本發明提供一種具有中心對稱性的SiC單晶生長裝置，該裝置解決了感應加熱會使坩禍發熱體所產生的溫度場具有非中心軸對稱性的問題，并使物質傳輸呈現中心軸對稱性，使生長得到的晶體具有中心對稱性，邊緣各處厚度相等，提高了晶體材料的利用率，結構簡單，其對非中心軸對稱性的溫場調節起積極作用，為高質量單晶的生長提供中心軸對稱性，從而提高了晶體質量及成品率。
[0008]本發明還提供一種利用上述具有中心對稱性的SiC單晶生長裝置進行生長具有的中心對稱性的S i C單晶方法。
[0009]本發明的技術方案如下:
[0010]—種具有中心對稱性的SiC單晶生長裝置，包括加熱裝置、真空生長腔、帶蓋的石墨坩禍，其特征在于，石墨坩禍的底部連接有使石墨坩禍旋轉的旋轉系統，所述的旋轉系統包括旋轉托盤、中心旋轉桿和驅動中心旋轉桿主動的驅動裝置，驅動裝置通過三通連接件與真空生長腔密閉連接，中心旋轉桿穿過三通連接件與驅動裝置連接，旋轉托盤包括旋轉盤以及與旋轉盤固定連接的旋轉柄，旋轉盤的頂部與石墨坩禍底端連接，旋轉柄的底端與中心旋轉桿連接。
[0011]本發明優選的，所述驅動裝置包括定子、設置在定子上的轉子和旋轉電機，三通連接件的一個端口與真空生長腔密閉連接，一個端口通過分子栗與排氣口連接，另外一個端口與轉子磁密封連接，中心旋轉桿穿過轉子并且底端與轉子固定連接，旋轉電機驅動轉子轉動。
[0012]排氣口用于排出生長中通入載氣，三通連接件的一個端口通過分子栗與排氣口連接，排氣口采用閘板閥與分子栗相連，或者本領域公知的其他連接方式。
[0013]本發明的SiC單晶生長裝置，轉子由旋轉電機驅動旋轉，從而使中心旋轉桿旋轉，中心旋轉桿帶動旋轉托盤旋轉，進一步帶動密閉的石墨坩禍旋轉，旋轉過程中，轉子與三通連接件磁密封連接，保證在旋轉桿旋轉的狀態下，晶體生長石英腔體內的真空度不受到破壞。
[0014]根據本發明優選的，中心旋轉桿的中心軸線、旋轉托盤的中心對稱線及石墨坩禍的中心對稱線三者在一直線上，且在中心旋轉桿旋轉時保持不變。
[0015]根據本發明優選的，所述中心旋轉桿為不銹鋼中心旋轉桿，旋轉托盤為石墨旋轉托盤并具有中心對稱性。
[0016]進一步優選的，旋轉托盤的旋轉柄的底端中心設置有定位槽，所述中心旋轉桿的頂部設置有與定位槽適配的定位端頭，定位后托盤的中心對稱軸與中心旋轉桿的中心軸重入口 ο
[0017]根據本發明優選的，定位端頭為三角形、凸臺形或其他與定位槽適配的形狀。
[0018]根據本發明優選的，石墨坩禍具有中心對稱性，在石墨坩禍底部中心設置有定位錐面，旋轉托盤的旋轉盤上設置有與定位錐面匹配的定位孔。
[0019]根據本發明優選的，定位錐面為三角形、凸臺形或其他與定位孔匹配的形狀。
[0020]本發明的石墨坩禍與旋轉托盤通過定位錐面連接定位，使旋轉托盤的中心對稱線與石墨坩禍的中心對稱線在一直線上。
[0021]本發明優選的，加熱裝置為感應線圈，在真空生長腔內、石墨坩禍外設置有保溫材料，感應線圈設置在真空生長腔外部，石墨坩禍帶有能夠開啟的密封蓋。
[0022]本發明優選的，在真空生長腔的底部通過密封法蘭與三通連接件密封連接，密封法蘭的下部設置有與密封法蘭固定連接的爐架，加熱裝置通過外側的木板固定在爐架上。爐架用于穩固并支撐SiC單晶生長裝置。
[0023]本發明優選的，在爐架上還設置有載重架，所述的載重架為L形，L形的一端固定在爐架上，另一端用于放置旋轉裝置。
[0024]—種利用上述SiC單晶生長裝置進行生長具有的中心對稱性的SiC單晶方法，步驟如下:
[0025](I)啟動加熱裝置，使石墨坩禍內溫度達加熱至2273K?2773K;
[0026](2)開啟旋轉電機，旋轉電機驅動中心旋轉桿旋轉，調整中心旋轉桿的轉速為1-60轉/分鐘，中心旋轉桿旋轉時，保溫材料的位置保持不變；
[0027](3)調節晶體生長壓力為5-100mbar，進行生長晶體，晶體生長時間為20_120h，晶體生長過程中充入載氣，
[0028](4)晶體生長結束后，逐漸降溫至室溫，關閉旋轉電機，得到具有的中心對稱性的SiC單晶。
[0029]本發明提供的具有中心對稱性的SiC單晶生長裝置，與現有裝置相比，具有以下優占.V.
[0030]1、本發明的生長裝置，石墨坩禍的底部連接有使石墨坩禍旋轉的旋轉系統，使用時中心旋轉桿的轉速為1-60轉/分鐘，克服了螺旋狀感應線圈和保溫導致的非中心對稱的溫場;構建了中心對稱溫場，并使物質傳輸呈現中心軸對稱性，使生長得到的晶體具有中心對稱性，邊緣各處厚度相等，提高了晶體材料的利用率。
[0031]2、采用本發明的裝置獲得晶體有中心對稱性，使晶體邊緣各處厚度相等，有效提高了晶體的有效厚度，大大提高了晶體材料的利用率，節約了源料和生長時間。
[0032]3、本發明的裝置結構簡單、操作方便。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的具有中心對稱性的SiC單晶生長裝置的結構示意圖；
[0034]其中，1.測溫窗口；2.進氣口； 3.上密封法蘭；4.保溫材料；5.石墨坩禍；6.SiC籽晶；7.SiC多晶料;8.旋轉托盤;9.真空生長腔；10.加熱線圈；11.下密封法蘭；12.爐架；13.排氣口； 14.三通連接件;15.旋轉電機;16.載重架;17.中心旋轉桿;18.定子;19.轉子。
[0035]圖2是采用本發明的裝置生長獲得的具有中心對稱性的晶體；
[0036]圖3是采用現有的碳化硅單晶生長裝置生長獲得的晶體。
【具體實施方式】
[0037]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一