[實用新型]一種碳化硅晶體生長裝置

有效

• 申請號: 201420832198.5
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN204325549U
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 朱燦;宗艷民;王希杰;張志海
• 申請（專利權）人: 山東天岳晶體材料有限公司
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B27/02
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 苗峻

技術領域

本實用新型屬于新材料加工技術領域，具體涉及一種新型碳化硅晶體生長裝置。

背景技術

碳化硅(SiC)是繼硅、鍺、砷化鎵等之后的第三代半寬禁帶半導體材料，其在禁帶寬度、熱導率、臨界擊穿場強、飽和電子漂移速率等方面具有明顯的優勢。4H-SiC和6H-SiC的禁帶寬度分別為3.26eV和3.08eV，3C-SiC的禁帶最窄，其禁帶寬度也在2.39eV左右。SiC的禁帶寬度是Si的2-3倍，熱導率是Si的2.6-3.3倍，臨界擊穿場強是Si的7-13倍，飽和電子漂移速率是Si的2-2.7倍。使用寬禁帶材料可以大幅提高器件的工作溫度，采用SiC襯底的功率器件，最高工作溫度有可能超過600℃。更高的臨界擊穿場強可以使減少器件的體積，因此可以使器件小型化的同時省去大量的散熱裝置，減少能源的消耗。更高的飽和電子漂移速率可提高器件的開關速度，降低開關損耗。所以與Si相比，SiC更適合用于制造高溫、高頻、大功率的功率器件。

目前商品化的SiC襯底通過物理氣相輸運(PVT)法獲得，襯底中含有大量的缺陷，尤其是微管缺陷，會導致器件的擊穿失效。隨著功率器件的大功率化和高頻化，生產高質量SiC襯底的需求越來越迫切。溶液法因其生長過程處于近平衡狀態，是一種生長高品質的SiC晶體的理想方法，特別是可以消除PVT法生長過程中難以避免的微管缺陷。在溶液法生長SiC晶體過程中，晶體生長發生在生長腔內，生長腔內包括開放的坩堝、溶液、籽晶軸和籽晶等幾部分。坩堝為高純石墨坩堝，通過感應加熱把坩堝中的高純多晶硅熔化，形成熔融的硅。碳源是通過熔融的硅對石墨坩堝的腐蝕來提供，進而形成Si-C體系的溶液。通過調整坩堝與感應線圈的相對位置，使溶液中形成穩定的溫度和溫度梯度。籽晶粘貼在籽晶桿上，生長時浸入溶液的過飽和區進行生長。

通常使用碳粘合劑將籽晶與籽晶軸粘貼在一起，通過燒結過程，使碳粘合劑固化，形成穩定的連接。但是這個過程中，由于碳粘合劑涂抹的不均勻或者籽晶軸表面不平整等原因，籽晶和籽晶軸之間的會存在部分的空隙，由于空氣和石墨的熱導率的不同，籽晶與籽晶軸的空隙處和其他區域的溫度不同，這會引起晶體在生長過程中多型共生等缺陷的產生，或者由于應力的存在，導致生長的晶體中缺陷數量增加，嚴重時甚至引起晶體的開裂。因此這是現有溶液法生長SiC晶體難以避免的一個問題。

發明內容

針對現有溶液法生長SiC晶體存在的不足之處，本實用新型的發明人提供了一種新型碳化硅晶體生長裝置，該裝置包括生長腔體，腔體內設置有保溫桶，保溫桶外側設置有感應線圈，保溫桶內設置有坩堝，生長腔體上側設置有籽晶軸升降旋轉裝置，該裝置下端設置有伸入坩堝內的籽晶軸，籽晶軸下端連接有籽晶托架，采用這種結構的生長裝置在整個生長過程中，不使用任何的粘合劑固定籽晶，只通過籽晶托架來承載籽晶。籽晶在晶體生長過程中，由于籽晶與籽晶托架之間存在空隙，在溶液流動的作用下，籽晶不受籽晶托架的束縛，這樣可有效避免在晶體中產生應力，避免使用粘合劑時固化不均勻時造成晶體內局部應力大造成開裂、缺陷多等情況。通過使用籽晶托架，可以生長出高質量的SiC晶體。

本實用新型的具體技術方案是：

一種碳化硅晶體生長裝置，該裝置包括生長腔體，腔體內設置有保溫桶，保溫桶外側設置有感應線圈，保溫桶內設置有坩堝，生長腔體上側設置有籽晶軸升降旋轉裝置，該裝置下端設置有伸入坩堝內的籽晶軸，籽晶軸下端連接有籽晶托架；

其中所述的保溫桶下部連接有保溫桶軸，保溫桶軸穿出生長腔體與生長腔體外部的保溫桶軸旋轉裝置連接；所述的保溫桶頂部的桶蓋上設置有允許籽晶軸和籽晶托架通過的通孔；

所述的坩堝采用高純石墨制成，用于收納原料多晶硅及熔化后的溶液；坩堝既是盛放溶液的容器，又為晶體生長提供碳源。多晶硅熔化后形成熔融的Si，腐蝕石墨坩堝，形成SiC溶液。坩堝還可以使用其他材質，如陶瓷、鉭(Ta)等，這種情況下，生長時需向坩堝加入石墨原料或者通入含C的氣體(如C₃H₈等)，來提供碳源，故此優選采用石墨材質。