[發明專利]一種控制碳化硅單晶生長裝置

在審

• 申請號: 201710346415.8
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN107142520A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 張賀;古宏偉;丁發柱;屈飛;李輝;張慧亮;董澤斌;商紅靜
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B23/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 關玲

技術領域

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。

發明內容

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。