[發明專利]一種低應力可重復的SiC單晶生長用熱場結構及其應用

在審

• 申請號: 201810411141.0
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108560054A
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發明（設計）人: 彭燕;楊祥龍;胡小波;徐現剛;陳玉峰;張磊
• 申請（專利權）人: 山東大學;國網山東省電力公司電力科學研究院
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B23/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 顏洪嶺

本發明涉及一種低應力可重復的SiC單晶生長用熱場結構及其應用，包括坩堝、側保溫層、上保溫層和下保溫層；坩堝的上端設置所述的上保溫層，坩堝的下端設置所述的下保溫層，在坩堝、上保溫層、下保溫層的外部設置所述的側保溫層。本發明提供的SiC單晶生長用熱場結構可依照溫場的需求，調節石墨纖維方向、保溫厚度。同時，可根據生長損耗，簡單方便地替換損耗的保溫單元。此熱場結構能有效減少與四周冷熱量的能量交換，降低熱能損耗，同時提高生長的重復性和可靠性，作用明顯、效果顯著，具有較高的經濟效益，值得推廣應用。

技術領域

本發明涉及一種低應力可重復的SiC單晶生長用熱場結構及其應用，屬于晶體生長技術領域。

背景技術

SiC材料作為第三代寬禁帶半導體材料代表，具有禁帶寬度大、遷移率高、熱導率高等優良的電學熱學特性，成為制作高頻、大功率、耐高溫和抗輻射器件的理想材料。在器件研制方面，SiC藍光LED已經商業化；SiC功率器件的研發已成為新型功率半導體器件研究開發的主流；在高溫半導體器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在無任何冷卻散熱系統下的600℃高溫下正常工作。隨著SiC半導體技術的進一步發展，SiC材料與器件的應用越來越廣闊，在白光照明、汽車電子化、雷達通訊、石油鉆井、航空航天、核反應堆系統及軍事裝備等領域起到至關重要的作用。

通用的SiC單晶生長方式有PVT法，HTVCD和液相法。其中PVT法是最為成功的單晶生長方法。現階段商業用的SiC單晶襯底材料均采用PVT法。其基本的原理如下圖1：

生長條件是采用惰性氣體(通常為氬氣)作為載氣，壓力在5-100mbar范圍內調節，加熱至約2100-2500℃的高溫。在高溫條件下，放置在坩堝底部的SiC粉料升華分解為Si、SiC₂和Si₂C等氣相組分，在溫度較低的置于石墨坩堝頂部的籽晶上重新結晶生成SiC單晶。

在生長過程中，原料與籽晶之間的溫度差異是晶體升華生長的根本驅動力，溫度梯度引起物質的濃度梯度，從而使反應物質沿著濃度梯度減小的方向輸運，最終到達籽晶表面生長。在SiC晶體的生長體系中，既有沿著軸線方向的軸向溫度梯度，也有沿徑線方向的徑向溫度梯度。徑向溫度梯度是晶體直徑長大的根本驅動力。由此可見，SiC單晶熱場結構的搭建是單晶生長最為關鍵的因素。

在SiC生長中一般熱場構成是通過采用上保溫打孔的方式。這種方式簡單易行，并利于測溫觀察。一般而言，為了形成有效的軸向溫度梯度和徑向溫度梯度，上保溫的孔徑一般是晶體直徑的30％-70％。這帶來了大量的上部散熱，形成有效的軸梯和徑梯。但是同時也引起大量的能量損耗，導致單晶爐功率高達40KW。除去能量損耗，這種熱場還存在著很多的問題：1)軸向溫度梯度與徑向溫度梯度耦合，無法單一的調整；2)多次使用，保溫與坩堝接觸部分受到高溫腐蝕損耗嚴重，而非直接接觸部分損耗小。軸向溫度梯度和徑向溫度梯度變化，導致熱場不重復。

如何形成穩定的熱場，提高成品率，減少能量損耗，是SiC單晶生長中的關鍵問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種低應力可重復的SiC單晶生長用熱場結構，包括選取特定方向的石墨纖維，采用石墨膠和石墨繩等將保溫粘合組裝成上保溫、側保溫及下保溫。

本發明還提供上述SiC單晶生長用熱場結構的建造方法。

本發明的技術方案如下：

一種低應力可重復的SiC單晶生長用熱場結構，包括坩堝、側保溫層、上保溫層和下保溫層；坩堝的上端設置所述的上保溫層，坩堝的下端設置所述的下保溫層，在坩堝、上保溫層、下保溫層的外部設置所述的側保溫層。

優選的，所述側保溫層與坩堝之間留有1-2mm的間隙。

優選的，所述側保溫層包括多個由上而下依次連接的側保溫單元，側保溫單元為中空圓柱體，側保溫單元選用縱向的石墨纖維材料制作而成。