[發(fā)明專利]一種無需粘結(jié)籽晶的碳化硅單晶生長裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811282839.3
• 申請(qǐng)日: 2018-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN109234810A
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳澤斌;張潔;廖弘基;陳華榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福建北電新材料科技有限公司
• 主分類號(hào): C30B29/36
• 分類號(hào): C30B29/36;C30B23/00
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發(fā)明提供一種無需粘結(jié)籽晶的碳化硅單晶生長裝置，包括籽晶盒和坩堝；坩堝內(nèi)部設(shè)置有架層；架層用于放置籽晶盒；籽晶盒采用圓柱形狀；籽晶盒的頂部設(shè)有環(huán)形結(jié)構(gòu)的蓋子；籽晶盒側(cè)壁上設(shè)有均勻排布的拱門形的小孔；籽晶盒底部設(shè)有大圓孔；籽晶盒底部連接有裙帶。本發(fā)明無需粘結(jié)籽晶的碳化硅單晶生長裝置能應(yīng)用于4寸、6寸，甚者更大尺寸的晶體生長，大幅度降低晶體中的平面六角缺陷，得到了高質(zhì)量的碳化硅單晶晶體；可以減少在取拿晶體過程中，人員身體受傷和因操作不當(dāng)而導(dǎo)致晶體受損的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無需粘結(jié)籽晶的碳化硅單晶生長裝置。

背景技術(shù)

碳化硅單晶材料因其自身寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高抗輻射能力等特點(diǎn)，其制成的半導(dǎo)體器件能夠滿足對(duì)當(dāng)今對(duì)高功率和強(qiáng)輻射器件的需求，是制備高溫、高頻、高功率和抗輻射器件的理想襯底材料，并在混合動(dòng)力汽車、高壓輸電、LED照明和航天航空等領(lǐng)域嶄露頭角，而生長高質(zhì)量的SiC晶體則是實(shí)現(xiàn)這些SiC基器件的優(yōu)異性能的基礎(chǔ)。

SiC晶體不會(huì)出現(xiàn)在大自然中，只能通過合成的方法來獲得SiC晶體。目前碳化硅單晶的方法主要有物理氣相傳輸法、高溫化學(xué)氣相沉積法、液相外延法等。其中物理氣相傳輸法是發(fā)展最成熟的，這種方法被世界上絕大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)和公司所采用。物理氣相沉積法(PVT)其難度非常高，必須在2100℃以上溫度與低壓環(huán)境下將碳化硅粉末直接升華成Si、Si₂C、SiC₂等氣體，并沿著溫度梯度從高溫區(qū)傳輸?shù)捷^低溫度區(qū)域的籽晶處沉積結(jié)晶成碳化硅單晶。

物理氣相沉積法(PVT)生長碳化硅單晶中籽晶的固定方式中大多采用用膠粘貼籽晶方式，然而在機(jī)械粘貼的過程中，時(shí)常會(huì)在籽晶的背面留下劃痕。而且在粘貼的過程中，籽晶的背面和坩堝蓋之間會(huì)因氣泡而產(chǎn)生空洞，導(dǎo)致晶體中缺陷的產(chǎn)生，這將對(duì)晶體的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。而且，籽晶和坩堝蓋熱膨脹系數(shù)的差異也會(huì)導(dǎo)致籽晶中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。如何將籽晶很好地粘貼到坩堝蓋，然后將整個(gè)籽晶托放置到坩堝中能夠適合晶體生長的位置，成了至關(guān)重要的步驟。然而整個(gè)反應(yīng)單元所使用的材料和籽晶又不一樣，這種機(jī)械而僵硬的粘貼方法很容易就在晶體生長過程中引入內(nèi)引力。例如，目前物理氣相沉積法(PVT)使用粘結(jié)劑將籽晶粘結(jié)到坩堝蓋上，這種方法很可能在粘結(jié)的過程中是籽晶發(fā)生彎曲形變，這就導(dǎo)致晶體中引入不良的內(nèi)應(yīng)力，而在SiC晶體生長過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力容易造成晶體在后續(xù)加工過程中破裂，嚴(yán)重影響晶體的良率。

目前物理氣相沉積法(PVT)籽晶以膠粘貼在坩堝蓋上進(jìn)行生長，但存在四個(gè)問題：

1、掉片率高，一般的膠無法承受如此高的溫度，導(dǎo)致掉片率非常高；

2、成本高，能承受該溫度的膠昂貴，且粘膠后需要高真空或惰性氣氛下1800-2300℃高溫處理，成本高昂且耗時(shí)長，需要高溫爐或者需要大量惰性氣體及1-4天周期處理周期，導(dǎo)致該方法成本高昂；

3、由于籽晶與籽晶托之間存在溫度梯度，籽晶背面將會(huì)熱蒸發(fā)，籽晶背面熱蒸發(fā)和晶體生長是一個(gè)逆過程，背面蒸發(fā)優(yōu)先在溫度較高區(qū)域或缺陷密集區(qū)域產(chǎn)生；由于籽晶背面氣孔區(qū)域的溫度相對(duì)碳化粘合劑區(qū)域較高，因此背面蒸發(fā)容易在氣孔區(qū)域發(fā)生，蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣相首先聚積在氣孔區(qū)域，晶體生長過程中，盡管采用的石墨坩堝為三高石墨，但其孔隙率仍然高達(dá)10％以上，石墨蓋中存在的空隙將導(dǎo)致籽晶背面氣孔區(qū)域所聚積的氣相物質(zhì)逸出，氣相物質(zhì)逸出是一個(gè)持續(xù)的過程，籽晶背面局部區(qū)域不斷地蒸發(fā)，蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣相物質(zhì)不斷地從石墨蓋孔隙中逸出，導(dǎo)致在生長的晶體中產(chǎn)生平面六角缺陷，該缺陷是致命缺陷，它的形成將急劇降低晶片的質(zhì)量和產(chǎn)率；

4、現(xiàn)有工藝，當(dāng)晶體生長結(jié)束后需動(dòng)用機(jī)械來切割坩堝蓋來取下晶體，而本裝置僅需在打開坩堝后，拿出盒子便能輕松取下晶體，能夠減少人員因切割所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，如人員因操作不當(dāng)而受傷或晶體受損的風(fēng)險(xiǎn)。