本發(fā)明屬于晶體生長領(lǐng)域,涉及一種采用物理氣相輸運(yùn)法生長sic晶體的坩堝結(jié)構(gòu),具體地,涉及一種碳化硅晶體生長用坩堝。
背景技術(shù):
sic晶體具有禁帶寬度大、臨界擊穿場強(qiáng)大、飽和漂移速度高、熱膨脹系數(shù)低、抗輻射能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),是備受關(guān)注的新一代半導(dǎo)體材料,在微波射頻、功率器件、led襯底等應(yīng)用方面具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是近十年來,無論是sic晶體材料還是相關(guān)器件應(yīng)用研究都取得了長足發(fā)展,sic晶體器件逐步進(jìn)入電力電子、新能源汽車、led照明等產(chǎn)業(yè)。
sic晶體生長普遍采用物理氣相輸運(yùn)法(physicalvaportransport,pvt),其基本原理如圖4所示。sic晶體生長采用感應(yīng)加熱爐,晶體在石墨坩堝105內(nèi)生長,通常將sic原料104置于坩堝105的生長室下部,籽晶103固定在生長室頂部的籽晶托102上,石墨坩堝105外圍包裹有保溫材料作為保溫層106,在該保溫層106的頂部開有測溫孔101。通過調(diào)整坩堝105在感應(yīng)線圈中的位置和保溫材料結(jié)構(gòu)構(gòu)建利用晶體生長的溫度場,同時(shí)在生長過程中精確控制生長室的溫度和壓力條件,使sic原料104從坩堝105下部升華,上升至籽晶103上進(jìn)行堆積生長,最終獲得sic單晶。
圖4示出了現(xiàn)有的sic晶體生長所使用的坩堝105的結(jié)構(gòu),其中,在密閉的石墨坩堝105內(nèi),籽晶103與sic原料104的位置相對(duì)固定。例如,相關(guān)專利200680013157.1、200580032490.2、201320740468.5等文件中雖然坩堝內(nèi)部構(gòu)成與籽晶托結(jié)構(gòu)等有所不同,但均是密閉固定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
然而,大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在晶體生長早期,由于升溫與降壓工藝控制的必然過程,坩堝內(nèi)部存在一定的溫度梯度不穩(wěn)定和氣相組分輸運(yùn)不足的問題,導(dǎo)致籽晶升華破壞,在晶體生長中引入大量缺陷。另外,隨著晶體生長過程的進(jìn)行,晶體逐漸增厚,晶體表面與原料表面的間距隨之縮小,這也導(dǎo)致坩堝內(nèi)部溫度梯度改變,往往引起多型衍生及其它晶體缺陷產(chǎn)生。
因此,設(shè)計(jì)一種新的坩堝結(jié)構(gòu),結(jié)合相應(yīng)的晶體生長工藝控制技術(shù),能夠調(diào)整籽晶位置,在晶體接種生長階段避免籽晶升華破壞,并且在生長過程中能夠調(diào)節(jié)晶體表面與原料表面的距離,保持溫度場的穩(wěn)定性,對(duì)于生長高質(zhì)量sic晶體十分重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
鑒于以上存在的問題,本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠在生長過程中調(diào)節(jié)晶體表面與原料表面的距離,保持溫度場的穩(wěn)定性,從而生長出高質(zhì)量碳化硅晶體的碳化硅晶體生長用坩堝。
為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明所提供的碳化硅晶體生長用坩堝,包括:用于盛放sic晶體生長用原料的原料腔;相對(duì)移動(dòng)地嵌套于所述原料腔的上部內(nèi)以形成晶體結(jié)晶區(qū)域的生長腔,所述生長腔具備生長室、和設(shè)于所述生長室的頂壁上的籽晶托。
根據(jù)本發(fā)明,碳化硅晶體生長用坩堝分為兩部分,上部為生長腔,包括籽晶托、生長室,是晶體結(jié)晶區(qū)域;下部為原料腔,用于盛放sic晶體生長用原料。生長腔與原料腔組合構(gòu)成晶體生長用坩堝,生長腔與原料腔的相對(duì)位置可調(diào)控,由此在晶體生長早期調(diào)整籽晶位置,避免籽晶在不穩(wěn)定溫度梯度條件下發(fā)生破壞;在晶體生長過程中能夠調(diào)節(jié)晶體生長面與原料間的距離,維持穩(wěn)定的晶體生長條件與生長過程,生長出高質(zhì)量碳化硅晶體。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述原料腔具備位于上部的導(dǎo)向筒和位于下部的原料容納部,所述生長腔嵌套于所述導(dǎo)向筒內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明,導(dǎo)向筒主要用于與生長腔裝配,發(fā)揮運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向作用,同時(shí)也用于生長室內(nèi)溫度場的構(gòu)建,也可作為生長腔的外部發(fā)熱體。生長腔嵌套于原料腔上部的導(dǎo)向筒內(nèi),兩者可相對(duì)自由滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述生長室的側(cè)壁的外表面與所述導(dǎo)向筒的內(nèi)表面之間存在間隙,所述間隙為0.1mm-3mm。
根據(jù)本發(fā)明,有利于實(shí)現(xiàn)生長腔和導(dǎo)向筒兩者的相對(duì)自由滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述原料腔還具備位于所述導(dǎo)向筒和所述原料容納部之間的環(huán)形的導(dǎo)流臺(tái)。
根據(jù)本發(fā)明,通過設(shè)置導(dǎo)流臺(tái)可引導(dǎo)料區(qū)升華的原料氣相組分向生長室的中心區(qū)域輸運(yùn),實(shí)現(xiàn)晶體持續(xù)生長,避免氣相組分沿生長腔和導(dǎo)向筒之間的間隙逸出坩堝,影響晶體生長。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述導(dǎo)流臺(tái)的下部形成為斜坡結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明,可進(jìn)一步有利于引導(dǎo)升華的原料氣相組分向生長室的中心區(qū)域輸運(yùn)。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述生長室的側(cè)壁形成為實(shí)心結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、或擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明,生長室的側(cè)壁可形成為實(shí)心結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、或擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)以滿足溫度梯度調(diào)節(jié)、晶體外形控制等需要。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述生長腔的頂部設(shè)有與生長爐的上提拉機(jī)構(gòu)相連接的連接部。
根據(jù)本發(fā)明,通過在生長腔的頂部設(shè)有與生長爐的上提拉機(jī)構(gòu)相連接的連接部,可通過上提拉機(jī)構(gòu)的提拉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)生長腔的升降運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)控制。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述原料腔置于生長爐的底部托臺(tái)上,且所述原料腔隨所述底部托臺(tái)升降和旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明,可在晶體生長過程中實(shí)現(xiàn)原料腔的升降和轉(zhuǎn)動(dòng)控制。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述坩堝的材質(zhì)為石墨、鉭、鈮、碳化鉭、或碳化鈮材料。
根據(jù)本發(fā)明,采用石墨、鉭、鈮、碳化鉭、或碳化鈮等耐高溫材料制造坩堝,可提高坩堝的耐高溫性。
又,在本發(fā)明中,也可以是,所述坩堝的材質(zhì)為石墨材料時(shí),在所述坩堝的表面涂覆鉭、鈮、鎢、碳化鉭、或碳化鈮涂層。
根據(jù)本發(fā)明,坩堝的材質(zhì)為石墨材料時(shí),在坩堝的表面涂覆鉭、鈮、鎢、碳化鉭、或碳化鈮等各種耐高溫涂層,用以抑制或避免石墨坩堝在晶體生長過程中發(fā)生破壞,確保晶體生長過程穩(wěn)定進(jìn)行。
根據(jù)下述具體實(shí)施方式并參考附圖,將更好地理解本發(fā)明的上述內(nèi)容及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的sic晶體生長用坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2示出了使用圖1所示坩堝進(jìn)行晶體生長的生長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)的sic晶體生長用坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)中采用pvt法生長sic晶體的生長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
附圖標(biāo)記:
1、生長腔,
2、原料腔,
3、籽晶托,
4、生長室,
5,51、生長室側(cè)筒,
6、導(dǎo)向筒,
7、導(dǎo)流臺(tái),
8、原料,
9、連接部,
10、生長爐體,
11、上提拉桿,
12、底部托臺(tái),
13、上提拉部件,
14、升降部件,
15、升降桿,
16、保溫材料,
17、線圈,
101、測溫孔,
102、籽晶托
103、籽晶,
104、sic原料,
105、坩堝,
106、保溫層。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明,應(yīng)理解,附圖及下述實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明,而非限制本發(fā)明。
針對(duì)目前sic晶體生長中通常使用的籽晶與原料位置相對(duì)固定的坩堝結(jié)構(gòu),為避免其在晶體生長早期籽晶由于溫度場不穩(wěn)定易破壞,以及生長過程中籽晶與原料距離無法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn),本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型的生長sic晶體的坩堝結(jié)構(gòu)。其結(jié)合生長爐相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)籽晶(以及生長中的晶體)和原料的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制。為此,本發(fā)明提供了一種碳化硅晶體生長用坩堝,包括:用于盛放sic晶體生長用原料的原料腔;相對(duì)移動(dòng)地嵌套于所述原料腔的上部內(nèi)以形成晶體結(jié)晶區(qū)域的生長腔,所述生長腔具備生長室、和設(shè)于所述生長室的頂壁上的籽晶托。
具體地,該sic晶體生長用坩堝主要由上下兩部分組成,上部稱為生長腔,主要部件包括籽晶托、生長室,該生長腔是晶體結(jié)晶區(qū)域。坩堝的下部為原料腔,用于盛放sic晶體生長用原料。
并且,坩堝的上下兩部分——即生長腔與原料腔,在用于晶體生長時(shí)需組合使用,其中生長腔可相對(duì)移動(dòng)地嵌套于原料腔的上部區(qū)域內(nèi)。該原料腔可具備位于上部的導(dǎo)向筒和位于下部的原料容納部,上述生長腔可相對(duì)移動(dòng)地嵌套于導(dǎo)向筒內(nèi)。即、在生長腔與原料腔組合時(shí),生長腔可在導(dǎo)向筒區(qū)域內(nèi)升降移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
優(yōu)選地,生長腔的外壁與原料腔上部(導(dǎo)向筒)內(nèi)壁之間,即生長室的側(cè)壁的外表面與導(dǎo)向筒的內(nèi)表面之間保持較小間隙,以保證兩者可相對(duì)自由滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),一般間隙為0.1mm-3mm。
此外,位于導(dǎo)向筒和原料容納部之間的原料腔中部內(nèi)壁區(qū)域可設(shè)有環(huán)形導(dǎo)流臺(tái),導(dǎo)流臺(tái)下部可形成為斜坡結(jié)構(gòu),以引導(dǎo)料區(qū)升華的氣相組分向生長室的中心區(qū)域輸運(yùn)。
又,筒狀的生長室側(cè)壁(即生長室側(cè)筒)可根據(jù)晶體生長溫度場需要而設(shè)計(jì)成實(shí)心或空心結(jié)構(gòu)以及其他形狀,以滿足溫度梯度調(diào)節(jié)、晶體外形控制等需要。
另外,在該坩堝的生長腔的頂部可設(shè)有與生長爐的上提拉機(jī)構(gòu),例如上提拉桿等構(gòu)件連接的連接部,由此可配合生長爐的上提拉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)生長腔的升降運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)功能。
通常原料腔可置于生長爐底部托臺(tái)上,優(yōu)選地,對(duì)于底部托臺(tái)具有升降和旋轉(zhuǎn)功能的生長爐而言,也可以在晶體生長過程中實(shí)現(xiàn)坩堝原料腔的升降和轉(zhuǎn)動(dòng)控制。
本發(fā)明坩堝的材質(zhì)一般為石墨材料,也可采用鉭、鈮、碳化鉭、碳化鈮等耐高溫材料。當(dāng)采用石墨加工上述結(jié)構(gòu)坩堝時(shí),也可在石墨坩堝表面涂敷各種耐高溫涂層,如鉭、鈮、鎢、以及碳化鉭、碳化鈮等材料。
采用本發(fā)明的坩堝,結(jié)合相應(yīng)的生長工藝,一方面在生長早期升溫階段,可將生長腔置于較高位置,使籽晶遠(yuǎn)離高溫區(qū),避免降壓階段籽晶升華破壞,待升溫至合適溫度、降壓至生長所需壓力時(shí)降籽晶降至合適位置,開始晶體生長;另一方面,在晶體生長階段,持續(xù)緩慢升高生長腔位置,使得晶體生長面與原料保持穩(wěn)定距離,以達(dá)到使晶體生長更趨穩(wěn)定的目的和效果。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的sic晶體生長用坩堝。如圖1所示,本實(shí)施形態(tài)的坩堝可大體分為上下兩部分,上部為生長腔1,包括籽晶托3、生長室4、生長室側(cè)筒5,該生長腔1是氣相輸運(yùn)和晶體結(jié)晶區(qū)域。坩堝的下部為原料腔2,主要用于盛放sic晶體生長用原料8,在該原料腔2的上端設(shè)有導(dǎo)向筒6。
上述生長腔1與原料腔2組合后構(gòu)成生長sic晶體使用的坩堝,如圖1所示,生長腔1嵌套于原料腔上部導(dǎo)向筒6內(nèi),兩者之間具有較小間隙,并且對(duì)生長腔1的外壁和導(dǎo)向筒6的內(nèi)壁進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪允蛊浔砻婀饣?,確保兩者可相對(duì)自由滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),一般上述間隙為0.1mm-3mm。
圖2示出了使用圖1所示坩堝進(jìn)行晶體生長的生長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示,上述坩堝放置于生長爐體10內(nèi)的底部托臺(tái)12上,并由保溫材料16包圍,周圍還饒有感應(yīng)線圈17,通過該線圈17對(duì)坩堝進(jìn)行加熱。如圖1和圖2所示,為實(shí)現(xiàn)控制生長腔1升降移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng),在生長腔1頂部設(shè)有與生長爐的相應(yīng)機(jī)械組件,例如上提拉桿11相連接的連接部9,上提拉部件13經(jīng)由上提拉桿11帶動(dòng)該連接部9運(yùn)動(dòng)。還如圖1所示,生長室側(cè)筒5可形成為實(shí)心結(jié)構(gòu)。
原料腔2的上部為導(dǎo)向筒6,主要用于與生長腔1裝配,發(fā)揮運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向作用,同時(shí)也用于生長室4內(nèi)溫度場的構(gòu)建,也可作為生長腔的外部發(fā)熱體。導(dǎo)向筒6的高度及內(nèi)徑和外徑尺寸緊密結(jié)合生長腔1尺寸,同時(shí)考慮溫度梯度條件需要進(jìn)行設(shè)計(jì),其高度可大于、小于或等于生長腔1高度,這與坩堝內(nèi)部溫度場構(gòu)建相關(guān),也與晶體生長工藝條件有關(guān),受多種因素影響,一般可通過實(shí)驗(yàn)確定。
如圖1所示,原料腔2中部內(nèi)壁區(qū)域即導(dǎo)向筒6的下端有環(huán)形導(dǎo)流臺(tái)7,導(dǎo)流臺(tái)7下部為斜坡結(jié)構(gòu),用于引導(dǎo)原料8升華的氣相組分向生長室4的中心區(qū)域輸運(yùn),實(shí)現(xiàn)晶體持續(xù)生長,避免氣相組分沿生長腔1和導(dǎo)向筒6之間的間隙逸出坩堝,影響晶體生長。進(jìn)一步地,導(dǎo)流臺(tái)7通常形成為圖1所示的截面為三角形的結(jié)構(gòu),也可設(shè)計(jì)成其他形狀,目的在于引導(dǎo)氣相組分的輸運(yùn)方向。
如圖2所示,原料腔2置于生長爐底部托臺(tái)12上,對(duì)于底部托臺(tái)具有升降和旋轉(zhuǎn)功能的生長爐而言,也可以在晶體生長過程中實(shí)現(xiàn)坩堝原料腔2的升降和轉(zhuǎn)動(dòng)控制,其運(yùn)動(dòng)方式取決于晶體生長工藝要求。例如,如圖2所示,底部托臺(tái)12通過升降桿15與升降部件14連接,由升降部件14帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
本實(shí)施形態(tài)的坩堝材質(zhì)一般為石墨材料,也可采用鉭、碳化鉭、碳化鈮等耐高溫材料。
進(jìn)一步地,當(dāng)采用石墨材料加工坩堝時(shí),可在石墨坩堝表面或部分表面涂敷各種耐高溫涂層,涂層材料如鉭、鈮、鎢、以及碳化鉭、碳化鈮等材料,用以抑制或避免石墨坩堝在晶體生長過程中發(fā)生破壞,確保晶體生長過程穩(wěn)定進(jìn)行。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)的sic晶體生長用坩堝。如圖3所示,在本實(shí)施形態(tài)中,生長室側(cè)筒51形成為空心結(jié)構(gòu),除此以外,圖3所示的sic晶體生長用坩堝與圖1的實(shí)施形態(tài)基本相同,相同的部件以同一附圖標(biāo)記示出,且在此不再重復(fù)說明。
但是,本發(fā)明的生長室側(cè)筒的結(jié)構(gòu)不限于此,考慮構(gòu)建晶體生長所需的溫度場條件,還可以設(shè)計(jì)成擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)以及其他形狀,以滿足溫度梯度調(diào)節(jié)、晶體外形控制等需要。
以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的sic晶體生長用坩堝進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
采用高純石墨材料(純度>99.9%)制備如圖1所示結(jié)構(gòu)的sic晶體生長用坩堝,生長腔1外壁與導(dǎo)向筒6內(nèi)壁的間隙為0.5mm。具體結(jié)構(gòu)如前文所述。采用本結(jié)構(gòu)坩堝可在晶體生長過程中控制生長腔1的升降,在生長早期晶體接種階段控制籽晶位置,在生長過程中調(diào)節(jié)晶體生長面與原料間的距離,生長出高質(zhì)量sic晶體。
實(shí)施例2
采用高純石墨材料(純度>99.9%)制備如圖3所示結(jié)構(gòu)的sic晶體生長用坩堝,其中生長腔1包括籽晶托3、生長室4、有空腔的生長室側(cè)筒5,原料腔2包括導(dǎo)向筒6、導(dǎo)流臺(tái)7,內(nèi)部可裝盛原料8。
本實(shí)施例中,生長室側(cè)筒形成為空腔結(jié)構(gòu),為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì),生長腔1由多個(gè)不同部件組裝構(gòu)成。
生長腔1與原料腔2組合時(shí)生長腔1嵌套于導(dǎo)向筒6內(nèi),兩者間隙為0.1mm,生長腔1的外壁和導(dǎo)向筒6的內(nèi)壁表面光滑,兩者可相對(duì)自由滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
生長腔1頂部設(shè)有與生長爐的相應(yīng)機(jī)械組件相連接的連接部。
生長室側(cè)筒5形成為空心結(jié)構(gòu),以改善生長室4內(nèi)的溫度梯度,尤其是徑向溫度梯度。在電磁感應(yīng)作用下,石墨坩堝的側(cè)壁外表面是發(fā)熱的主要部分,熱量從坩堝側(cè)壁向生長室中心傳導(dǎo)或輻射,當(dāng)生長室側(cè)筒為實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí),熱量以熱傳導(dǎo)的方式從側(cè)筒外壁導(dǎo)向內(nèi)壁,再向生長室中心輻射;而當(dāng)生長室側(cè)筒為空心結(jié)構(gòu)時(shí),熱量以輻射的方式從側(cè)筒外壁導(dǎo)向內(nèi)壁,試驗(yàn)表明,空心結(jié)構(gòu)減緩了熱量傳遞的速度,有利于構(gòu)建生長室內(nèi)更小的徑向溫度梯度。
原料腔2的導(dǎo)向筒6與生長腔1具有相同高度,即生長腔1放置于導(dǎo)流臺(tái)7上時(shí),生長腔1的頂面與導(dǎo)向筒6頂面持平。導(dǎo)流臺(tái)7的下部為斜坡結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中,生長室側(cè)筒5的空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要用于調(diào)整生長室內(nèi)的徑向溫度梯度,結(jié)合相關(guān)保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生長工藝參數(shù)控制,利于進(jìn)一步優(yōu)化晶體生長過程控制,生長高質(zhì)量sic晶體。
實(shí)施例3
采用鉭(金屬單質(zhì))(純度>99.9%)制備如圖1所示結(jié)構(gòu)的sic晶體生長用坩堝,具體結(jié)構(gòu)參考前文所述。生長腔1外壁與導(dǎo)向筒6內(nèi)壁的間隙為1mm。采用鉭坩堝可避免石墨坩堝中的c元素成為sic晶體生長的部分c源,更有利于氣相組分的控制,同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)在晶體生長過程中控制生長腔1的升降,在生長早期晶體接種階段控制籽晶位置,在生長過程中調(diào)節(jié)晶體生長面與原料間的距離,最終生長出高質(zhì)量sic晶體。
在不脫離本發(fā)明的基本特征的宗旨下,本發(fā)明可體現(xiàn)為多種形式,因此本發(fā)明中的實(shí)施形態(tài)是用于說明而非限制,由于本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求限定而非由說明書限定,而且落在權(quán)利要求界定的范圍,或其界定的范圍的等價(jià)范圍內(nèi)的所有變化都應(yīng)理解為包括在權(quán)利要求書中。