本實用新型涉及半導體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于PVT法生長碳化硅晶體的坩堝裝置。

背景技術(shù)：

碳化硅作為一種新型的寬禁帶半導體材料，引起了廣泛的關(guān)注。在高溫、高頻率和高功率的應用上比傳統(tǒng)的藍寶石和硅更為優(yōu)異，碳化硅的特性主要包含高熔點、高導電性、高導熱性及耐高電壓等，因此成為高頻率和高功率器件的重要材料，廣泛應用于航空、航天、火箭、地質(zhì)鉆探等重要領(lǐng)域。

目前生長碳化硅單晶普遍采用物理氣相輸運法(PVT法)，將碳化硅籽晶貼在石墨坩堝蓋上，石墨坩堝內(nèi)裝有作為生長原料的碳化硅粉源，碳化硅粉源被加熱到1800-2500℃，則會升華到籽晶上，在籽晶表面降溫沉積生成單晶。石墨坩堝的加熱裝置是一個中頻電源，石墨坩堝放置于感應線圈中央，中頻電源的交流電通過感應線圈產(chǎn)生交變磁場，石墨坩堝在交變磁場中產(chǎn)生渦流電而生成大量熱量，從而加熱碳化硅粉源和籽晶。由于導體的趨膚效應，交變感應產(chǎn)生的渦電流趨向坩堝壁和坩堝蓋側(cè)壁，因此在坩堝蓋上熱量在坩堝蓋側(cè)壁產(chǎn)生，由坩堝蓋側(cè)壁向坩堝蓋中心傳遞，從而在靠近坩堝蓋側(cè)壁位置為高溫區(qū)，越靠近坩堝蓋中心溫度越低，坩堝蓋中心為低溫區(qū)。由于籽晶從坩堝蓋獲取熱量，這就使得籽晶的邊緣和中心受熱不均勻，具有較大的徑向溫度梯度。過大的徑向溫度梯度會造成晶體生長過程中熱應力過大，容易產(chǎn)生微管等缺陷，也會使籽晶中心沉積的單晶多于邊緣，造成晶體生長端面錐度大，不利于后期加工，特別是生長大尺寸單晶時，坩堝的直徑較大，這種現(xiàn)象更加明顯。

在背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于解決坩堝蓋徑向溫度梯度大的問題，提供一種能提高籽晶受熱均勻性的坩堝裝置。

根據(jù)本實用新型的一個方面，一種坩堝裝置，包括坩堝本體、坩堝蓋和至少一個感應環(huán)。坩堝本體呈桶形，具有桶底、桶壁和頂部開口，其中所述桶底和桶壁圍成用于盛放物料的容置空間；坩堝蓋蓋設(shè)于所述坩堝本體的頂部開口，所述坩堝蓋具有朝向所述桶底的內(nèi)表面和背離所述桶底的外表面；至少一個感應環(huán)同心設(shè)置于所述坩堝蓋內(nèi)并靠近所述坩堝的所述內(nèi)表面，并且所述至少一個感應環(huán)的中心與所述坩堝蓋的中心在同一條直線上。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述感應環(huán)的數(shù)量為多個，在沿著由所述坩堝蓋的中心向外周方向上，多個所述感應環(huán)中相鄰兩個所述感應環(huán)之間的距離逐漸變大；或者相鄰兩個所述感應環(huán)之間的距離相等。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述至少一個感應環(huán)埋設(shè)在所述坩堝蓋內(nèi)或者固定于坩堝蓋的內(nèi)表面上。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述坩堝蓋的內(nèi)表面的外周設(shè)有內(nèi)凸環(huán)；和/或所述坩堝蓋的外表面的外周設(shè)有外凸環(huán)。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述坩堝蓋內(nèi)至少在中央?yún)^(qū)域設(shè)有中空部，所述中空部位于所述坩堝蓋的內(nèi)表面和外表面之間，所述至少一個感應環(huán)設(shè)置于所述坩堝蓋內(nèi)。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述中空部呈圓盤形，且其圓心在所述坩堝蓋的中心線上。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述坩堝蓋呈圓盤形，所述坩堝蓋與所述中空部的半徑之差為1.5～3.5厘米；和/或所述坩堝蓋的內(nèi)表面與所述中空部之間的厚度為5～20毫米。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述坩堝蓋的內(nèi)表面與所述中空部之間的厚度為1.63～2.93毫米；和/或所述坩堝蓋的內(nèi)表面與所述中空部之間的厚度為6～16毫米。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述中空部內(nèi)填充有導熱系數(shù)高于所述坩堝蓋的填充物。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述坩堝本體和/或所述坩堝蓋由石墨制成，和/或所述填充物由石墨烯制成。

由上述技術(shù)方案可知，本實用新型的優(yōu)點和有益技術(shù)效果在于：本實用新型坩堝裝置，由于在坩堝蓋內(nèi)并靠近所述坩堝的內(nèi)表面同心設(shè)置有至少一個感應環(huán)，感應環(huán)在感應線圈加熱的情況下會產(chǎn)生感應電流而產(chǎn)生感應熱，這部分感應熱會迅速傳遞至坩堝蓋的內(nèi)表面，所以減小了坩堝蓋外周與中心的溫度差，即減小了坩堝蓋徑向溫度梯度，有效提高了坩堝蓋整體的溫度均勻性，能為設(shè)置于坩堝蓋內(nèi)表面中心處的碳化硅籽晶生成成晶體提供了良好的條件，即提高了籽晶徑向溫度的均勻性，減小了晶體生長過程中的熱應力，從而能生長出質(zhì)量高的晶體。

本實用新型中通過以下參照附圖對優(yōu)選實施例的說明，本實用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更加明顯。

附圖說明

圖1是本實用新型坩堝裝置一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型坩堝裝置中的一種坩堝蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中沿A-A面的剖面圖。

圖中：1、坩堝本體；11、桶底；12、桶壁；2、坩堝蓋；21、內(nèi)表面；22、外表面；23、內(nèi)凸環(huán)；24、外凸環(huán)；25、填充物；26、感應環(huán)；100、籽晶；200、碳化硅粉。

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限于在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本公開將全面和完整，并將示例實施方式的構(gòu)思全面地傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結(jié)構(gòu)，因而將省略它們的詳細描述。

參見圖1、圖2和圖3。圖1是本實用新型坩堝裝置一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型坩堝裝置中的一種坩堝蓋2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中沿A-A面的剖面圖。

如圖1、圖2和圖3所示，本實用新型坩堝裝置一實施方式包括坩堝本體1和坩堝蓋2。進一步地，本實用新型坩堝裝置一實施方式還包括用于加熱坩堝裝置的加熱裝置，該加熱裝置例如感應線圈可以圍繞坩堝本體1和坩堝蓋2的外周設(shè)置，也可以圍繞一真空室設(shè)置，坩堝裝置設(shè)置于真空室內(nèi)。

如圖1所示，坩堝本體1可以呈桶形，其具有桶底11、桶壁12和頂部開口。其中桶底11和桶壁12圍成一容置空間，該容置空間可用于盛放物料例如碳化硅粉或碳化硅顆粒等。在該實施方式中，坩堝本體1為圓桶形，即桶底11呈圓盤形，桶壁12是一圓筒。當然本實用新型并不以此為限，在其他一些實施方式中，坩堝本體1也可以是棱柱形桶或錐桶等形狀。

如圖1和圖2所示，坩堝蓋2蓋設(shè)于坩堝本體1的頂部開口，為配合圓桶形坩堝本體1，坩堝蓋2呈圓盤形。

坩堝蓋2具有朝向桶底11的內(nèi)表面21和背離桶底11的外表面22。坩堝蓋2的內(nèi)表面21的外周設(shè)有內(nèi)凸環(huán)23，內(nèi)凸環(huán)23的端面可以與坩堝本體1的桶壁12頂端部對接或者以其他方式連接，從而使得坩堝蓋2蓋設(shè)于坩堝本體1。因此本實施方式中，只需要對內(nèi)凸環(huán)23尤其是該內(nèi)凸環(huán)23的與坩堝本體1接觸的端面進行精加工處理，而無需對整個坩堝蓋2全部進行精加工處理，即可滿足坩堝蓋2與坩堝本體1的組裝精度要求，有利于簡化制造工藝，方便使用，并能降低制造成本。當然在其他實施方式中，并非必然設(shè)置內(nèi)凸環(huán)23。本實施方式中，坩堝蓋2的外表面22的外周設(shè)有外凸環(huán)24。內(nèi)凸環(huán)23和外凸環(huán)24能有效提升坩堝蓋2的剛性，防止坩堝蓋2在高溫下變形；換個角度講，在具有內(nèi)凸環(huán)23和外凸環(huán)24情況下，坩堝蓋2的主體部分可以做得比較薄，不但節(jié)省原材料，而且利于溫度控制。

坩堝蓋2內(nèi)至少在中央位置設(shè)有一中空部，中空部位于坩堝蓋2的內(nèi)表面21和外表面22之間。中空部內(nèi)填充有高導熱系數(shù)的填充物25例如石墨烯。通過導熱性能好的石墨烯將坩堝蓋2外周的熱量傳導至坩堝蓋2中央?yún)^(qū)域，從而降低了坩堝蓋2徑向溫度梯度，提高徑向溫度均勻性。當然填充物25不限于石墨烯，其他的高導熱系數(shù)材料也可以應用于本實用新型中。

在該實施方式中，坩堝本體1、坩堝蓋2以及填充物25的材料選擇組配方式，優(yōu)選的，坩堝本體1和坩堝蓋2由石墨制成，填充物25由石墨烯制成。本實用新型不限于此，在其他一些實施方式中，只要符合中空部的填充物25的導熱系數(shù)高于坩堝蓋2的導熱系數(shù)的材料選擇方案均是可行的。

優(yōu)選的，中空部呈圓盤形，且其圓心在坩堝蓋2的中心線上。填充于中空部的石墨烯也呈圓盤形，此時，石墨烯除了能將坩堝蓋2外周的熱量傳導至坩堝蓋2中央?yún)^(qū)域之處，還可以產(chǎn)生感應電流而產(chǎn)生感應熱，這部分熱量會進一步提高坩堝蓋2中央?yún)^(qū)域的溫度，從而進一步提升整個坩堝蓋2的徑向溫度均勻性。

在一些實施方式中，中空部并非僅設(shè)置于坩堝蓋2的中央?yún)^(qū)域，而是盡量延伸至坩堝蓋2的外邊沿，以增強感應電流產(chǎn)生更多的感應熱。例如坩堝蓋2與中空部的半徑之差R為1.5～3.5cm(厘米)，優(yōu)選為1.63cm～2.93cm，進一步優(yōu)選為1.63cm～2.0cm。在該實施方式中，坩堝蓋2與中空部的半徑之差R為1.65cm。R值可以通過下列表達式計算得出：

式中，ρ為被加熱物體(坩堝蓋2)的電阻率(Ω.cm)，該實施方式中坩堝蓋2由高純石墨材料制成，則ρ＝8.5×10-4Ω·cm，μ_r為被加熱物體(坩堝蓋2)的相對導磁率，對于石墨等非磁性材料，則μ_r＝1，f為電流頻率(Hz)，中頻頻率通常在2500～8000Hz，分別取f為2500Hz和8000Hz，代入上式可得R在1.63cm～2.93cm的范圍。根據(jù)感應加熱集膚效應原理，R值在允許的范圍內(nèi)越小則可能獲得越薄的T(參見下文)值，因此，在合適的條件下，R值可以更小，例如1.55cm、1.5cm、1.4cm，等等。

通常，籽晶100貼附于坩堝蓋2的內(nèi)表面21上，為保持籽晶100在沿著坩堝蓋2徑向方向的溫度均勻性，高導熱的石墨烯越接近籽晶100越好，即坩堝蓋2的內(nèi)表面21與石墨烯之間的部分的厚度T越薄越好，這樣可使坩堝蓋2由于厚度太厚導致的溫度不均性影響降低，但是過薄的厚度容易導致熔斷燒穿，且因整個坩堝蓋2的面積較大，過薄的厚度在高溫下也容易翹曲。因此本實用新型通過PVT爐體設(shè)計專用軟件Virtual Reactor的熱場模擬設(shè)計坩堝蓋2的內(nèi)表面21與石墨烯之間的部分的厚度為10mm(毫米)，當然本實用新型不以此為限，通常情況下，該厚度在5～20mm，優(yōu)先地在6～16mm范圍內(nèi)均是可行的，例如該部分厚度為8～12mm，8mm厚度例如用于生長2英寸的SiC晶體，12mm厚度例如用于生長4英寸的SiC晶體。

如圖1和圖2所示，本實用新型坩堝裝置一實施方式中，中空部內(nèi)設(shè)有多個同心布置的感應環(huán)26，感應環(huán)26在感應線圈加熱的情況下會產(chǎn)生感應電流而產(chǎn)生感應熱，這些熱量可大部分傳導給填充物25，少部分傳層至坩堝蓋2的內(nèi)表面21，有助于使坩堝蓋2保持足夠的溫度。此外，多個感應環(huán)26也可以將填充物25部分分隔開來，減少熔融填充物25的串流，以減少流動對溫度的擾動，使溫度控制更加穩(wěn)定。優(yōu)選地，這些感應環(huán)26設(shè)置于靠近坩堝蓋2的下表面21的位置，例如可以與坩堝蓋2的下表面21一體成型。在坩堝蓋2的直徑較小情況下，感應環(huán)26的數(shù)量也可以是一個，設(shè)置于靠近坩堝蓋2的中心區(qū)域。

進一步地，在沿著由中空部的中心向外周方向上，多個感應環(huán)26中相鄰兩個坩堝蓋中心之間的距離逐漸變大，也就是說，越靠近坩堝蓋2中心感應環(huán)26越密集，產(chǎn)生的感應電流越強，則感應熱越多。由于傳統(tǒng)的坩堝裝置中，在靠近坩堝蓋周邊區(qū)域為高溫區(qū)，越靠近坩堝蓋中心溫度越低，坩堝蓋中心為低溫區(qū)。本實用新型通過在越往坩堝蓋中心區(qū)域布置越密集的感應環(huán)26，來彌補越往坩堝蓋中心區(qū)域越低的溫度，從而能顯著提升坩堝蓋徑向溫度的均勻性。在其他一些實施方式中，例如感應環(huán)26數(shù)量較多，排列較密集，或者坩堝的徑向尺寸較小等，多個感應環(huán)26中相鄰兩個坩堝蓋中心之間的距離也可以相等，即多個感應環(huán)26同心等間距排列。

本實用新型坩堝裝置，也可以不設(shè)置中空部，而只設(shè)置感應環(huán)26。在制造坩堝蓋2時，可以將感應環(huán)26埋設(shè)于坩堝蓋2內(nèi)；也可以將感應環(huán)26固定于坩堝蓋2的內(nèi)表面21上。優(yōu)選地，感應環(huán)26的中心與坩堝蓋2的中心在同一條直線上。

本實用新型坩堝裝置在使用時，將物料例如碳化硅粉200盛放于坩堝本體1內(nèi)，將一籽晶100粘貼于坩堝蓋2的內(nèi)表面21的中心位置?？梢允褂酶袘€圈(圖中未示出)進行加熱，坩堝本體1和坩堝蓋2外周產(chǎn)生渦電流，渦電流產(chǎn)生熱量，坩堝本體1的熱量通過桶壁12傳遞給碳化硅粉200，坩堝蓋2的熱量從外周通過高導熱的石墨烯向中心傳遞，進一步傳遞籽晶100；當加熱到碳化硅粉200的升華溫度時，產(chǎn)生大量的反應氣氛，這些反應氣氛流向溫度相對較低的籽晶100，在籽晶100表面降溫沉積。由于坩堝蓋2內(nèi)部填充了高導熱系統(tǒng)的石墨烯25，大大提高了熱量的傳遞速度，使得籽晶100表面有較均勻的徑向溫度，產(chǎn)生較小的熱應力，從而提高了晶體的生長品質(zhì)。

采用尺寸相同的石墨的坩堝裝置進行對比實驗，按照相同的碳化硅晶體生長工藝生長，坩堝蓋溫度控制在2150℃，坩堝本體底部溫度控制在2300℃，進行80小時生長，所獲得的晶體如下：

實驗一：

采用傳統(tǒng)的石墨的坩堝裝置，即坩堝蓋不具有中空部及高導熱系數(shù)填充物的坩堝裝置，生長結(jié)束所得晶體厚度23.8mm，端面錐度5°。

實驗二：

采用本實用新型的坩堝裝置，坩堝蓋設(shè)有中空部及石墨烯的坩堝裝置(不設(shè)置感應環(huán))，生長結(jié)束時所得晶體厚度23.2mm，端面錐度1.5°。

實驗三：

采用本實用新型的坩堝裝置，坩堝蓋設(shè)有中空部及石墨烯，并且在中空部設(shè)置多個感應環(huán)，生長結(jié)束時所得晶體厚度23.1mm，端面錐度0.5°。

通過對比實驗一、實驗二和實驗三可以看出，本實用新型的坩堝裝置由于在坩堝蓋中空部增加了高導系數(shù)的石墨烯后，晶體生長端面的錐度明顯減小了；進一步地，在中空部內(nèi)設(shè)置感應環(huán)后，晶體生長端面的錐度進一步明顯減小。

雖然本說明書中使用相對性的用語，例如“上”“下”來描述圖標的一個組件對于另一組件的相對關(guān)系，但是這些術(shù)語用于本說明書中僅出于方便，例如根據(jù)附圖中的示例的方向。能理解的是，如果將圖標的裝置翻轉(zhuǎn)使其上下顛倒，則所敘述在“上”的組件將會成為在“下”的組件。當某結(jié)構(gòu)在其它結(jié)構(gòu)“上”時，有可能是指某結(jié)構(gòu)一體形成于其它結(jié)構(gòu)上，或指某結(jié)構(gòu)“直接”設(shè)置在其它結(jié)構(gòu)上，或指某結(jié)構(gòu)通過另一結(jié)構(gòu)“間接”設(shè)置在其它結(jié)構(gòu)上。用語“第一”、“第二”等僅作為標記使用，不是對其對象的數(shù)量限制。

本權(quán)利要求書中，用語“一個”、“一”、“”和“至少一個”用以表示存在一個或多個要素/組成部分/等；用語“包含”、“包括”和“具有”用以表示開放式的包括在內(nèi)的意思并且是指除了列出的要素/組成部分/等之外還可存在另外的要素/組成部分/等。

應可理解的是，本實用新型不將其應用限制到本說明書提出的部件的詳細結(jié)構(gòu)和布置方式。本實用新型能夠具有其他實施方式，并且能夠以多種方式實現(xiàn)并且執(zhí)行。前述變形形式和修改形式落在本實用新型的范圍內(nèi)。應可理解的是，本說明書公開和限定的本實用新型延伸到文中和/或附圖中提到或明顯的兩個或兩個以上單獨特征的所有可替代組合。所有這些不同的組合構(gòu)成本實用新型的多個可替代方面。本說明書的實施方式說明了已知用于實現(xiàn)本實用新型的最佳方式，并且將使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠利用本實用新型。