一种坩埚旋转式碳化硅单晶生长方法技术

本发明专利技术公开了一种坩埚旋转式碳化硅单晶生长方法，解决了SiC单晶形貌、质量不均匀的问题。包括下法兰盘（9），在下法兰盘（9）的顶面上固定设置有外保温支撑架（6），在外保温支撑架（6）上固定设置有坩埚的外保温层（7），在外保温层（7）中活动设置有桶型坩埚（11），在桶型坩埚（11）的顶面上设置有上保温层（8），在桶型坩埚（11）的下底面上设置有下保温层（10），在下保温层（10）的下底面上连接有桶型坩埚支架（5），在下法兰盘（9）上设置有电机（1），在电机（1）的输出轴上连接有主动齿轮（3），在桶型坩埚支架（5）上设置有环形齿条（4），主动齿轮（3）与环形齿条（4）啮合在一起的。有效地提升了温场结构对称性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种坩祸旋转式碳化硅单晶生长方法，可用于克服SiC单晶生长过程中温度场分布不均匀的问题，从而提高SiC单晶晶体质量，属于电子工业和半导体材料

技术介绍
新兴电子技术对半导体元器件提出了高密度、高速度、低功耗、大功率、宽工作温度范围、抗辐射和高可靠性的要求。SiC单晶衬底材料可以较好地满足这些要求，被认为是制备微波器件、高频大功率器件、高压电力电子器件的优良衬底材料。碳化硅半导体材料已经成为国际上公认引领电力电子特别是大功率电力电子下一个50年的最佳电子材料，在电力输送与转换领域、汽车电子、风电、智能电网、雷达通信等领域有巨大的应用前景。物理气相传输法(Physical Vapor Transport-PVT)，也称为籽晶升华法，是目前生长大尺寸SiC单晶最成熟的方法，利用PVT法已经可以获得直径6英寸的SiC单晶。该方法是通过感应加热的方式，使石墨坩祸升温至2200°C-2400°C，促使SiC粉体原料发生升华，气相物质在温度梯度的作用下传输到温度较低的SiC籽晶表面，并在籽晶上沉积形成单晶。碳化硅单晶生长周期通常需要5-7天的生长周期，在2200°C_2400°C的高温环境下，保温材料、石墨坩祸在不断石墨化而发生质量损失，同时由于保温材料、加热线圈、坩祸位置等因素几何位置的不对称，往往会导致石墨坩祸内的温度场分布不均匀，从而导致生长的SiC单晶晶体结构不对称，同时内部应力分布不均，影响SiC单晶晶圆的质量。尤其是随着碳化硅单晶生长尺寸的增加，在4-6英寸SiC单晶生长过程中，高质量单晶材料的生长对于温场分布均匀性的要求更加严格。
技术实现思路
本专利技术提供了一种坩祸旋转式碳化硅单晶生长方法，解决了物理气相传输法生长SiC单晶过程中由于保温材料、石墨坩祸质量损失，保温材料、加热线圈、坩祸位置等因素几何位置不对称，导致的SiC单晶形貌、质量不均匀的技术问题。本专利技术是通过以下技术方案解决以上技术问题的: 一种SiC单晶生长设备中坩祸独立旋转机构，包括下法兰盘，在下法兰盘的顶面上固定设置有外保温支撑架，在外保温支撑架上固定设置有坩祸的外保温层，在外保温层中活动设置有桶型坩祸，在桶型坩祸的顶面上设置有上保温层，在桶型坩祸的下底面上设置有下保温层，在下保温层的下底面上连接有桶型坩祸支架，在下法兰盘上设置有电机，在电机的输出轴上连接有主动齿轮，在桶型坩祸支架上设置有环形齿条，主动齿轮与环形齿条啮合在一起的;在电机的输出轴上设置有磁流体。—种坩祸旋转式碳化硅单晶生长方法，包括以下步骤: 第一步、在下法兰盘(9)的顶面上固定设置外保温支撑架(6)，在外保温支撑架(6)上固定设置坩祸的外保温层(7)，在外保温层(7)中活动设置桶型坩祸(11)，在桶型坩祸(11)的顶面上设置上保温层(8)，在桶型坩祸(11)的下底面上设置下保温层(10)，在下保温层(10)的下底面上连接有桶型坩祸支架(5)，在下法兰盘(9)上设置电机(1)，在电机(1)的输出轴上连接主动齿轮(3)，在桶型坩祸支架(5)上设置环形齿条(4)，主动齿轮(3)与环形齿条(4)啮合在一起的； 第二步、下法兰盘9通过密封锁闭机构8固定并密封在碳化硅单晶生长炉的腔体法兰上； 第三步、对碳化硅单晶生长炉的腔体抽真空，真空度小于5X10—5毫巴，开始加热坩祸11，温度达到1350摄氏度后，充入99.999%的高纯氩气，使碳化硅单晶生长炉的腔体压力保持在800毫巴； 第四步、通过控制电机1的选择速率实现坩祸11匀速旋转，旋转速率控制在5-10转/每分钟； 第五步、提高坩祸11的加热功率，使温度达到2000-2200摄氏度，控制碳化硅单晶生长炉的腔体压力缓慢降低到5-10毫巴，使碳化硅单晶生长周期为100小时； 第六步、生长周期结束，充入99.999%的高纯氩气，使碳化硅单晶生长炉的腔体压力保持在800毫巴，让生长的碳化硅单晶晶体保持匀速旋转在坩祸中进行原位高温退火，降低碳化硅单晶生长过程中产生的热应力； 第七步、使生长的碳化硅单晶在匀速旋转情况下缓慢降温至室温，结束碳化硅单晶生长。本专利技术结构简单，成本低廉，通过使坩祸独立于外保温层、感应线圈旋转，旋转速率可调，有效地提升了温场结构对称性，提高碳化硅单晶对称性和晶体质量。【附图说明】图1是本专利技术的结构示意图。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术进行详细说明: 一种SiC单晶生长设备中坩祸独立旋转机构，包括下法兰盘9，在下法兰盘9的顶面上固定设置有外保温支撑架6，在外保温支撑架6上固定设置有坩祸的外保温层7，在外保温层7中活动设置有桶型坩祸11，在桶型坩祸11的顶面上设置有上保温层8，在桶型坩祸11的下底面上设置有下保温层10，在下保温层10的下底面上连接有桶型坩祸支架5，在下法兰盘9上设置有电机1，在电机1的输出轴上连接有主动齿轮3，在桶型坩祸支架5上设置有环形齿条4，主动齿轮3与环形齿条4啮合在一起的。在电机1的输出轴上设置有磁流体2。—种坩祸旋转式碳化硅单晶生长方法，包括以下步骤: 第一步、在下法兰盘(9)的顶面上固定设置外保温支撑架(6)，在外保温支撑架(6)上固定设置坩祸的外保温层(7)，在外保温层(7)中活动设置桶型坩祸(11)，在桶型坩祸(11)的顶面上设置上保温层(8)，在桶型坩祸(11)的下底面上设置下保温层(10)，在下保温层(10)的下底面上连接有桶型坩祸支架(5)，在下法兰盘(9)上设置电机(1)，在电机(1)的输出轴上连接主动齿轮(3)，在桶型坩祸支架(5)上设置环形齿条(4)，主动齿轮(3)与环形齿条(4)啮合在一起的； 第二步、下法兰盘9通过密封锁闭机构8固定并密封在碳化硅单晶生长炉的腔体法兰上； 第三步、对碳化硅单晶生长炉的腔体抽真空，真空度小于5X10—5毫巴，开始加热坩祸11，温度达到1350摄氏度后，充入99.999%的高纯氩气，使碳化硅单晶生长炉的腔体压力保持在800毫巴； 第四步、通过控制电机I的选择速率实现坩祸11匀速旋转，旋转速率控制在5-10转/每分钟； 第五步、提高坩祸11的加热功率，使温度达到2000-2200摄氏度，控制碳化硅单晶生长炉的腔体压力缓慢降低到5-10毫巴，使碳化硅单晶生长周期为100小时； 第六步、生长周期结束，充入99.999%的高纯氩气，使碳化硅单晶生长炉的腔体压力保持在800毫巴，让生长的碳化硅单晶晶体保持匀速旋转在坩祸中进行原位高温退火，降低碳化硅单晶生长过程中产生的热应力； 第七步、使生长的碳化硅单晶在匀速旋转情况下缓慢降温至室温，结束碳化硅单晶生长。主动齿轮3通过磁流体2固定在电机I的输出轴上，伺服电机带动主动齿轮3转动，通过主动齿轮3可以带动环形齿条4转动，环形齿条4带动桶型坩祸支架5转动，通过电机调节旋转齿轮转速可以控制坩祸旋转速率。外保温层、上下保温支撑材质可以是石墨、C-C复合材料等耐高温材料，电机I可以是伺服电机或步进电机。下法兰盘9通过锁闭机构固定并密封在SiC的生长腔体中，可以进行晶体生长。采用纯度为99.99%的SiC粉料作为原料，采用3英寸4H-SiC晶片为籽晶，将粉料和籽晶放置于桶型坩祸11内，使料到籽晶的距离为30毫米，生长温度控制在2000-2300本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种坩埚旋转式碳化硅单晶生长方法，包括以下步骤：第一步、在下法兰盘（9）的顶面上固定设置外保温支撑架（6），在外保温支撑架（6）上固定设置坩埚的外保温层（7），在外保温层（7）中活动设置桶型坩埚（11），在桶型坩埚（11）的顶面上设置上保温层（8），在桶型坩埚（11）的下底面上设置下保温层（10），在下保温层（10）的下底面上连接有桶型坩埚支架（5），在下法兰盘（9）上设置电机（1），在电机（1）的输出轴上连接主动齿轮（3），在桶型坩埚支架（5）上设置环形齿条（4），主动齿轮（3）与环形齿条（4）啮合在一起的；第二步、下法兰盘9通过密封锁闭机构8固定并密封在碳化硅单晶生长炉的腔体法兰上；第三步、对碳化硅单晶生长炉的腔体抽真空，真空度小于5×10‑5毫巴，开始加热坩埚11，温度达到1350摄氏度后，充入99.999%的高纯氩气，使碳化硅单晶生长炉的腔体压力保持在800毫巴；第四步、通过控制电机1的选择速率实现坩埚11匀速旋转，旋转速率控制在5‑10转/每分钟；第五步、提高坩埚11的加热功率，使温度达到2000‑2200摄氏度，控制碳化硅单晶生长炉的腔体压力缓慢降低到5‑10毫巴，使碳化硅单晶生长周期为100小时；第六步、生长周期结束，充入99.999%的高纯氩气，使碳化硅单晶生长炉的腔体压力保持在800毫巴，让生长的碳化硅单晶晶体保持匀速旋转在坩埚中进行原位高温退火，降低碳化硅单晶生长过程中产生的热应力；第七步、使生长的碳化硅单晶在匀速旋转情况下缓慢降温至室温，结束碳化硅单晶生长。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毛开礼，郎鹏，李斌，王英民，周立平，戴鑫，侯晓蕊，王利忠，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二研究所，
类型：发明
国别省市：山西;14