一种碳化硅单晶的制备装置制造方法及图纸

本申请公开了一种碳化硅单晶的制备装置及其应用，属于单晶的制备领域。该碳化硅单晶的制备装置，其包括加热单元、保温结构和坩埚，所述坩埚包括上部坩埚和下部坩埚，所述上部坩埚的坩埚盖内侧面设置籽晶；所述加热单元包括电阻加热体组和感应加热线圈；和所述电阻加热体组直接加热所述上部坩埚，所述感应加热线圈感应加热所述下部坩埚。该制备装置加热单元和保温结构的设置方式，方便控制坩埚不同高度即不同的长晶区域的温度，从而严格调控坩埚内热场的轴向温度梯度和径向温度梯度，从而提高长晶质量。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅单晶的制备装置
本申请涉及一种碳化硅单晶的制备装置，属于单晶的制备领域。
技术介绍
碳化硅是继硅、砷化镓之后的第三代宽禁带半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。高质量晶体是半导体和信息产业发展的基石，它的制备水平制约了下游器件的制备与性能。尽管近几年物理气象传输法(PVT)生长碳化硅晶体取得了长足的进步，但其生长晶体的稳定性仍需要进一步研究。比如保温和坩埚损耗造成其使用次数的下降和长晶稳定性的波动。并且碳化硅晶体尺寸的扩大能大幅降低功率器件、电子电力器件的成本。目前所应用的坩埚大部分与原料直接接触，造成坩埚被侵蚀，降低寿命增加成本，降低长晶的稳定性，并且其造成的石墨化会影响晶体质量。特别是大尺寸碳化硅(6-8英寸)晶体的生长，更需要长晶的稳定性。任何一点波动都可能导致晶体缺陷。
技术实现思路
为了解决上述问题，提供了一种碳化硅单晶的制备装置，该制备装置该制备装置加热单元和保温结构的设置方式，方便控制坩埚不同高度即不同的长晶区域的温度，从而严格调控坩埚内热场的轴向温度梯度和径向温度梯度，从而提高长晶质量。该制备装置制得的碳化硅单晶的质量高，缺陷少，尤其是可以制得高质量的6-12寸的碳化硅单晶。根据本申请的一个方面，提供了一种碳化硅单晶的制备装置，该碳化硅单晶的制备装置，所述坩埚包括上部坩埚和下部坩埚，所述上部坩埚的坩埚盖内侧面设置籽晶；所述加热单元包括电阻加热体组和感应加热线圈；和所述电阻加热体组直接加热所述上部坩埚，所述感应加热线圈感应加热所述下部坩埚。所述加热单元包括电阻加热体组和感应加热线圈；和所述电阻加热体组直接加热所述上部坩埚，所述感应加热线圈感应加热所述下部坩埚。可选地，所述保温结构包括保温侧壁，所述电阻加热体组设置在所述上部坩埚与所述保温侧壁之间，所述保温侧壁设置在所述感应线圈和所述下部坩埚之间。可选地，所述上部坩埚对应的上部保温侧壁沿籽晶至原料的方向设置多个侧部测温孔。可选地，所述多个侧部测温孔包括沿自籽晶至原料的方向均匀设置的第一测温孔至第n测温孔，所述n不小于2；所述第n测温孔到所述籽晶的第一距离为30-200mm；所述装料桶升降时，原料区的顶面相对于所述籽晶的第二距离为20-200mm。优选地，所述第一距离大于第二距离。可选地，所述电阻加热体组中的每个电阻加热体对应的所述保温侧壁设置至少一个侧部测温孔。可选地，所述保温结构还包括保温顶壁，所述坩埚顶部的保温顶壁设置顶部测温孔。可选地，所述侧部测温孔的孔径不大于20mm，所述顶部测温孔的孔径不大于70mm。进一步地，所述侧部测温孔的孔径为3～15mm。更进一步地，所述侧部测温孔的孔径为5mm。可选地，所述加热单元还包括测温器组和控制器，所述测温器组包括分别与所述电阻加热体组和感应线圈对应设置的多个测温器；所述控制器比较所述测温器的测试温度值与已储存的设定温度值，以控制所述电阻加热体组中的电阻加热体和、感应线圈的加热功率。优选地，所述电阻加热体设为围绕所述上部坩埚的环状结构，所述加热单元包括沿所述上部坩埚轴向排布的多个电阻加热体。优选地，所述控制器分别独立控制所述电阻加热体和所述感应加热线圈的加热功率。可选地，所述制备装置还包括装料桶和旋转升降单元；所述装料桶包括桶身和开口部，所述桶身设置在所述下部坩埚内，所述桶身与所述下部坩埚之间形成隔离空腔，所述开口部与所述上部坩埚转动连接；所述装料桶和所述上部坩埚形成物理气相传输法制备碳化硅单晶的生长腔，所述生长腔包括气相传输区和所述装料桶内的原料区；所述旋转升降单元驱动所述装料桶相对于所述上部坩埚旋转升降。可选地，所述生长腔为密封结构。可选地，所述转动连接包括通过螺纹结构连接。可选地，所述上部坩埚的内径小于所述下部坩埚的内径。优选地，所述装料桶的开口部的内径小于或等于所述桶身内径。根据本申请的另一个方面，提供了所述的制备装置的使用方法，该使用方法计算出坩埚内的径向温度梯度，并根据得到的径向温度梯度，调节加热的功率，保证坩埚内的径向温度均匀，解决了现有技术中坩埚内的径向温度在长晶过程中无法实时检测的盲点。所述的制备装置的使用方法包括下述步骤：1)测试坩埚盖上表面中心温度T1和到坩埚盖下表面距离为Δtmm的坩埚侧壁的温度T’；2)计算制备装置长晶过程中碳化硅单晶长晶面的中心温度T，计算方法包括下述步骤：①坩埚盖下表面中心温度T0满足，T1大于1800℃时，T0＝T1+(50℃～350℃)；②到坩埚盖下表面距离为Δtmm的碳化硅单晶长晶面中心温度T满足：T＝T0+kΔt,T0＝T1+(50℃～350℃),k＝ΔT/Δt，k＝(1～3)；3)计算制备装置长晶过程中晶体长晶面的径向温度梯度，对比T与T’的值，并据此调节坩埚上部的加热单元的加热功率。优选地，对比T与T’的值的差值范围为5-50K。可选地，欲控制长晶面中心温度T为1800-2400K，则控制坩埚盖上表面中心温度T1＝(1800～2400K)+2×10K+(50～350K)。根据本申请的又一个方面，提供了一种制备碳化硅单晶的方法，该制备方法制得的碳化硅单晶的质量高，缺陷少，尤其是可以制得高质量的6-12寸的碳化硅单晶。该制备碳化硅单晶的方法，其使用上述任一所述的制备装置，该方法包括下述步骤：1)组装阶段：分别将原料置于装料桶和将籽晶固定在坩埚盖后，将装料桶置于坩埚内的旋转升降单元并与所述上部坩埚旋转连接，组装加热单元和保温结构；2)升温阶段：控制原料顶面温度为2200-2800K，所述气相传输区温度为1800-2000K，坩埚内惰性气体的绝对压强为0.6×105～1.2×105Pa，所述装料桶相对于所述上部坩埚的转速为0.2-2mm/h，保持不低于6h；3)长晶阶段：控制坩埚盖上表面中心温度T1为1800-2400K，所述原料顶面温度为2100-2700K，控制生长腔内的绝对压强在100-5000Pa，长晶开始时所述原料顶面至籽晶表面的第三距离为20-110mm，所述装料桶以0.2-2mm/h的速度向下旋转，保持时间不低于30h；其中，所述原料顶面温度高于所述气相传输区顶面温度；4)降温阶段：以6-10/h的速度降温，即制得所述的碳化硅单晶。可选地，所述原料顶面的升降的范围对应所述上部保温侧壁沿籽晶至原料的方向设置的多个侧部测温孔。可选地，所述充入惰性气体流量为50-500mL/min。优选地，坩埚内惰性气体的绝对压强为0.7×105～1.1×105Pa。本申请控制惰性气体的大的流量范围使长晶的形核速率非常慢或不形核，让原料有较好结晶度，装料桶转动增加原料的结晶均匀性。优选地，所述长晶阶段开始时所述原料顶面至籽晶表面的第三距离为30-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅单晶的制备装置，其包括加热单元、保温结构和坩埚，其特征在于，所述坩埚包括上部坩埚和下部坩埚，所述上部坩埚的坩埚盖内侧面设置籽晶；/n所述加热单元包括电阻加热体组和感应加热线圈；和/n所述电阻加热体组直接加热所述上部坩埚，所述感应加热线圈感应加热所述下部坩埚。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅单晶的制备装置，其包括加热单元、保温结构和坩埚，其特征在于，所述坩埚包括上部坩埚和下部坩埚，所述上部坩埚的坩埚盖内侧面设置籽晶；
所述加热单元包括电阻加热体组和感应加热线圈；和
所述电阻加热体组直接加热所述上部坩埚，所述感应加热线圈感应加热所述下部坩埚。


2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述保温结构包括保温侧壁，所述电阻加热体组设置在所述上部坩埚与所述保温侧壁之间，所述保温侧壁设置在所述感应加热线圈和所述下部坩埚之间。


3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述上部坩埚对应的上部保温侧壁沿籽晶至原料的方向设置多个侧部测温孔。


4.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，所述多个侧部测温孔包括沿自籽晶至原料的方向均匀设置的第一测温孔至第n测温孔，所述n不小于2；
所述第n测温孔到所述籽晶的第一距离为30-200mm；
还包括装料桶，所述装料桶包括桶身和开口部，所述桶身设置在所述下部坩埚内，所述桶身与所述下部坩埚之间形成隔离空腔，所述开口部与所述上部坩埚转动连接；所述装料桶和所述上部坩埚形成物理气相传输法制备碳化硅单晶的生长腔，所述生长腔包括气相传输区和所述装料桶内的原料区；
所述装料桶升降时，原料区的顶面相对于所述籽晶的第二距离为20-200mm。


5.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，所述电阻加热体组中的每个电阻加热体对应设置一个侧部测温孔；
所述保温结构还包括设置在坩埚顶部的保温顶壁，所述保温顶壁设...

【专利技术属性】
技术研发人员：方帅，高超，高宇晗，王路平，王宗玉，张九阳，潘亚妮，宁秀秀，李霞，舒天宇，许晓林，薛传艺，
申请(专利权)人：山东天岳先进材料科技有限公司，
类型：新型
国别省市：山东;37