一种碳化硅生长装置的制作方法

本实用新型属于碳化硅晶体生长技术领域，具体涉及一种碳化硅生长装置。

背景技术：

碳化硅单晶材料是第三代宽带隙半导体材料的代表，具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，与以硅为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料相比，有着明显的优越性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件和高温电子器件等理想的半导体材料。在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化以及电力电子等方面有广泛应用。

目前，碳化硅生长过程中普遍存在以下问题：

1、碳化硅升华过程中很容易碳化产生微小的C颗粒，C颗粒会沿着温度梯度输运并最终在碳化硅单晶中形成包裹物，影响最终碳化硅单晶质量；

2、SiC晶体生长时，碳化硅气体会大量的从坩埚与坩埚盖之间的空隙中逸出，使包围在坩埚外围的保温层内部结晶，导致保温性能的严重恶化；

3、籽晶和籽晶托之间一般通过碳粘合剂或者含碳的有机物烧结固化来实现连结，但在烧结的过程中，胶的固化时间不统一，边缘部位的气体排出路径较短，比较容易的排出，但中心部位的气体排出路径相对较长，比较难以排出。如果籽晶边缘的胶先固化后，会堵塞中心部位气体的排出通道，造成边缘粘结牢固，但中间有气泡的现象。这种有气泡的籽晶在生长过程中，由于空气存在于籽晶和籽晶托之间，会出现热膨胀，导致籽晶脱落或者应力过大导致晶体开裂。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种碳化硅生长装置。采用本实用新型既避免了碳化硅蒸汽外逸又保证了碳化硅晶体高质量生长。

本实用新型采用以下技术方案：一种碳化硅生长装置，包括坩埚，坩埚上设有坩埚盖，坩埚盖下部设有籽晶托，籽晶托上粘有籽晶，坩埚壁顶部设有至少一个凹槽I，坩埚盖上设有至少一个与凹槽I相适应的凸起，凹槽I和相应凸起之间形成曲折通道；坩埚内部套有与坩埚同轴且顶端低于坩埚顶端的内筒，所述的内筒由石墨滤网围绕而成；内筒顶端外沿与坩埚内壁之间设有石墨滤网；所述的石墨滤网两侧表面均涂有耐高温金属化合物涂层；所述的籽晶托为真空结构且粘贴籽晶的面上设有凹槽II；所述的坩埚具有真空夹层。

使用时，首先将籽晶固定于籽晶托上，并将坩埚与内筒之间充满碳化硅粉料并压实，固定好内筒顶端外沿与生长室内壁之间的石墨滤网。

使用感应线圈对坩埚进行加热，当温度达到碳化硅粉料升华温度时，碳化硅粉料开始升华，产生碳化硅升华气体；同时，碳化硅粉料开始碳化，产生碳颗粒，碳化硅升华气体与碳颗粒均沿着温度梯度向上移动。上升过程中，由于石墨滤网的阻碍，固态的碳颗粒无法通过石墨滤网到达坩埚的顶部，而气态的碳化硅升华气体可以一小部分通过内筒顶端外沿与生长室内壁之间的石墨滤网到达生长室的顶部，进而在籽晶上进行凝结，进行碳化硅单晶的生长。大部分的气态的碳化硅升华气体受温度梯度的影响，首先通过由石墨滤网围绕而成的内筒，然后经内筒通道到达坩埚的顶部，进而在籽晶上进行凝结，进行碳化硅单晶的生长。在碳化硅升华气体由内筒通道到达坩埚的顶部过程中，由于没有任何阻碍，上升速度加快，从而加快了碳化硅单晶的生长。

坩埚和坩埚盖之间，即凹槽I和凸起之间会形成一条弯折的通道。在碳化硅的生长过程中，通过公差的配合，可以保证这条弯折的通道足够的小。或者完全不要求公差配合，只要有一个这样弯折的通道，在碳化硅的生长过程中，碳化硅气体挥发，在通过折弯通道的过程中会逐渐冷却，并在通道内凝结，将折弯通道封堵，使碳化硅气体不能通过坩埚和坩埚盖之间的空隙泄漏到保温层中。进而保证了高纯保温层的使用寿命，降低了生产成本。

所述的籽晶托为真空结构且粘贴籽晶的面上设有凹槽II。将碳粘合剂或者含碳的有机物均匀涂抹于粘贴籽晶的面上时，要保证只有粘贴籽晶的面上贴有碳粘合剂或者含碳的有机物，而凹槽II内没有碳粘合剂或者含碳的有机物。将籽晶粘贴在籽晶托的贴付面上，使之贴合紧密；对籽晶托进行烧结，将碳粘合剂或者含碳的有机物烧结固化。由于有凹槽II的存在，碳粘合剂或者含碳的有机物中的气体可以沿着这些流通通道不受限制的排出，使碳粘合剂或者含碳的有机物固化均匀，防止了籽晶脱落或者因为应力过大导致晶体开裂，有效的提高了粘贴籽晶的合格率，有利于籽晶更好的生长，保证了生产，降低了加工生产成本。所述的凹槽II深度为1-5mm，宽度为0.1-2mm。所述的凹槽II呈米字型排布或平行排布。

所述的坩埚具有真空夹层，使得坩埚本体具有遮热作用，当温场发生波动时，内部熔体感知温场变化的能力大大延迟和削弱，具有屏蔽热场波动的能力，更利于晶体的稳定成长。

所述的石墨滤网两侧表面均涂有耐高温金属化合物涂层；所述的耐高温金属化合物涂层选自稀有金属的碳化物或稀有金属的氮化物或其混合物；所述的稀有金属选自钽或铪或铌或钛或锆或钨或钒。之所以选用上述材料作为石墨滤网的涂层，是因为上述耐高温金属化合物，是因为其熔点高于碳化硅的升华温度，并且在碳化硅升华温度下相对于硅和氢具有化学惰性，同时形成了一层保护膜，避免石墨滤网中的碳对单晶生长造成影响。另外，其热膨胀系数与石墨非常类似，从而避免在升华温度下石墨和耐高温金属化合物涂层之间出现裂缝。

所述的石墨滤网的孔径小于10微米，进一步确保了碳化硅升华气体与碳颗粒的充分分离。

进一步的，所述的凹槽内设有密封柔性材料，用于达到更加密封的效果。所述的密封柔性材料可以选用本领域常用材料。

经过发明人实验发现，所述的凹槽为3个，所述的凸起为3个时，可以保证凹槽和凸起之间形成的弯折通道足够长，使硅蒸汽能够完全在通道内冷却凝结，与石墨生成碳化硅。

综上所述，本实用新型结构简单，具有以下优点：

1、通过特殊的结构设计使得坩埚与坩埚盖之间形成一条狭长曲折的通道，碳化硅气体在沿着通道逸出的过程中，会逐渐凝结，完全封死通道，保证碳化硅气体不泄露，进而保护外面的保温材料，降低生产成本。

2、本实用新型在粘贴籽晶的面上加工出一些具有一定深度的凹槽II，有利于在贴付籽晶后烧结固化过程中气泡排出，使粘合剂或者含碳的有机物固化均匀，防止了籽晶脱落或者因为应力过大导致晶体开裂，有效的提高了粘贴籽晶的合格率，有利于籽晶更好的生长，保证了生产，降低了加工生产成本。

3、所述的坩埚具有真空夹层，使得坩埚本体具有遮热作用，当温场发生波动时，内部熔体感知温场变化的能力大大延迟和削弱，具有屏蔽热场波动的能力，更利于晶体的稳定成长。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为图1中A部分局部放大结构示意图；

图3、图4均为本实用新型所述凹槽II结构示意图；

图中：1、坩埚，2、坩埚盖，3、籽晶托，4、籽晶，5、凹槽I，6、凸起，7、曲折通道，8、石墨滤网，9、耐高温金属化合物涂层，10、密封柔性材料，11、凹槽II，12、真空夹层。

具体实施方式

一种碳化硅生长装置，包括坩埚1，坩埚1上设有坩埚盖2，坩埚盖2下部设有籽晶托3，籽晶托3上粘有籽晶4，坩埚2壁顶部设有至少一个凹槽I5，坩埚盖2上设有至少一个与凹槽I5相适应的凸起6，凹槽I5和相应凸起6之间形成曲折通道7；坩埚1内部套有与坩埚1同轴且顶端低于坩埚顶端的内筒，所述的内筒由石墨滤网8围绕而成；内筒顶端外沿与坩埚内壁之间设有石墨滤网8；所述的石墨滤网8两侧表面均涂有耐高温金属化合物涂层9；所述的籽晶托3为真空结构且粘贴籽晶的面上设有凹槽II11。

所述的耐高温金属化合物涂层9选自稀有金属的碳化物或稀有金属的氮化物或其混合物；所述的稀有金属选自钽或铪或铌或钛或锆或钨或钒。

所述的石墨滤网8孔径小于10微米。

所述的坩埚1具有真空夹层12。

所述的凹槽I5内设有密封柔性材料10。

所述的凹槽I5为3个，所述的凸起6为3个。