一种控制碳化硅单晶生长装置的制作方法

本发明涉及一种用于控制碳化硅单晶生长装置。

背景技术：

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，与硅和砷化镓等传统的半导体材料相比，具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场和高载流子饱和漂移速度等特点，其优越的性能可以满足现代电子技术对高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射的新要求，被认为是半导体材料领域中最有前景的材料之一。

碳化硅单晶制备的方法主要为物理气相传输法。这种常规方法是：晶体生长过程中，在坩埚内部，碳化硅原料处于坩埚底部相对高温区(2200—2300℃)，籽晶粘结在坩埚锅盖上为相对低温区(2100—2200℃)，坩埚整体是封闭的放在加热线圈中间，坩埚底部和锅盖中间有一定的距离，高温区的碳化硅原料升华，由于原料区和籽晶存在温度差，原料以气态的形式升华到籽晶表面，气相成分主要有si、si2c和sic2，气相在籽晶上结晶形成碳化硅晶体，原料区和籽晶表面存在的温度差是碳化硅单晶生长的驱动力来源，如美国专利us6261363b1和中国专利cn1247831c。在中国专利cn1261622c中，对上述结构进行改进，坩埚盖可以上下移动，控制晶体生长区温度，但在晶体生长中，原料会不断消耗，使得原料区的温度会不断发生变化，从而会影响温度梯度，造成碳化硅晶体生长质量难以控制。

在生长过程中，由于原料会不断消耗，原料表面相对感应线圈的位置也会发生变化，导致原料区温度不断变化改变。同时，籽晶处晶体不断生长，会逐渐变厚，晶体表面不断向高温区移动，表面温度也会越来越高，气相区越来越短，致使碳化硅单晶生长的驱动力降低。原料升华温度和晶体表面温度的变化导致的温度梯度的变化，会改变坩埚内部温场，影响气相组分的化学组成，在单晶生长过程中，前期温度条件和后期温度条件发生非常大的变化，不利于晶体的稳定生长。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提出一种控制碳化硅单晶生长装置。本发明能够实现对物理气相传输法制备碳化硅单晶的原料区和晶体生长区温度的精确控制，保持温度梯度均匀稳定，使碳化硅单晶能够在一个稳定可控的环境中生长，提高单晶生长质量。

本发明碳化硅单晶生长装置包括真空腔室、感应线圈、坩埚、气路系统和升降旋转控制系统。感应线圈、坩埚、气路系统和升降旋转控制系统均位于真空腔室内，其中感应线圈位于真空腔室中心位置，用以加热坩埚。坩埚为发热体，内部装有碳化硅粉料和籽晶，用于碳化硅晶体生长。坩埚位于升降旋转控制系统的上托盘和下托盘之间，放置在感应线圈内部，坩埚外面包覆有保温层。气路系统连接在真空腔室侧壁上，用于提供碳化硅晶体生长时所需要的气氛。

所述的升降旋转控制系统包括上托盘、下托盘、上旋转轴和下旋转轴。所述的上托盘和下托盘分别固定在上旋转轴和下旋转轴上。上旋转轴和下旋转轴位于托盘的中心，通过伺服控制电机控制上、下旋转轴的上下移动和圆周运动，带动上托盘和下托盘的升降和圆周旋转。原料物碳化硅粉料放置于坩埚的内底部，籽晶粘结在坩埚埚盖上。坩埚的底部固定在下托盘上，坩埚埚盖固定在上托盘的下表面上，坩埚和坩埚埚盖分体，也可以扣合。扣合后的坩埚和坩埚盖可以整体垂直上下移动和沿圆周方向水平360°转动。分体的坩埚和坩埚盖也可以各自独立360°旋转和上下移动。坩埚和坩埚埚盖分别能够跟随上托盘和下托盘升降或圆周转动。坩埚、上托盘、下托盘和感应线圈与上旋转轴、下旋转轴同轴。轴向方向上，上托盘和下托盘均在感应线圈外部，径向方向上，上托盘和下托盘均在感应线圈内部。托盘的垂直投影位于感应线圈垂直投影中心位置。真空腔室及感应线圈均装有冷却水装置，分别有一个冷却水进水口和出水口进行水循环，循环水利用外部制冷机保持恒定的温度。感应线圈、坩埚、保温层、气路系统、上托盘、下托盘、上旋转轴和下旋转轴均在真空腔室内。真空腔室开有气路进出口，通入气体，用以调节进气量和气体种类。

坩埚埚盖粘结有籽晶，籽晶表面为晶体生长区，生长碳化硅单晶；原料区位于坩埚内的底部。

晶体生长时，可以通过调整坩埚和坩埚锅盖的运动，使坩埚中原料区位置和晶体生长区表面位置相对感应线圈位置不变，从而保证温度和温度梯度在整个晶体生长过程中保持一致。

本发明装置在碳化硅单晶生长过程中，感应线圈固定不动，通过控制上托盘和下托盘的转速和上下升降移动的速度，实现原料区和晶体生长区温度精确控制。由于坩埚随上托盘和下托盘的上下移动，通过坩埚的升降，控制坩埚内底部原料区的中部位置始终处于感应线圈中央，也即加热温度的最高点。通过坩埚锅盖的升降，使坩埚内气相区的高度始终保持不变。

升降旋转控制系统的转速在0.05—30rpm可控，升降速度分为快慢两档，慢速档升降范围为0.06—20mm/h，快速档升降范围为0.1—60mm/min；

感应线圈加热采用中频加热方式，通过控制功率输出，使感应线圈中部温度最高点范围为2200—2300℃，籽晶和生长原料表面之间的区域称为气相区，气相区高度范围可设置为5—60mm；旋转轴带动上托盘和下托盘转动和上下移动，控制坩埚和坩埚锅盖相互运动，使生长原料区温度保持不变，同时生长原料区到晶体生长区表面的温度梯度保持不变，这样气相区的高度也保持不变，实现生长温度和温度梯度的精确控制。

本发明可以精确控制生长原料区和晶体生长区的温度，使生长原料区始终处于最佳温度，同时保持生长原料区和晶体表面距离不变，这样，作为晶体生长驱动力来源的温度梯度和气相组分的化学组成均保持不变，因此，晶体一直在稳定的环境中生长，极大的提高了晶体生长质量和效率。

生长原料为碳化硅粉，纯度大于99.999％，粒径在0.05—1范围之间。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图；1感应线圈；2坩埚；3坩埚锅盖；4保温层；5原料区；6籽晶；7上旋转轴；8上托盘；9下旋转轴；10下托盘；11固定杆；12真空腔室；

图2为本发明的结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明晶体生长装置包括真空腔室12、感应线圈1、坩埚2、气路系统和升降旋转控制系统，感应线圈1、坩埚2、气路系统和升降旋转控制系统均位于真空腔室内。坩埚2位于升降旋转控制系统的上托盘8和下托盘10之间，放置在感应线圈1内的中央位置。坩埚2外包覆有保温层4。感应线圈1位于真空腔室中心位置，用以加热坩埚2。坩埚2为发热体，内装有碳化硅粉料和籽晶，用于碳化硅晶体生长。气路系统连接在真空腔室侧壁上，用于提供碳化硅晶体生长时所需要的气氛。

所述的升降旋转控制系统包括上托盘8、下托盘10、上旋转轴7和下旋转轴9。上托盘8、下托盘10分别固定在上旋转轴7和下旋转轴9上。上旋转轴7和下旋转轴9位于托盘的中心，通过伺服控制电机控制上、下旋转轴的上下移动和圆周运动，以带动上托盘8和下托盘10的升降和圆周旋转。坩埚2放置在上托盘8和下托盘10之间，坩埚2的底部固定在下托盘10上，坩埚埚盖3固定在上托盘8的下表面上。坩埚2和坩埚埚盖3分体，也可以扣合。扣合后的坩埚和坩埚盖可以整体垂直上下移动和沿圆周方向水平360°转动。分体的坩埚和坩埚盖也可以独立360°旋转和上下移动。坩埚2和坩埚埚盖3能够分别跟随上托盘8和下托盘10升降或沿圆周水平转动。坩埚2放置在感应线圈1内，位于感应线圈1的中央。坩埚2外面包覆有保温层4。坩埚2、上托盘8、下托盘10和感应线圈1与上旋转轴7、下旋转轴9同轴，轴向方向上，上旋转轴7和下旋转轴9在感应线圈1的外部，径向方向上，上旋转轴7和下旋转轴9在感应线圈1内部。上、下托盘、坩埚2、保温层4以及感应线圈1的垂直投影如图2所示，上、下托盘、坩埚2和保温层4同轴，位于感应线圈垂直投影中心位置。

坩埚埚盖3粘结有籽晶6，籽晶6表面为晶体生长区，生长碳化硅单晶。原料区5位于坩埚2的内底部。

本发明生长晶体的实施例1

把粒径>0.5mm的碳化硅粉放置在坩埚2内，置于坩埚2的底部，籽晶6粘结在坩埚锅盖3上。坩埚2固定在下托盘10上，坩埚锅盖3固定在上托盘8上。升降旋转控制系统控制坩埚2和坩埚锅盖3移动，使坩埚2中生长原料区5的中部位置处于感应线圈1中央加热温度的最高点。感应线圈1采用中频加热方式，采用物理气相传输法生长碳化硅单晶时，原料加热升华，在籽晶上结晶形成碳化硅单晶。为了减轻径向温度梯度的影响，使原料气相升华时沉积的更加均匀，在晶体生长过程中，通过调节上旋转轴7和下旋转轴9，带动上托盘8和下托盘10按照同样的转速和方向一致旋转。晶体生长过程中，由于碳化硅粒径较大，原料堆积松散，升华通道通畅，原料消耗比较快，而晶体生长缓慢，一般消耗和生长的速度比例为2:1，随着生长时间的增加，料面和晶体表面的距离越来越大，温度梯度会发生变化。料面和晶体表面位置的变化，所处的温区也会发生变化，因此在晶体生长时，坩埚2根据原料的升华量向上缓慢运动，保持料面一直处于最高温区。坩埚锅盖3同时也以更慢的速度向上移动，保持料面和晶体表面距离不变，也即整个气相区的长度不变，保证所处温区不变的同时，籽晶6表面和原料区5表面之间的温度梯度也是恒定的。

本发明生长晶体的实施例2

把粒径<0.1mm的碳化硅粉放置在坩埚2内，置于坩埚2的内底部，籽晶6粘结在坩埚锅盖3上，其中坩埚2固定在下托盘10上，坩埚锅盖3固定在上托盘8上。升降旋转控制系统控制坩埚2和坩埚锅盖3移动，使坩埚2中原料区5的中部位置处于感应线圈中央加热温度的最高点。感应线圈1采用中频加热方式，采用物理气相传输法生长碳化硅单晶时，原料加热升华，在籽晶6上结晶形成碳化硅单晶。为了减轻径向温度梯度的影响，使原料气相升华时沉积的更加均匀，在晶体生长过程中，通过调节上旋转轴7和下旋转轴9，带动上托盘8和下托盘10按照同样的转速和方向一致旋转。晶体生长过程中，由于碳化硅粒径较小，原料堆积致密，这种情况下，碳化硅粉在升华过程中，升华通道容易被堵塞，升华比较慢，且硅元素消耗的比较快，容易在原料表面形成石墨化，使原料面不会降低，而晶体缓慢生长，随着生长时间的增加，料面和晶体表面的距离越来越小，温度梯度会发生变化。因此在晶体生长时，坩埚盖3会向原料区方向以缓慢的速度移动，保持料面和晶体表面距离不变，也就是整个气相区的距离不变，保证所处温区不变的同时，籽晶表面和生长原料区之间的温度梯度也是恒定的。

本发明生长晶体的实施例3

把0.1mm<粒径<0.5mm的碳化硅粉放置在坩埚2内，置于坩埚2的内底部，籽晶6粘结在坩埚锅盖3上，其中坩埚2固定在下托盘10上，坩埚锅盖3固定在上托盘8上。升降旋转控制系统控制坩埚2和坩埚锅盖3移动，使坩埚2中原料区5的中部位置处于感应线圈中央加热温度的最高点。感应线圈1采用中频加热方式，采用物理气相传输法生长碳化硅单晶时，原料加热升华，在籽晶6上结晶形成碳化硅单晶。为了减轻径向温度梯度的影响，使原料气相升华时沉积的更加均匀，在晶体生长过程中，通过调节上旋转轴7和下旋转轴9，带动上托盘8和下托盘10按照同样的转速和方向一致旋转。晶体生长过程中，坩埚2和坩埚锅盖3完全扣合在一起，由于碳化硅粒径适中，这种情况下，碳化硅粉在升华过程中，碳化硅粉升华使料面降低的速度和晶体生长的速度相同，随着生长时间的增加，料面和晶体表面距离没有变化，也就是整个气相区的距离不变，而料面的高度相对线圈中央位置会下降，因此在晶体生长时，坩埚2和坩埚锅盖3以相同的速度向上移动，保持料面一直处于最高温区，籽晶表面和生长原料区之间的温度梯度也是恒定的。

本发明的装置可以根据晶体生长过程中具体情况，调整料面和晶体生长区的距离，使整个气相区的长度不变，保证原料区和晶体生长区表面温度不发生变化，同时保持了温度梯度稳定，因此能够实现对碳化硅晶体生长温度和温度梯度的精确控制，提高碳化硅单晶生长质量和效率。