一种利于碳化硅晶体生长的坩埚的制作方法

本发明涉及新材料技术领域，尤其是一种利于碳化硅晶体生长的坩埚，用于升华法生长碳化硅晶体。

背景技术：

继第一代硅(si)半导体和第二代砷化镓(gaas)半导体之后，以sic为代表的第三代宽禁带半导体越来越受到人们的关注。

作为第三代半导体材料中技术发展最为成熟的材料，碳化硅（sic）具有宽禁带隙、高临界击穿场强(硅的10倍)、高热导率(si的3.3倍)、高载流子饱和迁移率(si的2.5倍)以及高键合能等优点。其优异性能满足现代电子技术的特殊领域的新需求，特别适合于制造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，因而被当作是半导体材料领域中最有前景的材料之一。

石墨坩埚：具有良好的热导性和耐高温性，在高温使用过程中，热膨胀系数小，对急热、急冷具有一定抗应变性能。对酸、碱性溶液的抗腐蚀性较强，具有优良的化学稳定性。在冶金、铸造、机械、化工等工业部门，被广泛用于合金工具钢的冶炼和有色金属及其合金的熔炼，并有着较好的技术经济效果。

目前碳化硅晶体生长存在生长速度慢，良率低，价格高的缺陷，无法满足巨大的应用市场需求。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种利于碳化硅晶体生长的坩埚,将石墨坩埚内径剖面设置成等腰梯形的结构，在石墨坩埚内部设置两个不同直径的石墨内圈，这种结构的石墨坩埚有利于碳化硅粉末状原材料在升华过程中生长为籽晶并形成晶体，提高了生产效率，降低了生产成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种利于碳化硅晶体生长的坩埚，包括石墨坩埚、设置在石墨坩埚上部的密封盖以及依次紧贴设置在石墨坩埚外的隔热层二、隔热层一、外部固定感应线圈的石英真空室；所述石墨坩埚外径的尺寸上下一致；石墨坩埚内径的尺寸上端小于下端、横切面为等腰梯形结构；石墨坩埚底部设置直径不同、高度一致的内圈一和内圈二；石墨坩埚上端开口位置设置与密封盖紧密接触的带手柄的籽晶载体；籽晶附着在籽晶载体的下部；手柄被密封盖包覆；内圈一和内圈二上设置有均匀分布的孔洞。

本发明技术方案的进一步改进在于：石墨坩埚外径的尺寸为120～180mm，石墨坩埚内径的尺寸最大处的石墨坩埚外壁的壁厚为10mm，石墨坩埚的高度为100～200mm；密封盖厚度为5～8mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：籽晶直径尺寸为100～150mm、厚度为0.5～1mm；籽晶载体厚度为5～8mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：内圈一与内圈二的高度均为石墨坩埚高度的20%-50%；内圈一与内圈二的厚度均为5mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：内圈一的直径为50～75mm、内圈二的直径为25～35mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：内圈一上的开孔率为其内圈表面积的10%～20%；内圈二上的开孔率为其内圈表面积的10%～20%。

本发明技术方案的进一步改进在于：石墨坩埚与内圈一和内圈二一体化加工。

本发明技术方案的进一步改进在于：石墨坩埚与内圈一和内圈二分体加工，在石墨坩埚底部预留内圈一沟槽和内圈二沟槽。

本发明技术方案的进一步改进在于：内圈一沟槽和内圈二沟槽可以是整个圆环形，也可以对称设计卡点。

本发明技术方案的进一步改进在于：石墨坩埚内碳化硅晶体生长的温度在2200～2400℃之间。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明将石墨坩埚设置成内径横切面为有角度的等腰梯形结构，主要是利于碳化硅原材料生长过程中均匀受热，生长成为晶体后更加利于到达籽晶处并方便生长成品的提取。

2、本发明将石墨坩埚内部设置成孔洞均匀分布的内圈一和内圈二，比一般的坩埚结构更有利于碳化硅粉末在生长过程中均匀受热，并能够顺利到达籽晶部位，防止由于在生长过程中碳化硅晶体在到达籽晶前触碰到坩埚外壁，遇冷而再次滑落坩埚底部。

3、本发明在石墨坩埚内部的内圈一和内圈二上设置均匀分布的孔洞，主要是用于散热，在碳化硅生长过程中会有一定的热量散出，孔洞的增加是为了散去多余热量，为碳化硅生长提供更加适宜的环境条件。

4、本发明中石墨坩埚整体结构的设计，使碳化硅原料的生长空间相对比较大，更加利于生长受热长成晶体，生长到达籽晶的位置，籽晶位置处由于口径变小，更有利于把成品取出。

5、本发明的整体结构有助于碳化硅原料充分升华，提高生产效率，解决碳化硅生长速度慢，良率低，价格高的缺陷，以满足巨大的应用市场需求。

附图说明

图1是本发明整体结构剖示图；

图2是本发明石墨坩埚结构示意图；

图3是本发明石墨坩埚另一种结构示意图；

图4是本发明石墨坩埚底部剖面俯视图。

其中，1、石墨坩埚，1-1、内圈一，1-2、内圈二，1-3、碳化硅原料放置区，1-4、籽晶，1-5、籽晶载体，1-6、手柄，1-7、内圈一沟槽，1-8、内圈二沟槽，1-9、石墨坩埚底部，1-10、碳化硅原料，1-11、石墨坩埚外壁，2、隔热层二，3、隔热层一，4、石英真空室，5、感应线圈，6、密封盖。

具体实施方式

本发明是针对目前碳化硅晶体生长存在生长速度慢，良率低，价格高的缺陷，无法满足巨大的应用市场需求而研发的一种利于碳化硅晶体生长的坩埚，通过改变石墨坩埚的内部结构，利于碳化硅原料充分升华，提高生产效率。

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1～4所示，一种利于碳化硅晶体生长的坩埚，包括石墨坩埚1、设置在石墨坩埚1上部的密封盖6以及依次紧贴设置在石墨坩埚1外的隔热层二2、隔热层一3、外部固定感应线圈5的石英真空室4；所述石墨坩埚1外径的尺寸上下一致；石墨坩埚1内径的尺寸上端小于下端、横切面为等腰梯形结构，为了更好的使籽晶1-4附着在籽晶载体1-5上，此处可将石墨坩埚1内放置籽晶载体1-5处设置成圆柱形；石墨坩埚底部1-9设置直径不同、高度一致的内圈一1-1和内圈二1-2；石墨坩埚1上端开口位置设置与密封盖6紧密接触的带手柄1-6的籽晶载体1-5；籽晶1-4附着在籽晶载体1-5的下部；手柄1-6被密封盖6包覆，保证了石墨坩埚1的密封效果；内圈一1-1和内圈二1-2上设置有均匀分布的孔洞；手柄1-6的设置方便将籽晶载体1-5从石墨坩埚1内取出。

石墨坩埚1外径的尺寸为120～180mm，石墨坩埚1内径的尺寸最大处的石墨坩埚外壁1-11的壁厚为10mm，石墨坩埚1的高度为100～200mm；密封盖6厚度为5～8mm。

籽晶1-4直径尺寸为100～150mm、厚度为0.5～1mm；籽晶载体1-5厚度为5～8mm。

如图2所示，内圈一1-1与内圈二1-2的高度均为石墨坩埚1高度的20%-50%；内圈一1-1与内圈二1-2的厚度均为5mm；内圈一（1-1）的直径为50～75mm、内圈二（1-2）的直径为25～35mm；内圈一1-1与内圈二1-2上的开孔率均为其内圈表面积的10%～20%。

如图2、3、4所示，石墨坩埚1与内圈一1-1和内圈二1-2一体化加工；石墨坩埚1与内圈一1-1和内圈二1-2分体加工，在石墨坩埚底部1-9预留内圈一沟槽1-7和内圈二沟槽1-8；内圈一沟槽1-7和内圈二沟槽1-8可以是整个圆环形，也可以对称设计卡点。

石墨坩埚1内碳化硅晶体生长的温度在2200～2400℃之间，在此温度下，碳化硅原料1-10升华后达到籽晶1-4位置，形成碳化硅晶体。

工作原理：

如图1、2所示,碳化硅原料1-10和籽晶1-4在石墨坩埚体内的支撑部分及石墨坩埚体的内部结构，是碳化硅晶体生长过程中的核心部分，碳化硅原料1-10放置在石墨坩埚1底部的碳化硅原料放置区1-3，在碳化硅晶体生长过程中，通过石墨坩埚1的尺寸来改变生长碳化硅晶体尺寸，碳化硅晶体生长的温度控制在2200-2400度之间，温度控制通过设置在石墨坩埚1外部的隔热层二2、隔热层一3、外部固定感应线圈5的石英真空室4来调整，在此温度下，碳化硅原料1-10升华后达到籽晶1-4位置，籽晶1-4附着在籽晶载体1-5上，形成碳化硅晶体；因为碳化硅晶体形成过程发生在石墨坩埚1内，所以石墨坩埚1的内部结构在晶体的生长中非常关键，本专利申请通过改变石墨坩埚1的内部结构，大幅提高了碳化硅晶体的生长速率，并有效的提升了碳化硅的生长效率，解决了碳化硅晶体生长速度慢，良率低，价格高的缺陷，能够满足巨大的应用市场需求。

综上所述，本发明通过设置石墨坩埚的内部形状，改变其内部结构，增加孔洞设计，改变坩埚的尺寸设计，均是通过改变石墨坩埚的尺寸来达到改变生长晶体尺寸的目的，晶体生长的温度在2200-2400度之间，在此温度下，碳化硅升华后达到籽晶位置，形成碳化硅晶体；该结构对晶体的生长速率有了明显提高，并有效的提升了碳化硅晶体的生长效率。