一种分体式碳化硅晶体生长用坩埚的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于晶体生长领域，涉及一种采用物理气相输运法生长SiC晶体的坩祸结构，具体地，涉及一种分体式碳化硅晶体生长用坩祸。
【背景技术】
[0002]SiC晶体具有禁带宽度大、临界击穿场强大、饱和漂移速度高、热膨胀系数低、抗辐射能力强等一系列优点，是备受关注的新一代半导体材料，在微波射频、功率器件、LED衬底等应用方面具有广泛的应用前景。尤其是近十年来，无论是SiC晶体材料还是相关器件应用研究都取得了长足发展，SiC晶体器件逐步进入电力电子、新能源汽车、LED照明等产业。
[0003]SiC晶体生长普遍采用物理气相输运法(physical vapor transport，PVT)，其基本原理如图3所示。SiC晶体生长采用感应加热炉，晶体在石墨坩祸105内生长，通常将SiC原料104置于坩祸105的生长室下部，籽晶103固定在生长室顶部的籽晶托102上，石墨坩祸105外围包裹有保温材料作为保温层106，在该保温层106的顶部开有测温孔101。通过调整坩祸105在感应线圈中的位置和保温材料结构构建利用晶体生长的温度场，同时在生长过程中精确控制生长室的温度和压力条件，使SiC原料104从坩祸105下部升华，上升至籽晶103上进行堆积生长，最终获得SiC单晶。
[0004]图3示出了现有的SiC晶体生长所使用的坩祸105的结构，其中，在密闭的石墨坩祸105内，籽晶103与SiC原料104的位置相对固定。例如，相关专利2006800 13 157.1、200580032490.2、201320740468.5等文件中虽然坩祸内部构成与籽晶托结构等有所不同，但均是密闭固定的结构设计。
[0005]然而，大量实验发现，在晶体生长早期，由于升温与降压工艺控制的必然过程，坩祸内部存在一定的温度梯度不稳定和气相组分输运不足的问题，导致籽晶升华破坏，在晶体生长中引入大量缺陷。另外，随着晶体生长过程的进行，晶体逐渐增厚，晶体表面与原料表面的间距随之缩小，这也导致坩祸内部温度梯度改变，往往引起多型衍生及其它晶体缺陷产生。
[0006]因此，设计一种新的坩祸结构，结合相应的晶体生长工艺控制技术，在晶体接种生长阶段能够调整籽晶位置以避免籽晶升华破坏，并且在生长过程中能够调节晶体表面与原料表面的距离，保持温度场的稳定性，对于抑制晶体缺陷形成、实现高质量SiC晶体生长十分必要。
【实用新型内容】
[0007]鉴于以上存在的问题，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种在生长过程中能够调节晶体表面与原料表面的距离，保持温度场的稳定性，对于抑制晶体缺陷形成、实现高质量SiC晶体生长十分必要的分体式碳化硅晶体生长用坩祸。
[0008]为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的分体式碳化硅晶体生长用坩祸，包括:用于盛放SiC晶体生长用原料的原料腔;相对移动地嵌套于所述原料腔的上部以形成晶体结晶区域的生长腔，所述生长腔具备生长室、和设于所述生长室的顶壁上的籽晶托;所述生长室的侧壁形成为由内筒与外筒构成的双层结构。
[0009]根据本实用新型，碳化硅晶体生长用坩祸为分体式结构，分为上下两部分，两者组合构成完整坩祸，其中，上部为生长腔，包括籽晶托、生长室，是晶体结晶区域;下部为原料腔，用于盛放SiC晶体生长用原料。生长腔与原料腔组合构成晶体生长用坩祸，生长腔与原料腔的相对位置可调控，由此在晶体生长早期调整籽晶位置，避免籽晶在不稳定温度梯度条件下发生破坏;在晶体生长过程中能够调节晶体生长面与原料间的距离，维持稳定的晶体生长条件与生长过程，生长出高质量碳化硅晶体。
[0010]此外，生长室的侧壁由内筒和外筒组成，其与原料腔组合使用时，原料腔上部插入内筒和外筒之间的槽内，借助于这种结构，一方面在晶体生长时有利于抑制气相组分溢出生长室，保持生长室内的压力和气相组分的稳定性；另一方面试验发现生长室侧壁的多层结构可以有效抑制热量由坩祸外壁向生长室中心区域传递，有利于构建生长室内更小的径向温度梯度，有利于SiC晶体多型结构的控制。
[0011]又，在本实用新型中，也可以是，所述原料腔具备位于上部的导向筒和位于下部的原料容纳部，所述生长腔嵌套于所述导向筒上。
[0012]根据本实用新型，导向筒主要用于与生长腔装配，发挥运动导向作用，同时也用于生长室内温度场的构建，也可作为生长腔的外部发热体。生长腔嵌套于原料腔上部的导向筒上，两者可相对自由滑动和转动。
[0013]又，在本实用新型中，也可以是，所述导向筒位于所述生长室的内筒与外筒之间，所述内筒和外筒与所述导向筒的相邻表面之间存在间隙，所述间隙为0.1mm—3mm。
[0014]根据本实用新型，有利于实现生长腔和导向筒两者的相对自由滑动和转动。
[0015]又，在本实用新型中，也可以是，所述原料腔还具备位于所述导向筒和所述原料容纳部之间的环形的导流台。
[0016]根据本实用新型，通过设置导流台可引导料区升华的原料气相组分向生长室的中心区域输运，实现晶体持续生长，避免气相组分沿生长腔和导向筒之间的间隙逸出坩祸，影响晶体生长。
[0017]又，在本实用新型中，也可以是，所述导流台的下部形成为斜坡结构。
[0018]根据本实用新型，可进一步有利于引导升华的原料气相组分向生长室的中心区域输运。
[0019]又，在本实用新型中，也可以是，所述生长室的内筒形成为实心结构、空心结构、或扩径结构。
[0020]根据本实用新型，生长室的内筒可形成为实心结构、空心结构、或扩径结构以满足温度梯度调节、晶体外形控制等需要。
[0021]又，在本实用新型中，也可以是，在所述生长室的内筒与所述籽晶托之间形成有空腔结构。
[0022]根据本实用新型，生长室内筒和籽晶托可根据生长实验需要进行设计，以满足温度梯度调节、晶体外形控制等要求。例如，可在生长室的内筒与籽晶托之间设有空腔结构，该空腔结构形成为多余的气相组分结晶空间，主要用于生长室内富余的气相组分结晶，以确保气相组分适当，生长出高质量SiC晶体。
[0023]又，在本实用新型中，也可以是，所述生长腔的顶部设有与生长炉的上提拉机构相连接的连接部。
[0024]根据本实用新型，通过在生长腔的顶部设有与生长炉的上提拉机构相连接的连接部，可通过上提拉机构的提拉动作实现生长腔的升降运动和转动控制。
[0025]又，在本实用新型中，也可以是，所述原料腔置于生长炉的底部托台上，且所述原料腔随所述底部托台升降和旋转。
[0026]根据本实用新型，可在晶体生长过程中实现原料腔的升降和转动控制。
[0027]又，在本实用新型中，也可以是，所述坩祸的材质为石墨、钽、铌、碳化钽、或碳化铌材料;其中，当所述坩祸的材质为石墨材料时，在所述坩祸的表面涂覆钽、铌、钨、碳化钽、或碳化铌涂层。
[0028]根据本实用新型，采用石墨、钽、铌、碳化钽、或碳化铌等耐高温材料制造坩祸，可提高坩祸的耐高温性。优选地，坩祸的材质为石墨材料时，在坩祸的表面涂覆钽、铌、钨、碳化钽、或碳化铌等各种耐高温涂层，用以抑制或避免石墨坩祸在晶体生长过程中发生破坏，确保晶体生长过程稳定进行。
[0029]根据下述【具体实施方式】并参考附图，将更好地理解本实用新型的上述内容及其它目的、特征和优点。
【附图说明】
[0030]图1示出了根据本实用新型一实施形态的分体式碳化硅晶体生长用坩祸的结构示意图；
[0031]图2示出了根据本实用新型另一实施形态的分体式碳化硅晶体生长用坩祸的结构示意图；
[0032]图3示出了现有技术中采用PVT法生长SiC晶体的生长系统结构示意图；
[0033]附图标记:
[0034]1、生长腔，
[0035]2、原料腔，
[0036]3、籽晶托，
[0037]4、生长室，
[0038]5、生长室内筒，
[0039]6、生长室外筒，
[0040]7、导向筒，
[0041]8、导流台，
[0042]9、原料，
[0043]10、连接部，
[0044]11、生长炉体，
[0045]12、上提拉杆，
[0046]13、底部托台，
[0047]14、升降杆，
[0048]15、升降部件，
[0049]16、上提拉部件，
[0050]17、保温材料，
[0051]18、感应线圈，
[0052]101、测温孔，
[0053]102、籽晶托
[0054]103、籽晶，
[0055]104、SiC 原料，
[0056]105、坩祸，
[0057]106、保温层。
【具体实施方式】
[0058]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。
[0059]针对目前SiC晶体生长中通常使用的籽晶与原料位置相对固定的坩祸结构，为避免其在晶体生长早期籽晶由于温度场不稳定易破坏，以及生长过程中籽晶与原料距离无法调节的缺点，本实用新型设计了一种新型的生长SiC晶体的坩祸结构。其结合生长炉相应的机械机构能够实现籽晶(以及生长中的晶体)和原料的独立运动控制。为此，本实用新型提供了一种分体式碳化硅晶体生长用坩祸，包括:用于盛放SiC晶体生长用原料的原料腔；相对移动地嵌套于所述原料腔的上部以形成晶体结晶区域的生长腔，所述生长腔具备生长室、和设于所述生长室的顶壁上的籽晶托;所述生长室的侧壁形成为由内筒与外筒构成的双层结构。
[0060]具体地，该SiC晶体生长用分体式坩祸主要由上下两部分组成，上部称为生长腔，主要部件包括籽晶托、生长室、生长室内筒、生长室外筒，其中生长室是晶体结晶区域。坩祸的下部为原料腔，主要用于盛放SiC晶体生长用原料。
[0061]并且，坩祸的上下两部分一一即生长腔与原料腔，在用于晶体生长时需组合使用，其中生长腔可