一种持续供料的SiC单晶生长系统的制作方法

本发明属于sic单晶生长技术领域，具体涉及一种持续供料的sic单晶生长系统。

背景技术：

sic作为宽带隙半导体材料以其高的禁带宽度（为si的3倍），高的击穿临界场强（约为si的9倍），高电子饱和漂移速度（为si的2倍）和高热导率（约为si的3倍），小的介电常数，以及抗辐射能力强，结实耐磨损等特性而成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。因而成为当前广泛研究的材料之一。在sic单晶生长技术方面，目前国际上主要采用物理气相输运（pvt）生长sic单晶，其主要原理是si-c体系在高温下的升华和再结晶。在对si-c体系中气相物种的热力学平衡过程进行研究发现，sic生长体系中的主要物种为si，si2c，sic2，在一定的晶体生长所需温度范围内，3个物种的分压按si-sic2-si2c顺序递减，si的分压最大。由于粉料质量是一定的，si物质流传输会随着生长过程的增加不断衰减，即si会过早的升华，剩余的粉料会过早的发生碳化。加上坩埚内粉料温度的差异，坩埚壁处温度过热，会加剧这一过程，使得在sic生长的中后期，大量粉料中的c颗粒被携带到晶体表面，晶体中的c包裹物增多。同时由于c包裹物的影响，sic单晶后期结晶质量变差，衍生出许多微管，位错等缺陷，甚至出现多晶。这也导致了pvt法生长的sic晶体不能生长的很厚，影响了产率，增加了成本。而现有技术大部分使用如钽等的碳吸收剂，吸收坩埚边缘等处的碳化粉料，降低粉料碳化程度，从而减少包裹物源的产生，或者在生长腔内使用多孔石墨网来阻挡碳颗粒的输运，减少到达晶体生长面的碳颗粒浓度，从而减少包裹物的生成，但是存在以下缺点：钽等金属价格比较昂贵，做成坩埚涂层等增加额外的工艺过程，造成成本增加，另外环境引入额外杂质，对晶体成晶质量造成隐患；生长腔内的多孔石墨网处会有sic晶体结晶，阻挡了粉料中sic气相组分的向上输运，生长速率大大降低，影响了产率，增加了成本。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

本发明提出了一种持续供料的sic单晶生长系统，包括：生长炉、坩埚和传动装置，其中，所述坩埚包括：上坩埚和下坩埚，其中，所述上坩埚固定于炉腔的上部，在所述上坩埚内的顶部固定有籽晶；所述下坩埚位于炉腔的下部，在所述下坩埚内设有sic粉料，且多个所述下坩埚分别设置于所述传动装置上，通过所述传动装置将所述多个下坩埚交替上升至炉腔的上部与所述上坩埚连接，进行所述sic粉料的持续替换。

进一步的，所述传动装置包括：传动机、传动杆和支撑板，其中，所述传动杆一端伸入炉体与所述支撑板相连，所述下坩埚设置于所述支撑板上，所述传动杆的另一端位于炉外且与所述传动机相连。

进一步的，所述传动杆与炉体的连接处采用密封件进行密封。

进一步的，所述上坩埚和下坩埚进行卡接。

进一步的，还包括：设置于炉腔的隔热层和感应线圈，其中，所述坩埚设置于所述隔热层内，所述感应线圈设置于所述隔热层的外部。

进一步的，所述隔热层的底部为开口，所述支撑板通过所述开口上升，将所述开口进行密封。

进一步的，所述支撑板与隔热层的材质相同。

进一步的，所述隔热层的顶部设有测温孔。

进一步的，所述炉体上还设有气体入口，用于调节炉腔内的压力。

在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的sic单晶生长系统生长单晶的方法，包括以下步骤：

（1）将sic粉料放置下坩埚内，将籽晶固定于上坩埚内的顶部；

（2）通过传动装置将下坩埚升至炉腔的上部与所述上坩埚连接；

（3）向炉腔内充入气体，使炉腔内维持一定的压力，感应加热使得上部炉腔内的温度升高；

（4）降低炉腔内压力，使sic粉料开始升华，晶体开始生长；

（5）生长一定时间后，升高炉腔内压力，使得晶体停止生长；

（6）通过传动装置把盛有消耗过sic粉料的下坩埚降下，把盛有新sic粉料的另外一个下坩埚升到炉腔上部，与上坩埚连接，感应加热一段时间；

（7）重复所述步骤（4）-（6），直至多个下坩埚内的新sic粉料都消耗完毕；

（8）降低温度，取出生长完毕的晶体。

本发明的有益效果至少包括：本发明利用传动装置将下部碳化消耗过的粉料替换成新粉料，从源头上解决了pvt法因生长时气相的si/c比远远偏离sic化学计量比，在晶体生长中后期容易形成c包裹物，继而衍生出缺陷甚至多晶，造成sic单晶不能生长的很厚的问题。碳化过的粉料替换成新的粉料后，si/c比大大增加，生长环境内没有了多余的碳颗粒，从而从根本上消除了包裹物的形成，同时使的pvt法晶体可以生长的很厚，大大提高了产率，降低了成本。

附图说明

图1为本发明系统工作状态图一。

图2为本发明系统工作状态图二。

图3为本发明系统工作状态图三。

其中，生长炉1、上坩埚2、下坩埚3、传动杆4、支撑板5、籽晶6、感应线圈7、隔热层8、测温孔9。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本发明的实施例，图1为本发明系统工作状态图一，图2为本发明系统工作状态图二，图3为本发明系统工作状态图三，参照图1-3所示，本发明所述持续供料的sic单晶生长系统，包括：生长炉、坩埚、传动装置、设置于生长炉炉腔的隔热层和感应线圈。

根据本发明的实施例，参照图1-3所示，所述坩埚设置于所述隔热层内，所述感应线圈设置于所述隔热层的外部。

根据本发明的实施例，参照图1-3所示，所述坩埚包括：上坩埚和下坩埚，其中，所述上坩埚固定于炉腔的上部，在所述上坩埚内的顶部固定有籽晶；所述下坩埚位于炉腔的下部，在所述下坩埚内设有sic粉料，且多个所述下坩埚分别设置于所述传动装置上，通过所述传动装置将所述多个下坩埚交替上升至炉腔的上部与所述上坩埚进行卡接，进行所述sic粉料的持续替换。

根据本发明的实施例，参照图1-3所示，所述传动装置包括：传动机、传动杆和支撑板，其中，所述传动杆一端伸入炉体与所述支撑板相连，所述下坩埚设置于所述支撑板上，所述传动杆的另一端位于炉外且与所述传动机相连。

根据本发明的一些实施例，所述传动杆与炉体的连接处采用密封件进行密封。

根据本发明的一些实施例，所述隔热层的底部为开口，所述支撑板通过所述开口上升，将所述开口进行密封；更具体的，所述支撑板与隔热层的材质相同。

根据本发明的一些实施例，所述隔热层的顶部设有测温孔；所述炉体上还设有气体入口，用于调节炉腔内的压力。

在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的sic单晶生长系统生长单晶的方法，包括以下步骤：

（1）将sic粉料放置下坩埚内，将籽晶固定于上坩埚内的顶部；

（2）通过传动装置将下坩埚升至炉腔的上部与所述上坩埚连接；

（3）向炉腔内充入气体，使炉腔内维持一定的压力，感应加热使得上部炉腔内的温度升高；

（4）降低炉腔内压力，使sic粉料开始升华，晶体开始生长；

（5）生长一定时间后，升高炉腔内压力，使得晶体停止生长；

（6）通过传动装置把盛有消耗过sic粉料的下坩埚降下，把盛有新sic粉料的另外一个下坩埚升到炉腔上部，与上坩埚卡接，感应加热一段时间；

（7）重复所述步骤（4）-（6），直至多个下坩埚内的新sic粉料都消耗完毕；

（8）降低温度，取出生长完毕的晶体。

实施例1：

当下坩埚个数为两个时，分别为：下坩埚a和下坩埚b，一种利用前面所述的sic单晶生长系统生长单晶的方法，包括以下步骤：

（1）将sic粉料放置下坩埚a和下坩埚b内，将籽晶固定于上坩埚内的顶部；

（2）通过传动装置将下坩埚a升至炉腔的上部与所述上坩埚连接；

（3）向炉腔内充入气体，使炉腔内维持100mpa，感应加热使得上部炉腔内的温度升至2000℃；

（4）降低炉腔内压力至100pa，使sic粉料开始升华，晶体开始生长；

（5）生长100h后，升高炉腔内压力至100mpa，使得晶体停止生长；

（6）通过传动装置把盛有消耗过sic粉料的下坩埚a降下，把盛有新sic粉料的下坩埚b升到炉腔上部，与上坩埚卡接，感应加热10h；

（7）再次降低炉腔内压力至100pa，使sic粉料开始升华，晶体开始生长，直至下坩埚b内的新sic粉料都消耗完毕；

（8）降低温度至常温，取出生长完毕的晶体。

发现晶体生长很厚，且没有明显的c包裹物生成。

实施例2：

当下坩埚个数为三个时，分别为：下坩埚a、下坩埚b和下坩埚c，一种利用前面所述的sic单晶生长系统生长单晶的方法，包括以下步骤：

（1）将sic粉料放置下坩埚a、下坩埚b和下坩埚c内，将籽晶固定于上坩埚内的顶部；

（2）通过传动装置将下坩埚a升至炉腔的上部与所述上坩埚连接；

（3）向炉腔内充入气体，使炉腔内维持100mpa，感应加热使得上部炉腔内的温度升至2000℃；

（4）降低炉腔内压力至100pa，使sic粉料开始升华，晶体开始生长；

（5）生长100h后，升高炉腔内压力至100mpa，使得晶体停止生长；

（6）通过传动装置把盛有消耗过sic粉料的下坩埚a降下，把盛有新sic粉料的下坩埚b升到炉腔上部，与上坩埚卡接，感应加热10h；

（7）再次降低炉腔内压力至100pa，使sic粉料开始升华，晶体开始生长；

（8）生长100h后，升高炉腔内压力至100mpa，使得晶体停止生长；

（9）通过传动装置把盛有消耗过sic粉料的下坩埚b降下，把盛有新sic粉料的下坩埚c升到炉腔上部，与上坩埚卡接，感应加热10h；

（10）再次降低炉腔内压力至100pa，使sic粉料开始升华，晶体开始生长，直至下坩埚c内的新sic粉料都消耗完毕；

（8）降低温度至常温，取出生长完毕的晶体。

发现晶体生长很厚，且没有明显的c包裹物生成。

本发明把坩埚分离为上下两个部分，上部固定籽晶，下部装粉料，晶体生长到一定阶段后，利用传动装置下部碳化消耗过的粉料替换成新粉料，在晶体生长过程中粉料可以不断替换，实现了晶体的不断生长和c包裹物的减少。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。