一种高纯半绝缘的碳化硅单晶生长装置的制作方法

本实用新型涉及碳化硅单晶生长设备制造领域，具体为一种高纯半绝缘的碳化硅单晶生长装置。

背景技术：

碳化硅单晶材料属于第三代宽带隙半导体材料的代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，尤其高纯半绝缘的碳化硅将应用于手机5G通信。

目前碳化硅单晶生长以物理气相沉积法(PVT)为主要生长方式，已经被证明是生长SiC晶体最成熟的方法。其应用在生长高纯半绝缘的碳化硅晶体时是将高纯的SiC粉料加热到2200～2500℃，在惰性气氛的保护下，使其升华到冷端籽晶上，结晶成为块状晶体。过程不仅需要建立一个合适的温场，形成稳定的气相SiC从高温到低温的输运流，又使得气相SiC可以在籽晶上形成良好的生长界面生长。同时要避免杂质掺入，将背景杂质浓度控制在5x10¹⁷cm³，并通过退火工艺增加本征点缺陷来补偿浅受主和浅施主能级差，生长中的一个除杂方法是生长前，通过抽真空后通入惰性气体Ar₂至600-800mbar，在升温至1950-2050℃使原料及坩埚中的背景杂质B、N、Al等升华，但是这个温度足以使得其他杂质及颗粒升华甚至硅、碳颗粒升华，将有可能附着在籽晶上造成晶体生长缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种有效避免杂质颗粒附着在籽晶上，导致各种位错缺陷增多，避免边缘多晶的高纯半绝缘的碳化硅单晶生长装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种高纯半绝缘的碳化硅单晶生长装置，包括坩埚、坩埚盖、碳毡保温层、感应线圈，所述坩埚盖位于顶部封闭所述坩埚，所述坩埚内放置有碳化硅粉末，所述碳毡保温层包覆所述坩埚的周围、顶部、底部，所述感应线圈围绕碳毡保温层设置，所述坩埚盖内侧中心形成有圆柱形凸台，所述凸台表面粘合有籽晶，所述凸台上环绕套设有一夹套，所述凸台外侧壁对应所述夹套开设有相适配的夹套卡槽，所述凸台侧壁夹套卡槽下端开设有通气孔，夹套卡槽上端开设有排气孔，所述坩埚盖外侧连接气管，所述气管与通气孔和排气孔连通，所述夹套由左夹套和右夹套组成，所述左夹套和右夹套通过插销固定连接，所述左夹套和右夹套上分布有导气孔。

优选的，所述圆柱形凸台的高度为所述坩埚盖的0.5-1.5倍，直径为所述坩埚盖的0.3-0.6倍。

优选的，所述碳毡保温层与感应线圈之间套设有一石英筒。

优选的，所述碳毡保温层设有1-4层，每层厚度为5-10mm。

优选的，所述排气孔设置在夹套卡槽与坩埚盖顶部之间的中心位置，环绕凸台分布12-36个。

优选的，所述左夹套和右夹套为相互配合的两个半圆，所述左夹套和右夹套的连接端上对应插销开设有插销槽。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型在贴籽晶的凸台外套设一个带有导气孔的夹套，在生长前除杂时通入惰性气体氩气，氩气气流阻挡了杂质颗粒，避免杂质颗粒附着在籽晶上，导致晶体生长过程中碳包裹物、微观、及各种位错缺陷增多。

2、本实用新型夹套的导气孔在生长时不通入氩气时具有导流作用，使得到达边缘的蒸气沿着导气孔导出，避免边缘多晶。

3、本实用新型凸台侧面上开有排气孔，可供生长前除杂时排泄杂质气体，并且在生长时因该位置所处的温度梯度位置较冷，较易被SiC蒸气堵住，不会导致SiC蒸气流失。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型夹套与坩埚盖的爆炸结构示意图；

图3为本实用新型夹套的剖视结构示意图。

图中：1、坩埚；2、坩埚盖；3、碳毡保温层；4、感应线圈；5、碳化硅粉末；6、凸台；7、籽晶；8、夹套；9、夹套卡槽；10、通气孔；11、排气孔；12、气管；13、石英筒；81、左夹套；82、右夹套；83、插销；84、导气孔；85、插销槽。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种高纯半绝缘的碳化硅单晶生长装置，包括坩埚1、坩埚盖2、碳毡保温层3、感应线圈4，所述坩埚盖2位于顶部封闭所述坩埚1，所述坩埚1内放置有碳化硅粉末5，所述碳毡保温层3包覆所述坩埚1的周围、顶部、底部，所述碳毡保温层3设有1-4层，每层厚度为5-10mm，所述感应线圈4围绕碳毡保温层3设置，所述碳毡保温层3与感应线圈4之间套设有一石英筒13，所述坩埚盖2内侧中心形成有圆柱形凸台6，所述圆柱形凸台6的高度为所述坩埚盖2的0.5-1.5倍，直径为所述坩埚盖2的0.3-0.6倍，所述凸台6表面粘合有籽晶7，所述凸台6上环绕套设有一夹套8，所述凸台6外侧壁对应所述夹套8开设有相适配的夹套卡槽9，所述凸台侧壁夹套卡槽9下端开设有通气孔10，夹套卡槽9上端开设有排气孔11，所述排气孔11设置在夹套卡槽9与坩埚盖2顶部之间的中心位置，环绕凸台6分布12-36个，所述坩埚盖2外侧连接气管12，所述气管12与通气孔10和排气孔11连通，所述夹套8由左夹套81和右夹套82组成，所述左夹套81和右夹套82为相互配合的两个半圆，所述左夹套81和右夹套82的连接端上对应插销83开设有插销槽85，所述左夹套81和右夹套82通过插销83固定连接，所述左夹套81和右夹套82上分布有导气孔84。

工作原理：首先抽真空到压力5x10^-2mbar以下，充入氩气控制压力在600-800mbar环境之下，打开水冷式感应线圈4通电感应加热坩埚同时通过气管12通入200-800sccm的氩气，加热到温度1950-2050℃，持温1-5h后，停止向通气管通入氩气，并调节充入腔内的氩气流量控制压力在5-200mbar，温度继续加热到2050-2250℃，这个时候碳化硅粉末5开始升华变成碳化硅气体，沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶处沉积结晶，经过5～10天的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶生长。

本实用新型在贴籽晶的凸台外套设一个带有导气孔的夹套，在生长前除杂时通入惰性气体氩气，氩气气流阻挡了杂质颗粒，避免杂质颗粒附着在籽晶上，导致晶体生长过程中碳包裹物、微观、及各种位错缺陷增多；夹套的导气孔在生长时不通入氩气时具有导流作用，使得到达边缘的蒸气沿着导气孔导出，避免边缘多晶；凸台侧面上开有排气孔，可供生长前除杂时排泄杂质气体，并且在生长时因该位置所处的温度梯度位置较冷，较易被SiC蒸气堵住，不会导致SiC蒸气流失。

实施案例一、在高纯石墨坩埚1装入入1-2kg高纯纯度5N-6N碳化硅粉末5，装入带有4寸的4H籽晶7和夹套8的坩埚盖2，首先抽真空到压力5x10^-2mbar以下，充入氩气控制压力在700mbar环境之下，打开水冷式感应线圈4通电感应加热石墨坩埚1同时通过同气管通入600sccm的氩气，加热到温度1975℃，持温2h后，停止向通气管通入氩气，并调节充入腔内的氩气流量控制压力在5-200mbar，温度继续加热到2050-2250℃，这个时候碳化硅粉末5开始升华变成碳化硅气体，沿着温度梯度从高温区传输到较低温度区域的籽晶处沉积结晶，经过6天的沉积结晶时间，完成碳化硅单晶生长，得到4h高纯半绝缘晶体及晶片呈现透明状的，在强光及偏光仪下均碳包裹物，边缘无多晶，通过E+H测试电阻值各个位置的电阻均大于5x106Ω。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”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，除非另有明确的限定，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实用新型中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。