用于顶端种子溶液法生长晶体的设备的制作方法

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种用于顶端种子溶液法生长晶体的设备。

背景技术：

随着我国电子元器件产业的飞速发展，对第三代半导体材料的质量也提出了较高的需求。与传统单晶硅相比，由于碳化硅单晶具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强、介电常数低等优越性能因而成为一种优秀的第三代宽禁半导体材料，尤其在航天、新能源器件等方面具有广阔发展前景。

目前，碳化硅单晶生长方法主要包括物理气相传输法(PVT)和顶端种子溶液法(TSSG)。相较于传统物理气相传输法(PVT)，由于顶端种子溶液法(TSSG)的生长环境更接近于热力学平衡条件，因此可以生长质量更高的碳化硅单晶。TSSG方法的主要工作原理是：将籽晶直接固定在搅拌装置上，浸入装满硅溶液的坩埚液面下约3毫米处，此处的坩埚不仅是盛放溶液的装置而且为晶体生长提供碳源，搅拌装置以10rpm速度旋转。在高温(1600℃以上)条件下，溶液在温度梯度驱动下产生湍流流动从而吸附到籽晶上结晶。

但是，采用上述方法制备碳化硅单晶存在的最大问题是无法制取大尺寸(4英寸)晶体。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于顶端种子溶液法生长晶体的设备，能够促进大尺寸晶体生长。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种用于顶端种子溶液法生长晶体的设备，其特征在于，包括：坩埚，用于盛装晶体生长用的液态原料，截面为阶梯状，包括：设置在底面中部半径为L1且高为H1的下凹区域，和从下凹区域的上边缘向四周延伸一定距离L2后再向上延伸高度H2的主体区域；加热装置，对坩埚进行加热，包含；覆盖在下凹区域的整个底面底侧和所有侧面外侧上的第一加热层，和覆盖在主体区域的整个底面底侧和所有侧面外侧上的第二加热层；以及保温装置，设置在加热装置外侧，对坩埚加热装置进行保温，其中，设籽晶半径为R，坩埚内盛装的液态原料的高度为H，则H＝1.4～1.8R，L1＝0.2～0.6R，H1＝0.18～0.23H，L2≥1.5R-L1，设第一加热层的加热温度为T1，第二加热层的加热温度为T2，则T1-T2＝40～60℃。

优选地，本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备还可以具有这样的特征：T1-T2＝50℃。

优选地，本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备还可以具有这样的特征：H＝1.75R。

优选地，本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备还可以具有这样的特征：L1＝0.5R，H1＝0.21H，L2＝2R-L1，H2≥2R。

优选地，本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备还可以具有这样的特征：下凹区域的底面、侧面和主体区域底面的厚度为5mm，主体区域侧面的厚度不小于5mm。

优选地，本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备还可以具有这样的特征：下凹区域和主体区域均为中空圆柱体状。

优选地，本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备还可以具有这样的特征：T1＝1600～1900℃。

发明的作用与效果

根据本发明所提供的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备，由于设有截面为阶梯状的坩埚，并且在坩埚中设有底面中部半径为L1且高为H1的下凹区域，和从下凹区域的上边缘向四周延伸一定距离L2后再向上延伸高度H2的主体区域，设籽晶半径为R，坩埚内盛装的液态原料的高度为H，则H＝1.4～1.8R，L1＝0.2～0.3R，H1＝0.18～0.23H，L2≥1.5R-L1，H2≥2R；进一步，还设有加热装置：第一加热层覆盖在下凹区域的整个底面底侧和所有侧面外侧上，第二加热层覆盖在主体区域的整个底面底侧和所有侧面外侧上，设第一加热层的加热温度为T1，第二加热层的加热温度为T2，则T1-T2＝40～60℃，通过特殊的坩埚形状以及特定的加热温度协同作用，使得在液态原料内部近籽晶壁面上溶液流动方向能够朝向籽晶面，特别有利于大尺寸晶体的生长。

附图说明

图1是本发明实施例中涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备的结构示意图；

图2是本发明实施例中涉及的坩埚的右侧部分结构示意图；

图3是晶体生长速度曲线示意图，其中(a)为现有技术方法，(b)为本实施例方法。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备作详细阐述。

<实施例一>

如图1所示，用于顶端种子溶液法生长晶体的设备10包括盛液容器11、加热装置12以及保温装置13。

如图1和2所示，坩埚11用于盛装晶体生长用的液态原料Y(溶液)，截面为阶梯状，它包括下凹区域111和主体区域112。下凹区域111设置在坩埚11底面中部，为向上开口的中空圆柱体状，并且半径为L1，高为H1。主体区域112从下凹区域111的上边缘向四周延伸一定距离L2后再向上延伸高度H2，为向上开口并且底面中部设有开口的中空圆柱体状。在本实施例中，坩埚11由高纯度石墨制成，下凹区域111的底面、侧面和主体区域112底面的厚度为5mm，主体区域112侧面的厚度为10mm。另外，设籽晶Z半径为R，坩埚11内盛装的液态原料Y的高度为H，则在本实施例中，H＝1.75R，L1＝0.5R，H1＝0.21H，L2＝2R-L1，H2＝2R。

加热装置12用于对坩埚11进行加热，它包含第一加热层121和第二加热层122。第一加热层121覆盖在下凹区域111的整个底面底侧和所有侧面外侧上，也就是说，在下凹区域111的整个底面底侧和所有侧面外侧上加热温度是相等的。第二加热层122覆盖在主体区域112的整个底面底侧和所有侧面外侧上，也就是说，在主体区域112的整个底面底侧和所有侧面外侧上加热温度是相等的。设第一加热层121的加热温度为T1，第二加热层122的加热温度为T2，本实施例中T1＝1750℃，T2＝1700℃。另外，本实施例中，第一加热层121和第二加热层122都采用电阻加热。

保温装置13设置在加热装置12的外侧，即、坩埚11及加热装置12放于保温装置13内，保温装置13对坩埚11加热装置12进行保温，防止热量耗散。本实施例中，保温装置13由石墨毡制成。

以上坩埚11和加热装置12的设计，其主要目的是改变溶液内部流动情况使得顶端籽晶Z可以持续生长，以利于大尺寸晶体的生长。晶体理想的生长界面形状为平或微凸，这就要求了生长速度曲线需要尽可能的平坦或者微弯曲。

本实施例中，以生长大尺寸碳化硅为例进行说明，图3(a)、(b)分别展示了传统结构生长速度曲线和采用本实施例提供的设备10中生长速度曲线，通过比较可以明显看出，在采用本设备10情况下生长界面可以保持水平微弯生长，有利于制备大尺寸碳化硅晶体单晶。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的用于顶端种子溶液法生长晶体的设备并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。