碳化硅籽晶夹具的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种碳化硅籽晶夹具。


背景技术：

2.相关技术中，物理气相传输法(physical vapor transport，pvt)是制备碳化硅晶体最常用的方法。该方法是通过加热碳化硅粉形成碳化硅蒸气，使碳化硅蒸气在籽晶表面沉积、生长，从而得到碳化硅晶体。但是在碳化硅蒸气传输过程中，由于受热不均匀会在籽晶表面形成径向温差，会导致出现碳化硅蒸气从籽晶边缘向籽晶中心传输的现象，最终得到凸形的碳化硅晶体，这种晶体中很可能存在大量的缺陷。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型在于提出一种碳化硅籽晶夹具，所述碳化硅籽晶夹具有利于制备平整的碳化硅晶体。
4.根据本实用新型实施例的碳化硅籽晶夹具，包括：第一籽晶夹，所述碳化硅籽晶设于所述第一籽晶夹的在厚度方向的一侧表面；第二籽晶夹，所述第二籽晶夹设于所述第一籽晶夹的在厚度方向的另一侧且与所述第一籽晶夹可相对转动，所述第二籽晶夹的朝向所述第一籽晶夹的一侧表面形成有多个第一凹槽，所述第一凹槽内设有填充介质，所述填充介质的导热率低于所述第二籽晶夹的导热率，在所述第二籽晶夹的径向从内向外的方向上，多个所述第一凹槽的排布密度逐渐减小。
5.根据本实用新型实施例的碳化硅籽晶夹具，通过第二籽晶夹的朝向第一籽晶夹的一侧表面形成有多个第一凹槽，第一凹槽内设有填充介质，且填充介质的导热率低于第二籽晶夹的导热率，根据热传递原理可知，由于第一凹槽处的填充介质的导热速率较慢，与未设置第一凹槽的其他位置相比可以减少籽晶热量的耗散。相关技术中，在碳化硅晶体生长过程中，碳化硅籽晶边缘的温度高于碳化硅籽晶中心的温度。而在本技术中，通过在第二籽晶夹的径向从内向外的方向上，多个第一凹槽的排布密度逐渐减小，使得位于碳化硅籽晶径向内侧的热量耗散速率小于位于径向外侧的热量耗散速率，从而可以减小碳化硅籽晶表面的径向温差，实现了碳化硅蒸气在碳化硅籽晶表面均匀沉积，从而得到平整的碳化硅晶体，并且能够使碳化硅籽晶正面具有小范围的温差，优先形成多个晶核，随着碳化硅蒸气的不断传输，多个晶核开始侧向生长并形成连续层，最终得到碳化硅晶体，由于侧向生长不具有穿透位错，因此降低了碳化硅晶体中的整体缺陷。
6.在一些实施例中，在所述第二籽晶夹的径向从内向外的方向上，多个所述第一凹槽的截面面积逐渐减小。
7.在一些实施例中，多个所述第一凹槽形成为多个凹槽组，每个所述凹槽组包括环绕所述第二籽晶夹的中心均匀间隔设置的多个第一凹槽，每个所述凹槽组中的多个所述第一凹槽的截面面积相同，且每个所述凹槽组中的多个所述第一凹槽与所述第二籽晶夹的中心的距离相等。
8.在一些实施例中，相邻两个所述凹槽组中的多个所述第一凹槽在所述第二籽晶夹的周向方向错开设置。
9.在一些实施例中，每个所述凹槽组中的多个所述第一凹槽的截面面积的总和为s，在所述第二籽晶夹的径向由内至外的方向上，所述s逐渐减小。
10.在一些实施例中，所述第一籽晶夹和所述第二籽晶夹的相对转动速度在0.1rmp/min-5rmp/min的范围内。
11.在一些实施例中，所述第一凹槽的截面为圆形，所述第一凹槽的内径在20μm-2000μm的范围内，和/或所述第一凹槽的深度在20μm-400μm的范围内。
12.在一些实施例中，所述第一籽晶夹的朝向第二籽晶夹的一侧表面设有多个第二凹槽，在所述第一籽晶夹的径向从内向外的方向上，多个所述第二凹槽的截面面积逐渐减小，且多个所述第二凹槽的排布密度逐渐减小。
13.在一些实施例中，多个所述第二凹槽与多个所述第一凹槽在所述第一籽晶夹的周向和径向方向均交错排布。
14.在一些实施例中，碳化硅籽晶夹具还包括：转动轴，所述转动轴用于驱动所述第一籽晶夹相对所述第二籽晶夹转动，其中，所述第二籽晶夹的中心设有贯穿孔，所述转动轴穿设在所述贯穿孔内，且所述转动轴的一端与所述第一籽晶夹的背离所述碳化硅籽晶的一侧连接。
15.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
16.图1是根据本实用新型实施例的碳化硅籽晶夹具的示意图。
17.附图标记：
18.碳化硅籽晶夹具100，
19.第一籽晶夹1，
20.第二籽晶夹2，第一凹槽21，贯穿孔22，
21.转动轴3，
22.碳化硅籽晶4。
具体实施方式
23.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
24.在相关技术中，使用pvt法(物理气相传输法)制备碳化硅晶体，该方法是通过加热碳化硅粉形成碳化硅蒸气，使碳化硅蒸气在籽晶表面沉积、生长，从而得到碳化硅晶体。pvt法在碳化硅蒸气传输过程中，由于受热不均匀会在籽晶表面形成径向温差，会导致出现碳化硅蒸气从籽晶边缘向籽晶中心传输的现象，最终得到凸形的碳化硅晶体，这种制备方法制备的碳化硅晶体中存在大量的缺陷。
25.下面参考图1描述根据本实用新型实施例的碳化硅籽晶夹具100。
26.如图1所示，根据本实用新型实施例的碳化硅籽晶夹具100包括：第一籽晶夹1和第二籽晶夹2。
27.具体地，碳化硅籽晶4设于第一籽晶夹1的在厚度方向的一侧，第二籽晶夹2设于第一籽晶夹1的在厚度方向的另一侧，第二籽晶夹2的朝向第一籽晶夹1的一侧表面形成有多个第一凹槽21，第一凹槽21内设有填充介质，填充介质的导热率低于第二籽晶夹2的导热率。可以理解的是，根据热传递原理可知，由于第一凹槽21处的填充介质导热速率较慢，与未设置第一凹槽1的其他位置相比可以减少籽晶热量的耗散。
28.如图1所示，在第二籽晶夹2的径向从内向外的方向上，多个第一凹槽21的排布密度逐渐减小。换句话说，在第二籽晶夹2的径向从外向内的方向上，多个第一凹槽21在第二籽晶夹2上的排布密度逐渐增大。
29.相关技术中，在碳化硅晶体生长过程中，碳化硅籽晶边缘的温度高于碳化硅籽晶中心的温度。而在本技术中，在第二籽晶夹2的径向从内向外的方向上，多个第一凹槽21的排布密度逐渐减小，使得位于碳化硅籽晶4径向内侧的热量耗散速率小于位于径向外侧的热量耗散速率，从而可以减小碳化硅籽晶4表面的径向温差，实现了碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4表面均匀沉积，从而得到平整的碳化硅晶体，并且能够使碳化硅籽晶4正面具有小范围的温差，优先形成多个晶核，随着碳化硅蒸气的不断传输，多个晶核开始侧向生长并形成连续层，最终得到碳化硅晶体，由于侧向生长不具有穿透位错，因此降低了碳化硅晶体中的整体缺陷。
30.这里需要说明的是，填充介质可以为气体或固体，例如：氮气、石墨、ta、tac或sic多晶等。
31.如图1所示，碳化硅籽晶4设于第一籽晶夹1的在厚度方向的背离第二籽晶夹2的一侧，第二籽晶夹2与第一籽晶夹1可相对转动。其中，第一籽晶夹1和第二籽晶夹2可以相对转动，可以是仅第一籽晶夹1转动，也可以是仅第二籽晶夹2转动，还可以是第一籽晶夹1和第二籽晶夹2朝向不同的方向转动。通过第一籽晶夹1和第二籽晶夹2的相对转动，使得沿周向方向，第一凹槽21可以与碳化硅籽晶4处于同意半径圆上的不同的周向位置相对，由此，可以提升位于同一半径圆上的碳化硅籽晶4温度分布的均匀性。
32.参照图1所示，在第一籽晶夹1的厚度方向的上侧设有碳化硅籽晶4，在第一籽晶夹1的厚度方向的下侧设有第二籽晶夹2，并且第一籽晶夹1转动，第二籽晶夹2不发生转动，多个第一凹槽21形成于第二籽晶夹2的上侧表面，第一凹槽21内存在填充介质，第二籽晶夹2的导热率大于填充介质的导热率，在第二籽晶夹2的径向从外向内的方向上，多个第一凹槽21在第二籽晶夹2上的排布密度逐渐增大。
33.使用上述碳化硅籽晶夹具100制备碳化硅晶体时，将籽晶通过碳化硅籽晶夹具100固定在坩埚盖上，第一籽晶夹1转动，碳化硅粉置于坩埚的底部，当温度升高至2100℃以上时，碳化硅粉受热升华并向碳化硅籽晶4方向传输。由于碳化硅籽晶4表面在径向上几乎不存在温差，因此碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4的表面上均匀沉积，并优先在多个区域形成晶核，在碳化硅蒸气不断传输的过程中，多个晶核开始侧向生长并形成平整的晶体。
34.根据本实用新型实施例的碳化硅籽晶夹具100，第二籽晶夹2的朝向第一籽晶夹1的一侧表面形成有多个第一凹槽21，第一凹槽21内设有填充介质，且填充介质的导热率低
于第二籽晶夹2的导热率，根据热传递原理可知，由于第一凹槽21处的填充介质导热速率较慢，与未设置第一凹槽1的其他位置相比可以减少籽晶热量的耗散。相关技术中，在碳化硅晶体生长过程中，碳化硅籽晶边缘的温度高于碳化硅籽晶中心的温度。而在本技术中，在第二籽晶夹2的径向从内向外的方向上，多个第一凹槽21的排布密度逐渐减小，使得位于碳化硅籽晶4径向内侧的热量耗散速率小于位于径向外侧的热量耗散速率，从而可以减小碳化硅籽晶4表面的径向温差，实现了碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4表面均匀沉积，从而得到平整的碳化硅晶体，并且能够使碳化硅籽晶正面具有小范围的温差，优先形成多个晶核，随着碳化硅蒸气的不断传输，多个晶核开始侧向生长并形成连续层，最终得到碳化硅晶体，由于侧向生长不具有穿透位错，因此降低了碳化硅晶体中的整体缺陷。
35.这里需要说明的是，多个第一凹槽21在第二籽晶夹2的朝向第一籽晶夹1的一侧表面上的排布密度是指第一凹槽21在第二籽晶夹2的朝向第一籽晶夹1的一侧表面的单位面积内所占的面积的大小。
36.在本实用新型的一些实施例中，在第二籽晶夹2的径向从内向外的方向上，多个第一凹槽21的截面面积逐渐减小。参照图1所示，在第二籽晶夹2的径向的内侧的多个第一凹槽21的截面面积大于在第二籽晶夹2的径向的外侧的多个第一凹槽21的截面面积。由此，能在一定程度上减小碳化硅籽晶4表面的径向温差，而实现碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4的表面均匀沉积，得到平整的碳化硅晶体。
37.在本实用新型的一些实施例中，多个第一凹槽21形成为多个凹槽组，每个凹槽组包括环绕第二籽晶夹2的中心均匀间隔设置的多个第一凹槽21，每个凹槽组中的多个第一凹槽211的截面面积相同，且每个凹槽组中的多个第一凹槽21与第二籽晶夹2的中心的距离相等。也就是说，每个凹槽组均环绕第二籽晶夹2的中心布置，且每个凹槽组均包括多个环绕第二籽晶夹2中心布置的第一凹槽21，在一个凹槽组中的多个第一凹槽21的截面面积均相等，在一个凹槽组中的多个第一凹槽21与第二籽晶夹2的中心的距离也均相等。这样设计使得在距离第二籽晶夹2中心的区域相同的多个第一凹槽21排布密度相等，碳化硅籽晶4的表面碳化硅蒸气沉积的更均匀。
38.在本实用新型的一些实施例中，为了使得多个第一凹槽21在第二籽晶夹2的周向方向上排布的更均匀，将相邻两个凹槽组中的多个第一凹槽21在第二籽晶夹2的周向方向错开设置。参照图1所示，可以是相邻两个凹槽组中的其中一组的多个第一凹槽21设置于另一组的多个第一凹槽21的每两个第一凹槽21的对称中线上。
39.进一步地，在一些实施例中，可以设置每个凹槽组中的第一凹槽21的数量相等，这样，进一步减小了碳化硅籽晶4的表面的径向温差，且降低了碳化硅籽晶4的生产难度，减少了生产成本。
40.在本实用新型的一些实施例中，凹槽组包括3-7个。例如，凹槽组可以包括三个、四个、五个、六个、七个，根据实际生产需要选择凹槽组的组数，扩大了本技术的碳化硅籽晶4的应用范围，适用范围更广。
41.在本实用新型的一些实施例中，每个凹槽组中的多个第一凹槽21的截面面积的总和为s，在第二籽晶夹2的径向由内至外的方向上，s逐渐减小。也就是说，在第二籽晶夹2的径向由外向内的方向上，s逐渐增大。由此，进一步减小了碳化硅籽晶4表面的径向温差，实现了碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4的表面均匀沉积，易于得到更为平整的碳化硅晶体。
42.在本实用新型的一些实施例中，第一籽晶夹1和第二籽晶夹2的相对转动速度在0.1rmp/min-5rmp/min的范围内，可以根据第一凹槽21的排布密度调整相对转动的速度，若第一凹槽21的排布密度过大可以降低第一籽晶夹1和第二籽晶夹2的相对转动速度，若第一凹槽21的排布密度过小可以提升第一籽晶夹1和第二籽晶夹2的相对转动速度，由此，调控籽晶的效果更好，生产的碳化硅晶体的缺陷更少。
43.例如，第一籽晶夹1和第二籽晶夹2的相对转动速度可以为：0.1rmp/min、0.5rmp/min、1rmp/min、1.5rmp/min、2rmp/min、2.5rmp/min、3rmp/min、3.5rmp/min、4rmp/min、4.5rmp/min、5rmp/min等等。
44.在本实用新型的一些实施例中，第一凹槽21的截面为圆形，第一凹槽21的内径在20μm-2000μm的范围内。若第一凹槽1的内径过小会使得生成的碳化硅晶体产生较多的缺陷，若第一凹槽1的内径过大会影响籽晶生长，由此，将第一凹槽1的内径设置在20μm-2000μm的范围内使得调控效果更好。
45.当第一凹槽21的截面形成为圆形时，第一凹槽21的内径可以为：20μm、25μm、30μm、40μm、60μm、80μm、100μm、110μm、125μm、150μm、180μm、200μm、210μm、255μm、295μm、300μm、360μm、400μm、465μm、500μm、550μm、600μm、655μm、700μm、730μm、780μm、800μm、900μm、1000μm、1100μm、1400μm、1600μm、1800μm、1950μm、2000μm等等。
46.在本实用新型的一些实施例中，第一凹槽21的深度在20μm-400μm的范围内。若第一凹槽1的深度过浅会使得生成的碳化硅晶体产生较多的缺陷，若第一凹槽1的深度过深会影响籽晶生长，由此，将第一凹槽1的深度在20μm-400μm的范围内使得调控效果更好。
47.例如，第一凹槽21的深度可以为：20μm、25μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、、120μm、140μm、160μm、180μm、200μm、220μm、240μm、260μm、280μm、300μm、320μm、340μm、360μm、380μm、400μm等等。
48.在本实用新型的一些实施例中，第一籽晶夹1的朝向第二籽晶夹2的一侧表面设有多个第二凹槽(图未示出)，在第一籽晶夹1的径向从内向外的方向上，多个第二凹槽的截面面积逐渐减小，且多个第二凹槽的排布密度逐渐减小。也就是说，多个第二凹槽位于第一籽晶夹1朝向第二籽晶夹2的一侧表面，在第一籽晶夹1的径向从外向内的方向上，多个第二凹槽在第二籽晶夹2上的排布密度逐渐增大。由此，有利于减少第一籽晶夹1在轴向上的温差，从而实现碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4的表面均匀沉积，得到平整的碳化硅晶体。
49.可以理解的是，第一籽晶夹1的朝向第二籽晶夹2的一侧表面设置第二凹槽，外部的气体可以存在于第二凹槽内，根据热传递原理可知，气相热传导低于固相热传导，由此设置第二凹槽处的导热速率较慢，与未设置凹槽的其他位置相比可以减少籽晶热量的耗散。
50.通过在第一籽晶夹1的径向从内向外的方向上，多个第二凹槽21的截面面积逐渐减小，且多个第二凹槽21的排布密度逐渐减小，使得位于碳化硅籽晶4径向内侧的热量耗散速率小于位于径向外侧的热量耗散速率，从而可以进一步减小碳化硅籽晶4表面的径向温差，实现了碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4表面均匀沉积，从而得到进一步平整的碳化硅晶体。
51.在本实用新型的一些实施例中，多个第二凹槽与多个第一凹槽21在第一籽晶夹1的周向和径向方向均交错排布。也就是说，在第一籽晶夹1的周向方向，多个第一凹槽21和多个第二凹槽交错排布；在第一籽晶夹2的径向方向，多个第一凹槽21和多个第二凹槽也交错排布。由此，进一步减小了碳化硅籽晶4表面的径向温差，实现了碳化硅蒸气在碳化硅籽
晶4的表面均匀沉积，易于得到更为平整的碳化硅晶体。
52.在本实用新型的一些实施例中，碳化硅籽晶夹具100还包括：转动轴3，转动轴用于驱动第一籽晶夹1相对第二籽晶夹2转动，其中，第二籽晶夹2的中心设有贯穿孔22，转动轴3穿设在贯穿孔22内，且转动轴3的一端与第一籽晶夹1的背离碳化硅籽晶4的一侧连接。由此，可以简化碳化硅籽晶夹具100结构的复杂度，降低了碳化硅籽晶夹具100制造的难度，提升了碳化硅籽晶夹具100的生产效率，减少了碳化硅籽晶夹具100的生产成本。此外，采用转动轴3驱动第一籽晶夹1转动的结构设计，还可以提升第一籽晶夹1转动的平稳性和可靠性。
53.在本实用新型的一些实施例中，第一凹槽21的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。可以理解的是，第一凹槽21的形状可以根据碳化硅籽晶4的生长环境选择设计，使得本实用新型中的籽晶夹具100可以适用于不同的场景，从而提升了籽晶夹具100的通用性。
54.参照图1所示，第一凹槽21的截面形状为圆形。因为碳化硅籽晶4本身为圆形，设置圆形第一凹槽1避免了排列时第一凹槽1排布密度不同的问题，便于第一凹槽1的排列，更便于调控碳化硅籽晶4。
55.在另一些实施例中，第一凹槽21的截面形状可以为三角形、四边形、五边形、六边形等等。为了保证碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4表面均匀沉积，第一凹槽21的截面形状优选为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形等等。
56.下面将参考图1描述根据本实用新型两个具体实施例的碳化硅籽晶夹具100。
57.实施例一，参照图1所示，碳化硅籽晶夹具100包括第一籽晶夹1、第二籽晶夹2和转动轴3，碳化硅籽晶4固定在第一籽晶夹1的上侧表面，第二籽晶夹2位于第一籽晶夹1的下侧，并且第一籽晶夹1和第二籽晶夹2同轴设置，在第二籽晶夹2朝向第一籽晶夹1的一侧表面上形成有多个第一凹槽21，并且多个第一凹槽21均形成为圆形，且多个第一凹槽在第二籽晶夹的径向和周向方向上均交错排布。
58.实施例二，碳化硅籽晶夹具100包括第一籽晶夹1、第二籽晶夹2和转动轴3，碳化硅籽晶4固定在第一籽晶夹1的上侧表面，第二籽晶夹2位于第一籽晶夹1的下侧，并且第一籽晶夹1和第二籽晶夹2同轴设置，在第二籽晶夹2朝向第一籽晶夹1的一侧表面上形成有多个第一凹槽21，在第一籽晶夹1朝向第二籽晶夹2的一侧表面上形成有多个第二凹槽，并且多个第一凹槽21和多个第二凹槽均形成为圆形，且多个第二凹槽与多个第一凹槽21在第一籽晶夹1的周向和径向方向均交错排布。
59.在制备过程中，将籽晶4通过碳化硅籽晶夹具100固定在坩埚盖上，第一籽晶夹1转动，碳化硅粉置于坩埚的底部，当温度升高至2100℃以上时，碳化硅受热升华并向碳化硅籽晶4方向传输。由于碳化硅籽晶4表面在径向上几乎不存在温差，因此碳化硅蒸气在碳化硅籽晶4的表面上均匀沉积，并优先在多个区域形成晶核，在碳化硅蒸气不断传输的过程中，多个晶核开始侧向生长并形成平整的晶体，侧向生长不具有穿透位错，因此降低了碳化硅晶体中的整体缺陷。
60.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
61.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
62.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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，还可以是通信；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实用新型中的具体含义。
63.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实用新型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须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。
64.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨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权利要求及其等同物限定。