一种热场结构、碳化硅生长装置和碳化硅的生长方法与流程

本发明属于碳化硅生长，涉及一种热场结构、碳化硅生长装置和碳化硅的生长方法。

背景技术：

1、碳化硅(sic)是一种具抗辐射能力强、高临界电场和高饱和迁移率的第三代半导体材料，在功率器件领域极具优势，广泛应用于新能源汽车、光伏发电、铁路交通及电力系统等领域。

2、目前行业较为成熟的碳化硅晶体生长方法为物理气相传输法(pvt)，其原理是利用一定的温度梯度设置，使碳化硅粉料在密闭环境内蒸发的气氛在籽晶面结晶。感应线圈加热因加热效率高、升温速度快成为主流加热方法。但该加热方式会造成坩埚内部原料的径向温度梯度较大，尤其在生长大尺寸晶体时，随坩埚直径增加原料的径向温度梯度进一步增大，使得高温区的原料碳化严重，影响气相组分，容易造成包裹、微管和型变等缺陷，同时造成原料利用率下降；另外，晶体生长区同样存在温度梯度过大情况，一方面会造成籽晶烧蚀从而形成六方空洞，甚至影响单晶面积，另一方面会导致晶体内部应力增大，诱导位错、微裂纹等缺陷产生，影响单晶结晶质量的一致性。

3、为避免长晶过程原料区径向温度梯度过大造成的粉料局部碳化严重，进而影响原料利用率和晶体质量，以及晶体生长区径向温度梯度造成晶体一致性差、籽晶烧蚀和位错增加质量问题，亟需一种可调控温度梯度的热场结构。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种热场结构、碳化硅生长装置和碳化硅的生长方法。本发明的热场结构中，侧保温部件的内保温层和外保温层间隙中设置有侧感应件，侧感应件可以改变坩埚的感应磁场，使与之对应的坩埚位置产生的热量减少，从而起到减小坩埚径向温度梯度的作用，其可移动的特性使得侧感应件可减小坩埚任意位置(如原料区和晶体生长区)的径向温度梯度，从而能够提高碳化硅的结晶质量和原料的利用率。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种热场结构，所述热场结构包括侧保温部件、顶部保温部件、底部保温部件和感应加热线圈；

4、所述侧保温部件包括由内至外依次嵌套的内保温层和外保温层，所述内保温层和外保温层均为两端开口的中空筒状结构，所述内保温层的中空腔内设置有坩埚；所述内保温层和外保温层之间具有间隙，所述间隙内设置有可移动的侧感应件；

5、所述外保温层的一端开口与顶部保温部件的底面边缘相接，另一端开口与底部保温部件的顶面边缘相接；

6、所述感应加热线圈环绕设置于侧保温部件、顶部保温部件和底部保温部件的外周。

7、本发明提供了一种热场结构，侧保温部件的内保温层和外保温层间隙中设置有侧感应件，由于感应加热线圈通电后产生感应磁场，使坩埚产生涡流，进而产生热量；侧感应件在感应磁场的作用下也会产生涡流，进而产生热量，而感应磁场产生的热量是固定的，因此侧感应件能够减少坩埚位置的热量，起到减小坩埚径向温度梯度的作用，其可移动的特性使得侧感应件可减小坩埚任意位置(如原料区和晶体生长区)的径向温度梯度，从而能够提高碳化硅的结晶质量和原料的利用率；此外，在内保温层和外保温层的间隙中设置侧感应件，内保温层对坩埚起保温作用和隔断侧感应件的热量辐射，若没有内保温层直接设置侧感应件，侧感应件在线圈感应磁场的作用下产生的热量会辐射到坩埚，起不到减小坩埚径向温度梯度的作用。

8、优选地，所述内保温层的厚度为0-60mm，且不为0，例如可以是1mm、5mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm或55mm等。

9、优选地，所述外保温层的厚度为20-80mm，例如可以是20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm或80mm等。

10、优选地，所述内保温层和外保温层同轴设置。

11、优选地，所述间隙的宽度为5-30mm，例如可以是5mm、7mm、10mm、12mm、15mm、17mm、20mm、25mm或30mm等。

12、优选地，所述侧感应件包括感应发热环。

13、优选地，所述侧感应件的高度为20-80mm，例如可以是20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm或80mm等。

14、优选地，所述侧感应件的厚度与坩埚的厚度的比为(0.1-2):1，例如可以是0.1:1、0.3:1、0.5:1、0.7:1、1:1、1.2:1、1.5:1或1.7:1等。

15、优选地，所述侧感应件连接有运动机构a，所述运动机构a用于带动侧感应件沿坩埚的轴线方向移动。

16、优选地，所述内保温层的一端开口与顶部保温部件的底面相接，另一端开口与底部保温部件的顶面相接；所述坩埚的底面与所述底部保温部件的顶面相接。

17、优选地，所述顶部保温部件的中心设有测温孔。

18、优选地，所述底部保温部件的顶面中心设置有凹槽，所述凹槽内设置有可移动的底部感应件。

19、本发明中，底部感应件与坩埚不在同一水平位置，其自身因感应加热可以产生热量，通过控制其与坩埚底部的距离可以控制坩埚底部温度，提升原料中心温度，从而起到了减小径向温度梯度和增加轴向温度梯度的作用。

20、优选地，所述凹槽的直径与坩埚的底面外径的比为(0.1-1):1，例如可以是0.1:1、0.2:1、0.3:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1或1:1等。

21、优选地，所述凹槽的深度与底部保温部件的厚度的比值为(1/3-2/3):1，例如可以是0.34、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65或0.66等。

22、优选地，所述凹槽与所述坩埚的底面正对设置。

23、优选地，所述底部感应件包括感应发热环。

24、优选地，所述底部感应件的高度与坩埚的底部厚度的(0.25-3):1，例如可以是0.25:1、0.26:1、0.27:1、0.28:1、0.29:1或0.3:1等。

25、优选地，所述底部感应件的外径与坩埚的底面外径的比为(1/10-4/5):1，例如可以是0.1:1、0.2:1、0.3:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1或0.8:1等。

26、优选地，所述底部感应件连接有运动机构b，所述运动机构b用于带动底部感应件沿坩埚的轴线方向移动。

27、第二方面，本发明提供了一种碳化硅生长装置，所述碳化硅生长装置包括第一方面所述的热场结构。

28、所述碳化硅生长装置在使用时加入籽晶，籽晶设置于热场结构中的坩埚的内腔顶部。

29、第三方面，本发明提供了一种碳化硅的生长方法，所述生长方法采用第二方面所述的碳化硅生长装置进行。

30、优选地，所述生长方法包括：将碳化硅原料放入坩埚中，并将籽晶设置于坩埚的内腔顶部，使碳化硅原料形成的料面低于籽晶的底面，得到装有碳化硅原料的碳化硅生长装置；调控运动机构a移动侧感应件并调控运动机构b移动底部感应件，进行碳化硅生长。

31、优选地，所述生长方法包括：

32、(1)将碳化硅原料放入坩埚中，并将籽晶设置于坩埚的内腔顶部，使碳化硅原料形成的料面低于籽晶的底面，得到装有碳化硅原料的碳化硅生长装置；

33、(2)将所述装有碳化硅原料的碳化硅生长装置放入生长炉中，抽真空并通入保护气体；然后通过运动机构a将侧感应件移动至籽晶所处位置，通过运动机构b将底部感应件移动至凹槽的底面，开启感应加热线圈进行升温；

34、(3)调控运动机构a使侧感应件以第一速度移动至坩埚底部，然后在第一压力下生长碳化硅；

35、(4)调控运动机构a，使侧感应件以第二速度向靠近籽晶的方向移动；调控运动机构b，使底部感应件以第三速度向靠近坩埚底部的方向移动，同时维持第一压力继续生长碳化硅；

36、(5)调控运动机构a，使侧感应件以第四速度移动至生长区，所述生长区为所述料面和籽晶之间的区域；调控运动机构b，使底部感应件以第五速度移动至坩埚底部，同时维持第一压力继续生长碳化硅。

37、需要说明的是，在上述生长方法中，碳化硅的生长时间是连续的，是没有中断的。此外，步骤(2)中“通过运动机构a将侧感应件移动”和“通过运动机构b将底部感应件移动”无先后顺序限定，可以先移动侧感应件，后移动底部感应件；也可以先移动底部感应件，后移动侧感应件；还可以同时进行移动。步骤(4)和步骤(5)与此同理。

38、本发明中，通过热场结构和设定的碳化硅生长工艺，使得碳化硅长晶过程中坩埚顶部、侧部及底部的径向温度梯度可调。其中，步骤(2)中通过运动机构a将侧感应件移动至籽晶所处位置，可降低籽晶区域径向温度梯度，避免快速升温过程籽晶烧蚀；通过运动机构b将底部感应件移动至凹槽的底面，可降低原料高温区温度，避免快速碳化。步骤(3)中调控运动机构a使侧感应件以第一速度移动至坩埚底部，使得侧感应件可控制原料区域径向温度梯度，避免边缘区域严重碳化。并且操作简单，适合工业化生产。

39、优选地，步骤(2)所述抽真空后的压力小于10-2pa，例如可以是1×10-3pa、2×10-3pa、5×10-3pa、7×10-3pa或9×10-3pa等。

40、优选地，步骤(2)中通入保护气体后的压力为10-800mbar，例如可以是10mbar、20mbar、30mbar、50mbar、100mbar、200mbar、300mbar、500mbar、600mbar、700mbar或750mbar等。

41、优选地，步骤(2)所述升温之后，所述坩埚的内腔温度为1800-2100℃，例如可以是1800℃、1900℃、2000℃、2050℃或2100℃等。

42、本发明中，所述坩埚的内腔温度可通过顶部保温部件上设置的测温孔测试得到。

43、优选地，步骤(3)所述第一速度为0.3-3mm/min，例如可以是0.3mm/min、0.5mm/min、0.7mm/min、1mm/min、1.2mm/min、1.5mm/min、2mm/min或2.5mm/min等。

44、优选地，步骤(3)所述第一压力为5-50mbar，例如可以是5mbar、10mbar、15mbar、20mbar、30mbar、40mbar或45mbar等。

45、本发明中，步骤(3)中降低压力至第一压力，以生长碳化硅。

46、优选地，步骤(3)中生长所述碳化硅的时间为1-30h，例如可以是1h、2h、5h、10h、15h、20h、25h或30h等。

47、优选地，步骤(4)所述第二速度为0.5-2mm/h，例如可以是0.5mm/h、1mm/h、1.5mm/h、1.7mm/h或2mm/h等，所述第三速度为0.05-1.5mm/h，例如可以是0.05mm/h、0.07mm/h、0.1mm/h、0.2mm/h、0.5mm/h、1mm/h、1.2mm/h或1.5mm/h等。

48、优选地，步骤(4)中生长所述碳化硅的时间为20-70h，例如可以是20h、25h、30h、40h、50h、60h或70h等。

49、优选地，步骤(5)所述第四速度为0.1-0.5mm/h，例如可以是0.1mm/h、0.2mm/h、0.3mm/h、0.4mm/h或0.5mm/h等，所述第五速度为0.2-0.5mm/h，例如可以是0.2mm/h、0.25mm/h、0.3mm/h、0.4mm/h或0.5mm/h等。

50、优选地，步骤(5)中生长所述碳化硅的时间为10-50h，例如可以是10h、20h、30h、40h或50h等。

51、优选地，在步骤(5)之后，停止加热，充入保护气体至200-800mbar，按一定速率冷却至室温。所述200-800mbar例如可以是200mbar、300mbar、500mbar、600mbar、700mbar或750mbar等。

52、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

54、本发明提供了一种热场结构，侧保温部件的内保温层和外保温层间隙中设置有侧感应件，由于感应加热线圈通电后产生感应磁场，使坩埚产生涡流，进而产生热量；侧感应件在感应磁场的作用下也会产生涡流，进而产生热量，而感应磁场产生的热量是固定的，因此侧感应件能够减少坩埚位置的热量，起到减小坩埚径向温度梯度的作用，其可移动的特性使得侧感应件可减小坩埚任意位置(如原料区和晶体生长区)的径向温度梯度，从而能够提高碳化硅的结晶质量和原料的利用率；此外，在内保温层和外保温层的间隙中设置侧感应件，内保温层对坩埚起保温作用和隔断侧感应件的热量辐射，若没有内保温层直接设置侧感应件，侧感应件在线圈感应磁场的作用下产生的热量会辐射到坩埚，起不到减小坩埚径向温度梯度的作用。