一种碳化硅单晶的生长装置及生长方法与流程

本发明属于碳化硅晶体生长，具体涉及一种碳化硅单晶的生长装置及生长方法。

背景技术：

1、物理气相输运法（pvt）是目前工业化生长碳化硅晶体的主要方法，具体为使高纯碳化硅原料在石墨坩埚中受热气化，原料的气体分子上升遇到籽晶完成结晶、扩径和退火处理等程序，以得到碳化硅晶体。

2、电阻加热的pvt法生长碳化硅单晶时，加热器位于石墨坩埚的侧面，原料靠近外侧的区域温度较高，硅元素和富硅的原子团优先从原料中逸出，原料逐渐碳化（原料内c含量高于si含量），碳化严重的原料会产生碳粉尘，碳粉尘跟随气流沉积在晶体生长界面上会形成包裹体缺陷，包裹体缺陷会进一步成长为螺旋位错、层错和微管等更大范围的缺陷，严重影响碳化硅晶体的质量，原料靠近内侧的区域温度较低，原料升华速度慢，且从高温区挥发出来的气体在低温区容易重新结晶，影响碳化硅原料的利用率。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术生长碳化硅单晶，高温区的碳化严重的原料产生碳粉尘，影响晶体质量，低温区的原料结晶，碳化硅原料的利用率较低的缺陷，提供一种碳化硅单晶的生长装置及生长方法，用于生长碳化硅单晶时，原料温度均匀，晶体质量和原料利用率高。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种碳化硅单晶的生长装置，包括：

3、坩埚筒体，其底部中央设置有环形凹部，所述环形凹部的底部中部向下设置有第一通孔；

4、坩埚底，其形状为圆盘形，其设置于所述环形凹部中，其底面和侧面和所述环形凹部的底面和侧面之间分别留有缝隙；

5、第一转轴，其一端的端部具有外螺纹，其具有所述外螺纹的一端通过所述第一通孔与所述坩埚筒体螺纹连接，其内部具有第二转轴容纳腔，所述第二转轴容纳腔与所述第一转轴同轴设置，所述第二转轴容纳腔靠近所述坩埚底的一端设置有开口；

6、第二转轴，其位于所述第二转轴容纳腔中，其与所述第一转轴同轴设置，其与所述第二转轴容纳腔的内表面之间留有导通气体的第一间隔，其相对所述第一转轴独立旋转，其通过所述开口固定连接于所述坩埚底的底部中央，所述第一间隔与所述缝隙相连通；

7、搅拌部，其设置于所述坩埚底的上部。

8、在一些优选实施方式中，所述环形凹部的底面上设置有与石墨滚珠适配的第一环形圆弧凹槽，所述坩埚底的下部设置有与石墨滚珠适配的第二环形圆弧凹槽，所述第一环形圆弧凹槽与所述第二环形圆弧凹槽对应设置。

9、优选地，所述生长装置还包括分隔滚珠的滚珠支架，其形状为圆环形，其沿周向分布有与石墨滚珠适配的圆孔，所述圆孔的数量与石墨滚珠的数量一致，其设置于所述坩埚底与所述环形凹部的底面之间的环形缝隙中，套设于所述第二转轴的周向。

10、在一些优选实施方式中，所述生长装置还包括环形的坩埚底盖体，所述坩埚底盖体包括顶盖和侧盖，所述顶盖覆盖所述坩埚底的上表面边部，所述侧盖位于所述坩埚底的侧面与所述环形凹部的侧面之间的缝隙中，所述侧盖的外侧面设置有外螺纹，所述侧盖与所述环形凹部的侧面螺纹连接，所述顶盖的下表面和所述侧盖的内侧面与所述坩埚底的上表面和侧面之间分别留有缝隙。

11、优选地，所述坩埚底的上表面边部设置有环形凸起；所述顶盖的下表面设置有环形凹槽，所述环形凸起与所述环形凹槽间隙配合。

12、更优选地，所述环形凸起的上表面设置有与石墨滑辊适配的第一环状滑槽，所述环形凹槽的顶面上设置有与石墨滑辊适配的第二环状滑槽。

13、在一些优选实施方式中，所述第一转轴与旋转电机相连接，所述第二转轴容纳腔中设置有变速器，所述变速器包括输入轴和输出轴，所述输入轴与所述第一转轴沿轴向固定连接，所述输出轴与所述第二转轴远离所述坩埚底的一端沿轴向固定连接，所述变速器与所述第二转轴容纳腔的内表面之间留有第二间隔，所述第二间隔与所述第一间隔相连通，所述变速器使所述第二转轴相对所述第一转轴独立旋转。

14、优选地，所述第一转轴远离所述坩埚筒体的一端与所述旋转电机相连接，所述第一转轴与所述坩埚筒体相连接的一端为石墨端，所述第一转轴与所述旋转电机相连接的一端为金属端，所述第二转轴与所述坩埚底相连接的一端为石墨端，所述第二转轴与所述变速器的所述输出轴相连接的一端为金属端。

15、优选地，所述变速器还包括太阳轮、行星齿轮、行星架和齿圈，所述太阳轮与所述输入轴固定连接，所述行星架与所述输出轴固定连接，所述齿圈设置于所述行星齿轮的外周。

16、在一些优选实施方式中，所述第一转轴上设置有气路通道，所述气路通道位于所述第二转轴的下部，气体从所述气路通道进入所述第二转轴与所述第二转轴容纳腔的内表面之间的所述第一间隔。

17、第二方面，本发明提供碳化硅单晶的生长方法，其在第一方面所述的碳化硅单晶的生长装置中进行，所述生长方法包括：将原料放入坩埚筒体内，第一转轴带动所述坩埚筒体旋转，第二转轴带动坩埚底和所述坩埚底上的搅拌部相对所述坩埚筒体独立旋转；向所述第二转轴与第二转轴容纳腔的内表面之间的第一间隔中通入惰性气体，惰性气体经所述坩埚底的底面和环形凹部的底面之间的缝隙、所述坩埚底的侧面和所述环形凹部的侧面之间的缝隙，进入所述坩埚筒体内。

18、本发明的碳化硅单晶的生长装置，在坩埚筒体的底部中央设置环形凹部，在环形凹部的底部中部设置第一通孔，在环形凹部中设置圆盘形的坩埚底，坩埚底的上部设置有搅拌部，第一转轴通过第一通孔与坩埚筒体螺纹连接，第一转轴的内部设置第二转轴容纳腔，第二转轴容纳腔与第一转轴同轴设置，第二转轴容纳腔靠近坩埚底的一端设置有开口，第二转轴位于第二转轴容纳腔中，与第一转轴同轴设置，第二转轴通过开口固定连接于坩埚底的底部中央，第二转轴相对第一转轴独立旋转，通过第二转轴带动坩埚底旋转，坩埚底带动搅拌部旋转，能够均匀原料，抑制碳粉尘的产生，提高晶体质量，抑制结晶区的形成，提高原料利用率，通过第二转轴相对第一转轴独立旋转，坩埚筒体与坩埚底组成整体坩埚的同时，坩埚筒体能够旋转，坩埚底能够相对坩埚筒体独立旋转，配合坩埚底上的搅拌部搅拌，能够进一步混合均匀原料，均匀原料温度。

19、第二转轴与第二转轴容纳腔的内表面之间留有的导通气体的第一间隔与坩埚底的底面和侧面和环形凹部的底面和侧面之间的缝隙相连通，向缝隙中通入气体，能够避免坩埚筒体与坩埚底的配合间隙处被碳化硅原料堵塞，使得搅拌过程顺利进行，减少部件磨损延长寿命，此外气体从坩埚筒体与坩埚底的配合处通入原料中后，能够使坩埚下部的原料更蓬松，提高升华速率，加快结晶速率，提高生产效率，通入气体蓬松原料与坩埚筒体旋转、坩埚底相对坩埚筒体独立旋转、坩埚底上搅拌部搅拌原料相配合，更利于提高原料均匀性。

技术特征：

1.一种碳化硅单晶的生长装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述环形凹部（101）的底面上设置有与石墨滚珠适配的第一环形圆弧凹槽（1011），所述坩埚底（2）的下部设置有与石墨滚珠适配的第二环形圆弧凹槽（201），所述第一环形圆弧凹槽（1011）与所述第二环形圆弧凹槽（201）对应设置。

3.根据权利要求2所述的生长装置，其特征在于，所述生长装置还包括分隔滚珠的滚珠支架（6），其形状为圆环形，其沿周向分布有与石墨滚珠适配的圆孔（601），所述圆孔（601）的数量与石墨滚珠的数量一致，其设置于所述坩埚底（2）与所述环形凹部（101）的底面之间的环形缝隙中，套设于所述第二转轴（4）的周向。

4.根据权利要求1或2所述的生长装置，其特征在于，所述生长装置还包括环形的坩埚底盖体（7），所述坩埚底盖体（7）包括顶盖（701）和侧盖（702），所述顶盖（701）覆盖所述坩埚底（2）的上表面边部，所述侧盖（702）位于所述坩埚底（2）的侧面与所述环形凹部（101）的侧面之间的缝隙中，所述侧盖（702）的外侧面设置有外螺纹，所述侧盖（702）与所述环形凹部（101）的侧面螺纹连接，所述顶盖（701）的下表面和所述侧盖（702）的内侧面与所述坩埚底（2）的上表面和侧面之间分别留有缝隙。

5.根据权利要求4所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚底（2）的上表面边部设置有环形凸起（202）；所述顶盖（701）的下表面设置有环形凹槽（7011），所述环形凸起（202）与所述环形凹槽（7011）间隙配合。

6.根据权利要求5所述的生长装置，其特征在于，所述环形凸起（202）的上表面设置有与石墨滑辊适配的第一环状滑槽（2021），所述环形凹槽（7011）的顶面上设置有与石墨滑辊适配的第二环状滑槽（7012）。

7.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述第一转轴（3）与旋转电机（8）相连接，所述第二转轴容纳腔（301）中设置有变速器（9），所述变速器（9）包括输入轴（901）和输出轴（902），所述输入轴（901）与所述第一转轴（3）沿轴向固定连接，所述输出轴（902）与所述第二转轴（4）远离所述坩埚底（2）的一端沿轴向固定连接，所述变速器（9）与所述第二转轴容纳腔（301）的内表面之间留有第二间隔，所述第二间隔与所述第一间隔相连通，所述变速器（9）使所述第二转轴（4）相对所述第一转轴（3）独立旋转。

8.根据权利要求7所述的生长装置，其特征在于，所述第一转轴（3）远离所述坩埚筒体（1）的一端与所述旋转电机（8）相连接，所述第一转轴（3）与所述坩埚筒体（1）相连接的一端为石墨端，所述第一转轴（3）与所述旋转电机（8）相连接的一端为金属端，所述第二转轴（4）与所述坩埚底（2）相连接的一端为石墨端，所述第二转轴（4）与所述变速器（9）的所述输出轴（902）相连接的一端为金属端。

9.根据权利要求7所述的生长装置，其特征在于，所述变速器（9）还包括太阳轮、行星齿轮、行星架和齿圈，所述太阳轮与所述输入轴（901）固定连接，所述行星架与所述输出轴（902）固定连接，所述齿圈设置于所述行星齿轮的外周。

10.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述第一转轴（3）上设置有气路通道（302），所述气路通道（302）位于所述第二转轴（4）的下部，气体从所述气路通道（302）进入所述第二转轴（4）与所述第二转轴容纳腔（301）的内表面之间的所述第一间隔。

11.一种碳化硅单晶的生长方法，其特征在于，其在权利要求1~10中任一项所述的碳化硅单晶的生长装置中进行，所述生长方法包括：将原料放入坩埚筒体（1）内，第一转轴（3）带动所述坩埚筒体（1）旋转，第二转轴（4）带动坩埚底（2）和所述坩埚底（2）上的搅拌部（5）相对所述坩埚筒体（1）独立旋转；向所述第二转轴（4）与第二转轴容纳腔（301）的内表面之间的第一间隔中通入惰性气体，惰性气体经所述坩埚底（2）的底面和环形凹部（101）的底面之间的缝隙、所述坩埚底（2）的侧面和所述环形凹部（101）的侧面之间的缝隙，进入所述坩埚筒体（1）内。

技术总结
本发明属于碳化硅晶体生长领域，具体涉及一种碳化硅单晶的生长装置及生长方法，包括：坩埚筒体，其底部中央设置有环形凹部，环形凹部的底部中部向下设置有第一通孔；坩埚底，其设置于环形凹部中，其与环形凹部之间留有缝隙；第一转轴，其一端的端部通过第一通孔与坩埚筒体螺纹连接，其内部具有第二转轴容纳腔，第二转轴容纳腔靠近坩埚底的一端设置有开口；第二转轴，其位于第二转轴容纳腔中，其与第二转轴容纳腔的内表面之间留有导通气体的第一间隔，其相对第一转轴独立旋转，其通过开口固定连接于坩埚底的底部中央，第一间隔与缝隙相连通；搅拌部，其设置于坩埚底的上部。生长装置的使用能均匀原料，提高晶体质量和原料利用率。

技术研发人员：赵文超,陈建明,杨洪雨,范子龙,张江涛
受保护的技术使用者：苏州优晶半导体科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7