碳化硅晶体生长装置和生长方法与流程

本发明涉及半导体，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长装置和生长方法。

背景技术：

1、碳化硅(sic)单晶材料属于第三代宽带隙半导体材料的代表，因其具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和漂移速度等诸多特点，在高温、高频、大功率、光电子等领域具有巨大的应用前景。

2、目前，制备碳化硅单晶的方法主要为物理气相传输法(pvt)，该方法通过将碳化硅粉料加热升华成气相，在晶体生长区内依靠轴向温度梯度产生的气体浓度梯度向上升华到顶部较低温度下的籽晶处并结晶进行生长。而该方法制备的碳化硅单晶中主要存在微管、包裹物、多型和位错等缺陷，这些缺陷的存在对后端器件的性能带来致命的影响。

3、其中，晶体中bpd(basal plane dislocation，基平面位错)的产生主要是由于热应力的存在，当剪切应力超过一个临界值时，会产生基矢面的弯曲引入bpd。晶体生长过程中，不均匀的生长温度是导致碳化硅晶体内形成热应力的主要原因之一；因此对于籽晶生长面的热场调节，是制备出高质量的碳化硅单晶的重要环节。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳化硅晶体生长装置和生长方法，该生长装置和生长方法能够进行轴向和径向的温度梯度调控，进而提高碳化硅单晶质量，降低单晶内应力，还能为大直径单晶生长创造条件。

2、本发明的实施例是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供一种碳化硅晶体生长装置，包括：

4、坩埚，具有一腔室，腔室被配置为具有相互连通的晶体生长区和原料堆放区，原料堆放区位于晶体生长区和坩埚的底壁之间；以及，

5、保温机构，套设于坩埚的外部，且沿坩埚的周向围绕晶体生长区设置，保温机构可向靠近坩埚的底壁的方向移动。

6、在可选的实施方式中，还包括发热筒，发热筒套设于坩埚的外部，且发热筒沿坩埚的周向围绕晶体生长区设置，发热筒和坩埚之间形成容纳腔，保温机构设置于容纳腔内，发热筒用于给晶体生长区供热。

7、在可选的实施方式中，保温机构包括保温组件和压环组件，保温组件和压环组件均套设于坩埚的外部，且位于容纳腔内，压环组件设置于保温组件远离坩埚的底壁的一侧，且压环组件被配置为可带动保温组件向靠近坩埚的底壁的方向移动。

8、在可选的实施方式中，保温组件包括依次套设于坩埚外部的多个软毡环；软毡环的内壁与坩埚的外壁贴合，且软毡环的外壁与发热筒的内壁贴合。

9、在可选的实施方式中，软毡环的内周和/或外周设置有开口，当软毡环在压环组件的带动下向靠近坩埚的底壁的方向移动时，开口可扩张。

10、在可选的实施方式中，软毡环的内周和外周均设置多个开口，且软毡环的内周设置的多个开口均匀分布，软毡环的外周设置的多个开口均匀分布，软毡环的内周的开口与软毡环的外周的开口错开排布；

11、软毡环的厚度d1为5-10mm。

12、在可选的实施方式中，压环组件包括压环和连接于压环的牵引绳，压环抵持于保温组件远离坩埚的底壁的一侧，牵引绳被配置为能在外力的作用下带动压环按压保温组件，以使保温组件能向靠近坩埚的底壁的方向移动；

13、发热筒上设置有贯穿发热筒的侧壁的第一开口，牵引绳穿设于第一开口。

14、在可选的实施方式中，碳化硅晶体生长装置还包括驱动机构，牵引绳远离压环的一端与驱动机构传动连接，驱动机构用于驱动牵引绳带动压环向靠近坩埚的底壁的方向移动。

15、在可选的实施方式中，碳化硅晶体生长装置还包括控制器，控制器与驱动机构连接，控制器被配置为控制驱动机构驱动牵引绳带动压环向靠近坩埚的底壁的方向移动，并使从原料堆放区指向晶体生长区的方向数的第二个软毡环始终与碳化硅晶体的生长面相对；或者，

16、控制器被配置为控制驱动机构驱动牵引绳带动压环向靠近坩埚的底壁的方向移动，以使压环驱动保温组件与碳化硅晶体的生长面的相对位置在坩埚的轴向上保持不变。

17、在可选的实施方式中，坩埚和发热筒的制备材料均为石墨。

18、在可选的实施方式中，坩埚包括第一坩埚体、第二坩埚体和坩埚盖，第一坩埚体为底端封闭且顶端开口的筒状结构，第二坩埚体为顶端和底端均开口的筒状结构，第二坩埚体的底端与第一坩埚体的顶端连接，坩埚盖与第二坩埚体的顶端连接，第一坩埚体、第二坩埚体及坩埚盖围合形成腔室，原料堆放区位于晶体生长区和第一坩埚体的底端的端面之间；

19、第二坩埚体的内径由靠近第一坩埚体的一端向远离第一坩埚体的一端逐渐减小；

20、发热筒套设于第二坩埚体的外部，发热筒和第二坩埚体的周向侧壁之间形成容纳腔。

21、在可选的实施方式中，第一坩埚体的顶端设置有台阶部，发热筒的底部设置于台阶部上，且第一开口设置于发热筒的底部。

22、在可选的实施方式中，碳化硅晶体生长装置还包括保温套；保温套套设于第一坩埚体和发热筒的外部；

23、保温套上设置有第二开口，牵引绳穿过第一开口后从第二开口穿出；

24、碳化硅晶体生长装置还包括保温盖，保温盖设置于保温套的顶端，且覆盖于坩埚盖背离第一坩埚体的一侧。

25、在可选的实施方式中，发热筒包括第一子发热筒和第二子发热筒，第一子发热筒具有远离第二子发热筒的第一端和靠近第二子发热筒的第二端，第一子发热筒的第二端与第二子发热筒连接，第一子发热筒的第一端设置于第一坩埚体的顶端；

26、第一子发热筒的厚度d2小于第二子发热筒的厚度d3。

27、在可选的实施方式中，第一子发热筒的外壁与第二子发热筒的外壁共面设置；

28、第二子发热筒的厚度为8-12mm，第一子发热筒的厚度为3-7mm；

29、第二子发热筒的高度h1为45-65mm；

30、坩埚盖的厚度d4和设置于坩埚盖的籽晶的厚度d5的总和d总被配置为13-17mm；

31、坩埚盖嵌设于第二坩埚体的顶端；第二坩埚体的顶端的端面、第二子发热筒远离第一子发热筒的一端的端面以及坩埚盖背离第一坩埚体的外表面三者平齐。

32、在可选的实施方式中，碳化硅晶体生长装置还包括第一感应线圈组件和第二感应线圈组件，第一感应线圈组件分布于第一坩埚体的外周，第二感应线圈组件分布于第二坩埚体的外周；第一感应线圈组件和第二感应线圈组件被配置为各自独立控制。

33、第二方面，本发明提供一种碳化硅晶体生长装置，包括：

34、坩埚，具有一腔室，腔室被配置为具有相互连通的晶体生长区和原料堆放区，原料堆放区位于晶体生长区和坩埚的底壁之间；以及，

35、发热筒，发热筒套设于坩埚的外部，且发热筒沿坩埚的周向围绕晶体生长区设置，发热筒为石墨筒。

36、第三方面，本发明提供一种碳化硅单晶的生长方法，包括：

37、提供一碳化硅晶体生长装置，碳化硅晶体生长装置包括坩埚和保温机构，坩埚具有一腔室，腔室被配置为具有相互连通的晶体生长区和原料堆放区，原料堆放区位于晶体生长区和坩埚的底壁之间；保温机构套设于坩埚的外部，且沿坩埚的周向围绕晶体生长区设置，保温机构可向靠近坩埚的底壁的方向移动；

38、在原料堆放区内放置碳化硅原料；

39、在坩埚的顶壁设置籽晶，并使位于初始位置的保温机构围绕在籽晶的外周；

40、在碳化硅晶体生长的过程中，驱动保温机构向坩埚的底壁的方向移动，以使保温机构始终围绕在碳化硅晶体的生长面的外周。

41、本发明实施例的碳化硅晶体生长装置的有益效果包括：本发明实施例提供的碳化硅晶体生长装置在坩埚的外部设置保温机构，其中，坩埚具有一腔室，腔室被配置为具有相互连通的晶体生长区和原料堆放区，原料堆放区位于晶体生长区和坩埚的底壁之间；沿坩埚的周向围绕晶体生长区设置，保温机构可向靠近坩埚的底壁的方向移动。由于保温机构可向靠近坩埚的底壁的方向移动，故可在生长碳化硅单晶的过程中，随碳化硅单晶的厚度的增加而移动保温机构，以使保温机构能够外绕在碳化硅单晶的生长面的外周，保证碳化硅单晶的生长面处的温场不发生大变化，保持稳定的轴向和径向温梯，降低单晶内应力，提高碳化硅单晶的生长质量。

42、本发明实施例的碳化硅晶体生长装置的有益效果包括：将发热筒设置于晶体生长区的外周，使得籽晶处的导热更均匀，保证了籽晶表面的温度均匀性，避免相关技术中依靠坩埚的埚壁发热，随后通过热传导方式将热量传到坩埚盖上，而导致的籽晶表面温场不均匀，产生形貌异常和晶体应力不均情况。

43、本发明实施例的碳化硅单晶的生长方法的有益效果包括：本发明实施例提供的碳化硅单晶的生长方法用前述的碳化硅晶体生长装置生长碳化硅单晶，其包括前述生长装置的全部有益效果，例如：在生长碳化硅单晶的过程中，随碳化硅单晶的厚度的增加而移动保温机构，以使保温机构能够外绕在碳化硅单晶的生长面的外周，并保证碳化硅单晶的生长面处的温场不发生大变化，保持稳定的轴向和径向温梯，降低单晶内应力，提高碳化硅单晶的生长质量。