专利名称：双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术和装置的制作方法
技术领域：
本发明为一种双籽晶辅助物理气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，涉及晶体生长领域，采用该技术生长的碳化硅晶体的质量好，生产效率高，生产成本低，适用于碳化硅单晶的批量生长。
背景技术：
当前，半导体产业的迅速发展再次激发了现代科学技术的革新。作为第三代宽禁带半导体材料，碳化硅在热学、电学、抗腐蚀等性能方面优于常用的衬底材料，可广泛用于 制造半导体照明、微电子、电力电子等半导体器件。过去几十年间，多种高性能的碳化娃基半导体器件已被成功研制，如发光二极管、肖特基二极管、混合动力汽车的功率模块逆变器等。这无疑预示今后半导体器件制造商对碳化硅晶圆需求量的激增。但是价格因素仍然是阻止碳化硅晶圆在国际市场上广泛应用的壁垒，因此开发新的晶体生长工艺来提高晶体产量具有非常重要的现实意义。物理气相传输方法被公认为生长碳化娃晶体最为成功的方法之一。在物理气相传输方法生长碳化硅晶体的过程中一个生长炉中只能培育出一块碳化硅单晶。如2009. 11. 18申请的200910238110. 0号中国发明专利公开了一种用物理气相传输法生长碳化硅晶体的技术，该技术置碳化硅籽晶于坩埚顶部，碳化硅原料位于坩埚底部。采用该技术一个坩埚只能生长出一块碳化硅单晶。2010. 04. 20申请的201010152392. 5号中国发明专利在上述基础上作了进一步的改进，置碳化硅籽晶于坩埚底部，但是采用此技术一个坩埚也只能生长出一块碳化硅晶体。由于以上技术一个坩埚只能生长一块碳化硅晶体，而且晶体的生长温度较高，时间较长，进而成本较高，不利于碳化硅晶体的商业化，现行的解决方法是采用增加单晶炉的数量或改善碳化硅晶体质量或放大晶体尺寸，来获得大的产出量。但是与其他衬底材料相比，由上述技术生长的碳化硅衬底材料的成本仍然较高。多坩埚生长技术可实现一个生长炉同时生长多块晶体，是一种降低产品成本实现商业化的重要方法。如1999. 5. 26授权的94114075. X号中国发明专利公开了一种用多坩埚下降法同时生长大尺寸、高质量、多根钨酸铅(PWO)闪烁晶体的新技术，采用该技术可同时生长2根、4根或8根PWO晶体。但是多坩埚生长技术对炉子的设计指标要求更高，如炉子的功率指标。为了进一步降低碳化硅单晶的成本，本发明采用一种新的技术-双籽晶辅助物理气相传输方法生长碳化硅单晶。
发明内容
在采用物理气相传输法生长碳化硅晶体的过程中，加热器内温场分布为中部温度高，上部、下部温度低。为了克服采用单籽晶辅助的气相传输方法生长碳化硅单晶时的生长效率低，生产成本高的劣势，本发明提出了一种双籽晶辅助的物理气相输运方法生长碳化硅单晶的技术，通过调节坩埚在加热器内的相对高度，使坩埚内的温度场分布为上部和底部温度低，中部温度高。其特征在于在碳化硅单晶的生长过程中采用双籽晶辅助气相传输法生长碳化硅单晶，两片碳化硅籽晶分别置于同一坩埚的上部和下部，位于低温区，碳化硅原料置于坩埚中部，位于高温区，它们在坩埚内的分布从下到上依次为坩埚底部、下籽晶、碳化硅原料、上籽晶和坩埚顶部，其中碳化硅原料与下籽晶之间存在一定间距，形成下生长空间，碳化硅原料与上籽晶之间存在一定间距，形成上生长空间。进一步所述的坩埚中坩埚主体和坩埚顶盖以螺纹连接，坩埚主体和坩埚底盖为一体结构或采用螺纹连接。进一步所述的碳化硅原料与下籽晶之间存在的间距为10-50毫米，碳化硅原料与上籽晶之间存在的间距为10-40毫米。进一步所述的碳化硅原料为碳化硅晶锭或由碳化硅粉末和碳化硅多晶圆柱体组成的混合原料。再进一步所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圆柱体组成的混合原料中的碳化硅粉末置于碳化硅多晶圆柱体上，碳化硅多晶圆柱体的厚度为1-60毫米。再进一步所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圆柱体组成的混合原料中的碳化硅多晶圆柱体为碳化硅晶圆或固定在籽晶架内的碳化硅晶锭。再进一步所述的碳化硅晶锭为以碳化硅粉末为原料或以碳和硅的混合粉末为原料，采用常规的气相传输技术在1800-2300°C在氩气中生长的碳化硅多晶圆柱体，所述的晶圆为碳化娃晶淀切割而成的晶片。该技术突破了一个生长炉只能生长一块晶体的限制，降低了生长成本。采用上述技术方案，本发明具有的如下优点I.可以提闻晶体的生长效率，降低生广成本。2.可以保持坩埚内气流的稳定性，改善碳化硅晶体的质量。
图I以碳化硅晶锭为原料采用双籽晶辅助气相传输法生长碳化硅单晶的坩埚内结构示意图附图标记11. 土甘祸顶盖、12.上杆晶、13.多晶晶淀、14.下杆晶、15.杆晶架、16. i甘祸底部图2以碳化硅粉末和碳化硅晶圆为原料采用双籽晶辅助气相传输法生长碳化硅单晶的坩埚内结构示意图附图标记21.坩埚顶盖、22.上籽晶、23.碳化硅粉末、24.碳化硅晶圆、25.下籽晶、26.籽晶架、27.坩埚底部图3以碳化硅粉末和碳化硅晶圆为原料采用双籽晶辅助气相传输法生长碳化硅单晶的坩埚内结构示意图附图标记31.樹祸顶盖、32.上杆晶、33.碳化娃粉末、34.晶圆、35.下杆晶、36. i甘祸底盖图4以碳化硅粉术和碳化硅晶锭为原料采用双籽晶辅助气相传输法生长碳化硅单晶的坩埚内结构示意图附图标记、
41.坩埚顶盖、42.上籽晶、43.碳化硅粉末、44.石墨架、45.固定在石墨架内的碳化硅晶锭、46.下籽晶、47籽晶架、48.坩埚底部图5以碳化硅晶锭为原料在图I坩埚的顶部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片图6以碳化硅晶锭为原料在图I坩埚的底部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片图7以碳化硅粉末和碳化硅晶圆为原料在图2坩埚的顶部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片图8以碳化硅粉末和碳化硅晶圆为原料在图2坩埚的底部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片图9以碳化硅粉末和碳化硅晶圆为原料在图3坩埚的顶部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片 图10以碳化硅粉末和碳化硅晶圆为原料在图3坩埚的底部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片图11以碳化硅粉末和碳化硅晶锭为原料在图4坩埚的顶部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片图12以碳化硅粉末和碳化硅晶锭为原料在图4坩埚的底部籽晶上生长的碳化硅单晶的照片
具体实施方式
实施例I以碳化硅晶锭为原料采用双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶为例举例说明，采用的坩埚结构主要包括坩埚顶盖11、上籽晶12、晶锭13、下籽晶14、下籽晶架15、坩埚底部16，如图I所示，其操作过程为步骤I :粘贴碳化硅籽晶片14于籽晶架15上，并置于坩埚底部16 ；步骤2 :置闻纯碳化娃晶淀13于纟甘祸中，使晶淀与下杆晶的间距为30晕米；步骤3 :分别粘贴碳化硅籽晶片12于上坩埚盖11上；步骤4 :把粘贴碳化硅籽晶片12的上坩埚盖11通过螺纹固定在装有碳化硅晶锭13的石墨樹祸中，使晶淀与上杆晶之间的距尚为15晕米；步骤5，步骤4中，采用双籽晶辅助气相传输技术，在2300°C、10-30乇下在上、下籽晶片上沿轴定向生长的碳化硅单晶，分别如图5，6所示，可以看出碳化硅单晶表面光滑，不存在明显的多气孔。实施例2以碳化硅粉末和碳化硅晶圆为原料采用双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶为例举例说明，采用的坩埚结构主要包括坩埚顶盖21、上籽晶22、碳化硅粉末23、碳化硅晶圆24、下籽晶25、下籽晶架26、坩埚底部27，如图2所示。其操作过程为步骤I :粘贴碳化硅籽晶片25于籽晶架26上，并置于坩埚底部27 ；步骤2 :置厚度为2毫米的碳化硅晶圆24于坩埚中，使其与下籽晶的距离为20毫米，并置高纯碳化硅粉末23于晶圆24上；步骤3 :粘贴碳化硅籽晶片22于上坩埚盖21上；步骤4 :把粘贴碳化硅籽晶片22的上坩埚盖21通过螺纹固定在装有碳化硅原料的石墨坩埚中，使碳化硅粉末与上籽晶的距离为30毫米；步骤5，步骤4中，采用籽晶引导气相传输技术，在2300°C、10-30乇下在上、下籽晶片上沿轴定向生长的碳化硅单晶，分别如图7，8所示，可以看出碳化硅单晶表面光滑，不存在明显的多气孔。实施例3以碳化娃粉末和碳化娃晶圆为原料米用双籽晶辅助气相传输方法生长碳化娃单晶为例举例说明，采用坩埚结构包括坩埚顶盖31、上籽晶32、碳化硅粉末33、晶圆34、下籽晶35、坩埚底盖36，如图3。与实施例2不同的是图3所示的结构中坩埚和底盖不是一体的，而是以螺纹连接的，其操作过程为步骤I :置厚度为30毫米的碳化硅晶圆34于坩埚中，并置高纯碳化硅粉末33于晶圆34上； 步骤2 :粘贴碳化硅籽晶片32于上坩埚盖31上，籽晶片35于上坩埚盖36上；步骤3 :分别把粘贴有碳化硅籽晶片32和35的上坩埚盖31和下坩埚盖36通过螺纹固定在装有碳化硅原料的石墨坩埚中，使碳化硅粉末与上籽晶的距离为35毫米，使碳化硅晶圆与下籽晶的距离为15毫米；步骤4，步骤3中，采用籽晶引导气相传输技术，在2300°C、10-30乇下在上、下籽晶片上沿轴定向生长的碳化硅单晶，分别如图9，10所示，可以看出碳化硅单晶表面光滑，不存在明显的多气孔。实施例4以碳化硅粉末和碳化硅晶锭为原料采用双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶为例举例说明，采用坩埚结构包括坩埚顶盖41、上籽晶42、碳化硅粉术43、石墨架44、固定在石墨架内的碳化硅晶锭45、下籽晶46、籽晶架47、坩埚底部48，如图4所示。与实施例3不同的是实施例4中的多晶圆柱体不是晶圆，而是固定在石墨架内的碳化硅晶锭，其操作过程为步骤I :粘贴碳化硅籽晶片46于籽晶架47上，并置于坩埚底部48 ；步骤2 :置在石墨架44内、厚度为60毫米的碳化硅晶锭45于坩埚中，使晶锭与下籽晶的距离为45毫米，并置高纯碳化硅粉末43于石墨架44上；步骤3 :粘贴碳化硅籽晶片42于上坩埚盖41上；步骤4 :把粘贴有碳化硅籽晶片42的上坩埚盖41用螺纹固定在装有碳化硅原料43的石墨坩埚中，使碳化硅粉末与上籽晶的距离为15毫米；步骤5，步骤4中，采用籽晶引导气相传输技术，在2300°C、10-30乇下在碳化硅上下籽晶片上沿轴定向生长的碳化硅单晶，分别如图11，12所示，可以看出碳化硅单晶表面光滑，不存在明显的多气孔。
权利要求
1.一种双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，其特征在于在碳化硅单晶的生长过程中两片碳化硅籽晶分别置于同一坩埚的上部和下部，位于低温区，碳化硅原料置于坩埚中部，位于高温区，它们在坩埚内的分布从下到上依次为坩埚底部、下籽晶、碳化硅原料、上籽晶和坩埚顶部，其中碳化硅原料与下籽晶之间存在一定间距，构成下生长空间，碳化硅原料与上籽晶之间存在一定间距，构成上生长空间。
2.如权利要求I所述的双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，其特征在于所述的坩埚中坩埚主体和坩埚顶盖以螺纹连接，坩埚主体和坩埚底盖为一体结构或采用螺纹连接。
3.如权利要求I所述的双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，其特征在于所述的碳化硅原料与下籽晶之间的间距为10-50毫米，碳化硅原料与上籽晶之间的间距为10-40毫米。
4.如权利要求I所述的双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，其特征在于所述的碳化硅原料为碳化硅晶锭或由碳化硅粉末和碳化硅多晶圆柱体组成的混合原料。
5.如权利要求4所述的双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，其特征在于所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圆柱体组成的混合原料中的碳化硅粉末置于碳化硅多晶圆柱体上，碳化硅多晶圆柱体的厚度为1-60毫米。
6.如权利要求5所述的双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，其特征在于所述的碳化硅粉末和碳化硅多晶圆柱体组成的混合原料中的碳化硅多晶圆柱体为碳化硅晶圆或固定在石墨架内的碳化硅晶锭。
7.如权利要求4和6所述的双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术，其特征在于，所述的碳化硅晶锭为以碳化硅粉末为原料或以碳和硅的混合粉末为原料，采用常规的物理气相传输技术在1800-2300°C在!!气中生长的碳化娃多晶圆柱体,所述的晶圆为碳化硅晶锭切割而成的晶片。
全文摘要
本发明涉及晶体生长领域，具体涉及一种双籽晶辅助气相传输方法生长碳化硅单晶的技术和装置，其特征在于，在碳化硅单晶的生长过程中两片碳化硅籽晶分别置于坩埚的上部和下部，位于低温区，碳化硅原料置于坩埚中部，位于高温区，它们在坩埚内的分布从下到上依次为坩埚底部、下籽晶、碳化硅原料、上籽晶和坩埚顶部。该技术在一个坩埚中能同时生长出两块碳化硅单晶，突破了一个生长炉只能生长一块碳化硅单晶的限制，降低碳化硅晶体的生长成本。
文档编号C30B29/36GK102732953SQ20111009033
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者李根法, 李汶军 申请人:李根法, 李汶军