本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于PVT法生長碳化硅晶體的坩堝裝置。

背景技術(shù)：

碳化硅作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，引起了廣泛的關(guān)注。在高溫、高頻率和高功率的應(yīng)用上比傳統(tǒng)的藍(lán)寶石和硅更為優(yōu)異，碳化硅的特性主要包含高熔點(diǎn)、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性及耐高電壓等，因此成為高頻率和高功率器件的重要材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、火箭、地質(zhì)鉆探等重要領(lǐng)域。

目前生長碳化硅單晶普遍采用物理氣相輸運(yùn)法(PVT法)，將碳化硅籽晶貼在石墨坩堝蓋上，石墨坩堝內(nèi)裝有作為生長原料的碳化硅粉源，碳化硅粉源被加熱到1800-2500℃，則會升華到籽晶上，在籽晶表面降溫沉積生成單晶。石墨坩堝的加熱裝置是一個(gè)中頻電源，石墨坩堝放置于感應(yīng)線圈中央，中頻電源的交流電通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場，石墨坩堝在交變磁場中產(chǎn)生渦流電而生成大量熱量，從而加熱碳化硅粉源和籽晶。由于導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，交變感應(yīng)產(chǎn)生的渦電流趨向坩堝壁和坩堝蓋側(cè)壁，因此在坩堝蓋上熱量在坩堝蓋側(cè)壁產(chǎn)生，由坩堝蓋側(cè)壁向坩堝蓋中心傳遞，從而在靠近坩堝蓋側(cè)壁位置為高溫區(qū)，越靠近坩堝蓋中心溫度越低，坩堝蓋中心為低溫區(qū)。由于籽晶從坩堝蓋獲取熱量，這就使得籽晶的邊緣和中心受熱不均勻，具有較大的徑向溫度梯度。過大的徑向溫度梯度會造成晶體生長過程中熱應(yīng)力過大，容易產(chǎn)生微管等缺陷，也會使籽晶中心沉積的單晶多于邊緣，造成晶體生長端面錐度大，不利于后期加工，特別是生長大尺寸單晶時(shí)，坩堝的直徑較大，這種現(xiàn)象更加明顯。

在背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于解決坩堝蓋徑向溫度梯度大的問題，提供一種能提高籽晶受熱均勻性的坩堝裝置。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，一種坩堝裝置，包括坩堝本體、坩堝蓋和至少一個(gè)感應(yīng)環(huán)。坩堝本體呈桶形，具有桶底、桶壁和頂部開口，其中所述桶底和桶壁圍成用于盛放物料的容置空間；坩堝蓋蓋設(shè)于所述坩堝本體的頂部開口，所述坩堝蓋具有朝向所述桶底的內(nèi)表面和背離所述桶底的外表面；至少一個(gè)感應(yīng)環(huán)同心設(shè)置于所述坩堝蓋內(nèi)并靠近所述坩堝的所述內(nèi)表面，并且所述至少一個(gè)感應(yīng)環(huán)的中心與所述坩堝蓋的中心在同一條直線上。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述感應(yīng)環(huán)的數(shù)量為多個(gè)，在沿著由所述坩堝蓋的中心向外周方向上，多個(gè)所述感應(yīng)環(huán)中相鄰兩個(gè)所述感應(yīng)環(huán)之間的距離逐漸變大；或者相鄰兩個(gè)所述感應(yīng)環(huán)之間的距離相等。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述至少一個(gè)感應(yīng)環(huán)埋設(shè)在所述坩堝蓋內(nèi)或者固定于坩堝蓋的內(nèi)表面上。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述坩堝蓋的內(nèi)表面的外周設(shè)有內(nèi)凸環(huán)；和/或所述坩堝蓋的外表面的外周設(shè)有外凸環(huán)。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述坩堝蓋內(nèi)至少在中央?yún)^(qū)域設(shè)有中空部，所述中空部位于所述坩堝蓋的內(nèi)表面和外表面之間，所述至少一個(gè)感應(yīng)環(huán)設(shè)置于所述坩堝蓋內(nèi)。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述中空部呈圓盤形，且其圓心在所述坩堝蓋的中心線上。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述坩堝蓋呈圓盤形，所述坩堝蓋與所述中空部的半徑之差為1.5～3.5厘米；和/或所述坩堝蓋的內(nèi)表面與所述中空部之間的厚度為5～20毫米。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述坩堝蓋的內(nèi)表面與所述中空部之間的厚度為1.63～2.93毫米；和/或所述坩堝蓋的內(nèi)表面與所述中空部之間的厚度為6～16毫米。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述中空部內(nèi)填充有導(dǎo)熱系數(shù)高于所述坩堝蓋的填充物。

根據(jù)本實(shí)用新型的一實(shí)施方式，所述坩堝本體和/或所述坩堝蓋由石墨制成，和/或所述填充物由石墨烯制成。

由上述技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益技術(shù)效果在于：本實(shí)用新型坩堝裝置，由于在坩堝蓋內(nèi)并靠近所述坩堝的內(nèi)表面同心設(shè)置有至少一個(gè)感應(yīng)環(huán)，感應(yīng)環(huán)在感應(yīng)線圈加熱的情況下會產(chǎn)生感應(yīng)電流而產(chǎn)生感應(yīng)熱，這部分感應(yīng)熱會迅速傳遞至坩堝蓋的內(nèi)表面，所以減小了坩堝蓋外周與中心的溫度差，即減小了坩堝蓋徑向溫度梯度，有效提高了坩堝蓋整體的溫度均勻性，能為設(shè)置于坩堝蓋內(nèi)表面中心處的碳化硅籽晶生成成晶體提供了良好的條件，即提高了籽晶徑向溫度的均勻性，減小了晶體生長過程中的熱應(yīng)力，從而能生長出質(zhì)量高的晶體。

本實(shí)用新型中通過以下參照附圖對優(yōu)選實(shí)施例的說明，本實(shí)用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型坩堝裝置一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型坩堝裝置中的一種坩堝蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中沿A-A面的剖面圖。

圖中：1、坩堝本體；11、桶底；12、桶壁；2、坩堝蓋；21、內(nèi)表面；22、外表面；23、內(nèi)凸環(huán)；24、外凸環(huán)；25、填充物；26、感應(yīng)環(huán)；100、籽晶；200、碳化硅粉。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實(shí)施方式。然而，示例實(shí)施方式能夠以多種形式實(shí)施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的實(shí)施方式；相反，提供這些實(shí)施方式使得本公開將全面和完整，并將示例實(shí)施方式的構(gòu)思全面地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的結(jié)構(gòu)，因而將省略它們的詳細(xì)描述。

參見圖1、圖2和圖3。圖1是本實(shí)用新型坩堝裝置一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型坩堝裝置中的一種坩堝蓋2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中沿A-A面的剖面圖。

如圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)用新型坩堝裝置一實(shí)施方式包括坩堝本體1和坩堝蓋2。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型坩堝裝置一實(shí)施方式還包括用于加熱坩堝裝置的加熱裝置，該加熱裝置例如感應(yīng)線圈可以圍繞坩堝本體1和坩堝蓋2的外周設(shè)置，也可以圍繞一真空室設(shè)置，坩堝裝置設(shè)置于真空室內(nèi)。

如圖1所示，坩堝本體1可以呈桶形，其具有桶底11、桶壁12和頂部開口。其中桶底11和桶壁12圍成一容置空間，該容置空間可用于盛放物料例如碳化硅粉或碳化硅顆粒等。在該實(shí)施方式中，坩堝本體1為圓桶形，即桶底11呈圓盤形，桶壁12是一圓筒。當(dāng)然本實(shí)用新型并不以此為限，在其他一些實(shí)施方式中，坩堝本體1也可以是棱柱形桶或錐桶等形狀。

如圖1和圖2所示，坩堝蓋2蓋設(shè)于坩堝本體1的頂部開口，為配合圓桶形坩堝本體1，坩堝蓋2呈圓盤形。

坩堝蓋2具有朝向桶底11的內(nèi)表面21和背離桶底11的外表面22。坩堝蓋2的內(nèi)表面21的外周設(shè)有內(nèi)凸環(huán)23，內(nèi)凸環(huán)23的端面可以與坩堝本體1的桶壁12頂端部對接或者以其他方式連接，從而使得坩堝蓋2蓋設(shè)于坩堝本體1。因此本實(shí)施方式中，只需要對內(nèi)凸環(huán)23尤其是該內(nèi)凸環(huán)23的與坩堝本體1接觸的端面進(jìn)行精加工處理，而無需對整個(gè)坩堝蓋2全部進(jìn)行精加工處理，即可滿足坩堝蓋2與坩堝本體1的組裝精度要求，有利于簡化制造工藝，方便使用，并能降低制造成本。當(dāng)然在其他實(shí)施方式中，并非必然設(shè)置內(nèi)凸環(huán)23。本實(shí)施方式中，坩堝蓋2的外表面22的外周設(shè)有外凸環(huán)24。內(nèi)凸環(huán)23和外凸環(huán)24能有效提升坩堝蓋2的剛性，防止坩堝蓋2在高溫下變形；換個(gè)角度講，在具有內(nèi)凸環(huán)23和外凸環(huán)24情況下，坩堝蓋2的主體部分可以做得比較薄，不但節(jié)省原材料，而且利于溫度控制。

坩堝蓋2內(nèi)至少在中央位置設(shè)有一中空部，中空部位于坩堝蓋2的內(nèi)表面21和外表面22之間。中空部內(nèi)填充有高導(dǎo)熱系數(shù)的填充物25例如石墨烯。通過導(dǎo)熱性能好的石墨烯將坩堝蓋2外周的熱量傳導(dǎo)至坩堝蓋2中央?yún)^(qū)域，從而降低了坩堝蓋2徑向溫度梯度，提高徑向溫度均勻性。當(dāng)然填充物25不限于石墨烯，其他的高導(dǎo)熱系數(shù)材料也可以應(yīng)用于本實(shí)用新型中。

在該實(shí)施方式中，坩堝本體1、坩堝蓋2以及填充物25的材料選擇組配方式，優(yōu)選的，坩堝本體1和坩堝蓋2由石墨制成，填充物25由石墨烯制成。本實(shí)用新型不限于此，在其他一些實(shí)施方式中，只要符合中空部的填充物25的導(dǎo)熱系數(shù)高于坩堝蓋2的導(dǎo)熱系數(shù)的材料選擇方案均是可行的。

優(yōu)選的，中空部呈圓盤形，且其圓心在坩堝蓋2的中心線上。填充于中空部的石墨烯也呈圓盤形，此時(shí)，石墨烯除了能將坩堝蓋2外周的熱量傳導(dǎo)至坩堝蓋2中央?yún)^(qū)域之處，還可以產(chǎn)生感應(yīng)電流而產(chǎn)生感應(yīng)熱，這部分熱量會進(jìn)一步提高坩堝蓋2中央?yún)^(qū)域的溫度，從而進(jìn)一步提升整個(gè)坩堝蓋2的徑向溫度均勻性。

在一些實(shí)施方式中，中空部并非僅設(shè)置于坩堝蓋2的中央?yún)^(qū)域，而是盡量延伸至坩堝蓋2的外邊沿，以增強(qiáng)感應(yīng)電流產(chǎn)生更多的感應(yīng)熱。例如坩堝蓋2與中空部的半徑之差R為1.5～3.5cm(厘米)，優(yōu)選為1.63cm～2.93cm，進(jìn)一步優(yōu)選為1.63cm～2.0cm。在該實(shí)施方式中，坩堝蓋2與中空部的半徑之差R為1.65cm。R值可以通過下列表達(dá)式計(jì)算得出：

式中，ρ為被加熱物體(坩堝蓋2)的電阻率(Ω.cm)，該實(shí)施方式中坩堝蓋2由高純石墨材料制成，則ρ＝8.5×10-4Ω·cm，μ_r為被加熱物體(坩堝蓋2)的相對導(dǎo)磁率，對于石墨等非磁性材料，則μ_r＝1，f為電流頻率(Hz)，中頻頻率通常在2500～8000Hz，分別取f為2500Hz和8000Hz，代入上式可得R在1.63cm～2.93cm的范圍。根據(jù)感應(yīng)加熱集膚效應(yīng)原理，R值在允許的范圍內(nèi)越小則可能獲得越薄的T(參見下文)值，因此，在合適的條件下，R值可以更小，例如1.55cm、1.5cm、1.4cm，等等。

通常，籽晶100貼附于坩堝蓋2的內(nèi)表面21上，為保持籽晶100在沿著坩堝蓋2徑向方向的溫度均勻性，高導(dǎo)熱的石墨烯越接近籽晶100越好，即坩堝蓋2的內(nèi)表面21與石墨烯之間的部分的厚度T越薄越好，這樣可使坩堝蓋2由于厚度太厚導(dǎo)致的溫度不均性影響降低，但是過薄的厚度容易導(dǎo)致熔斷燒穿，且因整個(gè)坩堝蓋2的面積較大，過薄的厚度在高溫下也容易翹曲。因此本實(shí)用新型通過PVT爐體設(shè)計(jì)專用軟件Virtual Reactor的熱場模擬設(shè)計(jì)坩堝蓋2的內(nèi)表面21與石墨烯之間的部分的厚度為10mm(毫米)，當(dāng)然本實(shí)用新型不以此為限，通常情況下，該厚度在5～20mm，優(yōu)先地在6～16mm范圍內(nèi)均是可行的，例如該部分厚度為8～12mm，8mm厚度例如用于生長2英寸的SiC晶體，12mm厚度例如用于生長4英寸的SiC晶體。

如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型坩堝裝置一實(shí)施方式中，中空部內(nèi)設(shè)有多個(gè)同心布置的感應(yīng)環(huán)26，感應(yīng)環(huán)26在感應(yīng)線圈加熱的情況下會產(chǎn)生感應(yīng)電流而產(chǎn)生感應(yīng)熱，這些熱量可大部分傳導(dǎo)給填充物25，少部分傳層至坩堝蓋2的內(nèi)表面21，有助于使坩堝蓋2保持足夠的溫度。此外，多個(gè)感應(yīng)環(huán)26也可以將填充物25部分分隔開來，減少熔融填充物25的串流，以減少流動對溫度的擾動，使溫度控制更加穩(wěn)定。優(yōu)選地，這些感應(yīng)環(huán)26設(shè)置于靠近坩堝蓋2的下表面21的位置，例如可以與坩堝蓋2的下表面21一體成型。在坩堝蓋2的直徑較小情況下，感應(yīng)環(huán)26的數(shù)量也可以是一個(gè)，設(shè)置于靠近坩堝蓋2的中心區(qū)域。

進(jìn)一步地，在沿著由中空部的中心向外周方向上，多個(gè)感應(yīng)環(huán)26中相鄰兩個(gè)坩堝蓋中心之間的距離逐漸變大，也就是說，越靠近坩堝蓋2中心感應(yīng)環(huán)26越密集，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越強(qiáng)，則感應(yīng)熱越多。由于傳統(tǒng)的坩堝裝置中，在靠近坩堝蓋周邊區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)，越靠近坩堝蓋中心溫度越低，坩堝蓋中心為低溫區(qū)。本實(shí)用新型通過在越往坩堝蓋中心區(qū)域布置越密集的感應(yīng)環(huán)26，來彌補(bǔ)越往坩堝蓋中心區(qū)域越低的溫度，從而能顯著提升坩堝蓋徑向溫度的均勻性。在其他一些實(shí)施方式中，例如感應(yīng)環(huán)26數(shù)量較多，排列較密集，或者坩堝的徑向尺寸較小等，多個(gè)感應(yīng)環(huán)26中相鄰兩個(gè)坩堝蓋中心之間的距離也可以相等，即多個(gè)感應(yīng)環(huán)26同心等間距排列。

本實(shí)用新型坩堝裝置，也可以不設(shè)置中空部，而只設(shè)置感應(yīng)環(huán)26。在制造坩堝蓋2時(shí)，可以將感應(yīng)環(huán)26埋設(shè)于坩堝蓋2內(nèi)；也可以將感應(yīng)環(huán)26固定于坩堝蓋2的內(nèi)表面21上。優(yōu)選地，感應(yīng)環(huán)26的中心與坩堝蓋2的中心在同一條直線上。

本實(shí)用新型坩堝裝置在使用時(shí)，將物料例如碳化硅粉200盛放于坩堝本體1內(nèi)，將一籽晶100粘貼于坩堝蓋2的內(nèi)表面21的中心位置?？梢允褂酶袘?yīng)線圈(圖中未示出)進(jìn)行加熱，坩堝本體1和坩堝蓋2外周產(chǎn)生渦電流，渦電流產(chǎn)生熱量，坩堝本體1的熱量通過桶壁12傳遞給碳化硅粉200，坩堝蓋2的熱量從外周通過高導(dǎo)熱的石墨烯向中心傳遞，進(jìn)一步傳遞籽晶100；當(dāng)加熱到碳化硅粉200的升華溫度時(shí)，產(chǎn)生大量的反應(yīng)氣氛，這些反應(yīng)氣氛流向溫度相對較低的籽晶100，在籽晶100表面降溫沉積。由于坩堝蓋2內(nèi)部填充了高導(dǎo)熱系統(tǒng)的石墨烯25，大大提高了熱量的傳遞速度，使得籽晶100表面有較均勻的徑向溫度，產(chǎn)生較小的熱應(yīng)力，從而提高了晶體的生長品質(zhì)。

采用尺寸相同的石墨的坩堝裝置進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，按照相同的碳化硅晶體生長工藝生長，坩堝蓋溫度控制在2150℃，坩堝本體底部溫度控制在2300℃，進(jìn)行80小時(shí)生長，所獲得的晶體如下：

實(shí)驗(yàn)一：

采用傳統(tǒng)的石墨的坩堝裝置，即坩堝蓋不具有中空部及高導(dǎo)熱系數(shù)填充物的坩堝裝置，生長結(jié)束所得晶體厚度23.8mm，端面錐度5°。

實(shí)驗(yàn)二：

采用本實(shí)用新型的坩堝裝置，坩堝蓋設(shè)有中空部及石墨烯的坩堝裝置(不設(shè)置感應(yīng)環(huán))，生長結(jié)束時(shí)所得晶體厚度23.2mm，端面錐度1.5°。

實(shí)驗(yàn)三：

采用本實(shí)用新型的坩堝裝置，坩堝蓋設(shè)有中空部及石墨烯，并且在中空部設(shè)置多個(gè)感應(yīng)環(huán)，生長結(jié)束時(shí)所得晶體厚度23.1mm，端面錐度0.5°。

通過對比實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三可以看出，本實(shí)用新型的坩堝裝置由于在坩堝蓋中空部增加了高導(dǎo)系數(shù)的石墨烯后，晶體生長端面的錐度明顯減小了；進(jìn)一步地，在中空部內(nèi)設(shè)置感應(yīng)環(huán)后，晶體生長端面的錐度進(jìn)一步明顯減小。

雖然本說明書中使用相對性的用語，例如“上”“下”來描述圖標(biāo)的一個(gè)組件對于另一組件的相對關(guān)系，但是這些術(shù)語用于本說明書中僅出于方便，例如根據(jù)附圖中的示例的方向。能理解的是，如果將圖標(biāo)的裝置翻轉(zhuǎn)使其上下顛倒，則所敘述在“上”的組件將會成為在“下”的組件。當(dāng)某結(jié)構(gòu)在其它結(jié)構(gòu)“上”時(shí)，有可能是指某結(jié)構(gòu)一體形成于其它結(jié)構(gòu)上，或指某結(jié)構(gòu)“直接”設(shè)置在其它結(jié)構(gòu)上，或指某結(jié)構(gòu)通過另一結(jié)構(gòu)“間接”設(shè)置在其它結(jié)構(gòu)上。用語“第一”、“第二”等僅作為標(biāo)記使用，不是對其對象的數(shù)量限制。

本權(quán)利要求書中，用語“一個(gè)”、“一”、“”和“至少一個(gè)”用以表示存在一個(gè)或多個(gè)要素/組成部分/等；用語“包含”、“包括”和“具有”用以表示開放式的包括在內(nèi)的意思并且是指除了列出的要素/組成部分/等之外還可存在另外的要素/組成部分/等。

應(yīng)可理解的是，本實(shí)用新型不將其應(yīng)用限制到本說明書提出的部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和布置方式。本實(shí)用新型能夠具有其他實(shí)施方式，并且能夠以多種方式實(shí)現(xiàn)并且執(zhí)行。前述變形形式和修改形式落在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。應(yīng)可理解的是，本說明書公開和限定的本實(shí)用新型延伸到文中和/或附圖中提到或明顯的兩個(gè)或兩個(gè)以上單獨(dú)特征的所有可替代組合。所有這些不同的組合構(gòu)成本實(shí)用新型的多個(gè)可替代方面。本說明書的實(shí)施方式說明了已知用于實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的最佳方式，并且將使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠利用本實(shí)用新型。