本發(fā)明涉及一種能實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整的SiC單晶生長裝置及利用該裝置生長SiC單晶的方法，屬于晶體生長設備技術領域。

背景技術：

SiC晶體與諸多其他半導體單晶材料相比，其具有硬度高(僅次于金剛石)、熱導率高(4.9W/cm·K)、熱膨脹系數(shù)低(3.1-4.5×10^-6/K)、禁帶寬度大(2.40-3.26eV)、飽和漂移速度高(2.0-2.5×10⁷cm/s)，臨界擊穿場強大(2～3×10⁶V/cm)、化學穩(wěn)定性高、抗輻射能力強等優(yōu)異性能。這些優(yōu)異的性能使SiC半導體器件能在高溫、高壓、強輻射的極端環(huán)境下工作，具有廣闊的應用前景，并對未來半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport-PVT)是目前生長SiC晶體的主流方法，即將SiC晶片貼在石墨坩堝蓋上或頂端用作籽晶，石墨坩堝內(nèi)裝有作為生長原料的SiC粉末，生長溫度控制在2273K到2773K之間，生長原料分解成氣相組分后在石墨坩堝內(nèi)部軸向溫度梯度的驅(qū)動下輸運到籽晶處結(jié)晶生長SiC晶體。

目前，傳統(tǒng)的SiC晶體生長系統(tǒng)常用的加熱方法是中頻感應加熱，整個生長過程中將石墨坩堝外圍纏繞好保溫材料后放置于石英生長腔體內(nèi)，腔體外繞有感應線圈，線圈通交流電后產(chǎn)生交變磁場，石墨坩堝在交變磁場中產(chǎn)生渦流電，從而加熱生長原料和籽晶。

對于高質(zhì)量單晶生長，人們普遍認為溫度場分布對質(zhì)量控制是具有決定性的影響因素。而對于SiC單晶生長，一旦確定了保溫材料的配置，溫度場分布則主要依賴于坩堝與感應線圈的相對位置。SiC單晶生長過程中，隨生長進行，晶體不斷長大，生長的固氣界面不斷向前推移，導致生長過程中固氣界面附近的溫度及溫度場不斷變化，這種情況下會導致以下不良后果：1).隨著固氣界面向前推移，晶體生長前沿的溫度越來越高。而對于SiC單晶來說，無論是6H-SiC還是4H-SiC，其生長都有一個溫度窗口范圍，超出該范圍，極易發(fā)生多型轉(zhuǎn)變；2).隨著固氣界面向前推移，生長前沿附近的徑向溫度梯度不斷增加，導致晶體中的熱應力很大，容易發(fā)生晶體斷裂現(xiàn)象。

因此如何在SiC晶體生長過程中實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整，使晶體生長過程中固/氣界面附近的溫度及溫度場保持基本穩(wěn)定，以穩(wěn)定SiC單晶的晶型及降低晶體中的熱應力是目前SiC單晶生長需要解決的一個技術難題。

中國專利文獻CN105734533A(申請?zhí)枺?01610247059.X)公開了一種中頻感應加熱化學氣相沉積裝置，包括石英管、感應石墨和襯底，石英管外壁上套設有線圈，感應石墨設置于石英管內(nèi)，感應石墨下方設有底座，感應石墨與底座之間設有多根支撐管，通過支撐管支撐連接，感應石墨與底座之間設有移動支座，移動支座下端與底座上端支撐連接，襯底設置于移動支座上端，移動支座通過上下移動調(diào)節(jié)襯底與感應石墨的距離。但該裝置是通過調(diào)節(jié)移動支座的高度來控制襯底所處的溫區(qū)，從而使襯底可以獲得連續(xù)的溫度變化。但該裝置對SiC單晶生長不適用，移動過程中，坩堝難免會產(chǎn)生振動、坩堝與保溫材料的相對位置可能發(fā)生變化，這些因素均會對晶體生長的穩(wěn)定性產(chǎn)生干擾，導致無法正常晶體生長。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種能實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整的SiC單晶生長裝置，該裝置可以在SiC單晶生長過程中實時調(diào)節(jié)溫度場，當晶體生長時，感應線圈與晶體生長界面同步移動，解決了現(xiàn)有SiC單晶生長過程中生長界面溫度逐漸升高和徑向溫度逐漸加大的問題，使晶體生長過程中SiC晶型結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定、熱應力低，從而提高了晶體質(zhì)量及成品率。

本發(fā)明還提供一種利用上述SiC單晶生長裝置進行生長高質(zhì)量SiC單晶的方法。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種能實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整的SiC單晶生長裝置，包括設置在爐架上的加熱爐，加熱爐內(nèi)設置有生長腔，其特征在于，在爐架上方位于加熱爐的一側(cè)設置有支撐架，支撐架滑動連接有載重架，所述的載重架包括線圈固定架和載重架臂，所述線圈固定架包括圓環(huán)固定架，圓環(huán)固定架上設置有線圈支架，圓環(huán)固定架與載重架臂固定連接，在線圈支架上設置有感應線圈，圓環(huán)固定架、線圈支架及感應線圈套設在加熱爐外圍，感應線圈電連接中頻變壓器。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的載重架臂的端頭部固定連接有滑塊，支撐架上設置有導軌，滑塊嵌設在導軌內(nèi)，載重架臂為橫T字形，載重架臂上設置有螺紋孔，螺紋孔內(nèi)設置有絲杠，絲杠由平移電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動。電機驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠帶動載重架臂和線圈固定架沿導軌平穩(wěn)上下移動，實現(xiàn)溫度場的實時調(diào)節(jié)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的線圈固定架為向上延伸的豎桿，豎桿為4個，呈圓形均勻?qū)ΨQ固定在圓環(huán)固定架上，感應線圈套設在4個豎桿外側(cè)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的平移電機通過電機固定架固定在支撐架上。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的平移電機為步進電機，功率為400-500w，最大電流為6.0A，步進電機的步進速度0.1°～10°/步，連續(xù)可調(diào)。

進一步優(yōu)選的，感應線圈內(nèi)側(cè)與石英腔體外壁之間的間隙為0.2-2mm。該間距既保證了高的感應加熱效率，同時使感應線圈平穩(wěn)、流暢的移動。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的感應線圈主體為螺旋形，感應線圈的兩個電極端連接轉(zhuǎn)接頭，轉(zhuǎn)接頭通過導電軟線管與變壓器連接。該設置在變壓器位置不變的條件下，感應線圈可以上下移動。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的絲杠、支撐架、線圈支架均與生長腔的中心線平行，載重架臂與支撐架垂直，感應線圈的中心與生長腔的中心重合。

本發(fā)明的SiC單晶生長裝置，線圈移動過程中，生長系統(tǒng)(包括坩堝、保溫材料等保持不動)，即生長條件保持穩(wěn)定，只是溫度場逐漸變化，采用本發(fā)明的生長裝置，當晶體生長時，感應線圈與生長界面同步移動，使生長過程中生長界面附近的溫度基本保持不變，避免了SiC單晶生長過程中生長溫度變化導致的多型相變的發(fā)生。感應線圈向下移動的速度為0.2mm/h，與晶體生長的速度基本相同。本發(fā)明的裝置絲杠、支撐架、線圈支架均與生長腔的中心線平行，滑塊起導向作用，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動線圈固定架和載重架臂在滑塊的導向作用下，沿支撐架上下平移，因此載重架整體上沿軸向形成平移裝置，在載重架軸向平穩(wěn)移動帶動感應線圈軸向平穩(wěn)移動，感應線圈移動時，僅改變生長腔體內(nèi)的溫度場、不破壞生長腔體的密封結(jié)構(gòu)。載重架臂端頭部的滑塊沿導軌平移時，平移方向與生長腔的中心線基本平行，保證了載重架沿支撐架平穩(wěn)移動，避免感應線圈產(chǎn)生偏軸，感應線圈的中心線與生長腔的中心線保持基本重合，使溫度場與生長界面同步移動，解決了現(xiàn)有SiC單晶生長過程中前沿溫度逐漸升高和徑向溫度逐漸加大的問題，使晶體生長過程中SiC晶型結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定、熱應力低，從而提高了晶體質(zhì)量及成品率。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的生長腔為石英腔體，石英腔體的上部連接上密封法蘭，上密封法蘭中心設置有測溫窗口；石英腔體的下部連接下密封法蘭，下密封法蘭的下端連接四通，四通的下端連接分子泵，四通的側(cè)端連接機械泵。通過紅外測溫計可以測量坩堝上蓋的溫度；通過機械泵和分子泵對生長腔抽氣，可以使生長室達到高真空，四通的備用接口可連接真空檢漏儀，在設備調(diào)試階段，通過檢漏儀檢測生長腔的真空度、真空漏率等參數(shù)。在生長腔內(nèi)設置有石墨坩堝，在生長腔內(nèi)、石墨坩堝外設置有保溫材料，石墨坩堝帶有能夠開啟的密封蓋。石墨坩堝和保溫材料具有中心對稱性。

根據(jù)本發(fā)明，一種利用上述SiC單晶生長裝置進行生長高質(zhì)量SiC單晶的方法，包括步驟如下：

(1)對生長腔抽真空，使真空度達到10^-5Pa～10^-2Pa；

(2)啟動變壓器，感應線圈對SiC單晶生長裝置加熱，使坩堝內(nèi)溫度達到2273K～2773K，調(diào)節(jié)晶體生長壓力為30-50mbar，進行生長晶體，晶體生長過程中充入惰性氣體，

(3)晶體開始生長3-6h后，啟動平移電機，使感應線圈以0.1-0.3mm/h的速度向下移動，移動過程中，感應線圈的中心線與生長腔的中心線保持重合；

(4)晶體生長結(jié)束后，關閉平移電機，逐漸降溫至室溫，得到高質(zhì)量SiC單晶。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)所述的感應線圈以0.2mm/h的速度向下移動。

采用本發(fā)明的裝置進行晶體生長時，感應線圈與生長界面同步移動，使溫度場與生長界面同步移動，生長過程中生長界面附近的溫度基本保持不變，解決了現(xiàn)有SiC單晶生長過程中前沿溫度逐漸升高和徑向溫度逐漸加大的問題，避免了SiC單晶生長過程中生長溫度變化導致的多型相變的發(fā)生。

本發(fā)明提供的能實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整的SiC單晶生長裝置，與現(xiàn)有單晶生長裝置相比，具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明的SiC單晶生長裝置，感應線圈固定在載重架上，通過平移電機驅(qū)動，感應線圈沿軸向上下平穩(wěn)移動，感應線圈移動時，僅改變生長腔體內(nèi)的溫度場、不破壞生長腔體的密封結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)溫度場的實時調(diào)整，并有效控制生長界面的形狀。

2、本發(fā)明的SiC單晶生長裝置，感應線圈與加熱坩堝的相對位置通過感應線圈的移動來調(diào)整，與移動坩堝相比較，本發(fā)明的生長裝置，晶體生長條件更加穩(wěn)定，有利于高質(zhì)量SiC單晶生長。

3、本發(fā)明的SiC單晶生長裝置載重架與感應線圈的設置，確保線圈移動過程中，線圈與石英腔體的間隙不發(fā)生變化，控制更準確；而現(xiàn)有采用坩堝移動的方法，載重架處于生長爐四通的下端，與坩堝的距離大大增加，載重架中心微小的偏軸會導致坩堝移動時的大幅擺動，不利于晶體生長的穩(wěn)定。

4、本發(fā)明的SiC單晶生長裝置，載重架臂端頭部的滑塊沿導軌平移時，平移方向與生長腔的中心線基本平行，保證了載重架沿支撐架平穩(wěn)移動，避免感應線圈產(chǎn)生偏軸，感應線圈的中心線與生長腔的中心線保持基本重合，使感應線圈與生長界面同步移動，使生長過程中生長界面附近的溫度基本保持不變，解決了現(xiàn)有SiC單晶生長過程中前沿溫度逐漸升高和徑向溫度逐漸加大的問題，避免了SiC單晶生長過程中生長溫度變化導致的多型相變的發(fā)生。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的能實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整的SiC單晶生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1.測溫窗口；2.上密封法蘭；3.保溫材料；4.坩堝(內(nèi)裝籽晶和多晶料)；5.平移電機；6.絲杠；7.電機固定架；8.導軌；9.載重架；10.滑塊；11.支撐架；12.生長腔；13.線圈固定架；14.感應線圈；15.轉(zhuǎn)接頭；16.中頻變壓器；17.軟線管；18.下密封法蘭；19.爐架；20.機械泵接口；21.分子泵接口；22.四通。

圖2為采用本發(fā)明的裝置生長獲得的SiC晶體照片，晶體表面平整、光亮，具有較高的結(jié)構(gòu)完整性；

圖3為采用本發(fā)明生長的SiC晶體的Raman掃描圖，紅色表示晶體具有4H晶型結(jié)構(gòu),圖中未出現(xiàn)代表其它晶型結(jié)構(gòu)的顏色，說明晶體具有穩(wěn)定的4H晶型結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實施例中的步進電機、中頻變壓器均為常規(guī)市購產(chǎn)品。

實施例1

一種能實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整的SiC單晶生長裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括設置在爐架19上的加熱爐，加熱爐內(nèi)設置有生長腔，生長腔為石英腔體12，石英腔體12的上部連接上密封法蘭2，上密封法蘭2中心設置有測溫窗口1；石英腔體12的下部連接下密封法蘭18，下密封法蘭18的下端連接四通22，四通22的下端連接分子泵，四通22的側(cè)端連接機械泵。通過紅外測溫計可以測量坩堝上蓋的溫度；通過機械泵和分子泵對生長腔抽氣，可以使生長室達到高真空，四通的備用接口可連接真空檢漏儀，在設備調(diào)試階段，通過檢漏儀檢測生長腔的真空度、真空漏率等參數(shù)。在生長腔12內(nèi)設置有石墨坩堝4，在生長腔12內(nèi)、石墨坩堝4外設置有保溫材料3，石墨坩堝帶有能夠開啟的密封蓋。石墨坩堝和保溫材料具有中心對稱性。

在爐架19上方位于加熱爐的一側(cè)設置有11支撐架，支撐架11滑動連接有載重架9，載重架9包括線圈固定架13和載重架臂，線圈固定架13包括圓環(huán)固定架，圓環(huán)固定架上設置有線圈支架，圓環(huán)固定架與載重架臂固定連接，載重架臂的端頭部固定連接有滑塊10，支撐架11上設置有導軌8，滑塊10嵌設在導軌8內(nèi)，載重架臂為橫T字形，載重架臂上設置有螺紋孔，螺紋孔內(nèi)設置有絲杠6，絲杠6由平移電機5驅(qū)動轉(zhuǎn)動。平移電機5通過電機固定架7固定在支撐架11上。平移電機為步進電機，功率為500w，最大電流為6.0A，步進電機的步進速度為0.1°～10°/步，連續(xù)可調(diào)。

線圈固定架為向上延伸的豎桿，豎桿為4個，呈圓形均勻?qū)ΨQ固定在圓環(huán)固定架上，感應線圈套設在4個豎桿外側(cè)。圓環(huán)固定架、線圈支架及感應線圈14套設在加熱爐外圍，感應線圈電連接變壓器16。感應線圈16主體為螺旋形，感應線圈的兩個電極端連接轉(zhuǎn)接頭15，轉(zhuǎn)接頭15通過導電軟線管17與變壓器16連接。在線圈移動的過程中，中頻變壓器的位置保持不變。中頻變壓器16可以為感應線圈提供中頻感應電流，由于石墨坩堝處于感應線圈產(chǎn)生的交變磁場內(nèi)，在坩堝表面一定深度內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而使坩堝加熱。

感應線圈內(nèi)側(cè)與石英腔體外壁之間的間距為0.5mm。既保證了高的感應加熱效率，同時使感應線圈平穩(wěn)、流暢的移動。絲杠6、支撐架11、線圈支架均與生長腔的中心線平行，載重架臂與支撐架11垂直，感應線圈的中心與生長腔的中心重合。

實施例2

同實施例1所述的能實現(xiàn)溫度場實時調(diào)整的SiC單晶生長裝置，不同之處在于：

感應線圈內(nèi)側(cè)與石英腔體外壁之間的間距為1.5mm.

實施例3

利用上述SiC單晶生長裝置進行生長高質(zhì)量SiC單晶的方法，步驟如下：

(1)對生長腔抽真空，使真空度達到10^-4Pa；

(2)啟動變壓器，感應線圈對SiC單晶生長裝置加熱，使坩堝內(nèi)溫度達到2273K～2773K，調(diào)節(jié)晶體生長壓力為30-50mbar，進行生長晶體，晶體生長過程中充入惰性氣體，

(3)晶體開始生長5h后，啟動平移電機，使感應線圈以0.2mm/h的速度向下移動，移動過程中，感應線圈的中心線與生長腔的中心線保持重合；

(4)晶體生長結(jié)束后，關閉平移電機，逐漸降溫至室溫，得到高質(zhì)量SiC單晶。

采用本發(fā)明的裝置生長得到的SiC單晶如圖2所示，通過圖2可以看出，獲得的晶體表面平坦、光亮，晶體的熱應力低，具有很高的結(jié)構(gòu)完整性。

將獲得的SiC單晶加工成襯底后，采用Raman掃描法檢測單晶的晶型結(jié)構(gòu)，其Raman掃描圖如圖3所示，掃描面積范圍內(nèi)，晶體為4H晶型結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)其它的晶型結(jié)構(gòu)，說明生長的SiC單晶具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。