本發(fā)明涉及一種減少碳化硅單晶中包裹體的新型坩堝及利用坩堝生長單晶的方法，屬于晶體生長設備技術領域。

背景技術：

碳化硅(sic)晶體與其他諸多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，在光電子和電力電子領域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。

生長sic單晶的主要方法有物理氣相傳輸法、高溫化學氣相沉積法、液相法。其中，物理氣相傳輸法(physicalvaportransport-pvt)是目前生長sic晶體的主流方法，即將sic籽晶粘接在石墨坩堝蓋上，石墨坩堝內裝有作為生長原料的sic粉末，生長過程中控制籽晶溫度在2100℃到2200℃之間，生長原料分解成氣相組分后在石墨坩堝內部軸向溫度梯度的驅動下輸運到籽晶處結晶生長sic晶體。

目前，sic單晶襯底已經(jīng)用于制備高功率半導體照明led、高電子遷移率晶體管、肖特基二極管、金屬氧化物半導體場效應管等半導體器件，但是器件的性能穩(wěn)定性和長期工作的可靠性仍然受到sic單晶襯底材料中結構缺陷的影響。sic單晶中的典型結構缺陷包括：外來多型結構、碳包裹體、位錯、微管。如何降低sic單晶中的結構缺陷，獲得具有高結構完整性的sic單晶，對于晶體生長工作來說是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也是一項長期而艱苦的研究課題。

當然針對不同的結構缺陷，需要采用相應的單晶生長技術手段加以消除。在sic單晶的結構缺陷中，碳包裹體是一種比較難以消除的結構缺陷。碳包裹體一旦在單晶中產(chǎn)生，在后續(xù)的晶體生長過程中往往伴隨著微管缺陷的形成，這對器件的使用有致命的影響。

碳包裹體在碳化硅單晶中的形成機理：在高溫下，sic粉料主要分解為si,si2c和sic2三種氣相物種，其中si的蒸氣壓最高，這導致氣相中si/c比超過1：1，即氣相中si的原子數(shù)高于c的原子數(shù)。盡管在單晶生長初期，sic粉料中的si/c比保持平衡，隨著加熱時間的延長，si的流失將逐漸嚴重，粉料將逐漸碳化。因此，在sic單晶生長的中后期，粉料中的碳顆粒會隨著載氣或通過擴散，遷移到生長前沿，附著在單晶表面，并隨晶體生長留在晶體中不同厚度的位置。一般來說，越到晶體生長后期，碳包裹體密度越高。

目前物理氣相傳輸法生長sic單晶的過程中，采用中頻感應加熱sic粉料，因此sic粉料內不同位置的溫度差非常大，一般靠近坩堝壁并接近坩堝底部處的粉料溫度最高，離坩堝壁越遠并靠近表面處的粉料溫度最低。因此如何在sic晶體生長過程中，阻止生長中后期粉料中的碳顆粒進入晶體中，減少單晶中的碳包裹體，是目前sic單晶生長技術中迫切需要解決的一個技術難題。

中國專利文獻cn106012021a公開了一種液相生長碳化硅的籽晶軸及方法，屬于碳化硅生長技術領域。本發(fā)明所述的籽晶軸包括石墨軸，在石墨軸的下端連接有石墨軸帽；所述的石墨軸帽為中空結構。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)生長方法高速生長帶來的多型、包裹體和應力等問題，可方便的調控溫度梯度，使晶體既保證生長速度的同時，又能保證晶體質量。但該籽晶軸適用于液相生長碳化硅，對物理氣相傳輸法生長高質量碳化硅單晶不適用。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種減少碳化硅單晶中包裹體的新型坩堝。

發(fā)明概述：

本發(fā)明的坩堝包括一個外坩堝、一個內坩堝，內坩堝設置在外坩堝內部，碳化硅單晶生長過程中，由于sic粉料靠近坩堝壁的部分溫度最高，碳化最為嚴重，本發(fā)明的內坩堝將處于高溫位置容易碳化的sic粉料封閉于內坩堝的內壁與外壁之間的夾層中，使粉碳化后的微小碳顆粒不能輸運到籽晶表明，大大減少sic單晶中的碳包裹體。

本發(fā)明還提供一種利用上述坩堝進行生長高質量sic的方法。

發(fā)明詳述：

本發(fā)明的技術方案如下：

一種減少碳化硅單晶中包裹體的新型坩堝，包括外坩堝，外坩堝端口設置有密封外坩堝的坩堝蓋，其特征在于，在外坩堝內設置有內坩堝，所述的內坩堝包括底部和側壁，側壁為雙層側壁，雙層側壁包括內壁和外壁，內壁上設置有貫穿內壁的小孔，雙層側壁上端口設置有密封內壁與外壁之間夾層的環(huán)形端蓋。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，內坩堝的高度為外坩堝內腔垂直高度的1/2-2/3，優(yōu)選的，內坩堝的高度為外坩堝內腔垂直高度的2/3。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，內坩堝的外壁與外坩堝的內側壁緊貼，間距小于0.5mm；內坩堝的底部與外坩堝的底部緊貼。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，內壁上小孔的直徑為8-12mm，小孔之間的間距為20-35mm；優(yōu)選的，內壁上小孔的直徑為10-12mm，小孔之間的間距為20-30mm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的內壁、外壁均呈圓柱形，所述的內壁與外壁之間的間距為15-25mm，優(yōu)選的，內壁與外壁之間的間距為18-22mm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，外壁呈圓柱形，內壁呈截頭圓錐形，截頭圓錐形的下端圓直徑大于上端圓直徑，截頭圓錐形的錐角為40-50°，優(yōu)選的，截頭圓錐形的錐角為45°；內壁與外壁之間的夾層為上端直徑大于下端直徑的截頭圓錐形。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的外坩堝蓋包括固定連接的蓋板和凸臺，蓋板為圓板形，凸臺為倒圓臺。優(yōu)選的，倒圓臺的錐角為30-60°，倒圓臺的高度為5-10mm，倒圓臺下端圓的面積與籽晶的匹配。

碳化硅單晶生長時，籽晶粘接于倒圓臺的臺面上，固定連接的蓋板和凸臺使單晶與多晶有一高度差，有利于晶體生長結束后單晶與多晶的分離。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，內壁圍成的腔為內坩堝內腔，內坩堝內腔上端口與外坩堝蓋的凸臺相對，內坩堝內腔上端口直徑小于等于凸臺下端圓的直徑。

進一步優(yōu)選的，內坩堝內腔上端口直徑比凸臺下端圓的直徑小1-5mm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，外坩堝端口側壁頂部均勻分布有螺孔，外坩堝蓋上以與螺孔相同的分布間距均勻設置有圓形通孔，石墨螺釘穿過坩堝蓋的圓形通孔及螺孔，實現(xiàn)坩堝體與坩堝蓋之間的密封連接；優(yōu)選的，螺孔的數(shù)量為6個，圓形通孔與螺孔數(shù)量匹配。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，環(huán)形端蓋與雙層側壁上端口的連接方式與外坩堝和外坩堝蓋的連接方式相同。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，外坩堝蓋的凸臺臺面上固定有碳化硅籽晶。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，內坩堝、外坩堝為石墨坩堝，環(huán)形端蓋、外坩堝蓋均為石墨蓋。

本發(fā)明內坩堝的結構設置、相對位置使制得的單晶中碳包裹體大大減少，在高溫下，內坩堝夾層及內腔中的sic粉料熱解為氣相組分，內腔中分解的氣相組分向上傳輸，輸送到籽晶表面；夾層中分解的氣相組分沿內坩堝內壁的小孔經(jīng)過內腔sic粉料輸送到籽晶表面，最終生長成單晶；在碳化硅單晶生長過程中，本發(fā)明的內坩堝將處于高溫位置容易碳化的sic粉料密封于內坩堝的內壁與外壁之間的夾層中，粉料碳化后的微小碳顆粒不能輸運到籽晶表面，同時內腔中的粉料對夾層中熱解的氣相起到過濾作用，避免了碳顆粒傳輸?shù)絪ic單晶表面，從而大大減少sic單晶中的碳包裹體。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述碳化硅籽晶為6h-sic或4h-sic。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，當碳化硅籽晶為6h-sic時，硅面為生長面，當碳化硅籽晶為4h-sic時，碳面為生長面。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述碳化硅粉料粒徑為0.5-1mm。碳化硅粉料為現(xiàn)有技術，采用常規(guī)方法制得，制備方法參照“溫度對碳化硅粉料合成的影響”，田牧、徐偉等，《電子工藝技術》2012年第3期182-185頁。

本發(fā)明的新型坩堝可以通過調整內坩堝的內腔尺寸，對sic粉料分解的氣相組分的傳輸進行調控。

根據(jù)本發(fā)明，一種利用上述新型坩堝進行生長高質量sic單晶的方法，包括步驟如下：

(1)將碳化硅籽晶固定在外坩堝蓋的倒圓臺端面上，并進行碳化處理；

(2)將sic粉料填裝于內坩堝的內腔及內壁與外壁之間的夾層中，使用環(huán)形端蓋密封夾層上端口；

(3)將步驟(1)得到的固定籽晶的外坩堝蓋置于外坩堝的上端口，并用石墨螺釘將外坩堝蓋與外坩堝密封連接；

(4)將坩堝整體置于單晶生長爐生長室的中心位置，對生長室抽真空，使真空度達到10^-5pa～10^-2pa；

(5)對單晶生長爐加熱，使坩堝內溫度達到2273k～2773k，通入惰性氣體調節(jié)生長壓力為50-80mbar，進行晶體生長；

(6)晶體生長結束后，調整生長室內壓力為1000mbar，降溫至室溫，獲得高質量sic單晶。

優(yōu)選的，步驟(1)碳化處理真空度為10^-2～10^-3pa，碳化溫度為500℃，時間為2小時。

采用本發(fā)明的坩堝生長得到厚度為20mm的sic單晶無碳包裹體生成，而用普通坩堝生長得到厚度為10mm的單晶就能觀測到碳包裹體。

本發(fā)明提供的一種減少碳化硅單晶中碳包裹體的新型坩堝，與普通生長碳化硅的坩堝相比，具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明的內坩堝將處于高溫位置容易碳化的sic粉料封閉于內坩堝的內壁與外壁之間的夾層中，粉料碳化后的微小碳顆粒不能輸運到籽晶表明，同時內腔中的粉料對夾層中熱解的氣相起到過濾作用，避免了碳顆粒傳輸?shù)絪ic單晶表面，從而大大減少sic單晶中的碳包裹體，生長得到厚度為20mm的sic單晶無碳包裹體生成。

2、本發(fā)明的內坩堝的設置，內坩堝的內壁與外壁之間夾層既能使sic粉料分解的氣相組分傳輸?shù)絪ic單晶表面，保證粉料的利用率，sic粉料的利用率與普通坩堝相比基本上保持不變，又起到封閉碳化后微小碳顆粒的作用。

3、本發(fā)明內坩堝的設置，改變了傳統(tǒng)坩堝靠近坩堝壁碳化嚴重區(qū)域的sic粉料分解的氣相組分向上傳輸?shù)穆窂剑茄貎熔釄鍍缺诘男】捉?jīng)過內腔sic粉料輸送到籽晶表面，由于靠近坩堝壁附近沒有直接的氣相組分向上傳輸，可以降低坩堝蓋上對應位置處的多晶生長速度，有利于單晶和多晶的分離。

4、本發(fā)明的坩堝結構簡單，只有內坩堝與外坩堝，成本低，易于推廣利用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的減少碳化硅單晶中碳包裹體的新型坩堝示意圖；

圖2為本發(fā)明的減少碳化硅單晶中碳包裹體的另一種新型坩堝示意圖；

其中，1、外坩堝蓋，2、外坩堝，3、籽晶，4、環(huán)形端蓋，5、內壁，6、粉料，7、凸臺，8、夾層，9、小孔，10、外壁。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚和易于理解，以下結合附圖及實施例，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成沖突就可以相互組合。

實施例1

一種減少碳化硅單晶中包裹體的新型坩堝，結構如圖1所示，包括外坩堝2，外坩堝端口設置有密封外坩堝的坩堝蓋1，在外坩堝2內設置有內坩堝，內坩堝包括底部和側壁，側壁為雙層側壁，雙層側壁包括內壁5和外壁，內壁5上設置有貫穿內壁的小孔9，小孔的直徑為10mm，小孔之間的間距為25mm，雙層側壁上端口設置有密封內壁與外壁之間夾層的環(huán)形端蓋4。內坩堝、外坩堝為石墨坩堝，環(huán)形端蓋、外坩堝蓋均為石墨蓋。內坩堝的外壁與外坩堝2的內側壁緊貼，間距小于0.5mm；內坩堝的底部與外坩堝的底部緊貼。內坩堝的高度為外坩堝2內腔垂直高度的2/3。

內壁5、外壁均呈圓柱形，內壁5與外壁之間的間距為20mm。外坩堝蓋1包括固定連接的蓋板和凸臺7，蓋板為圓板形，凸臺7為倒圓臺，倒圓臺的錐角為45°，倒圓臺的高度為10mm，倒圓臺下端圓的面積與籽晶的匹配。外坩堝蓋的凸臺7臺面上固定有碳化硅籽晶3。碳化硅單晶生長時，籽晶粘接于倒圓臺的臺面上，固定連接的蓋板和凸臺使單晶與多晶有一高度差，有利于晶體生長結束后單晶與多晶的分離。

內壁圍成的腔為內坩堝內腔，內坩堝內腔上端口與外坩堝蓋的凸臺7相對，內坩堝內腔上端口直徑比凸臺下端圓的直徑小2mm。

外坩堝2端口側壁頂部均勻分布有螺孔，外坩堝蓋上以與螺孔相同的分布間距均勻設置有圓形通孔，石墨螺釘穿過坩堝蓋的圓形通孔及螺孔，實現(xiàn)坩堝體與坩堝蓋之間的密封連接；優(yōu)選的，螺孔的數(shù)量為6個，圓形通孔與螺孔數(shù)量匹配。環(huán)形端蓋4與內坩堝雙層側壁上端口的連接方式與外坩堝和外坩堝蓋的連接方式相同。

實施例2

一種減少碳化硅單晶中包裹體的新型坩堝，如實施例1所述，所不同的是：

小孔的直徑為10mm，小孔之間的間距為25mm，內坩堝的高度為外坩堝2內腔垂直高度的1/2。內壁5、外壁均呈圓柱形，內壁5與外壁之間的間距為20mm。外坩堝蓋1包括固定連接的蓋板和凸臺7，蓋板為圓板形，凸臺7為倒圓臺，倒圓臺的錐角為45°，倒圓臺的高度為10mm，倒圓臺下端圓的面積與籽晶的匹配。

實施例3

一種減少碳化硅單晶中包裹體的新型坩堝，結構如圖2所示，作為本發(fā)明實施例1的一種變形方式，如實施例1所述，所不同的是：

外壁10呈圓柱形，內壁呈截頭圓錐形，截頭圓錐形的下端圓直徑大于上端圓直徑，截頭圓錐形的錐角為45°；內壁與外壁之間的夾層為上端直徑大于下端直徑的截頭圓錐形。

實施例4

根據(jù)本發(fā)明，一種利用上述新型坩堝進行生長高質量sic單晶的方法，包括步驟如下：

(1)將碳化硅籽晶固定在外坩堝蓋的倒圓臺端面上，并在真空度為10^-2～10^-3pa，溫度為500℃的條件下，保溫2小時進行碳化處理；

(2)將sic粉料填裝于內坩堝的內腔及內壁與外壁之間的夾層中，使用環(huán)形端蓋密封夾層上端口；

(3)將固定籽晶的外坩堝蓋置于外坩堝的上端口，并用石墨螺釘將外坩堝蓋與外坩堝密封連接；

(4)將坩堝整體置于單晶生長爐生長室的中心位置，對生長室抽真空，使真空度達到10^-5pa～10^-2pa；

(5)對單晶生長爐加熱，使坩堝內溫度達到2273k～2773k，通入惰性氣體調節(jié)生長壓力為50-80mbar，進行晶體生長；

(6)晶體生長結束后，調整生長室內壓力為1000mbar，降溫至室溫，獲得高質量sic單晶。

利用olympusbx51m型光學顯微鏡觀察采用本發(fā)明坩堝制得的20mm厚度sic單晶與采用普通坩堝制得的sic單晶，光學顯微鏡放大倍率：100-200倍，發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明坩堝制得的20mmsic單晶中沒有任何碳包裹體存在，而采用普通坩堝制得的sic單晶中夾雜著碳包裹體。