本發(fā)明涉及一種用于控制碳化硅單晶生長(zhǎng)裝置。

背景技術(shù)：

碳化硅作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，與硅和砷化鎵等傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)和高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn)，其優(yōu)越的性能可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高頻、大功率、光電子以及抗輻射的新要求，被認(rèn)為是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中最有前景的材料之一。

碳化硅單晶制備的方法主要為物理氣相傳輸法。這種常規(guī)方法是：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，在坩堝內(nèi)部，碳化硅原料處于坩堝底部相對(duì)高溫區(qū)(2200—2300℃)，籽晶粘結(jié)在坩堝鍋蓋上為相對(duì)低溫區(qū)(2100—2200℃)，坩堝整體是封閉的放在加熱線圈中間，坩堝底部和鍋蓋中間有一定的距離，高溫區(qū)的碳化硅原料升華，由于原料區(qū)和籽晶存在溫度差，原料以氣態(tài)的形式升華到籽晶表面，氣相成分主要有si、si2c和sic2，氣相在籽晶上結(jié)晶形成碳化硅晶體，原料區(qū)和籽晶表面存在的溫度差是碳化硅單晶生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源，如美國(guó)專利us6261363b1和中國(guó)專利cn1247831c。在中國(guó)專利cn1261622c中，對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，坩堝蓋可以上下移動(dòng)，控制晶體生長(zhǎng)區(qū)溫度，但在晶體生長(zhǎng)中，原料會(huì)不斷消耗，使得原料區(qū)的溫度會(huì)不斷發(fā)生變化，從而會(huì)影響溫度梯度，造成碳化硅晶體生長(zhǎng)質(zhì)量難以控制。

在生長(zhǎng)過(guò)程中，由于原料會(huì)不斷消耗，原料表面相對(duì)感應(yīng)線圈的位置也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致原料區(qū)溫度不斷變化改變。同時(shí)，籽晶處晶體不斷生長(zhǎng)，會(huì)逐漸變厚，晶體表面不斷向高溫區(qū)移動(dòng)，表面溫度也會(huì)越來(lái)越高，氣相區(qū)越來(lái)越短，致使碳化硅單晶生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力降低。原料升華溫度和晶體表面溫度的變化導(dǎo)致的溫度梯度的變化，會(huì)改變坩堝內(nèi)部溫場(chǎng)，影響氣相組分的化學(xué)組成，在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，前期溫度條件和后期溫度條件發(fā)生非常大的變化，不利于晶體的穩(wěn)定生長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提出一種控制碳化硅單晶生長(zhǎng)裝置。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理氣相傳輸法制備碳化硅單晶的原料區(qū)和晶體生長(zhǎng)區(qū)溫度的精確控制，保持溫度梯度均勻穩(wěn)定，使碳化硅單晶能夠在一個(gè)穩(wěn)定可控的環(huán)境中生長(zhǎng)，提高單晶生長(zhǎng)質(zhì)量。

本發(fā)明碳化硅單晶生長(zhǎng)裝置包括真空腔室、感應(yīng)線圈、坩堝、氣路系統(tǒng)和升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。感應(yīng)線圈、坩堝、氣路系統(tǒng)和升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)均位于真空腔室內(nèi)，其中感應(yīng)線圈位于真空腔室中心位置，用以加熱坩堝。坩堝為發(fā)熱體，內(nèi)部裝有碳化硅粉料和籽晶，用于碳化硅晶體生長(zhǎng)。坩堝位于升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的上托盤和下托盤之間，放置在感應(yīng)線圈內(nèi)部，坩堝外面包覆有保溫層。氣路系統(tǒng)連接在真空腔室側(cè)壁上，用于提供碳化硅晶體生長(zhǎng)時(shí)所需要的氣氛。

所述的升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)包括上托盤、下托盤、上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸。所述的上托盤和下托盤分別固定在上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸上。上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸位于托盤的中心，通過(guò)伺服控制電機(jī)控制上、下旋轉(zhuǎn)軸的上下移動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上托盤和下托盤的升降和圓周旋轉(zhuǎn)。原料物碳化硅粉料放置于坩堝的內(nèi)底部，籽晶粘結(jié)在坩堝堝蓋上。坩堝的底部固定在下托盤上，坩堝堝蓋固定在上托盤的下表面上，坩堝和坩堝堝蓋分體，也可以扣合。扣合后的坩堝和坩堝蓋可以整體垂直上下移動(dòng)和沿圓周方向水平360°轉(zhuǎn)動(dòng)。分體的坩堝和坩堝蓋也可以各自獨(dú)立360°旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)。坩堝和坩堝堝蓋分別能夠跟隨上托盤和下托盤升降或圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。坩堝、上托盤、下托盤和感應(yīng)線圈與上旋轉(zhuǎn)軸、下旋轉(zhuǎn)軸同軸。軸向方向上，上托盤和下托盤均在感應(yīng)線圈外部，徑向方向上，上托盤和下托盤均在感應(yīng)線圈內(nèi)部。托盤的垂直投影位于感應(yīng)線圈垂直投影中心位置。真空腔室及感應(yīng)線圈均裝有冷卻水裝置，分別有一個(gè)冷卻水進(jìn)水口和出水口進(jìn)行水循環(huán)，循環(huán)水利用外部制冷機(jī)保持恒定的溫度。感應(yīng)線圈、坩堝、保溫層、氣路系統(tǒng)、上托盤、下托盤、上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸均在真空腔室內(nèi)。真空腔室開(kāi)有氣路進(jìn)出口，通入氣體，用以調(diào)節(jié)進(jìn)氣量和氣體種類。

坩堝堝蓋粘結(jié)有籽晶，籽晶表面為晶體生長(zhǎng)區(qū)，生長(zhǎng)碳化硅單晶；原料區(qū)位于坩堝內(nèi)的底部。

晶體生長(zhǎng)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整坩堝和坩堝鍋蓋的運(yùn)動(dòng)，使坩堝中原料區(qū)位置和晶體生長(zhǎng)區(qū)表面位置相對(duì)感應(yīng)線圈位置不變，從而保證溫度和溫度梯度在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中保持一致。

本發(fā)明裝置在碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，感應(yīng)線圈固定不動(dòng)，通過(guò)控制上托盤和下托盤的轉(zhuǎn)速和上下升降移動(dòng)的速度，實(shí)現(xiàn)原料區(qū)和晶體生長(zhǎng)區(qū)溫度精確控制。由于坩堝隨上托盤和下托盤的上下移動(dòng)，通過(guò)坩堝的升降，控制坩堝內(nèi)底部原料區(qū)的中部位置始終處于感應(yīng)線圈中央，也即加熱溫度的最高點(diǎn)。通過(guò)坩堝鍋蓋的升降，使坩堝內(nèi)氣相區(qū)的高度始終保持不變。

升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速在0.05—30rpm可控，升降速度分為快慢兩檔，慢速檔升降范圍為0.06—20mm/h，快速檔升降范圍為0.1—60mm/min；

感應(yīng)線圈加熱采用中頻加熱方式，通過(guò)控制功率輸出，使感應(yīng)線圈中部溫度最高點(diǎn)范圍為2200—2300℃，籽晶和生長(zhǎng)原料表面之間的區(qū)域稱為氣相區(qū)，氣相區(qū)高度范圍可設(shè)置為5—60mm；旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)上托盤和下托盤轉(zhuǎn)動(dòng)和上下移動(dòng)，控制坩堝和坩堝鍋蓋相互運(yùn)動(dòng)，使生長(zhǎng)原料區(qū)溫度保持不變，同時(shí)生長(zhǎng)原料區(qū)到晶體生長(zhǎng)區(qū)表面的溫度梯度保持不變，這樣氣相區(qū)的高度也保持不變，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)溫度和溫度梯度的精確控制。

本發(fā)明可以精確控制生長(zhǎng)原料區(qū)和晶體生長(zhǎng)區(qū)的溫度，使生長(zhǎng)原料區(qū)始終處于最佳溫度，同時(shí)保持生長(zhǎng)原料區(qū)和晶體表面距離不變，這樣，作為晶體生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)源的溫度梯度和氣相組分的化學(xué)組成均保持不變，因此，晶體一直在穩(wěn)定的環(huán)境中生長(zhǎng)，極大的提高了晶體生長(zhǎng)質(zhì)量和效率。

生長(zhǎng)原料為碳化硅粉，純度大于99.999％，粒徑在0.05—1范圍之間。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖；1感應(yīng)線圈；2坩堝；3坩堝鍋蓋；4保溫層；5原料區(qū)；6籽晶；7上旋轉(zhuǎn)軸；8上托盤；9下旋轉(zhuǎn)軸；10下托盤；11固定桿；12真空腔室；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明晶體生長(zhǎng)裝置包括真空腔室12、感應(yīng)線圈1、坩堝2、氣路系統(tǒng)和升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，感應(yīng)線圈1、坩堝2、氣路系統(tǒng)和升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)均位于真空腔室內(nèi)。坩堝2位于升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的上托盤8和下托盤10之間，放置在感應(yīng)線圈1內(nèi)的中央位置。坩堝2外包覆有保溫層4。感應(yīng)線圈1位于真空腔室中心位置，用以加熱坩堝2。坩堝2為發(fā)熱體，內(nèi)裝有碳化硅粉料和籽晶，用于碳化硅晶體生長(zhǎng)。氣路系統(tǒng)連接在真空腔室側(cè)壁上，用于提供碳化硅晶體生長(zhǎng)時(shí)所需要的氣氛。

所述的升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)包括上托盤8、下托盤10、上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9。上托盤8、下托盤10分別固定在上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9上。上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9位于托盤的中心，通過(guò)伺服控制電機(jī)控制上、下旋轉(zhuǎn)軸的上下移動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)，以帶動(dòng)上托盤8和下托盤10的升降和圓周旋轉(zhuǎn)。坩堝2放置在上托盤8和下托盤10之間，坩堝2的底部固定在下托盤10上，坩堝堝蓋3固定在上托盤8的下表面上。坩堝2和坩堝堝蓋3分體，也可以扣合?？酆虾蟮嫩釄搴哇釄迳w可以整體垂直上下移動(dòng)和沿圓周方向水平360°轉(zhuǎn)動(dòng)。分體的坩堝和坩堝蓋也可以獨(dú)立360°旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)。坩堝2和坩堝堝蓋3能夠分別跟隨上托盤8和下托盤10升降或沿圓周水平轉(zhuǎn)動(dòng)。坩堝2放置在感應(yīng)線圈1內(nèi)，位于感應(yīng)線圈1的中央。坩堝2外面包覆有保溫層4。坩堝2、上托盤8、下托盤10和感應(yīng)線圈1與上旋轉(zhuǎn)軸7、下旋轉(zhuǎn)軸9同軸，軸向方向上，上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9在感應(yīng)線圈1的外部，徑向方向上，上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9在感應(yīng)線圈1內(nèi)部。上、下托盤、坩堝2、保溫層4以及感應(yīng)線圈1的垂直投影如圖2所示，上、下托盤、坩堝2和保溫層4同軸，位于感應(yīng)線圈垂直投影中心位置。

坩堝堝蓋3粘結(jié)有籽晶6，籽晶6表面為晶體生長(zhǎng)區(qū)，生長(zhǎng)碳化硅單晶。原料區(qū)5位于坩堝2的內(nèi)底部。

本發(fā)明生長(zhǎng)晶體的實(shí)施例1

把粒徑>0.5mm的碳化硅粉放置在坩堝2內(nèi)，置于坩堝2的底部，籽晶6粘結(jié)在坩堝鍋蓋3上。坩堝2固定在下托盤10上，坩堝鍋蓋3固定在上托盤8上。升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)控制坩堝2和坩堝鍋蓋3移動(dòng)，使坩堝2中生長(zhǎng)原料區(qū)5的中部位置處于感應(yīng)線圈1中央加熱溫度的最高點(diǎn)。感應(yīng)線圈1采用中頻加熱方式，采用物理氣相傳輸法生長(zhǎng)碳化硅單晶時(shí)，原料加熱升華，在籽晶上結(jié)晶形成碳化硅單晶。為了減輕徑向溫度梯度的影響，使原料氣相升華時(shí)沉積的更加均勻，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9，帶動(dòng)上托盤8和下托盤10按照同樣的轉(zhuǎn)速和方向一致旋轉(zhuǎn)。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，由于碳化硅粒徑較大，原料堆積松散，升華通道通暢，原料消耗比較快，而晶體生長(zhǎng)緩慢，一般消耗和生長(zhǎng)的速度比例為2:1，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，料面和晶體表面的距離越來(lái)越大，溫度梯度會(huì)發(fā)生變化。料面和晶體表面位置的變化，所處的溫區(qū)也會(huì)發(fā)生變化，因此在晶體生長(zhǎng)時(shí)，坩堝2根據(jù)原料的升華量向上緩慢運(yùn)動(dòng)，保持料面一直處于最高溫區(qū)。坩堝鍋蓋3同時(shí)也以更慢的速度向上移動(dòng)，保持料面和晶體表面距離不變，也即整個(gè)氣相區(qū)的長(zhǎng)度不變，保證所處溫區(qū)不變的同時(shí)，籽晶6表面和原料區(qū)5表面之間的溫度梯度也是恒定的。

本發(fā)明生長(zhǎng)晶體的實(shí)施例2

把粒徑<0.1mm的碳化硅粉放置在坩堝2內(nèi)，置于坩堝2的內(nèi)底部，籽晶6粘結(jié)在坩堝鍋蓋3上，其中坩堝2固定在下托盤10上，坩堝鍋蓋3固定在上托盤8上。升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)控制坩堝2和坩堝鍋蓋3移動(dòng)，使坩堝2中原料區(qū)5的中部位置處于感應(yīng)線圈中央加熱溫度的最高點(diǎn)。感應(yīng)線圈1采用中頻加熱方式，采用物理氣相傳輸法生長(zhǎng)碳化硅單晶時(shí)，原料加熱升華，在籽晶6上結(jié)晶形成碳化硅單晶。為了減輕徑向溫度梯度的影響，使原料氣相升華時(shí)沉積的更加均勻，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9，帶動(dòng)上托盤8和下托盤10按照同樣的轉(zhuǎn)速和方向一致旋轉(zhuǎn)。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，由于碳化硅粒徑較小，原料堆積致密，這種情況下，碳化硅粉在升華過(guò)程中，升華通道容易被堵塞，升華比較慢，且硅元素消耗的比較快，容易在原料表面形成石墨化，使原料面不會(huì)降低，而晶體緩慢生長(zhǎng)，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，料面和晶體表面的距離越來(lái)越小，溫度梯度會(huì)發(fā)生變化。因此在晶體生長(zhǎng)時(shí)，坩堝蓋3會(huì)向原料區(qū)方向以緩慢的速度移動(dòng)，保持料面和晶體表面距離不變，也就是整個(gè)氣相區(qū)的距離不變，保證所處溫區(qū)不變的同時(shí)，籽晶表面和生長(zhǎng)原料區(qū)之間的溫度梯度也是恒定的。

本發(fā)明生長(zhǎng)晶體的實(shí)施例3

把0.1mm<粒徑<0.5mm的碳化硅粉放置在坩堝2內(nèi)，置于坩堝2的內(nèi)底部，籽晶6粘結(jié)在坩堝鍋蓋3上，其中坩堝2固定在下托盤10上，坩堝鍋蓋3固定在上托盤8上。升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)控制坩堝2和坩堝鍋蓋3移動(dòng)，使坩堝2中原料區(qū)5的中部位置處于感應(yīng)線圈中央加熱溫度的最高點(diǎn)。感應(yīng)線圈1采用中頻加熱方式，采用物理氣相傳輸法生長(zhǎng)碳化硅單晶時(shí)，原料加熱升華，在籽晶6上結(jié)晶形成碳化硅單晶。為了減輕徑向溫度梯度的影響，使原料氣相升華時(shí)沉積的更加均勻，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)上旋轉(zhuǎn)軸7和下旋轉(zhuǎn)軸9，帶動(dòng)上托盤8和下托盤10按照同樣的轉(zhuǎn)速和方向一致旋轉(zhuǎn)。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，坩堝2和坩堝鍋蓋3完全扣合在一起，由于碳化硅粒徑適中，這種情況下，碳化硅粉在升華過(guò)程中，碳化硅粉升華使料面降低的速度和晶體生長(zhǎng)的速度相同，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，料面和晶體表面距離沒(méi)有變化，也就是整個(gè)氣相區(qū)的距離不變，而料面的高度相對(duì)線圈中央位置會(huì)下降，因此在晶體生長(zhǎng)時(shí)，坩堝2和坩堝鍋蓋3以相同的速度向上移動(dòng)，保持料面一直處于最高溫區(qū)，籽晶表面和生長(zhǎng)原料區(qū)之間的溫度梯度也是恒定的。

本發(fā)明的裝置可以根據(jù)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中具體情況，調(diào)整料面和晶體生長(zhǎng)區(qū)的距離，使整個(gè)氣相區(qū)的長(zhǎng)度不變，保證原料區(qū)和晶體生長(zhǎng)區(qū)表面溫度不發(fā)生變化，同時(shí)保持了溫度梯度穩(wěn)定，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)碳化硅晶體生長(zhǎng)溫度和溫度梯度的精確控制，提高碳化硅單晶生長(zhǎng)質(zhì)量和效率。