本發(fā)明涉及碳化硅半導(dǎo)體，尤其涉及一種多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備及其制備工藝。

背景技術(shù)：

1、碳化硅（sic）單晶作為一種重要的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，因其具備寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)和高電子飽和遷移速率等優(yōu)點(diǎn)，在高頻、大功率、抗輻射、耐腐蝕、耐高溫等極端條件下使用的功率電子器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。物理氣相輸運(yùn)法（pvt法）是碳化硅單晶生長的常用方法，其主要是將碳化硅多晶原料裝在筒狀坩堝本體底部，用坩堝蓋將坩堝本體蓋上，形成一個(gè)密閉空間，坩堝蓋下表面安裝有碳化硅籽晶，通過加熱體對(duì)坩堝本體、坩堝蓋組成的系統(tǒng)進(jìn)行加熱，使坩堝本體內(nèi)的碳化硅多晶原料升華，并維持碳化硅多晶原料與碳化硅籽晶間具有合適的軸向（沿筒狀坩堝本體中心軸方向）溫度梯度，升華后的碳化硅粒子就會(huì)在碳化硅籽晶上沉積生長，從而獲得碳化硅單晶。

2、現(xiàn)有技術(shù)中的pvt生長裝置通常是在一個(gè)腔內(nèi)裝一個(gè)坩堝，在一定時(shí)期內(nèi)只能生長一個(gè)碳化硅晶體，但碳化硅晶體生長溫度高、生長速度慢、裝置昂貴，使得碳化硅晶體的生長成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅單晶的成本，碳化硅晶體的應(yīng)用范圍受到很大限制。專利申請(qǐng)kr1020230071771a多坩堝中碳化硅晶體的同步生長方法及裝置公開了一種碳化硅單晶生長裝置，包括腔體、靠近腔內(nèi)側(cè)壁布置的保溫層、設(shè)置在保溫層內(nèi)部離格布置有多個(gè)加熱體，加熱體的內(nèi)部空間構(gòu)成多個(gè)獨(dú)立的生長室，每個(gè)生長室內(nèi)均布置有獨(dú)立的生長組裝體；獨(dú)立生長組裝體包括石墨坩堝及布置在石墨坩堝頂部的石墨坩堝蓋，石墨坩堝蓋底部設(shè)有籽晶。該裝置在保溫層內(nèi)部設(shè)置了多個(gè)能夠同步長晶的生長室，提高了碳化硅晶體的生長效率，降低了碳化硅單晶的生長成本。但是該裝置中的加熱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相鄰兩個(gè)生長室之間必須設(shè)置加熱體才能精確控制生長室內(nèi)每個(gè)坩堝的各區(qū)域溫度，以滿足碳化硅單晶生長的工藝需求。這導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備更為復(fù)雜且占底面積更大，尤其是在生產(chǎn)大尺寸的碳化硅單晶工件時(shí)更為突出。

3、此外，由于碳化硅單晶的生長受溫差影響特別大，對(duì)于長晶區(qū)域溫度的控制要求十分嚴(yán)格，需要確保同一高度方向界面的溫度要趨于一致，控制在極小的溫差范圍內(nèi)；尤其是對(duì)于大尺寸碳化硅單晶而言，坩堝內(nèi)部空間尺寸較大，導(dǎo)致靠近坩堝中心區(qū)域的碳化硅氣體溫度要低于靠近坩堝壁區(qū)域的碳化硅氣體溫度，致使各區(qū)域在籽晶上的結(jié)晶不同步，使得碳化硅單晶質(zhì)量難以保證。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，通常利用電阻加熱器來加熱坩堝。具體地，單坩堝電阻加熱碳化硅單晶生長設(shè)備主要包括設(shè)置在爐體內(nèi)的保溫層、位于保溫層內(nèi)的坩堝、設(shè)置在保溫層和坩堝之間的電阻加熱器，通過電阻加熱器加熱坩堝，坩堝均勻受熱后熔化內(nèi)部的碳化硅源粉，使其升華并在位于坩堝上蓋底部的碳化硅籽晶處再結(jié)晶，從而獲得碳化硅單晶。其中電阻加熱器通常設(shè)置在坩堝四周，包括側(cè)面、頂面和底面，以保證坩堝均勻受熱。通過調(diào)整電阻加熱器的位置來精準(zhǔn)控制坩堝內(nèi)各區(qū)域溫度，尤其是長晶區(qū)域的溫度。但是由于碳化硅單晶生長對(duì)溫度場(chǎng)的變化特別敏感，而在坩堝內(nèi)的密閉空間中中心區(qū)域相對(duì)于坩堝壁附近區(qū)域距離加熱體較遠(yuǎn)，致使中心區(qū)域氣相碳化硅的溫度略低于坩堝壁附近區(qū)域氣相碳化硅的溫度，容易形成徑向溫度梯度，氣相碳化硅在籽晶處的結(jié)晶速度不一致，從而影響碳化硅單晶的質(zhì)量，尤其是大尺寸的碳化硅單晶生長。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占底面積大、產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低的問題，提供一種結(jié)構(gòu)更簡單且能同步生長多個(gè)單晶的多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備。

2、本發(fā)明該技術(shù)問題的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備，包括設(shè)置在爐架上的爐體、附著在所述爐體內(nèi)壁的保溫層、設(shè)置在所述保溫層的保溫空腔內(nèi)的坩堝組和電阻加熱器，所述爐體設(shè)置為回轉(zhuǎn)體形狀，所述電阻加熱器設(shè)置在所述坩堝組外圓周面的外側(cè)；所述坩堝組包括圓周均布設(shè)置在所述保溫層的保溫空腔內(nèi)的至少兩套坩堝套件，還包括驅(qū)動(dòng)每套坩堝套件繞自身旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的自旋機(jī)構(gòu)。

3、更進(jìn)一步地，所述自旋機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在爐體外部的由自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸、對(duì)應(yīng)每套坩堝套件設(shè)置在自轉(zhuǎn)軸、設(shè)置在所述驅(qū)動(dòng)軸和自轉(zhuǎn)軸之間的齒輪組；通過齒輪組能夠利用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所有自轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)。

4、更進(jìn)一步地，所述坩堝組還包括坩堝升降裝置，所述坩堝升降裝置包括滑動(dòng)設(shè)置在所述爐架上的升降滑板、由升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的第一絲桿，所述升降滑板上設(shè)有與所述第一絲桿相配合的螺紋孔，所述自轉(zhuǎn)軸的端部轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在所述升降滑板的頂部，所述自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和所述齒輪組設(shè)置在所述升降滑板上隨所述升降滑板一同升降；通過控制升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第一絲桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)升降滑板升降，從而帶動(dòng)所有自轉(zhuǎn)軸升降。

5、更進(jìn)一步地，所述坩堝升降裝置還包括豎直設(shè)置在所述爐架上的滑板導(dǎo)向桿，所述升降滑板上開設(shè)有與所述滑板導(dǎo)向桿相配合的導(dǎo)向通孔，使得升降滑板在升降過程中更順暢。

6、更進(jìn)一步地，所述至少兩套坩堝套件中的每個(gè)坩堝套件包括上坩堝和下坩堝，所述上坩堝和下坩堝之間設(shè)有連通的氣相輸送管，所述上坩堝包括上坩堝本體和上坩堝蓋，所述下坩堝包括下坩堝本體和下坩堝蓋，所述氣相輸送管連通設(shè)置在所述上坩堝本體和下坩堝蓋之間；氣相輸送管，使得在坩堝內(nèi)密閉空間中位于籽晶和碳化硅多晶液面之間的區(qū)域空間變得更小，此處的氣相碳化硅更少，不容易會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，提高了碳化硅單晶的徑向均勻性，從而進(jìn)一步提高了碳化硅單晶的質(zhì)量。

7、更進(jìn)一步地，所述電阻加熱器包括設(shè)置在所述坩堝組四周且與所述坩堝套件中上坩堝的位置相對(duì)應(yīng)的上加熱體、設(shè)置在所述坩堝組四周且與坩堝套件中下坩堝的位置相對(duì)應(yīng)的下加熱體、以及設(shè)置在所述氣相輸送管四周的中間加熱體；所述中間加熱體設(shè)置為平板狀，所述平板狀中間加熱體上開設(shè)有與每個(gè)坩堝套件的氣相輸送管相匹配的通孔；下加熱體能夠維持每套坩堝套件中下坩堝內(nèi)碳化硅多晶原料升華所需要的溫度，上加熱體能夠維持每套坩堝套件中上坩堝冷凝所需要的溫度，中間加熱體能夠維持氣相輸送管內(nèi)氣相碳化硅的溫度，以減少溫差對(duì)長晶質(zhì)量的影響；同時(shí)通孔的設(shè)置能夠避免中間加熱體對(duì)每套坩堝套件通過自旋機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)的干擾。

8、更進(jìn)一步地，每套所述坩堝套件中所述上坩堝蓋的正上方均設(shè)有晶體換熱裝置，每個(gè)所述晶體換熱裝置包括與對(duì)應(yīng)所述上坩堝蓋頂面相匹配的換熱板、穿過所述保溫層和所述爐體并與所述換熱板連接的第二升降導(dǎo)桿、設(shè)置在所述爐體頂部的第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)、由所述第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的第二絲桿、套設(shè)在所述第二絲桿上的第二滑塊，所述第二滑塊固定在所述第二升降導(dǎo)桿的頂端，所述第二滑塊與所述第二絲桿螺紋連接；通過第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第二絲桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)第二滑塊沿第二絲桿上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的第二升降導(dǎo)桿上下滑動(dòng)，而第二升降導(dǎo)桿帶動(dòng)換熱板升降，使得換熱板接觸或脫離上坩堝蓋頂面，及時(shí)降低固定在上坩堝蓋地面的籽晶溫度，控制籽晶溫度符合工藝要求，進(jìn)一步確保碳化硅單晶的質(zhì)量。

9、更進(jìn)一步地，所述晶體換熱裝置還包括能夠檢測(cè)對(duì)應(yīng)上坩堝蓋溫度的測(cè)溫裝置，所述測(cè)溫裝置包括所述第二升降導(dǎo)桿頂部設(shè)置的具有檢測(cè)頭的紅外測(cè)溫儀、所述第二升降導(dǎo)桿內(nèi)設(shè)置在測(cè)溫通道，所述測(cè)溫通道一端穿過所述換熱板正對(duì)所述上坩堝蓋的頂面而另一端與所述紅外測(cè)溫儀相匹配；及時(shí)通過紅外測(cè)溫儀的檢測(cè)頭透過測(cè)溫通道檢測(cè)到的上坩堝蓋頂面的溫度，能夠確定籽晶的溫度。

10、更進(jìn)一步地，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)與每個(gè)所述第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)和每個(gè)所述紅外測(cè)溫儀電連接，所述控制系統(tǒng)根據(jù)對(duì)應(yīng)所述紅外測(cè)溫儀檢測(cè)到的對(duì)應(yīng)上坩堝蓋頂面的溫度控制對(duì)應(yīng)所述第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述第二絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)對(duì)應(yīng)所述換熱板升降；通過控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)紅外測(cè)溫儀檢測(cè)到的溫度控制換熱板接觸或脫離上坩堝蓋頂面，實(shí)現(xiàn)對(duì)籽晶溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

11、本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中多料柱碳化硅單晶制備工藝中產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低的問題，提供一種多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備的制備工藝。

12、本發(fā)明該技術(shù)問題的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備的制備工藝，包括以下步驟：

13、構(gòu)造如上所述多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備；

14、在每套坩堝套件中的上坩堝蓋底部設(shè)置籽晶；在每套坩堝套件中的下坩堝內(nèi)放置碳化硅多晶原料，完成裝爐；

15、對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行抽真空處理，使得爐體內(nèi)真空度達(dá)到0.1pa以下；

16、驅(qū)動(dòng)自旋機(jī)構(gòu)帶動(dòng)每套坩堝套件旋轉(zhuǎn)；

17、分階段對(duì)爐體內(nèi)腔室進(jìn)行升溫并維持爐體真空度在0.1pa以下；

18、通過控制電阻加熱器工作維持爐體內(nèi)腔室的溫度在2000-2500℃，同時(shí)停止抽真空并向爐體內(nèi)腔室充入惰性氣體，并升壓至10-60kpa，保壓3-5小時(shí)；

19、通過控制電阻加熱器工作維持爐體內(nèi)腔室的溫度在2000-2500℃，同時(shí)逐步降壓，在3-10小時(shí)內(nèi)將爐體內(nèi)腔室壓力降低至100-3000pa；

20、根據(jù)碳化硅單晶生長的尺寸要求，維持爐體內(nèi)腔室的溫度、壓力不變?cè)?0-300小時(shí)；同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的長晶界面的位置調(diào)整所述坩堝的位置；

21、完成碳化硅單晶生長后，泄壓、降溫。

22、實(shí)施本發(fā)明所述的多料柱碳化硅單晶生長設(shè)備及其制備工藝，具有以下有益效果：通過在保溫層的內(nèi)部腔室內(nèi)設(shè)置至少兩套坩堝套件，使用同一套加熱裝置就能對(duì)多個(gè)坩堝內(nèi)進(jìn)行加熱，同步進(jìn)行多個(gè)碳化硅單晶生長，從而提高了生產(chǎn)效率、降低了制造成本；通過設(shè)置至少兩套坩堝套件圓周均布設(shè)置在保溫層內(nèi)部腔室內(nèi)，使得整體設(shè)備更為緊湊，占據(jù)空間更小，所需要的工藝氣體和升溫能源也更少，從而更節(jié)省制造成本；通過設(shè)置自旋機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)每套坩堝套件繞自身旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使得每套坩堝套件的不同區(qū)域均能被位于坩堝組外圓周面的電阻加熱器均勻加熱，進(jìn)一步確保了碳化硅單晶生長的質(zhì)量。

23、更進(jìn)一步地，通過設(shè)置坩堝包括上坩堝和下坩堝，并在上下坩堝之間設(shè)置氣相輸送管，使得在坩堝內(nèi)密閉空間中位于籽晶和碳化硅多晶液面之間的區(qū)域空間變得更小，此處的氣相碳化硅更少，不容易會(huì)產(chǎn)生溫度梯度；同時(shí)，下坩堝內(nèi)存在溫度梯度的各區(qū)域的氣相碳化硅在氣相輸送管內(nèi)充分混合后形成統(tǒng)一溫度的氣相碳化硅；從而保證了氣相碳化硅在籽晶處的結(jié)晶速度一致，提高了碳化硅單晶的徑向均勻性，從而保證了碳化硅單晶的質(zhì)量。此外本發(fā)明還通過在氣相輸送管四周設(shè)置中間加熱體、在下坩堝本體底部設(shè)置坩堝升降裝置、在上坩堝蓋正上方設(shè)置晶體換熱裝置的措施，進(jìn)一步增強(qiáng)了設(shè)備對(duì)坩堝內(nèi)各區(qū)域溫度的精細(xì)控制，避免了各區(qū)域的溫差對(duì)碳化硅單晶生長質(zhì)量的影響。