一種降低碳化矽單晶中碳粒子包裹體的裝置的製作方法

2023-07-12 10:10:36

本實用新型屬於碳化矽單晶領域，涉及一種碳化矽單晶生長裝置，特別涉及一種降低碳化矽單晶中碳粒子包裹體的裝置。

背景技術：

作為第三代半導體材料，碳化矽單晶具有禁帶寬度大，抗輻射能力強，擊穿電場高，介電常數小，熱導率大，電子飽和漂移速度高，化學穩定性高等獨特的特性，可以用來製造各種耐高溫的高頻大功率器件，應用於矽器件難以勝任的場合，被認為是製造光電子器件、高頻大功率器件、電力電子器件理想的半導體材料。在白光照明、光存儲、屏幕顯示、航天航空、高溫輻射環境、石油勘探、自動化、雷達與通信、汽車電子化等方面有廣泛應用，尤其在國防軍事上有著重要的戰略地位，因此受到各國的高度重視。

目前，生長SiC晶體最有效的方法是物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transport），其中，碳化矽粉體加熱到2000℃以上，高溫升華後氣相成分在濃度梯度的作用下進行物質傳輸，最後在溫度較低的碳化矽籽晶表面重新結晶，促使晶體長大。在典型碳化矽生產技術中，整個生長系統包括生長室、感應加熱系統及水冷系統、石墨坩堝及保溫材料。通過調節坩堝和感應線圈的相對位置以及保溫材料的厚度，使坩堝上部籽晶處的溫度低於坩堝底部SiC粉料處的溫度，達到晶體生長的目的。

現有的PVT法生長的碳化矽單晶中不可避免出現缺陷，碳粒子包裹體就是其中的一種，它們的尺度範圍為數微米到數十微米，這些碳粒子主要來自於生長系統中與氣相接觸的石墨部件，氣相的Si會侵蝕石墨中薄弱的部分，形成SiC，SiC升華從而作為揮發性物質被移除，最終Si將該位置周圍的石墨完全侵蝕，使碳晶體形成一個碳粉顆粒。碳粉顆粒隨著氣相物質輸運到晶體表面，形成包裹體。碳粒子包裹體可成為微管道和螺旋位錯的起始點，形成更多的缺陷，嚴重影響碳化矽單晶體的質量。因此，如何設計一種用於簡便、高效的降低碳化矽單晶生長過程中的碳粒子包裹體的裝置成為本領域亟需解決的問題。

技術實現要素：

本實用新型針對現有技術中SiC單晶生長過程中存在的碳粒子包裹體密度較高的問題，設計並開發出一種結構簡便、並能高效降低碳粒子包裹體的裝置，降低碳化矽單晶體中的缺陷、提升晶體品質。

為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案為：

一種降低碳化矽單晶中碳粒子包裹體的裝置，其特徵在於，包括：石墨坩堝、石墨板和抑制層，其中，所述坩堝為圓柱形，由上蓋和堝體組成，並通過螺紋連接；所述石墨板為圓環形，設置於所述石墨坩堝的內腔中，並位於SiC粉料之上；所述抑制層設置於所述石墨坩堝底部、側部和頂部的內壁上以及所述石墨板的表面，用於在碳化矽結晶過程中，抑制所述石墨坩堝和石墨板中碳粉的形成；並且，所述抑制層為金屬碳化物塗層，該塗層的熱膨脹係數與所述石墨板相同。

進一步的，所述抑制層的厚度大於50μm。

進一步的，所述金屬碳化物塗層是鉭、鉿、鈮、鈦、鋯、鎢和釩的碳化物中的一種或其混合物。

進一步的，所述金屬碳化物塗層的純度高於99.999%。

進一步的，所述石墨板的直徑為石墨坩堝內徑的90-95%，內徑為石墨坩堝內徑的40-50%，厚度為2-5mm。

進一步的，所述石墨板的純度高於99.999%。

本發明的有益效果在於：所述裝置中，在石墨坩堝內壁塗覆金屬碳化物，可以使其浸入到石墨孔隙中，從而使Si以一個更為均勻的方式侵蝕石墨，因而抑制了碳粉的形成；此外，採用塗覆金屬碳化物的石墨板，可以使邊部粉料產生的碳粉經過中間結晶區的孔道進行過濾，減少碳粉直接向上輸運，降低晶體中碳粒子包裹體的形成機率。

附圖說明

圖1為本實用新型降低碳化矽單晶中碳粒子包裹體的裝置的結構圖。

其中，1、石墨坩堝 2、石墨板 3、抑制層 4、上蓋 5、堝體 6、碳化矽原料。

具體實施方式

為了使本領域技術人員更好地理解本實用新型的技術方案，下面結合具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。下面描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。實施例中未註明具體技術或條件的，按照本領域內的文獻所描述的技術或條件或者按照產品說明書進行。

根據本實用新型的一個方面，本實用新型提供了一種降低碳化矽單晶中碳粒子包裹體的裝置，用於抑制SiC單晶生長過程中碳粒子包裹體的形成和傳輸，圖1為該降低碳化矽單晶中碳粒子包裹體的裝置的結構圖，如圖1所示，包括：石墨坩堝1、石墨板2和抑制層3，其中，所述坩堝為圓柱形，由上蓋4和堝體5組成，並通過螺紋連接；所述石墨板為圓環形，設置於所述石墨坩堝的內腔中，並位於SiC粉料6之上；所述抑制層設置於所述石墨坩堝底部、側部和頂部的內壁上以及所述石墨板的表面，用於在碳化矽結晶過程中，抑制所述石墨坩堝和石墨板中碳粉的形成。由此，利用石墨坩堝內壁以及圓環形石墨板表面上設置的抑制層，抑制了碳粉的形成，並且在結晶過程中進行過濾，減少碳粉直接向上輸運，降低晶體中碳粒子包裹體的形成機率。

根據本實用新型的具體實施例，抑制層的材質和厚度不受特別限制，在本實用新型的一些實施例中，所述抑制層為金屬碳化物塗層，且厚度大於50μm，塗覆在坩堝內壁及石墨板表面，該塗層的熱膨脹係數與所述石墨板相同。此外，優選的金屬碳化物塗層是高純材料，純度高於99.999%，優選的金屬碳化物塗層，可以是鉭、鉿、鈮、鈦、鋯、鎢和釩的碳化物或者以上碳化物組成的混合物。

根據本實用新型的具體實施例，石墨板的材質和厚度不受特別限制，所述石墨板為圓環形，其直徑為石墨坩堝內徑的90-95%，內徑為石墨坩堝內徑的40-50%，厚度為2-5mm；所述石墨板為高純材料，純度高於99.999%。

在實際的生產過程中，該裝置具體的工作方式如下：

1）將厚度大於50μm的抑制層設置於石墨坩堝底部、側部和頂部的內壁以及圓環形石墨板的表面。

2）將碳化矽原料放入坩堝底部，將石墨板置於粉料之上，之後依次安裝碳化矽單晶籽晶和石墨坩堝上蓋。

3）將安裝完畢的坩堝置於傳統的生長室中，通過感應線圈對生長室進行加熱，使坩堝內部溫度達到2000℃以上，碳化矽單晶籽晶逐漸生長為碳化矽單晶體，其中，所述的生長碳化矽晶體，其晶體結構為2H、4H、6H、3C或15R多形體中的某種結構。

綜上所述本實用新型的裝置結構簡單，並能利用石墨坩堝底部、側部和頂部的內壁以及圓環形石墨板表面的金屬碳化物塗層來抑制碳粉的形成，以及減少碳粉直接向上輸運，從而高效降低碳粒子包裹體的裝置，降低碳化矽單晶體中的缺陷、提升晶體品質。

在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」 可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、 或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個 或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。

儘管上面已經示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在本實用新型的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型，同時，對於本領域的一般技術人員，依據本申請的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。