[发明专利]具有多生长腔的生长碳化硅单晶的坩埚

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种基于物理气相输运技术生长碳化硅单晶的坩埚结构。

背景技术

碳化硅(SiC)是一种化合物半导体，具有很多优异的性能，其热导率高，达到5.0W/cm(高于任何已知金属)，因此非常适合用于高温、大功率电子器件领域。此外，碳化硅还具有高的化学稳定性和抗辐照能力，与GaN的晶格匹配度也较高、是制造高亮度GaN发光二极管的理想衬底材料。碳化硅是世界公认的第三代半导体材料。

碳化硅晶体的合成生长技术至今已经有100多年的历史了。其最早可以追溯至1891年，爱德华古里奇阿和森(Edward Goodrich Acheson)(1856～1931)在改进金刚石磨料制作方法时，使用了碳和硅酸铝作为原料，首次得到了大量的SiC。这种方法至今仍被应用于制作SiC磨料。J.A.勒莉(J.A.Lely)与1955年在石墨坩埚中得到了结晶质量好的SiC晶体(美国专利No.2845364)。1978年，Yu.M.泰罗(Yu.M.Tairo)等人在勒莉(Lely)的方法上进行了改进，使用籽晶的辅助得到了大块SiC单晶(《晶体生长杂志》(J.Crystal Growth)52，209～212，1978；《晶体生长杂志》(J.Crystal Growth)52，146～150，1981)。泰罗(Tairo)等人使用的这种方法被称为改进的勒莉法，这种方法至今仍在被广泛应用，目前生长高质量SiC晶体的物理气相输运(PVT)技术就是基于改进的勒莉法。

使用常规设计的直壁坩埚在中频感应生长炉中生长碳化硅晶体时，受限于坩埚设计以及保温结构，通常每个生长周期内只能得到1个碳化硅晶锭，并且受限于碳化硅晶锭的生长方法，每个晶锭的长度最多只能达到30～40mm。碳化硅单晶生长的这一固有问题极大的增加了碳化硅生长成本，使得碳化硅晶片的价格居高不下，限制了碳化硅晶片在整个市场范围内的大面积铺开，极大的限制了碳化硅晶体的大规模运用。可以说碳化硅晶体的生长成本是决定碳化硅前景的重要因素。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于物理气相输运技术、能够同时生长多个碳化硅晶锭的坩埚设计。

一方面，本发明提供一种基于物理气相输运技术生长碳化硅单晶的坩埚，其中，所述坩埚是多生长腔结构。

在本发明的一个实施方式中，所述坩埚是具有独立的料腔和生长腔的分体式多段结构。优选地，在所述分体式多段结构中，各段之间通过螺纹或者台阶口连接。

在本发明的一个实施方式中，所述坩埚具有3～5个独立的生长腔。优选地，所述生长腔的直径是50mm～80mm。

在本发明的一个实施方式中，所述生长腔的高度超过所述坩埚总高度的20％，且所述料腔高度不小于所述坩埚总高度的50％。

在本发明的一个实施方式中，所述坩埚的加工原料为高纯、高致密度石墨，其总杂质含量小于100ppm，密度大于1.8g/cm³，气孔率小于15％。

本发明所述坩埚设计中，具有多个独立的生长腔，这些生长腔共用相同的料腔，所述生长腔和料腔优选各自独立的。

本发明所述的坩埚设计中，坩埚料腔与生长腔为两段式分立结构，这两部分(段)之间通过螺纹或台阶口连接。

本发明所述坩埚为圆柱体，外径150～250mm，总高度200～300mm。

本发明所述坩埚的生长腔为独立的多生长腔结构，生长腔数量3～5个、生长腔内径50～80mm、生长腔高度30～80mm。

本发明所述的坩埚设计中，料腔内径为130～230mm、料腔高度不小于坩埚总高度的50％。

本发明所述的坩埚设计中上腔室(生长腔段)的高度超过所述坩埚总高度的20％。

本发明所述的坩埚设计中，坩埚原料使用高纯度、高致密度的石墨块体进行加工。高纯度是指总杂质含量小于100ppm，高致密度是指密度大于1.8g/cm³，气孔率小于15％。

本发明所述的坩埚制作使用高精度机床进行，坩埚的加工精度误差小于0.1mm。

本发明所述的坩埚设计可以用于生长直径2英寸或者以上的碳化硅单晶体。多生长腔设计可以使得同一生长周期内生长得到多个晶体，有效降低碳化硅晶体的生长成本、提高生长效率。

附图说明

图1为常规PVT技术生长SiC单晶所使用的坩埚。

其中，1：感应线圈；2：坩埚壁；3：生长原料；4：籽晶托。

图2为本发明一个实施方式中坩埚的示意图。