[发明专利]一种籽晶温度梯度方法生长碳化硅单晶的装置

说明书

技术领域

本发明涉及制造大尺寸碳化硅晶体的装置，尤其涉及一种籽晶温度梯度方法生长碳化硅单晶的装置。

背景技术

碳化硅（SiC）晶体是第三代半导体材料。碳化硅单晶突出的特性是宽禁带(4H-SiC禁带宽度为3.26eV，6H-SiC为3.03eV)、击穿场强高(100V电压下为2.2×10⁶V/cm)、高热导率(490W/(m·K))、高饱和电子漂移速度(2.0×10⁷cm/s)，而介电常数很低(9.7)，化学性能稳定，还有高硬度（仅次于金刚石的硬度）、抗磨损以及高键合能等优点。碳化硅基片在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高频电子器件最重要的半导体材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。

J.A.Lely最早于1955年发明了通过升华方式制造碳化硅晶体的方法(Lely法，U.S.Pat.No.2,854,364)，由于没有放置籽晶，故该方法只能用于生长较小的晶片。在一个大气压氢气或者氩气环境下，通过电阻加热碳加热器使得温度达到2500°C，在由碳化硅颗粒构成的空腔中生长出4-10毫米大小的晶体。Y.M.Tairov和V.F.Tsvetkov通过引入籽晶，利用更低的温度(1800-2600°C)生长出碳化硅体单晶(J.Crystal Growth 43,pp.209-212,1978;J.Crystal Growth 52,pp.146-150,1981)，氩气分压为0.01Pa至一个大气压，这种方法被称为改进Lely法(modified Lely method)。R.F.Davis等人于1987年发明了一种生长器件级碳化硅单晶的方法(U.S.Pat.No.4,866,005)，采用电阻加热方式加热圆柱形加热器，加热器放置在一个圆柱形的炉体内。在坩埚内放置多孔石墨衬管，原料放置在衬管外部而籽晶放置在衬管内部的底端。在该专利的再颁发专利中(U.S.Pat.No.Re.34,861)，一个错误被改正为，控制碳化硅多型的生长，而不是利用原料中的杂质作为控制碳化硅多型生长的主要机制。

改进Lely法生长碳化硅过程后来又被称为物理气相传输法(Physical vapor transport)。在此过程中，一般需要一个坩埚，在坩埚内放置原料及籽晶，加热坩埚使得原料温度达到升华温度。控制坩埚的加热环境，使得原料及籽晶之间形成温度梯度。在这类装置中，真空室一般由不锈钢壁形成，在真空室内放置感应线圈或者利用铜导线穿过不锈钢壁连接到石墨加热器。这样，存在以下缺点：

第一，紫铜感应线圈位于真空室内，将会产生真空放电现象，需要在紫铜线圈外面包裹绝缘陶瓷，增加了感应线圈的制作成本；

第二，感应线圈通过水冷带走真空室内较多的热量，使得功率损耗增大，增加了生产单晶的成本；

第三，对真空室壁面的冷却采用双层不锈钢冷却水结构，不能控制不同区域的散热量，使得功率损耗进一步加大；

第四，可能产生冷却水通道漏水、石墨粉末污染紫铜感应线圈的问题。

发明内容

本发明针对现有技术功耗大、且可能产生真空放电、冷却水通道漏水、石墨粉末污染铜管等问题，提出一种籽晶温度梯度方法生长碳化硅单晶的装置，避免了上述问题，并且降低了生产碳化硅单晶所需要的功率。

为了解决上述问题，本发明提供一种籽晶温度梯度方法生长碳化硅单晶的装置，包括感应加热装置、真空腔和晶体生长单元，其中，

所述感应加热装置包括感应线圈以及为所述感应线圈供电的中频电源，所述感应线圈位于所述真空腔的外部；

所述晶体生长单元包括位于真空腔内的石墨感应器、保温材料、石墨坩埚和籽晶托；所述保温材料位于所述石墨感应器的外部；所述石墨坩埚位于所述石墨感应器的内部，所述籽晶托位于所述石墨坩埚的顶部。

优选地，上述装置具有以下特点：

所述感应线圈具有独立的冷却水通道。

优选地，上述装置具有以下特点：

所述感应线圈为空心紫铜管线圈，其中心为冷却水通道；或者，所述感应线圈为实心紫铜板线圈，沿着该实心紫铜板线圈焊接空心紫铜管，作为所述感应线圈的冷却水通道。

优选地，上述装置具有以下特点：