[实用新型]一种碳化硅晶体生长装置

说明书

技术领域

本实用新型属于新材料加工技术领域，具体涉及一种带有冷却功能的碳化硅晶体生长装置。

背景技术

碳化硅(SiC)是一种半宽禁带半导体材料，其在禁带宽度、热导率、临界击穿场强、饱和电子漂移速率等方面具有明显的优势。由于其优异的物理性能，使用SiC器件，有望大幅削减电力转换器的损失和体积。目前SiC器件已经开始在汽车、铁路和家用电器等领域中得到应用。

溶液法因其生长过程处于近平衡状态，是一种生长高品质的SiC晶体的理想方法，而受到了越来越多的关注和研究。通过溶液法生长，可以消除PVT法生长SiC晶体过程中难以避免的微管等缺陷。

在溶液法生长SiC晶体过程中，晶体生长炉的生长腔由包括坩埚、溶液、籽晶轴、籽晶和石墨毡等几部分构成，坩埚为高纯石墨坩埚，通过感应加热把坩埚中的高纯多晶硅熔化，形成熔融的硅，通过熔融的硅对石墨坩埚的腐蚀，向熔融的硅中提供碳源，进而形成Si-C体系的溶液；籽晶粘贴在籽晶杆上，生长时浸入溶液的过饱和区中进行生长；晶体生长的动力是溶液中的温度梯度形成的饱和度差，通过调整坩埚与感应线圈的相对位置，使溶液中形成稳定的温度和温度梯度；晶体的生长速度取决于温度梯度的大小。

单纯的提高溶液中的温度梯度，可以达到提高晶体生长速度的目的，但过高的温度梯度，使得液面附近形成过多的杂晶。杂晶的存在会干扰正常的晶体生长，导致晶体生长界面混入杂晶，引起多型的变化和包裹体等缺陷的产生。

除了在溶液中形成温度梯度之外，研究人员还尝试增加对籽晶的冷却效果，来提高晶体生长的驱动力。专利CN 103620094A中提供了一种新型的籽晶轴方案，通过在籽晶轴内部通入冷却气体，对籽晶轴进行高效的冷却。但这种方法，对籽晶轴的制造工艺要求高，工艺复杂，成本增加。专利CN102057083A中提供了一种在籽晶和籽晶轴之间增加高导热性叠层碳片的方法，增加了温度梯度，使得晶体生长速度增加，但是这种方法同样增加了工艺步骤，又增加了成本。

发明内容

针对现有溶液法生长SiC晶体存在的不足之处，本实用新型的发明人提供了一种新型碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩埚，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩埚内的籽晶轴，所述籽晶轴侧面设置有惰性气体管道；采用这种结构的生长装置，在整个生长过程中，惰性气体通过惰性气体管道通入腔体内，且直接对籽晶轴进行冷却，促使籽晶轴周围产生更大的温度梯度，提高晶体生长速度的同时又实现了惰性气体作为保护气体起到保护晶体，维持高纯度SiC晶体的目的。

本实用新型的具体技术方案是：

一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩埚，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩埚内的籽晶轴，所述籽晶轴侧面设置有至少一条惰性气体管道，所述惰性气体管道一端穿出生长腔体与惰性气体气源连接，一端设置有开口，且开口正对籽晶轴；

所述的生长腔体下部设置有惰性气体出口；所述的生长腔体为双层水冷腔体；

其中所述的保温桶下部连接有保温桶轴，保温桶轴穿出生长腔体与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置连接；

所述的籽晶轴为中空结构，且籽晶轴下部连接有籽晶；

采用这种结构的碳化硅晶体生长装置，使用时惰性气体通过惰性气体管道进入生长腔体内，由于惰性气体管道开口正对籽晶轴，喷出的惰性气体对籽晶轴直接进行冷却，从而在籽晶轴周围产生更大的温度梯度，提高晶体生长速度同时实现了惰性气体充满生长腔体内，作为保护气体起到保护SiC晶体、维持其高纯度的目的；

所述的坩埚采用高纯石墨制成，用于收纳原料多晶硅及熔化后形成的溶液；坩埚既是盛放溶液的容器，又为SiC晶体生长提供碳源。多晶硅熔化后形成熔融的Si，腐蚀石墨坩埚，形成SiC溶液。坩埚还可以使用其他材质，如陶瓷、钽(Ta)等，这种情况下，生长时需向坩埚加入石墨原料或者通入含C的气体(如C₃H₈等)，来提供碳源，故此优选采用石墨材质。

所述的籽晶轴为中空结构，可进一步增强冷却的效果；而通过设置的保温桶轴旋转装置和籽晶轴升降旋转装置可以实现坩埚和籽晶轴的转动，同时还可以实现其垂直方向的移动，方便对籽晶的位置进行调节，也方便实现坩埚内不同位置的均匀加热，也可以使籽晶轴周围更好的产生温度梯度，利于晶体生长。