[发明专利]一种控制碳化硅单晶生长装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制碳化硅单晶生长装置。

背景技术

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，与硅和砷化镓等传统的半导体材料相比，具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场和高载流子饱和漂移速度等特点，其优越的性能可以满足现代电子技术对高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射的新要求，被认为是半导体材料领域中最有前景的材料之一。

碳化硅单晶制备的方法主要为物理气相传输法。这种常规方法是：晶体生长过程中，在坩埚内部，碳化硅原料处于坩埚底部相对高温区(2200—2300℃)，籽晶粘结在坩埚锅盖上为相对低温区(2100—2200℃)，坩埚整体是封闭的放在加热线圈中间，坩埚底部和锅盖中间有一定的距离，高温区的碳化硅原料升华，由于原料区和籽晶存在温度差，原料以气态的形式升华到籽晶表面，气相成分主要有Si、Si₂C和SiC₂，气相在籽晶上结晶形成碳化硅晶体，原料区和籽晶表面存在的温度差是碳化硅单晶生长的驱动力来源，如美国专利US6261363B1和中国专利CN1247831C。在中国专利CN1261622C中，对上述结构进行改进，坩埚盖可以上下移动，控制晶体生长区温度，但在晶体生长中，原料会不断消耗，使得原料区的温度会不断发生变化，从而会影响温度梯度，造成碳化硅晶体生长质量难以控制。

在生长过程中，由于原料会不断消耗，原料表面相对感应线圈的位置也会发生变化，导致原料区温度不断变化改变。同时，籽晶处晶体不断生长，会逐渐变厚，晶体表面不断向高温区移动，表面温度也会越来越高，气相区越来越短，致使碳化硅单晶生长的驱动力降低。原料升华温度和晶体表面温度的变化导致的温度梯度的变化，会改变坩埚内部温场，影响气相组分的化学组成，在单晶生长过程中，前期温度条件和后期温度条件发生非常大的变化，不利于晶体的稳定生长。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提出一种控制碳化硅单晶生长装置。本发明能够实现对物理气相传输法制备碳化硅单晶的原料区和晶体生长区温度的精确控制，保持温度梯度均匀稳定，使碳化硅单晶能够在一个稳定可控的环境中生长，提高单晶生长质量。

本发明碳化硅单晶生长装置包括真空腔室、感应线圈、坩埚、气路系统和升降旋转控制系统。感应线圈、坩埚、气路系统和升降旋转控制系统均位于真空腔室内，其中感应线圈位于真空腔室中心位置，用以加热坩埚。坩埚为发热体，内部装有碳化硅粉料和籽晶，用于碳化硅晶体生长。坩埚位于升降旋转控制系统的上托盘和下托盘之间，放置在感应线圈内部，坩埚外面包覆有保温层。气路系统连接在真空腔室侧壁上，用于提供碳化硅晶体生长时所需要的气氛。

所述的升降旋转控制系统包括上托盘、下托盘、上旋转轴和下旋转轴。所述的上托盘和下托盘分别固定在上旋转轴和下旋转轴上。上旋转轴和下旋转轴位于托盘的中心，通过伺服控制电机控制上、下旋转轴的上下移动和圆周运动，带动上托盘和下托盘的升降和圆周旋转。原料物碳化硅粉料放置于坩埚的内底部，籽晶粘结在坩埚埚盖上。坩埚的底部固定在下托盘上，坩埚埚盖固定在上托盘的下表面上，坩埚和坩埚埚盖分体，也可以扣合。扣合后的坩埚和坩埚盖可以整体垂直上下移动和沿圆周方向水平360°转动。分体的坩埚和坩埚盖也可以各自独立360°旋转和上下移动。坩埚和坩埚埚盖分别能够跟随上托盘和下托盘升降或圆周转动。坩埚、上托盘、下托盘和感应线圈与上旋转轴、下旋转轴同轴。轴向方向上，上托盘和下托盘均在感应线圈外部，径向方向上，上托盘和下托盘均在感应线圈内部。托盘的垂直投影位于感应线圈垂直投影中心位置。真空腔室及感应线圈均装有冷却水装置，分别有一个冷却水进水口和出水口进行水循环，循环水利用外部制冷机保持恒定的温度。感应线圈、坩埚、保温层、气路系统、上托盘、下托盘、上旋转轴和下旋转轴均在真空腔室内。真空腔室开有气路进出口，通入气体，用以调节进气量和气体种类。

坩埚埚盖粘结有籽晶，籽晶表面为晶体生长区，生长碳化硅单晶；原料区位于坩埚内的底部。

晶体生长时，可以通过调整坩埚和坩埚锅盖的运动，使坩埚中原料区位置和晶体生长区表面位置相对感应线圈位置不变，从而保证温度和温度梯度在整个晶体生长过程中保持一致。

本发明装置在碳化硅单晶生长过程中，感应线圈固定不动，通过控制上托盘和下托盘的转速和上下升降移动的速度，实现原料区和晶体生长区温度精确控制。由于坩埚随上托盘和下托盘的上下移动，通过坩埚的升降，控制坩埚内底部原料区的中部位置始终处于感应线圈中央，也即加热温度的最高点。通过坩埚锅盖的升降，使坩埚内气相区的高度始终保持不变。