[实用新型]一种自密封碳化硅晶体生长用坩埚装置

说明书

本实用新型设计了一种能够自密封的碳化硅晶体生长用坩埚装置，通过将籽晶轴变形和坩埚盖分解等改进，有效的解决了现有技术中坩埚的开放式设计，开口尺寸大于晶体尺寸，籽晶轴直径等于晶体尺寸导致的坩埚内热量损耗大、温度梯度大、物料挥发多、保温材料寿命折损等问题。

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种碳化硅晶体生长用自密封坩埚装置。

背景技术

碳化硅(SiC)单晶具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优点，是继第一代半导体材料硅(Si)和第二代半导体材料(GaAs)后发展起来的第三代半导体材料。通常采用液相法生长碳化硅晶体，它是通过利用碳在熔融的硅中溶解，形成过饱和度的溶液来实现碳化硅晶体的生长。由于整个生长过程处于稳定的液相中，是一种近平衡的状态，具有先天生长高质量SiC单晶的优势。

现有的液相法生长碳化硅晶体技术，都是通过加热的方式将硅在高纯石墨坩埚中融化，形成碳在硅中的溶液，再将头部贴付有籽晶的石墨轴伸入到溶液中进行生长。籽晶从顶部伸入溶液中，所以这种技术也称为顶部籽晶溶液生长法(Top Seeded SolutionGrowth，TSSG)。石墨坩埚大多为开放式设计，便于籽晶轴从坩埚上方伸入到坩埚中的溶液中，开孔的大小由所生长的晶体决定。生长晶体的尺寸越大，所用的坩埚尺寸越大，开孔的直径也越大。坩埚的外围设有保温材料。保温材料一般为多孔的石墨纤维毡，起到隔绝热量的作用。保温材料根据使用的不同位置，分为上保温、中保温和下保温。上保温在坩埚的上部，阻挡热量从顶部散失。中保温在坩埚的周围，紧贴着坩埚外壁，阻挡热量从坩埚壁散失。下保温在坩埚的底部，防止热量从坩埚底部散失。

现有技术中高温下热量损耗方式主要由以下三种：1.坩埚内热量由炉内气体流动或者熔液挥发带出坩埚。2.熔液与籽晶和籽晶轴接触，热量由籽晶轴带出坩埚。3.坩埚、熔液、坩埚轴因受热发光而由光辐射形式放出的热量。以上三种形式中，在高温下热损耗最多的形式为辐射传热。

现有技术中坩埚为开放式设计，开口尺寸大于晶体尺寸，籽晶轴直径等于晶体尺寸，以上列出的三种热传热形式都损耗了大量热量。这使得坩埚内温度梯度变大，增加了碳化硅单晶生长的难度；生长需要的加热功率变高，浪费电量，成本增加；挥发出的硅蒸汽遇到冷的物体，会凝结成硅颗粒。当硅蒸汽通过坩埚上部开孔逃逸出坩埚时，会在坩埚外的保温材料内部结晶，生长小的碳化硅颗粒，一般晶型为3C-SiC。随着晶体的生长，保温性能逐渐丧失。高纯的保温材料价格昂贵，硅蒸汽挥发会严重缩短保温材料的使用寿命，导致长晶成本增加。所以，减小坩埚开口尺寸，从各方面减少热量的散失是急迫需要解决的问题。

实用新型内容

针对液相法生长碳化硅晶体过程中所存在的以上问题，本实用新型提供了一种自密封碳化硅晶体生长用坩埚装置，具体技术方案如下：

一种自密封碳化硅晶体生长用坩埚装置，包括坩埚体、坩埚盖和籽晶轴1组成；

其中，坩埚体由坩埚腔体7和坩埚腔体保温层8组成，坩埚腔体保温层8包裹在坩埚腔体7外侧；坩埚体开口处坩埚腔体7和坩埚腔体保温层8成连续梯形，与外盖相配合；

坩埚盖包括内盖和外盖，外盖由位于下层的实体外盖5和上层的外盖保温层6组成；内盖由位于下层的实体内盖3和上层的内盖保温层4组成；内盖呈倒圆台形，内盖外侧面与外盖内侧面相配合；坩埚盖盖上后，实体内盖3与实体外盖5等高，外盖保温层6与内盖保温层4等高；

籽晶轴1上设有直径大于籽晶轴直径、小于内盖下截面直径的圆盘形的籽晶轴平台2，位于坩埚盖的高度位置以下，用于放置与提起内盖；

本实用新型在保证籽晶轴强度的前提下，缩小籽晶轴1直径，改变了籽晶轴的形状，并且把坩埚盖分解成两部分，使得坩埚盖的开口尽可能的缩小。这样在使用过程中需要籽晶轴1上下移动时，也不必将坩埚盖全部打开，即只需内盖随籽晶轴1上下移动即可。