[发明专利]一种石墨电阻加热SiC晶体生长炉

说明书

一种石墨电阻加热SiC晶体生长炉，包括炉腔、坩埚和加热单元，炉腔的上端和下端分别设置有上法兰盖和下法兰盖，上法兰盖上设置有上炉盖；坩埚设置在炉腔中，坩埚上部设有籽晶盖，坩埚的上方和下方均设置有保温毡，坩埚的外部自下至上设置至少一段石墨加热单元，石墨加热单元为石墨电阻加热，每段石墨加热单元独立设置加热功率控制装置，各段加热单元的外围设置有保温层。该生长炉采用多段石墨电阻加热，能够方便的进行晶体生长温场调控，包括生长界面前沿的温度梯度以及生长恒温区间的长度，可以用于生长高质量大尺寸的SiC晶体，可以大大提高产品的直径和厚度，大大提高SiC晶体的利用率，从而降低SiC晶体的生长成本。

技术领域

本发明涉及一种石墨电阻加热SiC晶体生长炉，属于半导体晶体生长设备技术领域。

背景技术

SiC(碳化硅)是第三代宽禁带半导体代表，其禁带宽度大、临界击穿电场强度高、载流子饱和迁移速度高、热导率高，抗辐照和耐腐蚀，并具有极好的化学热学稳定性，成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想半导体材料，在白光照明、雷达通讯、航空航天、核反应堆系统及军事装备等电力电子器件、大功率固体微波器件和固体传感器等领域具有非常重要的应用，随着SiC半导体技术的进一步发展，SiC材料与器件的应用越来越广阔。这也就对SiC晶体的尺寸、质量、成品率提出了更高的要求，发展直径6英寸以上、厚度3厘米以上的大尺寸SiC晶体对于将来适用半导体工艺要求，降低产品成本具有重要的意义。

SiC晶体生长过程中，SiC原料放在石墨坩埚中，SiC籽晶固定于石墨坩埚上部的籽晶托上，SiC籽晶和原料之间保留一定的距离，原料和籽晶之间的空腔成为生长腔，该生长腔的温度梯度和恒温区至关重要，直接决定了生长SiC晶体的尺寸、厚度和晶体质量。高温生长阶段，SiC原料发生分解-升华反应，Si(g)、SiC₂和Si₂C等气相组份在温度梯度的驱动下向籽晶输运，在籽晶表面处于过饱和状态的各气相组分结晶生成SiC晶体。

SiC晶体生长过程中最关键的工艺条件一方面是控制轴向温度梯度以及恒温生长区的长度，轴向温度梯度作为晶体生长驱动力，生长腔恒温区的长度也直接决定了能够生长的SiC晶体的厚度；另一方面，生长腔恒温区内的径向温度梯度，较小的径向温度梯度有利于晶体生长界面呈近平微凸界面，对于生长高质量、大直径的晶体非常有利。因此，要生长高质量、大直径、大厚度的SiC晶体，必须要保证生长腔恒温区较长、而且具有合适的轴向温度梯度和尽量小的径向温度梯度。

现有的SiC晶体生长设备多采用的是感应加热方式，由于电磁场的“趋肤效应”，石墨坩埚本身是发热体，感应加热区限制在石墨坩埚壁一定深度之内，主要通过热传导的方式与坩埚内的原料进行传热，因而在生长区的温场径向温差较大，导致晶体生长界面的径向温度梯度较大。根据公式估算，现有的感应加热晶体生长炉，感应加热功率的衰减距离约为55毫米，这对于SiC晶体尤其是超过6英寸(150毫米)的大尺寸晶体而言，加热功率到达中心时已经基本衰减完毕，这就使得温场中心和边缘处的温度差别较大，即：径向温度梯度较大，此时严重影响晶体生长界面的形状，进而影响晶体质量，如果径向温度梯度过大，会导致晶体边缘处和中心结晶不一致，单晶性不好。因此，感应加热SiC晶体生长设备很难满足6英寸(150毫米)以上大尺寸晶体生长的要求。

另外，目前市场上采用感应加热的升华法SiC晶体生长炉，其生长腔恒温区较短，生长的SiC晶体厚度大都在3厘米以内，难以实现较厚的SiC晶体生长。为降低器件成本，下游产业对SiC单晶衬底提出了更大尺寸的要求，目前国际市场上已有6英寸(150毫米)产品；3厘米以上厚度的SiC晶体也会大大降低器件的成本。预期大直径、大厚度的SiC晶体市场份额将逐年增大，会成为SiC半导体单晶市场的主流产品。然而，大尺寸、大厚度的SiC晶体生长，对于晶体生长设备以及晶体生长温场提出了更高的要求，不仅要满足晶体生长区较长、整个生长区内轴向温度梯度合适，而且还要保证晶体生长区域径向温度梯度尽量小，这样就可以保证晶体生长实现平界面或微凸界面生长，另外生长腔恒温区的长度也直接决定了生长SiC晶体的厚度，可以大大提高晶体的利用率，有助于降低产品的成本。