[发明专利]一种生长碳化硅单晶的热场结构

说明书

本申请公开了一种生长碳化硅单晶的热场结构，属于碳化硅单晶的制备领域。本申请通过改进PVT法的热场分布，改变传统的通过上保温孔散热制造轴向温度梯度的方法，改为使用不同壁厚的坩埚及不同厚度的保温结构制造出轴向温度梯度，同时改变坩埚上侧的保温结构，从而制造出径向温度分布一致的热场结构；尤其可使得大尺寸坩埚内部热场径向分布均匀；由于电活性杂质元素随着温度梯度而生长进入晶体中，因此这种径向温度分布均匀的热场结构将引导电活性杂质元素沿径向均匀分布，进而制备得到径向电阻率一致、低应力的大尺寸高纯半绝缘碳化硅单晶、单晶衬底。

技术领域

本申请涉及一种生长碳化硅单晶的热场结构，属于碳化硅单晶的制备领域。

背景技术

半导体碳化硅单晶材料自上世纪90年代开始商业化以来，经过近30年的发展，已逐步成为功率电子器件和微波射频器件的优选基底材料。随着下游器件技术的不断发展和产业化程度的不断提升，碳化硅单晶衬底质量需求也日趋严苛。

目前最为成熟的碳化硅单晶制备技术为物理气相输运法(简称PVT法)，其基本原理是通过中频感应加热放置于线圈中心的石墨坩埚，石墨坩埚壁感应发热后将热量传输至内部的碳化硅粉料并致其升华。在石墨坩埚上侧的石墨保温毡中心设置贯通的圆孔，在通过圆孔进行测温的同时使热量通过圆孔散失，从而造成坩埚下部温度高、上部温度低的轴向温度梯度，驱动升华的气相从生长腔室内的粉料区传输至坩埚顶部的籽晶区结晶。通过该方法制备的碳化硅单晶已由2英寸发展至8英寸并不断在下游器件中得到应用。

然而，随着晶体尺寸的不断增加，坩埚的直径也不断增大。由于中频感应加热方式中以坩埚壁作为发热源，沿坩埚壁与坩埚中心的径向温度梯度也不断增大；此外，PVT法通过在坩埚上侧保温中心圆孔作为散热中心制造轴向温度梯度，这会进一步造成坩埚内部的热场沿径向的不均匀性，导致晶体沿径向存在较大的热应力以及杂质和缺陷分布不均等问题。前者存在的热应力容易导致晶体加工过程中发生开裂、衬底加工过程中弯曲度、翘曲度不合格等严重的质量问题，后者的杂质与缺陷分布不均也将严重制约衬底沿径向的电阻率均匀性等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种生长碳化硅单晶的热场结构，该热场结构通过重新设计坩埚和包覆于坩埚外围的保温结构，形成沿径向均匀的热场结构，从而提高碳化硅单晶的径向均匀性，使得制备高质量的大尺寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底成为可能。

该生长碳化硅单晶的热场结构，包括坩埚、加热单元和保温结构，其特征在于，该保温结构包括保温结构顶部、保温结构侧部和保温结构底部，该坩埚位于该保温结构的密封腔体内；

该坩埚的侧壁开口区域的壁厚大于底部区域的壁厚。

可选地，该坩埚与保温结构使得坩埚内具有轴向温度梯度，和/或径向温度梯度接近零。

优选地，该坩埚为石墨坩埚。

可选地，该坩埚的侧壁沿着坩埚底部至开口方向线性加厚。

优选地，该保温结构的侧部的壁部沿着坩埚开口至底部方向线性加厚。

可选地，该坩埚的开口截面至其上方的保温结构顶部内表面具有第一距离，该第一距离从该坩埚中心至坩埚边缘的方向增大。

优选地，该第一距离的变化值的值为5-50mm。可选地，该第一距离的变化值的范围的下限选自10mm、15mm、20mm、25mm或30mmm，上限选自15mm、20mm、25mm、30mmm、35mm、40mm或45mm。

可选地，该坩埚与该保温结构大致共第一中心轴线；

该第一中心轴线与该坩埚的侧壁内表面和/或该保温结构侧部外表面大致平行；

该第一中心轴线与该坩埚的侧壁外表面具有第一夹角，该第一中心轴线与该保温结构侧部内表面具有第二夹角，该第一夹角和第二夹角＜90°。