[发明专利]碳化硅单晶生长装置及制造碳化硅单晶的方法

说明书

本发明涉及半导体材料长晶领域，具体涉及提供了一种碳化硅单晶生长装置，包括：承料坩埚，用于放置碳化硅原料；第一感应加热线圈，设置于整个承料坩埚的外周；第二感应加热线圈，设置于第一感应加热线圈的外周；第二感应加热线圈的位置靠近承料坩埚的底部，且第二感应加热线圈的频率大于第一感应加热线圈的频率。通过在第一感应加热线圈的外侧设置第二感应加热线圈，通过控制器根据温度数据独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以达到承料坩埚内部轴向温度梯度的“微调”，从而实现精确控制轴向温度梯度、获得理想晶体生长界面、得到高质量的碳化硅单晶的目的。

技术领域

本发明涉及半导体材料长晶领域，具体涉及一种碳化硅单晶生长装置及制造碳化硅单晶的方法。

背景技术

第三代半导体的碳化硅为高温生长的单晶体，其硬度仅次于金刚石，熔点为2830℃。困难的生长条件，造就昂贵的碳化硅晶体成本。碳化硅晶体制作的碳化硅衬底大量用于电子电力器件与氮化物外延生长，可广泛应用于电动车、混动车、轨道交通、高频器件、微波器件等，经济效益与国防价值非常高。

从硅-碳二元相图得知，碳化硅长晶因熔点太高及没法直接从单一液体固化，仅能靠碳化硅粉在1900～2400℃间，将之升华。因此，学者研发出一套物理气相输运法(Physical Vapor Transportation,PVT)。该长晶法将碳化硅源置于坩埚中，升温至2000℃多度，碳化硅源升华并输运至腔体内部，包括碳化硅籽晶表面，进行结晶。但是碳化硅源升华的移动方向主要受温度梯度影响，由高温往低温方向移动。而碳化硅源升华原子的移动速度，也受温度梯度所影响。移动越快，在籽晶表面结晶速度越快；但结晶太快，原子在籽晶表面没法有序排列，造成晶体结晶缺陷、质量不佳。

石墨坩埚内碳化硅升华，主要靠石墨坩埚受中频感应线圈感应加热升温而成。在传统PVT长晶过程中，坩埚受中频感应线圈感应加热，形成高温区，使得坩埚内碳化硅升华气化，籽晶沾于冷却基座上，为低温区。在长晶过程中，气化的碳化硅源自坩埚高温区向籽晶的低温区扩散，进而在籽晶上长晶。随着籽晶逐渐长厚，坩埚中碳化硅源逐渐减少，中频感应线圈会逐步往下移动，仅能借由中频感应线圈逐渐远离感应热区，来减少中频感应线圈对坩埚的感应加热，此方式只能起到“粗调”作用，无法精确的控制轴向温度梯度，造成碳化硅单晶质量差的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题。为此，本发明提出一种碳化硅单晶生长装置及制造碳化硅单晶的方法，可以精确控制轴向温度梯度，获得理想的晶体生长界面，以得到高质量的碳化硅单晶。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种碳化硅单晶生长装置，包括：

承料坩埚，用于放置碳化硅原料；

第一感应加热线圈，设置于整个承料坩埚的外周；

第二感应加热线圈，设置于第一感应加热线圈的外周；第二感应加热线圈的位置靠近承料坩埚的底部，且第二感应加热线圈的频率大于第一感应加热线圈的频率；

测温器，用于采集承料坩埚顶部与底部的温度数据；

控制器，用于接收测温器发送的温度数据，并独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以调整承料坩埚内部的轴向温度梯度。

为了实现上述目的，本发明第二方面还提供了一种采用如上所述的碳化硅单晶生长装置制造碳化硅单晶的方法，包括以下步骤：

将碳化硅原料倒入承料坩埚的底部，并将碳化硅籽晶安装在坩埚盖上；

控制第一感应加热线圈对整个承料坩埚进行加热，待承料坩埚升温至碳化硅长晶预设温度时；采集承料坩埚顶部与底部的温度数据；接收测温器发送的温度数据，并独立控制第一感应加热线圈和/或第二感应加热线圈，以调整承料坩埚内部的轴向温度梯度；