[发明专利]无应力碳化硅籽晶固定装置、坩埚及碳化硅籽晶固定方法

说明书

本申请提供了一种无应力碳化硅籽晶固定装置、坩埚及碳化硅籽晶固定方法，该碳化硅籽晶固定装置包括籽晶托和籽晶盖。籽晶托为中部掏空的环形结构，并且沿其中轴线方向依次包括籽晶支撑部、籽晶容纳部、籽晶盖容纳部。同时，籽晶支撑部的内周形状与籽晶的外周形状相同，籽晶支撑部的内径小于籽晶的外径，籽晶容纳部的内径大于籽晶的外径，籽晶容纳部的高度大于籽晶的厚度。利用上述结构和尺寸设计，将籽晶装入籽晶托，并将籽晶盖装入籽晶托后，仅籽晶的边缘依靠自身的重力与籽晶支撑部相接触，进而在单晶生长过程中，籽晶与籽晶固定装置之间不存在热膨胀系数不匹配导致的应力问题，可以消除籽晶受到的外加机械应力，有利于高质量SiC单晶生长。

技术领域

本申请涉及碳化硅单晶生长技术领域，尤其涉及一种无应力碳化硅籽晶固定装置、坩埚及碳化硅籽晶固定方法。

背景技术

SiC是第三代半导体材料的典型代表，与第一代Si和第二代GaAs半导体材料相比，具有热导率高、禁带宽度宽、化学稳定性高、抗辐射能力强等优异的综合性能。这使SiC半导体材料被用于制备高功率电力电子器件和微波器件，并已在高压电力传输、5G通信、电动汽车等领域获得广泛应用。

物理气相传输法是目前生长SiC晶体的主流方法。在进行单晶生长时，通常将SiC籽晶(简称籽晶)粘贴在坩埚盖或石墨坩埚顶部，石墨坩埚内装有作为生长原料的SiC多晶粉末，生长温度控制在2000～2300℃之间，SiC多晶粉料处于高温区，籽晶处于低温区。在高温区，SiC多晶粉料分解为含有Si、C组分的气相，通过对流或扩散，传输到处于低温区的籽晶表面，并结晶成SiC单晶材料。

在上述生长过程中，SiC籽晶处于坩埚生长腔体的顶部，如何固定籽晶对单晶质量有重要影响。在已经公开发表的论文或专利中，一般将籽晶用胶粘在石墨坩埚盖的下表面，或粘在石墨片上再固定在坩埚顶部。但是上述籽晶固定方法，在单晶生长升温过程中，由于SiC的热膨胀系数大于石墨的热膨胀系数，导致在高温下，SiC籽晶与石墨的接触面受到压应力、而其生长面受到张应力。同时，这种应力会传到后续生长的晶体，导致晶体中的位错增殖，影响SiC单晶质量。

发明内容

为解决上述技术难题，本申请设计了一种无应力碳化硅籽晶固定装置、坩埚及碳化硅籽晶固定方法，采用这种新型的籽晶固定方法，籽晶不受到任何的外应力，所生长的SiC单晶质量高。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种无应力碳化硅籽晶固定装置，包括籽晶托和籽晶盖，其中：

所述籽晶托为中部掏空的环形结构，沿其中轴线方向依次包括籽晶支撑部、籽晶容纳部、籽晶盖容纳部；

所述籽晶支撑部的内周形状与籽晶的外周形状相同，所述籽晶支撑部的中心至其小边的距离小于所述籽晶的中心至其小边的距离，所述籽晶支撑部的中心至其大边的距离小于所述籽晶的中心至其大边的距离，所述籽晶支撑部的内径小于所述籽晶的外径；

所述籽晶容纳部的内径大于所述籽晶的外径，所述籽晶容纳部的高度大于所述籽晶的厚度；

所述籽晶盖容纳部的内径与所述籽晶盖的外径相匹配，所述籽晶盖可以可拆卸装入所述籽晶盖容纳部。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种坩埚，所述坩埚的内壁上设置有支撑件，所述支撑件用于支撑本申请实施例第一方面所述的无应力碳化硅籽晶固定装置。

根据本申请实施例的第三方面，提供了一种碳化硅籽晶固定方法，利用申请实施例第一方面所述的无应力碳化硅籽晶固定装置，该方法包括：

在籽晶的背部制备一层保护层；

将所述籽晶装入籽晶托的籽晶容纳部中，其中，所述籽晶和所述保护层的厚度之和小于所述籽晶容纳部的高度；

将籽晶盖装入所述籽晶托的籽晶盖容纳部。