[发明专利]多坩埚物理气相传输技术生长碳化硅单晶的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅晶体的生长方法及其装置，尤其是多坩埚物理气相传输技术生长碳化硅单晶的方法和装置，采用该方法生长的碳化硅单晶生产效率高，生产成本低，适用于规模化单晶生长。

背景技术

当前，半导体产业的迅速发展再次激发了现代科学技术的革新。作为第三代宽禁带半导体材料，碳化硅在热学、电学、抗腐蚀等性能方面优于常用的衬底材料，可广泛用于制造半导体照明、微电子、电力电子等半导体器件。过去几十年间，多种高性能的碳化硅基半导体器件已被成功研制，如发光二极管、肖特基二极管、混合动力汽车的功率模块逆变器等。这无疑预示今后半导体器件制造商对碳化硅晶圆需求量的激增。但是价格因素仍然是阻止碳化硅晶圆在国际市场上广泛应用的壁垒，因此开发新的晶体生长方法和装置来提高晶体产量具有非常重要的现实意义。

物理气相传输方法被公认为生长碳化硅晶体最为成功的方法之一。如2009.11.18申请的200910238110.0号中国发明专利公开了一种用物理气相传输法生长碳化硅晶体的技术，该技术置碳化硅籽晶于坩埚顶部，碳化硅原料于坩埚底部，但采用该技术一个单晶炉中只能生长出一块碳化硅单晶。2010.04.20申请的201010152392.5号中国发明专利在上述基础上作了进一步的改进，该技术置碳化硅籽晶于坩埚底部，碳化硅原料于坩埚顶部，但是采用此技术一个单晶炉也只能生长出一块碳化硅晶体。由于以上技术一个单晶生长炉只能生长一块碳化硅晶体，而且晶体的生长温度较高，时间较长，进而成本较高，不利于碳化硅晶体的商业化，现行的解决方法是采用增加单晶炉的数量或放大碳化硅晶体尺寸，来获得大的产出量。但是与其他衬底材料相比，由上述技术生长的碳化硅衬底材料的成本仍然较高。多坩埚生长技术可实现一个单晶生长炉同时生长多块晶体，并且每个坩埚中晶体的生长温度可以实现独立控制，是一种降低产品成本实现商业化的重要方法。如1999.5.26授权的94114075.X号中国发明专利公开了一种用多坩埚下降法同时生长大尺寸、高质量、多根钨酸铅(PWO)闪烁晶体的新技术，采用该技术一个单晶炉可同时生长2根、4根或8根PWO晶体。此技术的特点是：在炉腔中同时放入几个坩埚，每个坩埚分别固定在各自的下降装置上，坩埚的生长温度可以分别通过调节坩埚在炉膛中相对高度分别控制，采用此方法可以提高钨酸铅晶体的生长效率，降低其生产成本。但是对于碳化硅单晶的生长来说，由于生长温度高，接近2300℃，其炉膛的俯视结构为圆形，而不是长方形，采用上述专利中所述的左右放置的多坩埚生长技术虽然可以实现一个炉子同时生长多块碳化硅晶体的可能，但是由于在炉膛底部同时放置几个坩埚，势必需要更大尺寸的炉膛，从而使单位炉子单位时间的能耗大大增大，与传统增加放大晶体尺寸的方法相比，此方法的优势不明显。在采用物理气相传输法(PVT)生长碳化硅晶体的单晶炉中，圆筒状的石墨发热体的上下两端的温度较低，中部温度较高，因此，籽晶可以同时置于石墨发热体的上端和下端。为了进一步降低碳化硅单晶的生长成本，降低单位晶圆片的耗电量，本发明采用两个坩埚上下放置的多坩埚物理气相传输方法生长碳化硅单晶。采用此方法可以在不增加炉膛尺寸，在功耗增加不大的基础上生长多块碳化硅晶体，而且两个坩埚的生长温度可以通过温控程序和坩埚的上下移动来控制。

发明内容

为了克服采用单坩埚物理气相传输方法生长碳化硅晶体的生长效率低，生产成本高的劣势，本发明提出了一种多坩埚物理气相传输技术生长碳化硅单晶的方法和装置，其装置包括真空炉、感应线圈、保温材料、石墨发热体和石墨坩埚，其中石墨发热体被包裹在保温材料中，感应线圈位于保温材料外部，石墨坩埚位于石墨发热体和保温材料构成的炉膛内，石墨坩埚底部放置碳化硅原料，坩埚上部为碳化硅籽晶，其特征在于：在碳化硅单晶生长过程中，采用多坩埚生长技术，上、下排列的两个石墨坩埚同时置于炉膛内的石墨发热体中，上坩埚悬挂在提拉杆上，下坩埚倒置于下降杆上，两籽晶位于石墨发热体两端，位于低温区，原料置于石墨发热体中部，位于高温区，上、下坩埚的温度由主控温装置和次控温装置决定。

上述方案所述的下降杆和提拉杆内皆有测温孔，下坩埚和下降杆之间通过石墨管连接，上坩埚与提拉杆之间也通过石墨管连接。

上述方案所述的主控温装置中，主控温装置包括红外温度计、欧陆温控表(Eurotherm)和中频电源，其温度由欧陆温控表精确控制。

上述方案所述的次控温装置中，次控温装置包括红外温度计、欧陆温控表和提拉装置或红外温度计、欧陆温控表和下降装置，其温度通过次控温装置控制坩埚在炉膛内的石墨发热体中的相对位置来调节。