[发明专利]粉料和生长气氛中硅含量可调的碳化硅单晶生长装置

说明书

本发明公开了粉料和生长气氛中硅含量可调的碳化硅单晶生长装置，其包括石墨坩埚，用于盛装粉料，并对粉料进行加热；石墨调节柱，设置于所述石墨坩埚的底壁上，用高纯石墨制成，其中部设有至少一个搅拌面板，用于搅拌粉料使得整体的粉料受热均匀；螺纹段，用于连接实现石墨调节柱在石墨坩埚内部上下移动；硅套，用于实现硅套中气相硅向碳化硅粉料中的补充。本发明能够很大程度减少晶体生长过程中因碳化硅粉料受热不均匀引起的缺陷，且进一步协同实现了碳化硅粉料中碳硅比例的合理，使到达上部碳化硅单晶生长表面附近的气相碳和硅的组分和温度分布都非常均匀，得到高质量SiC单晶。

技术领域

本发明属于碳化硅单晶生长装置领域，具体涉及粉料和生长气氛中硅含量可调的碳化硅单晶生长装置。

背景技术

碳化硅SiC材料属于第三代半导体材料，由于具备各种优越性能，例如：禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、化学稳定性高以及抗辐射能力强等，可以用于耐高温、抗辐射以及大功率半导体器件材料，主要应用在激光器、高铁、探测器等领域。

目前碳化硅单晶生长技术分为物理气相输运(PVT)、液相外延(LPE)和化学气相沉积(CVD)这三类，其中PVT技术为主要的生长技术。PVT技术是应用中频感应加热方式对线圈内的石墨坩埚进行加热，因而并在石墨坩埚内形成轴向温度梯度，石墨坩埚底部的温度梯度高于其顶部。当石墨坩埚内的温度达到2100℃时，内部的碳化硅粉料通过升华形成晶体生长的气态环境，包括Si以及SiC₂ 等气相组分。因为石墨坩埚底部的温度梯度高于其顶部，所以在顶部的籽晶表面进行碳化硅单晶生长。

SiC单晶在生长过程中，一方面，位于坩埚底部的碳化硅粉料受热后，由于硅优先升华，会导致粉料里面硅的比例失调，出现碳的富集，影响后期生长气氛中碳和硅的合适比例，也会导致碳化硅粉料后期的加热升华；另一方面，在单晶硅生长面的表面，过多的硅会形成液滴，然后导致单晶生长有缺陷，所以需要解决粉料和生长气氛中硅的比例问题，进而获得高质量低缺陷的碳化硅单晶。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出粉料和生长气氛中硅含量可调的碳化硅单晶生长装置，本发明通过在石墨坩埚的底部设置石墨调节柱，用高纯石墨制成的石墨调节柱搅拌粉料，并利用石墨调节柱的结构设置，来实现碳化硅粉料和生长气氛中硅比例的调整，从而使得整体粉料受热均热，硅元素比例合理，进而提高晶体的质量。

本发明提出了粉料和生长气氛中硅含量可调的碳化硅单晶生长装置，其主要技术方案如下：包括石墨坩埚和位于石墨坩埚外部的感应加热线圈组件，所述石墨坩埚内部还设有石墨调节柱，所述石墨调节柱的上端部设有顶盖，所述石墨调节柱的中部设有至少一个搅拌面板；所述石墨调节柱的下部穿过所述石墨坩埚的底部并延伸到所述石墨坩埚外部，位于石墨坩埚外部的所述石墨调节柱依次包围有保温层和隔热层；所述石墨调节柱的末端设有螺纹段，所述螺纹段固定连接有螺杆，所述螺杆与电机相连；所述螺杆可带动所述石墨调节柱在石墨坩埚内部同时上下移动和绕轴线转动；所述顶盖的上表面设有气孔，所述石墨调节柱内部设有可供卤素气体通过的气道。

所述卤素气体至少包括氯气、氯化氢或氟化氢中的一种，所述石墨调节柱内部的气道可以在石墨坩埚内部引入卤素气体，通过与多余的硅蒸气反应来调节石墨坩埚内部碳化硅单晶生长气氛中的硅比例。

本发明提供的粉料和生长气氛中硅含量可调的碳化硅单晶生长装置还采用如下附属技术方案：

所述石墨调节柱与所述石墨坩埚底部连接处存在供所述石墨调节柱转动和移动的配合间隙。该配合间隙尽可能小，仅供实现石墨调节柱缓慢移动和转动即可，所述连接处周围进行相应的密封处理，在不影响石墨调节柱转动和移动的前提下，确保石墨坩埚内的气相组分不会泄露出来。

所述顶盖的上表面和下表面均为中间凸出的圆锥体，所述顶盖的气孔与所述石墨调节柱内部的气道连通，所述气孔外表面设有仅可向外排气的高纯石墨单向阀片。