[发明专利]一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置

说明书

本发明公开了一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，包括石墨坩埚，所述石墨坩埚用于承装碳化硅粉料，并通过对所述碳化硅进行加热，以使所述碳化硅粉料升华分解为气相组分；籽晶托，用于盛装能够生长碳化硅单晶的籽晶；气管，包括外气管和内气管，用于将升华上升的气相组分捕捉吸收，从气管底部缓释到碳化硅粉料中；卤素气体气管，用于消耗结晶生长初期较多的硅组分，两者共同实现配合实现碳化硅单晶生长过程中气相硅、碳组分在升华过程中动态平衡，保持晶体生长区域的碳、硅比例处于最佳范围，提高碳化硅单晶生长质量。

技术领域

本发明涉及碳化硅单晶制备领域，更具体地，涉及一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置。

背景技术

碳化硅属于第三代半导体材料，是宽禁带半导体材料的一种，主要特点是高热导率、高饱和以及电子漂移速率和高击场强等，因此被应用于各种半导体材料当中，是制备高温、高频、大功率器件的主要材料之一，在电动汽车、通信、高铁、以及航空航天等领域有着广阔的前景。

目前，制备碳化硅单晶的方法有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相外延法，其中物理气相传输法可以获得大尺寸、高质量SiC单晶，通过将碳化硅原料在高温下发生分解-升华反应，分解产生的气相组分在合适温度场中轴向温度梯度驱动下输送至温度降低的冷凝区，经形核、长大后成为碳化硅单晶。

在现有的碳化硅单晶生长装置中，碳化硅粉料在高温（≧1800℃）作用下分解升华为Si、SiC₂以及Si₂C，但是Si组分的分压高于SiC₂和Si₂C这两种含碳气相组分，这使得在气相升华的过程是富硅的气相组分占多数，而富硅蒸气在轴向温度梯度的作用下输送至温度较低的结晶区域，气相硅饱和蒸气压降低，硅含量过高时会在晶体生长表面形成硅液滴，导致晶体内部结晶缺陷的形成，而富硅蒸气在高温下还会与石墨坩埚表面发生反应，对石墨坩埚内壁有腐蚀作用。同时未蒸发的碳化硅粉料会变得越来越富碳，导致生长过程中发生粉料的碳化。碳化的固态碳颗粒被输运到生长面上，在碳化硅晶体内会形成碳包裹物。此外，生长后期籽晶表面的硅流量较低时，生长表面会发生碳化；籽晶表面的气相组分发生改变，也会导致微观缺陷的产生。因此，在碳化硅单晶生长过程中，如何有效调控其硅含量和碳含量的比例，具有很重要的意义。

发明内容

就上述现有技术的问题，本发明的目的就是提出一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，首先在结晶初期通过卤素气体气管将卤素气体通入石墨坩埚中，进而实现消耗结晶体生长初期较多硅组分的目的，然后通过气管吸气与排气之间的配合实现碳化硅单晶生长过程中气相硅、碳组分在升华过程中动态平衡的目的，由此可以解决晶体生长区域硅蒸气含量过高的问题，减少碳化硅单晶内部缺陷，降低石墨坩埚内壁的腐蚀现象发生，同时为碳化硅粉末中补充了硅组分，改善碳化硅粉末的碳化现象，提高碳化硅单晶生长质量。

为实现上述目的，本发明提出了一种可平衡生长体系气氛的碳化硅单晶生长装置，主要采用如下技术方案：

包括石墨坩埚，所述石墨坩埚用于承装碳化硅粉料，所述石墨坩埚外部设有感应加热线圈，并通过感应加热线圈对所述碳化硅粉料进行加热，以使所述碳化硅粉料升华分解为气相组分；籽晶托，所述籽晶托位于所述石墨坩埚顶部，用于盛装能够生长碳化硅单晶的籽晶；气管，位于所述石墨坩埚内，靠近所述石墨坩埚内壁直立，用于捕捉吸收生长气氛中升华的气相组分，并从所述排气段排出，晶体生长区域的气相组分为富硅蒸气，以此平衡所述碳化硅单晶生长体系气氛。

所述气管包括外气管和内气管，所述外气管和内气管表面设有气孔，所述外气管下端部与所述石墨坩埚的底部固定连接，所述外气管的顶部与所述籽晶托下表面齐平，所述内气管穿过所述石墨坩埚的底部延伸到所述石墨坩埚外部，所述外气管的内表面和所述内气管的外表面紧贴配合，所述内气管在所述外气管内可转动，所述内气管配套设有活塞杆。所述活塞杆可在所述内气管中上下往复运动，从而在内气管中产生压力和吸力。