CN223674803U - 一种碳化硅单晶生长用坩埚装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳化硅单晶生长用坩埚装置，涉及碳化硅单晶生长技术领域。坩埚装置包括其内形成有用于放置碳化硅粉料的容纳腔的坩埚、位于坩埚顶部的籽晶和位于容纳腔内的石墨结构，石墨结构包括穿设于碳化硅粉料的竖直部和位于竖直部顶部的引流件，引流件设置成其侧壁围成自底部向上逐渐扩张的形状，其中，引流件的顶面与籽晶的宽度比为0.3‑0.8中任一值，竖直部与容纳腔的直径比为0.1‑0.4中任一值，且竖直部和引流件的表面涂覆有含钽涂层。本实用新型坩埚装置能够提高坩埚内的温度场分布均匀性、降低碳化硅单晶的生长位错密度，提高碳化硅单晶的生长质量。

Description

一种碳化硅单晶生长用坩埚装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅单晶生产技术领域，具体涉及一种碳化硅单晶生长用坩埚装置。

背景技术

碳化硅作为第三代半导体材料，具有大禁带宽度、高临界击穿场强、高热导率等特性，是制造高频、高压、大功率及抗辐射器件的理想材料。物理气相输运法是碳化硅单晶生长最常用的方法。

现有技术中，通常将碳化硅粉料放置于外界有感应线圈的坩埚内部，通过坩埚周侧及底部对碳化硅粉料进行加热升华形成碳化硅气氛，并输运至籽晶表面形成碳化硅单晶。然而，上述方法通常存在径向温度梯度较大导致碳化硅单晶在长晶初期具有较大的热应力，导致碳化硅单晶中位错密度较高且存在碳化硅碳包裹的问题，影响碳化硅单晶的生长质量。高位错密度会对后期器件制程的性能稳定性和长期工作性造成不良影响。

因此，亟需涉及一种能够同时降低位错密度、提高长晶质量的碳化硅单晶生长装置。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种碳化硅单晶生长用坩埚装置，解决现有技术中碳化硅单晶生长位错密度高的技术问题。

本实用新型的另一个目的是进一步提高碳化硅单晶的生长质量。

根据本实用新型的目的，本实用新型提供一种碳化硅单晶生长用坩埚装置，包括：

坩埚，其内形成有用于放置碳化硅粉料的容纳腔；

籽晶，位于坩埚顶部；

石墨结构，位于所述容纳腔内，所述石墨结构包括穿设于所述碳化硅粉料的竖直部和位于所述竖直部顶部的引流件，引流件设置成其侧壁围成自底部向上逐渐扩张的形状；其中，

所述引流件的顶面与所述籽晶的宽度比为0.3-0.8中任一值，所述竖直部与所述容纳腔的直径比为0.1-0.4中任一值，且所述竖直部和所述引流件的表面涂覆有含钽涂层。

可选地，所述引流件的底面与顶面的宽度比为0-0.5中任一值。

可选地，所述引流件的顶面与所述籽晶的底面间隔预设距离，所述预设距离为70mm-160mm中任一值。

可选地，所述引流件包括侧壁形成有自底部向上逐渐扩张的异形截面区，所述引流件还包括：

导向部，位于所述异形截面区的顶部且沿竖直方向延伸，所述导向部的高度与所述引流件的高度比为0.3-0.5中任一值。

可选地，所述导向部的高度为0-30mm中任一值。

可选地，所述竖直部的高度与所述碳化硅粉料的高度比为1-1.3中任一值。

可选地，所述含钽涂层的材质可以是钽或碳化钽中任意一种。

可选地，所述石墨结构的材质为等静压石墨。

可选地，所述竖直部的宽度为30mm-80mm中任一值。

本实用新型通过在坩埚装置中设置包括竖直部和引流件的石墨结构，并将引流件设置成起顶面宽度与籽晶宽度的比值为0.3-0.8中任一值、竖直部与容纳腔的直径比为0.1-0.4中任一值，即在坩埚装置的籽晶底部设置用于对碳化硅粉料进行加热的竖直部和对碳化硅气氛进行引流的引流件，以提高容纳腔中间位置的碳化硅粉料的受热均匀性，从而增加籽晶中间部位的温度，保证轴向生长温度梯度的同时降低籽晶处径向温度梯度，防止碳化硅单晶生长初期因晶体内部热应力导致碳化硅单晶中形成贯穿型位错，同时对中间位置的碳化硅气氛进行引流，使得碳化硅气氛经引流件的侧壁流向籽晶，降低籽晶中间部位碳化硅单晶的形成速率，防止籽晶中间位置形成碳化硅单晶速度过快发生开裂的情况。

进一步地，本实用新型通过将引流件设置成具有异形截面区和位于异形截面区顶部且沿竖直方向延伸的导向部，不仅能够对碳化硅气氛起到引流作用，还能够防止在引流件顶部产生热结导致热应力增大的情况，进一步降低碳化硅单晶的位错密度，提高碳化硅单晶的生长质量。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的坩埚装置的示意性结构图；

图2是根据本实用新型另一个实施例的坩埚装置的示意性结构图；

图3是现有技术中坩埚装置的温度场分布图；

图4是根据本实用新型一个实施例的坩埚装置的示意性温度场分布图；

图5是现有技术坩埚装置中碳化硅气氛的流场分布图；

图6是根据本实用新型一个实施例的坩埚装置中碳化硅气氛的流场分布图。

附图标记：

100-坩埚装置，10-坩埚，11-容纳腔，20-籽晶，30-石墨结构，31-竖直部，32-引流件，321-异形截面区，322-导向部，40-碳化硅粉料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是根据本实用新型一个实施例的坩埚装置的示意性结构图，图2是根据本实用新型另一个实施例的坩埚装置的示意性结构图，图3是现有技术中坩埚装置的温度场分布图，图4是根据本实用新型一个实施例的坩埚装置的示意性温度场分布图，图5是现有技术坩埚装置中碳化硅气氛的流场分布图，图6是根据本实用新型一个实施例的坩埚装置中碳化硅气氛的流场分布图。

如图1所示，本实用新型提供一种碳化硅单晶生长用坩埚装置100，坩埚装置100包括坩埚10、籽晶20和石墨结构30，坩埚10内形成有用于放置碳化硅粉料40的容纳腔11，籽晶20位于坩埚10顶部，石墨结构30位于容纳腔11内，石墨结构30包括穿设于碳化硅粉料40的竖直部31和位于竖直部31顶部的引流件32，引流件32设置成其侧壁围成自底部向上逐渐扩张的形状，其中，引流件32的顶面与籽晶20的宽度比为0.3-0.8中任一值，竖直部31与容纳腔11的直径比为0.1-0.4中任一值，且竖直部31和引流件32的表面涂覆有含钽涂层。这里，竖直部31与引流件32之间通过机械式卡合连接。

本实施例中，通过在坩埚装置100中设置包括竖直部31和引流件32的石墨结构30，并将引流件32设置成起顶面宽度与籽晶20宽度的比值为0.3-0.8中任一值、竖直部31与容纳腔11的直径比为0.1-0.4中任一值，即在坩埚装置100的籽晶20底部设置用于对碳化硅粉料40进行加热的竖直部31和对碳化硅气氛进行引流的引流件32，以提高容纳腔11中间位置的碳化硅粉料40的受热均匀性，从而增加籽晶20中间部位的温度，保证轴向生长温度梯度的同时降低籽晶20处径向温度梯度，防止碳化硅单晶生长初期因晶体内部热应力导致碳化硅单晶中形成贯穿型位错，同时对中间位置的碳化硅气氛进行引流，使得碳化硅气氛经引流件32的侧壁流向籽晶20，降低籽晶20中间部位碳化硅单晶的形成速率，防止籽晶20中间位置形成碳化硅单晶速度过快发生开裂的情况。

本实施例中，竖直部31的宽度与容纳腔11的宽度比值为0.1-0.4中任一值，即竖直部31的宽度与容纳腔11的宽度比值可以是0.1、0.2、0.3或0.4，也可以是0.1-0.4中任一值。通过将竖直部31的宽度与容纳腔11的宽度比值设置在上述范围内，能够有效调节坩埚装置100内的轴向温度分布和径向温度分布均匀性，进一步减小晶体内部热应力，降低碳化硅单晶的生长位错密度。

本实施例中，引流件32的顶面与籽晶20的宽度比为0.3-0.8中任一值，即引流件32的顶面与籽晶20的宽度比可以是0.3、0.4、0.5、0.6、0.7或0.8，也可以是0.3-0.8中任一值。通过将引流件32的顶面与籽晶20的宽度比设置在上述范围内，不仅能够提高籽晶20中间区域的温度，还能够对容纳腔11中部位置的碳化硅气氛进行引流，使得碳化硅气氛能够顺利传输至籽晶20处的同时，防止容纳腔11中部位置的碳化硅气氛垂直传输导致籽晶20中间区域碳化硅单晶形成速度过快、体积过大，从而在籽晶20处形成体积分布均匀且位错密度低的碳化硅单晶。

进一步的一个实施例中，引流件32的底面与顶面的宽度比为0-0.5中任一值，即引流件32的底面与顶面的宽度比可以是0、0.1、0.2、0.3、0.4或0.5，也可以是0-0.5中任一值。本实施例中，通过将引流件32的底面与顶面的宽度比设置在上述范围内，以调节引流件32侧壁的倾斜角度，从而调节籽晶20处的碳化硅单晶分布状态，能够升高籽晶20中间区域的温度，减少碳化硅单晶生长初期的热应力，从而降低碳化硅单晶的位错密度。

进一步的一个实施例中，引流件32的顶面与籽晶20的底面间隔预设距离，预设距离为70mm-160mm中任一值，即引流件32的顶面与籽晶20的底面的间隔距离可以是70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm或160mm，也可以是70mm-160mm中任一值。本实施例中，通过将引流件32的顶面与籽晶20的底面设置成间隔上述预设距离，不仅能够提高容纳腔11中间区域的碳化硅气氛的传输效率，还能够保证碳化硅气氛能够运输至籽晶20的中间区域，从而在籽晶20中生长分布均匀的碳化硅单晶。

进一步的一个实施例中，引流件32包括侧壁形成有自底部向上逐渐扩张的异形截面区321，引流件32还包括导向部，导向部位于异形截面区321的顶部且沿竖直方向延伸，导向部的高度与引流件32的高度比为0.3-0.5中任一值，即导向部的高度与引流件32的高度比可以是0.3、0.35、0.4、0.45或0.5，也可以是0.3-0.5中任一值。通过将引流件32设置成具有异形截面区321和位于异形截面区321顶部且沿竖直方向延伸的导向部，不仅能够对碳化硅气氛起到引流作用，还能够防止在引流件32顶部产生热结导致热应力增大的情况，进一步降低碳化硅单晶的位错密度，提高碳化硅单晶的生长质量。

进一步的一个实施例中，导向部的高度为0-30mm中任一值，即导向部的高度可以是0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm或30mm，也可以是0-30mm中任一值。本实施例中，通过将导向部的高度设置在0-30mm中任一值，以在异形截面区321的顶部形成进一步的导流部322件，使得形成的碳化硅气氛能够依次流经异形截面区321的侧壁和导流部322的侧壁，减少碳化硅气氛传输过程中的流动阻力，同时防止碳化硅气氛在引流件32中形成热结，以进一步提高籽晶20处的温度分布均匀性，减少碳化硅单晶生长热应力，从而降低碳化硅单晶的生长位错密度。

如图2所示，在一个优选的实施例中，导向部的高度为0mm且引流件32的底面与顶面的宽度比0，即坩埚装置100中石墨结构30的引流件32呈圆锥形结构，即碳化硅粉料40受热升华产生的碳化硅气氛仅流经引流件32中异形截面区321的侧壁，并最终在籽晶20处生长晶体排列均匀且位错密度低的碳化硅单晶，从而进一步提高碳化硅单晶的生长质量。

进一步的一个实施例中，竖直部31的高度与碳化硅粉料40的高度比为1-1.3中任一值，即竖直部31的高度与碳化硅粉料40的高度比可以是1、1.1、1.2或1.3，也可以是1-1.3中任一值。本实施例中，竖直部31的高度设置在上述范围内，即竖直部31的高度可以与碳化硅粉料40的高度相同，也可以高于碳化硅粉料40的高度，以使得引流件32始终位于碳化硅粉料40之上，便于碳化硅粉料40升华后产生的碳化硅气氛的流动性传输，即碳化硅气氛自引流件32底部沿异形截面区321的侧壁、导流部322的侧壁朝向籽晶20处运输(参照图6)，以将垂直向上输运的中心碳化硅气氛(参照图5)经石墨结构30引导向两边运输，降低中心碳化硅气氛的流速，防止籽晶20中心处碳化硅单晶生长过快，避免晶体因凸度过大而开裂，进一步提高碳化硅单晶的生长质量。

进一步的一个实施例中，含钽涂层的材质可以是钽或碳化钽中任意一种，即石墨结构30的表面涂覆的含钽涂层的材质可以是钽或碳化钽。本实施例中，通过将石墨结构30表面涂覆含钽涂层，防止石墨结构30在碳化硅单晶生长过程中被碳化硅气氛刻蚀而产生碳颗粒，从而减少因粉料石墨化导致碳化硅气氛中包含石墨颗粒，进一步减少碳化硅单晶中的碳包裹缺陷，提高碳化硅单晶的质量。

进一步的一个实施例中，石墨结构30的材质为等静压石墨，通过将石墨结构30设置成等静压石墨，不仅能够提高石墨结构30的热稳定性好导热性能，确保石墨结构30在高温环境下不发生变形或分解，保持碳化硅单晶生长过程的稳定性，减少因结构变化导致的温度场波动和晶体缺陷，同时使得石墨结构30具有较高的热传导性能，提供均匀的温度场，优化碳化硅气氛的传输和沉积路径，提高碳化硅单晶的生长均匀性和质量。此外，等静压石墨由于其致密的内部结构，在高温下仍然具有较高的抗压和抗弯强度，能够提供可靠的结构支撑，防止石墨结构30因热应力或机械应力而破裂或变形，确保坩埚装置100的长期稳定运行。这里，坩埚装置100的材质可以是等静压石墨。

进一步的一个实施例中，竖直部31的宽度为30mm-80mm中任一值，容纳腔11的宽度为200mm-250mm中任一值，即竖直部31的宽度可以是30mm、40mm、50mm、60mm、70mm或80mm，也可以是30mm-80mm中任一值，容纳腔11的宽度可以是200mm、210mm、220mm、230mm、240mm或250mm，也可以是200mm-250mm中任一值。通过将竖直部31的宽度和容纳腔11的宽度设置在上述对应范围内，使得石墨结构30的竖直部31能够对容纳腔11中心位置的碳化硅粉料40进行加热，不仅能够提高碳化硅粉料40的升华效率，提高碳化硅单晶的生长效率，还能够防止中间位置的碳化硅粉料40产生碳包裹缺陷，提高碳化硅单晶的生长质量。

下面将结合具体实施例来对本申请进行进一步详细地说明。

实施例1

坩埚装置100的引流件30的顶面与籽晶20的宽度比为0.5，竖直部31与容纳腔11的直径比为0.3，引流件30的底面与顶面的宽度比为0，即引流件30呈圆锥形结构。对圆锥形引流件30的坩埚装置100的温度场进行测试，得到如图4所示的温度场分布。

如图4所示，坩埚装置中导流件上部的温度高于现有技术中相同位置处的温度(参照图3)，增加了籽晶中间区域的温度，保证轴向生长温度梯度的同时降低籽晶处径向温度梯度，从而减少长晶初期因热应力引起的贯穿型位错。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种碳化硅单晶生长用坩埚装置，其特征在于，包括：

坩埚，其内形成有用于放置碳化硅粉料的容纳腔；

籽晶，位于坩埚顶部；

石墨结构，位于所述容纳腔内，所述石墨结构包括穿设于所述碳化硅粉料的竖直部和位于所述竖直部顶部的引流件，引流件设置成其侧壁围成自底部向上逐渐扩张的形状；其中，

所述引流件的顶面与所述籽晶的宽度比为0.3-0.8中任一值，所述竖直部与所述容纳腔的直径比为0.1-0.4中任一值，且所述竖直部和所述引流件的表面涂覆有含钽涂层。

2.根据权利要求1所述的坩埚装置，其特征在于，

所述引流件的底面与顶面的宽度比为0-0.5中任一值。

3.根据权利要求2所述的坩埚装置，其特征在于，

所述引流件的顶面与所述籽晶的底面间隔预设距离，所述预设距离为70mm-160mm中任一值。

4.根据权利要求3所述的坩埚装置，其特征在于，所述引流件包括侧壁形成有自底部向上逐渐扩张的异形截面区，所述引流件还包括：

导向部，位于所述异形截面区的顶部且沿竖直方向延伸，所述导向部的高度与所述引流件的高度比为0.3-0.5中任一值。

5.根据权利要求4所述的坩埚装置，其特征在于，

所述导向部的高度为0-30mm中任一值。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的坩埚装置，其特征在于，

所述竖直部的高度与所述碳化硅粉料的高度比为1-1.3中任一值。

7.根据权利要求6所述的坩埚装置，其特征在于，

所述含钽涂层的材质是钽或碳化钽中任意一种。

8.根据权利要求7所述的坩埚装置，其特征在于，

所述石墨结构的材质为等静压石墨。

9.根据权利要求8所述的坩埚装置，其特征在于，

所述竖直部的宽度为30mm-80mm中任一值。