一種具有中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶生長(zhǎng)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶生長(zhǎng)裝置及方法，屬于晶體生長(zhǎng)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC晶體與諸多其他半導(dǎo)體單晶材料相比，其具有硬度高(僅次于金剛石)、熱導(dǎo)率高(4.9W/cm.1()、熱膨脹系數(shù)低(3.1-4.5\10-6/10、禁帶寬度大(2.40-3.266￥)、飽和漂移速度高(2.0-2.5乂107011/8)，臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)大(2?3\106￥/011)、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)異性能。這些優(yōu)異的性能使SiC晶體在高溫、高壓、強(qiáng)輻射的工作環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景，并對(duì)未來(lái)電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
[0003]物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport-PVT)是目前主流生長(zhǎng)SiC晶體的方法，即將SiC晶片貼在石墨坩禍蓋上或頂端用作籽晶，石墨坩禍內(nèi)裝有作為生長(zhǎng)原料的SiC粉末，生長(zhǎng)溫度控制在2273K到2773K之間，生長(zhǎng)原料分解成氣相組分后在石墨坩禍內(nèi)部軸向溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下輸運(yùn)到籽晶處結(jié)晶生長(zhǎng)SiC晶體。
[0004]目前，傳統(tǒng)的SiC晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)常用的加熱方法是中頻感應(yīng)加熱，整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中將石墨坩禍外圍纏繞好保溫材料后放置于感應(yīng)線圈中央，線圈通交流電后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，石墨坩禍在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流電，從而加熱生長(zhǎng)原料和籽晶。但傳統(tǒng)的SiC晶體生長(zhǎng)裝置由于以下原因，導(dǎo)致生長(zhǎng)的晶體不具有中心對(duì)稱(chēng)性，使晶體邊緣各處厚度不等，大大降低了晶體材料的利用率;I)傳統(tǒng)的SiC晶體生長(zhǎng)裝置感應(yīng)線圈是螺旋形的，其形狀不具有中心軸對(duì)稱(chēng)性;感應(yīng)加熱會(huì)使坩禍發(fā)熱體所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)具有非中心軸對(duì)稱(chēng)性，并使物質(zhì)傳輸呈現(xiàn)非中心軸對(duì)稱(chēng)性。2)保溫材料不具有中心軸對(duì)稱(chēng)性。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)201110440573.2公開(kāi)了一種大尺寸碳化硅單晶生長(zhǎng)裝置，具體是一種物理氣相輸運(yùn)法(PVT)生長(zhǎng)大尺寸SiC單晶的裝置。該裝置具體涉及一種使用PVT技術(shù)生長(zhǎng)碳化硅單晶的坩禍結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在坩禍蓋上表面開(kāi)個(gè)球面孔，然后將完全貼合整個(gè)孔的特制外形的保溫材料放進(jìn)孔內(nèi)鋪平，然后將石墨蓋片放入孔內(nèi)并用力壓平。這樣使坩禍蓋內(nèi)部有一個(gè)夾心保溫層，使坩禍蓋表面對(duì)外綜合散熱均勻，減小晶體生長(zhǎng)的徑向溫度梯度。該裝置雖然采用保溫層設(shè)計(jì)可以在一定程度上抑制非中心軸對(duì)稱(chēng)的情況，減小徑向溫度梯度，但是并不能改變線圈的非對(duì)稱(chēng)性，生長(zhǎng)出的晶體仍具有中心對(duì)稱(chēng)性，且隨著保溫層使用需要定期更換，重復(fù)性差。
[0006]因此如何使SiC晶體生長(zhǎng)過(guò)程中物質(zhì)傳輸具有中心對(duì)稱(chēng)性，使晶體生長(zhǎng)過(guò)程中固/氣界面保持較理想的形狀，以提高晶體的利用效率是目前SiC單晶生長(zhǎng)需要解決的一個(gè)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶生長(zhǎng)裝置，該裝置解決了感應(yīng)加熱會(huì)使坩禍發(fā)熱體所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)具有非中心軸對(duì)稱(chēng)性的問(wèn)題，并使物質(zhì)傳輸呈現(xiàn)中心軸對(duì)稱(chēng)性，使生長(zhǎng)得到的晶體具有中心對(duì)稱(chēng)性，邊緣各處厚度相等，提高了晶體材料的利用率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其對(duì)非中心軸對(duì)稱(chēng)性的溫場(chǎng)調(diào)節(jié)起積極作用，為高質(zhì)量單晶的生長(zhǎng)提供中心軸對(duì)稱(chēng)性，從而提高了晶體質(zhì)量及成品率。
[0008]本發(fā)明還提供一種利用上述具有中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶生長(zhǎng)裝置進(jìn)行生長(zhǎng)具有的中心對(duì)稱(chēng)性的S i C單晶方法。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]—種具有中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶生長(zhǎng)裝置，包括加熱裝置、真空生長(zhǎng)腔、帶蓋的石墨坩禍，其特征在于，石墨坩禍的底部連接有使石墨坩禍旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，所述的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)托盤(pán)、中心旋轉(zhuǎn)桿和驅(qū)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)桿主動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)三通連接件與真空生長(zhǎng)腔密閉連接，中心旋轉(zhuǎn)桿穿過(guò)三通連接件與驅(qū)動(dòng)裝置連接，旋轉(zhuǎn)托盤(pán)包括旋轉(zhuǎn)盤(pán)以及與旋轉(zhuǎn)盤(pán)固定連接的旋轉(zhuǎn)柄，旋轉(zhuǎn)盤(pán)的頂部與石墨坩禍底端連接，旋轉(zhuǎn)柄的底端與中心旋轉(zhuǎn)桿連接。
[0011]本發(fā)明優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括定子、設(shè)置在定子上的轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)電機(jī)，三通連接件的一個(gè)端口與真空生長(zhǎng)腔密閉連接，一個(gè)端口通過(guò)分子栗與排氣口連接，另外一個(gè)端口與轉(zhuǎn)子磁密封連接，中心旋轉(zhuǎn)桿穿過(guò)轉(zhuǎn)子并且底端與轉(zhuǎn)子固定連接，旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0012]排氣口用于排出生長(zhǎng)中通入載氣，三通連接件的一個(gè)端口通過(guò)分子栗與排氣口連接，排氣口采用閘板閥與分子栗相連，或者本領(lǐng)域公知的其他連接方式。
[0013]本發(fā)明的SiC單晶生長(zhǎng)裝置，轉(zhuǎn)子由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而使中心旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)，中心旋轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)托盤(pán)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動(dòng)密閉的石墨坩禍旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子與三通連接件磁密封連接，保證在旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，晶體生長(zhǎng)石英腔體內(nèi)的真空度不受到破壞。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，中心旋轉(zhuǎn)桿的中心軸線、旋轉(zhuǎn)托盤(pán)的中心對(duì)稱(chēng)線及石墨坩禍的中心對(duì)稱(chēng)線三者在一直線上，且在中心旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)時(shí)保持不變。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述中心旋轉(zhuǎn)桿為不銹鋼中心旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)托盤(pán)為石墨旋轉(zhuǎn)托盤(pán)并具有中心對(duì)稱(chēng)性。
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選的，旋轉(zhuǎn)托盤(pán)的旋轉(zhuǎn)柄的底端中心設(shè)置有定位槽，所述中心旋轉(zhuǎn)桿的頂部設(shè)置有與定位槽適配的定位端頭，定位后托盤(pán)的中心對(duì)稱(chēng)軸與中心旋轉(zhuǎn)桿的中心軸重入口 ο
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，定位端頭為三角形、凸臺(tái)形或其他與定位槽適配的形狀。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，石墨坩禍具有中心對(duì)稱(chēng)性，在石墨坩禍底部中心設(shè)置有定位錐面，旋轉(zhuǎn)托盤(pán)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)置有與定位錐面匹配的定位孔。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，定位錐面為三角形、凸臺(tái)形或其他與定位孔匹配的形狀。
[0020]本發(fā)明的石墨坩禍與旋轉(zhuǎn)托盤(pán)通過(guò)定位錐面連接定位，使旋轉(zhuǎn)托盤(pán)的中心對(duì)稱(chēng)線與石墨坩禍的中心對(duì)稱(chēng)線在一直線上。
[0021]本發(fā)明優(yōu)選的，加熱裝置為感應(yīng)線圈，在真空生長(zhǎng)腔內(nèi)、石墨坩禍外設(shè)置有保溫材料，感應(yīng)線圈設(shè)置在真空生長(zhǎng)腔外部，石墨坩禍帶有能夠開(kāi)啟的密封蓋。
[0022]本發(fā)明優(yōu)選的，在真空生長(zhǎng)腔的底部通過(guò)密封法蘭與三通連接件密封連接，密封法蘭的下部設(shè)置有與密封法蘭固定連接的爐架，加熱裝置通過(guò)外側(cè)的木板固定在爐架上。爐架用于穩(wěn)固并支撐SiC單晶生長(zhǎng)裝置。
[0023]本發(fā)明優(yōu)選的，在爐架上還設(shè)置有載重架，所述的載重架為L(zhǎng)形，L形的一端固定在爐架上，另一端用于放置旋轉(zhuǎn)裝置。
[0024]—種利用上述SiC單晶生長(zhǎng)裝置進(jìn)行生長(zhǎng)具有的中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶方法，步驟如下:
[0025](I)啟動(dòng)加熱裝置，使石墨坩禍內(nèi)溫度達(dá)加熱至2273K?2773K;
[0026](2)開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)，調(diào)整中心旋轉(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)速為1-60轉(zhuǎn)/分鐘，中心旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，保溫材料的位置保持不變；
[0027](3)調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)壓力為5-100mbar，進(jìn)行生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)時(shí)間為20_120h，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中充入載氣，
[0028](4)晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，逐漸降溫至室溫，關(guān)閉旋轉(zhuǎn)電機(jī)，得到具有的中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶。
[0029]本發(fā)明提供的具有中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶生長(zhǎng)裝置，與現(xiàn)有裝置相比，具有以下優(yōu)占.V.
[0030]1、本發(fā)明的生長(zhǎng)裝置，石墨坩禍的底部連接有使石墨坩禍旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使用時(shí)中心旋轉(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)速為1-60轉(zhuǎn)/分鐘，克服了螺旋狀感應(yīng)線圈和保溫導(dǎo)致的非中心對(duì)稱(chēng)的溫場(chǎng);構(gòu)建了中心對(duì)稱(chēng)溫場(chǎng)，并使物質(zhì)傳輸呈現(xiàn)中心軸對(duì)稱(chēng)性，使生長(zhǎng)得到的晶體具有中心對(duì)稱(chēng)性，邊緣各處厚度相等，提高了晶體材料的利用率。
[0031]2、采用本發(fā)明的裝置獲得晶體有中心對(duì)稱(chēng)性，使晶體邊緣各處厚度相等，有效提高了晶體的有效厚度，大大提高了晶體材料的利用率，節(jié)約了源料和生長(zhǎng)時(shí)間。
[0032]3、本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明的具有中心對(duì)稱(chēng)性的SiC單晶生長(zhǎng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]其中，1.測(cè)溫窗口；2.進(jìn)氣口； 3.上密封法蘭；4.保溫材料；5.石墨坩禍；6.SiC籽晶；7.SiC多晶料;8.旋轉(zhuǎn)托盤(pán);9.真空生長(zhǎng)腔；10.加熱線圈；11.下密封法蘭；12.爐架；13.排氣口； 14.三通連接件;15.旋轉(zhuǎn)電機(jī);16.載重架;17.中心旋轉(zhuǎn)桿;18.定子;19.轉(zhuǎn)子。
[0035]圖2是采用本發(fā)明的裝置生長(zhǎng)獲得的具有中心對(duì)稱(chēng)性的晶體；
[0036]圖3是采用現(xiàn)有的碳化硅單晶生長(zhǎng)裝置生長(zhǎng)獲得的晶體。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一