用于连续生长SiC单晶的装置

技术领域

本发明属于SiC单晶制备技术领域，尤其涉及一种用于连续生长SiC单晶的装置。

背景技术

随着第一代硅半导体及第二代砷化镓半导体材料发展的成熟，其器件应用也趋于极限。碳化硅(SiC)单晶属于第三代半导体材料即禁带半导体材料，具有高频率、高功率，高的击穿场和热导率及化学稳定性好等优点，有望在低阻功率器件中得到应用。

目前，工业上制备大块体SiC单晶的方法主要是物理气相传输法(PVT法)，但该方法生长SiC单晶的温度和能耗较高，并且生长的SiC晶体成品率不高，通常伴随着微观等缺陷。溶液法生长SiC晶体具有晶体缺陷密度低的优点，能够有效避免PVT法生长SiC晶体时存在的微观缺陷，但由于C在硅熔体中的溶解度极低，C在硅熔体中的传质受到限制，导致溶液法生长SiC晶体的生长速度特别慢。

如何提高硅熔体中的C溶解度是提高溶液法生长SiC晶体生长速度的关键。因此，近年来国内外学者尝试采用助溶剂法解决硅熔体中C溶解度低的难题。助溶剂法是往硅熔体中加入一种或几种与C具有亲和力的元素，利用添加的助溶剂达到提高硅熔体中C溶解度的目的。另一方面，由于助溶剂能够与硅形成低熔点熔体，助溶剂法不仅能够增加硅熔体中C的溶解度，还能实现SiC晶体的低温生长(温度远远低于PVT法)。

目前，制备SiC单晶通常使用碳化硅(SiC)生长装置，SiC生长装置通常由石墨坩埚、溶剂和籽晶组成一个三明治结构而构成的。通过在三明治结构上运用温度梯度，使得随温度的升高，溶质C溶解在溶液里面，逐渐形成一定的过饱和度。当溶液里的C和SiC达到双饱和之后，溶液中的C和Si开始在籽晶表面进行外延生长。

现有的SiC生长装置主要存在的问题如下：1、现有的坩埚无法持续补充C源(碳源)，导致单晶尺寸不大；2、现有的石墨坩埚由于石墨持续溶解，难以多次使用；3、现有的坩埚容易在坩埚壁上发生SiC结晶，造成原料浪费及坩埚报废。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于连续生长SiC单晶的装置，旨在解决现有技术中SiC生长装置的坩埚无法持续补充C源，导致单晶尺寸不大的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供的一种用于连续生长SiC单晶的装置，包括；

坩埚，所述坩埚包括外埚和设于所述外埚内的内埚；所述内埚具有反应腔，所述外埚与所述内埚之间形成加料腔；所述内埚的下部埚壁设有多孔结构，所述多孔结构连通所述反应腔和所述加料腔；

隔热构件，设于所述坩埚外；

感应加热装置，设于所述隔热构件外；

籽晶轴，穿设于所述反应腔的上端，且所述籽晶轴通过第一驱动件驱动其转动；以及

旋转轴，设于所述坩埚的底部并与所述籽晶轴同轴设置，且所述旋转轴通过第二驱动件驱动其转动，以带动所述坩埚旋转。

可选地，所述加料腔设有至少一条加料管。

可选地，所述加料腔对称设有两所述加料管。

可选地，所述加料管为高纯石墨管。

可选地，所述外埚和所述内埚与所述坩埚内溶液接触的表面均涂覆有耐热涂层。

可选地，所述耐热涂层的材质为TaC(碳化钽)。

可选地，所述多孔结构的孔径为10～100mm。

可选地，所述感应加热装置外设有炉体。

可选地，所述内埚的横截面为圆环形。

可选地，所述感应加热装置为加热线圈。

与现有技术相比，本发明实施例提供的用于连续生长SiC单晶的装置中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：

1、加料腔中可加入高纯C粉、硅熔体或其他掺杂元素，反应腔内的溶液与加料腔内的溶液可以相互流通，在SiC单晶生长过程中，加料腔内的溶液中的C源可持续向反应腔内的溶液补充，使得反应腔内的溶液C源充足，有利于形成较大尺寸的SiC单晶。

2、外埚和内埚与坩埚内溶液接触的表面均涂覆有耐热涂层，耐热涂层能有效防止外埚和内埚中的石墨溶解，提高坩埚的使用寿命。

3、耐热涂层的材质为TaC(碳化钽)，TaC可阻止SiC单晶在坩埚的内壁处结晶，使得坩埚可以重复使用，且减小了原料的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于连续生长SiC单晶的装置的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

100、坩埚；110、外埚；111、加料腔；120、内埚；121、反应腔；122、多孔结构；

200、隔热构件；210、第一通孔；220、第二通孔；230、第三通孔；

300、感应加热装置；

400、籽晶轴；410、第一驱动件；

500、旋转轴；510、第二驱动件；

600、加料管。

700、炉体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明的一个实施例中，参照图1，提供一种用于连续生长SiC单晶的装置，包括坩埚100、隔热构件200、感应加热装置300、籽晶轴400和旋转轴500。

其中，参照图1，所述坩埚100包括外埚110和设于所述外埚110内的内埚120。所述内埚120具有反应腔121，所述外埚110与所述内埚120之间形成加料腔111，所述反应腔121和所述加料腔111均用于盛放溶液。

其中，参照图1，所述内埚120的下部埚壁设有多孔结构122，所述多孔结构122连通所述反应腔121和所述加料腔111，使所述反应腔121内的溶液与所述加料腔111内的溶液可以相互流通。

其中，参照图1，所述隔热构件200设于所述坩埚100外，所述隔热构件200起到隔热作用，能减小热量散发到外界。

其中，参照图1，所述感应加热装置300设于所述隔热构件200外，用于对该坩埚100进行加热，从而对所述坩埚100内的溶液进行加热，为SiC单晶生长提供适合的温度及效率。

其中，参照图1，所述籽晶轴400的下端穿设于所述反应腔121的上端，且所述籽晶轴400通过第一驱动件410驱动其转动。所述旋转轴500设于所述坩埚100的底部并与所述籽晶轴400同轴设置，且所述旋转轴500通过第二驱动件510驱动其转动，以带动所述坩埚100旋转。

具体地，参照图1，第二驱动件510通过旋转轴500带动整个所述坩埚100旋转，促进所述反应腔121内的溶液中的Si熔体的物质交换，并将高浓度的C元素持续向反应腔121的上部区域(即向籽晶轴400位置)运送，以使SiC更易在籽晶轴400的下端表面结晶。通过第一驱动件410带动籽晶轴400旋转，可以在反应腔121内溶液形成一个循环的对流，从而使得溶液中传输过来的SiC可以均匀快速地生长在籽晶轴400的下端表面。

与现有技术相比，本发明实施例提供的用于连续生长SiC单晶的装置中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：

参照图1，加料腔111中可加入高纯C粉、硅熔体或其他掺杂元素，反应腔121内的溶液与加料腔111内的溶液可以相互流通，在SiC单晶生长过程中，加料腔111内的溶液中的C源可持续向反应腔121内的溶液补充，使得反应腔121内的溶液C源充足，有利于形成较大尺寸的SiC单晶。

其中，第二驱动件510通过旋转轴500带动整个所述坩埚100旋转，可促进所述反应腔121内的溶液与所述加料腔111内的溶液可以相互流动，以使加料腔111内的溶液中的C源可持续向反应腔121内的溶液补充。

进一步地，参照图1，所述隔热构件200呈壳体状，隔热构件200具有侧壁、上壁以及下壁。隔热构件200的侧壁配置在坩埚100的侧壁周围，隔热构件200的上壁位于坩埚100的上方位置，上壁具有供籽晶轴400穿过的第一通孔210。隔热构件200的下壁位于坩埚100的下方位置，下壁具有供旋转轴500穿过的第二通孔220。

综上所述，所述隔热构件200覆盖整个坩埚100，隔热构件200采用本领域技术人员所熟知的现有隔热材料，其中，隔热材料可以是纤维类或非纤维类的成形隔热材料，例如玻璃纤维等。

在本发明的另一个实施例中，参照图1，所述加料腔111设有至少一条加料管600，所述加料管600用于向加料腔111中加入高纯C粉、硅熔体或其他掺杂元素。例如：加料管600连接有加料装置(例如：真空自动上料机)，通过加料装置将高纯C粉、硅熔体或其他掺杂元素沿加料管600添加至加料腔111中，结构简单。

具体地，如果直接从内埚120的上埚口向反应腔121中直接加入高纯C粉，会使得反应腔121的上部区域溶液C元素分布不均匀，影响SiC晶体生长质量。因此，参照图1，通过向加料腔111中加入高纯C粉、硅熔体或其他掺杂元素，在第二驱动件510带动整个所述坩埚100旋转的过程中，会促进所述反应腔121内的溶液与所述加料腔111内的溶液可以相互流动，溶液流动时使C源均匀分布于溶液中，以向反应腔121上部的结晶区溶液提供持续且均匀的C源，保证SiC晶体生长质量。

进一步地，参照图1，所述加料腔111对称设有两所述加料管600，以均匀向加料腔111中可加入高纯C粉、硅熔体或其他掺杂元素。

其中，参照图1，所述隔热构件200的上壁具有供加料管600穿过的第三通孔230。

进一步地，所述加料管600为高纯石墨管，所述加料管600优选为涂覆有TaC涂层(碳化钽涂层)的高纯石墨管，耐高温效果好。

在本发明的另一个实施例中，参照图1，所述内埚120的上部埚壁不设有多孔结构122，使得内埚120的反应腔121上部的结晶区溶液流场较为稳定，可保证SiC晶体生长质量。

在本发明的另一个实施例中，参照图1，所述外埚110和所述内埚120与所述坩埚100内溶液接触的表面均涂覆有耐热涂层，耐热涂层能有效防止外埚110和内埚120中的石墨溶解，提高坩埚100的使用寿命。

进一步地，所述耐热涂层的材质为TaC(碳化钽)，即耐热涂层为碳化钽涂层。其中，碳化钽为现有材料，碳化钽是浅棕色金属状立方结晶粉末，属于氯化钠型立方晶系，还有，碳化钽还可用做硬质合金烧结晶粒长大抑制剂用或碳化钽涂层用，对抑制晶粒长大有明显效果，因此，坩埚100的内壁涂覆有碳化钽涂层，TaC可阻止(抑制)SiC单晶在坩埚100的内壁处结晶，使得坩埚100可以重复使用，且减小了原料的浪费。

进一步地，参照图1，所述多孔结构122的孔径为10～100mm，以使反应腔121内的溶液与加料腔111内的溶液可以相互流通。具体地，多孔结构122的孔径可以是10mm、50mm或100mm，优选为30mm。

在本发明的另一个实施例中，参照图1，所述感应加热装置300外设有炉体700，所述炉体700可容纳坩埚100、隔热构件200和感应加热装置300，对其内部的坩埚100、隔热构件200和感应加热装置300起到防护作用。

其中，参照图1，所述内埚120的横截面为圆环形，在旋转时有利于反应腔121内溶液流动。所述外埚110的横截面可为任意形状，优选为圆环形，在旋转时有利于反应腔121内的溶液与加料腔111内的溶液可以相互流动。

进一步地，参照图1，所述感应加热装置300为加热线圈，所述加热线圈均匀的围绕在所述隔热构件200外围并用于对该坩埚100进行加热，以便于坩埚100受热均匀。

其中，参照图1，第一驱动件410和第二驱动件510均为电机，结构简单。第一驱动件410和加料管600均安装于所述炉体700的上部，第二驱动件510安装于所述炉体700的下部。坩埚100、隔热构件200和感应加热装置300均安装于所述炉体700内。

本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。