一种碳化硅晶体生长装置及方法

技术领域

本申请涉及碳化硅晶体生长技术领域，尤其涉及一种碳化硅晶体生长装置及方法。

背景技术

碳化硅晶体生长是半导体器件制造过程中的重要步骤之一，碳化硅晶体的质量直接影响到半导体器件的性能和稳定性。碳化硅晶体的生长方法主要包括有物理气相传输法(Physical Vapor Transport method，PVT)、液相法和高温化学气相沉积法。

目前，大部分采用PVT法来生长碳化硅晶体，在碳化硅晶体生长过程中，通常采用高纯石墨底托来固定碳化硅籽晶，以及一些用于坩埚装配的复杂结构来完成晶体生长，但是石墨底托存在散热不均匀、径向温度梯度不一致的问题，导致晶体生长过程中容易出现位错、层错等缺陷，影响碳化硅晶体的生长质量。

现有技术中，采用其他材料代替石墨底托以改善晶体的生长质量，例如使用碳化硅陶瓷底托代替石墨底托作为晶体的生长基底，但是这种方法并没有解决传统PVT方法中散热不均匀、径向温度梯度不一致的问题，导致晶体生长过程中仍然容易出现位错、层错等缺陷，碳化硅晶体的生长质量差。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置及方法，旨在提升碳化硅晶体的生长质量。

第一方面，本申请实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置，所述装置包括：底托盖、石墨板和坩埚；所述底托盖上包括气孔，所述底托盖位于所述石墨板的上方，所述石墨板位于所述坩埚的上方；

所述底托盖，用于固定石墨板，并通过底托盖上的气孔进行通气；

所述石墨板，用于粘接碳化硅籽晶；

所述坩埚，用于放置生长碳化硅晶体的原料。

可选地，所述底托盖，用于通过气孔通入冷却气体进行降温。

可选地，所述底托盖上的气孔包括出气孔和进气孔，所述出气孔位于所述底托盖的中心位置，所述进气孔均匀分布在所述底托盖的侧边。

可选地，所述底托盖上通入的气体为氩气、氮气或冷却混合气体中的一种或多种。

可选地，所述装置还包括：长晶侧环，所述长晶侧环位于所述石墨板下方；

所述长晶侧环，用于连接所述石墨板和所述坩埚。

第二方面，本申请实施例提供了一种碳化硅晶体生长方法，应用于碳化硅晶体生长装置，所述装置包括：底托盖、石墨板和坩埚；所述底托盖上包括气孔，所述底托盖位于所述石墨板的上方，所述石墨板位于所述坩埚的上方；所述方法包括：

根据设定的第一阶段压力值、温度值和时间值在所述碳化硅晶体生长装置中进行第一阶段的碳化硅晶体生长；

在第二阶段压力值下，通过所述底托盖上的气孔进行通气，获得碳化硅晶体。

可选地，所述根据设定的第一阶段压力值、温度值和时间值在所述碳化硅晶体生长装置中进行第一阶段的碳化硅晶体生长，包括：

在第一压力值下，升温至第一温度值，保持第一时长，所述第一压力值在第一压力值范围内，所述第一温度值在第一温度值范围内，所述第一时长在第一时长范围内；

将所述第一压力值降为第二压力值，保持第二时长，所述第二压力值在第二压力值范围内，所述第二时长在第二时长范围内；

在第三压力值下，提拉所述坩埚，提拉速度为第一速度值，保持第三时长，所述第三压力值在所述第二压力值范围内，所述第一速度值在速度值范围内，所述第三时长在第三时长范围内。

可选地，所述在第二阶段压力值下，通过所述底托盖上的气孔进行通气，获得碳化硅晶体，包括：

在第二阶段压力值下，通过所述底托盖上的气孔通入冷却气体进行降温，获得碳化硅晶体。

可选地，所述第二阶段压力值包括第四压力值，所述在第二阶段压力值下，通过所述底托盖上的气孔通入冷却气体进行降温，获得碳化硅晶体，包括：

在所述第四压力值下，通过所述底托盖上的气孔通入冷却气体进行降温，保持第四时长，获得碳化硅晶体，所述第四压力值在第一压力值范围内，所述第四时长在第四时长范围内。

可选地，所述第一压力值范围为20-80Kpa，所述第一温度值范围为2000-2500摄氏度，所述第一时长范围为1-10小时，所述第二压力值范围为100-5000pa，第二时长范围为1-5小时，所述速度值范围为0.1-0.5毫米每小时，所述第三时长范围为40-500小时。

可选地，所述底托盖上通入的气体为氩气、氮气或冷却混合气体中的一种或多种。

相较于现有技术，本申请实施例具有以下有益效果：

本申请实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置及方法，所述装置包括：底托盖、石墨板和坩埚，底托盖上包括气孔，底托盖位于石墨板的上方，石墨板位于坩埚的上方。底托盖，用于固定石墨板，并通过底托盖上的气孔进行通气；石墨板，用于粘接碳化硅籽晶；坩埚，用于放置生长碳化硅晶体的原料。通过底托盖和石墨板替换了传统方法中的石墨底托，然后通过底托盖上的气孔在碳化硅晶体的冷却过程中进行通气，使得气体在底托盖和石墨板之间充分接触实现了均匀降温，由于气体处于流动状态，可带走额外的热量，增强了晶体散热，从而维持了径向温度梯度的一致性，减少了晶体生长过程中出现位错、层错等缺陷的风险，提升了碳化硅晶体的生长质量。

附图说明

为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种碳化硅晶体生长装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种底托盖的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种碳化硅晶体生长方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，大部分采用PVT法来生长碳化硅晶体，在碳化硅晶体生长装置中，通常采用高纯石墨底托来固定碳化硅籽晶，以及一些用于坩埚装配的复杂结构来完成晶体生长，但是石墨底托存在散热不均匀、径向温度梯度不一致的问题，导致晶体生长过程中容易出现位错、层错等缺陷，影响碳化硅晶体的生长质量，进而影响由碳化硅晶体构成的半导体器件的性能。

其中，PVT法的实现原理具体包括，在超过2000摄氏度的高温下将碳粉和硅粉升华分解为硅原子、二碳化硅Si

现有技术中，采用其他材料代替石墨底托以改善晶体的生长质量，例如使用碳化硅陶瓷底托代替石墨底托作为晶体的生长基底，但是这种方法并没有解决传统PVT方法中散热不均匀、径向温度梯度不一致的问题，导致晶体生长过程中仍然容易出现位错、层错等缺陷，碳化硅晶体的生长质量差。

基于此，为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置及方法，所述装置包括：底托盖、石墨板和坩埚，底托盖上包括气孔，底托盖位于石墨板的上方，石墨板位于坩埚的上方。底托盖，用于固定石墨板，并通过底托盖上的气孔进行通气；石墨板，用于粘接碳化硅籽晶；坩埚，用于放置生长碳化硅晶体的原料。通过底托盖和石墨板替换了传统方法中的石墨底托，然后通过底托盖上的气孔在碳化硅晶体的冷却过程中进行通气，使得气体在底托盖和石墨板之间充分接触实现了均匀降温，由于气体处于流动状态，可带走额外的热量，增强了晶体散热，从而维持了径向温度梯度的一致性，减少了晶体生长过程中出现位错、层错等缺陷的风险，提升了碳化硅晶体的生长质量。

下面结合附图，通过实施例来详细说明本申请实施例中碳化硅晶体生长装置及方法的具体实现方式。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种碳化硅晶体生长装置的结构示意图，结合图1所示，具体可以包括：

底托盖1、石墨板2和坩埚6，底托盖1上包括气孔，底托盖1位于石墨板2的上方，石墨板2位于坩埚6的上方。

底托盖1，用于固定石墨板2，并通过底托盖1上的气孔进行通气。

在一种可能的实施方式中，底托盖1位于碳化硅晶体生长装置中的最上端，用于紧固石墨板2，底托盖1上开设有气孔，可以通过气孔进行通气，还可以通过气孔循环通入冷却气体的方式进行降温，通过这种方式可以加强并维持晶体散热，从而保证径向温度梯度的一致性，通过通入冷却气体的方式实现精准控温以及均匀降温，减少了晶体生长过程中出现位错、层错等缺陷的风险，提升了碳化硅晶体的生长质量和稳定性，进而提升了由碳化硅晶体构成的半导体器件的性能和稳定性。

在一种可能的实施方式中，底托盖1上的气孔循环通入的气体可以为高纯氩气或氮气，还可以为其他混合冷却气体，气体的流速可以在0-100sccm标准状况下毫升每分钟，还可以根据晶体的生长状况，调整气体的流速状态为恒定、递增或递减。

在一种可能的实施方式中，参见图2，图2为本申请实施例提供的一种底托盖的结构示意图，图2中的8为出气孔，图2中的9为进气孔，底托盖上包括出气孔8和进气孔9，底托盖1上的中心位置可以开设出气孔8，在底托盖1的圆周侧边上开设有进气孔9，且进气孔9可以等比例均匀分布在底托盖的侧边。作为一种示例，按120度对底托盖1进行划分，在底托盖1的侧边上可以得到3个进气孔9，每个孔位的孔径可以在1-10毫米的范围内，当然，本申请不具体限定底托盖上进气孔9和出气孔8的位置、数量和孔径，并不影响本申请实施例的实现。

另外，现有技术中使用碳化硅陶瓷底托代替石墨底托会增加长晶的成本，制造过程相对复杂，而传统方式中采用石墨底托进行碳化硅晶体生长的方式，不可重复利用，在一定程度上也增加了长晶的成本。

而本申请中碳化硅晶体生长装置采用底托盖1和石墨板2替换了传统方式中的石墨底托，底托盖1可以循环利用，有利于降低成本。

石墨板2，用于粘接碳化硅籽晶3，碳化硅籽晶3的下面是生长的碳化硅晶体4。石墨板2可以通过简单地纵向切割的方式获得，石墨板的厚度可以在3-30毫米的范围内，相较于石墨底托易于制作，无需复杂的加工环节，采用石墨板2粘接碳化硅籽晶3不仅易于籽晶烧结，还简化了制作工艺，减少了加工环节。

相较于传统方法中使用结构相对复杂的石墨底托，本申请实施例通过底托盖和石墨板替换了石墨底托，在保证晶体生长质量和性能的同时，具有制作简单、节约成本的特点，能够在实际生产中得到广泛应用，具有适用性和广泛应用性。

坩埚6，用于放置生长碳化硅晶体的原料，其中，坩埚6可以为石墨坩埚，坩埚6内放置用于生长碳化硅晶体的原料，例如碳粉和硅粉的混合物或碳化硅原料等。

另外，碳化硅晶体生长装置还包括有长晶侧环5，长晶侧环5位于石墨板2的下面，用于连接石墨板2和坩埚6，长晶侧环5还可以作为碳化硅晶体的生长空间。

在一种可能的实施方式中，底托盖的中心位置开设有直径为10毫米的出气孔，在底托盖的圆周侧边上开设有直径为2毫米且按圆周120度进行等比例均匀分布的3个进气孔，气体流速恒定为50sccm的高纯氩气经底托盖上的气孔，循环通入石墨板中，通过气孔循环通入冷却气体的方式，加强了晶体散热，实现精准控温和均匀降温，从而维持径向温度梯度的一致性。

碳化硅晶体是一种重要的半导体材料，具有优异的电学性能、热学性能和力学性能，被广泛应用于功率器件、射频器件、光电器件等领域，通过本申请实施例的装置提高了碳化硅晶体的生长质量和稳定性，从而进一步提升了由碳化硅晶体构成的半导体器件的性能和稳定性。

因此，本申请实施例的装置在半导体器件制造领域以及碳化硅长晶领域中，具有广泛的应用前景，同时，随着半导体材料和半导体器件制造领域的不断发展，对于高质量碳化硅晶体的需求逐渐递增，本申请实施例提供的碳化硅晶体生长装置和对应的制作工艺具有很强的市场需求。

以上为本申请实施例提供的一种碳化硅晶体生长装置，所述装置包括：底托盖、石墨板和坩埚，底托盖上包括气孔，底托盖位于石墨板的上方，石墨板位于坩埚的上方。底托盖，用于固定石墨板，并通过底托盖上的气孔进行通气；石墨板，用于粘接碳化硅籽晶；坩埚，用于放置生长碳化硅晶体的原料。通过底托盖和石墨板替换了传统方法中的石墨底托，然后通过底托盖上的气孔在碳化硅晶体的冷却过程中进行通气，使得气体在底托盖和石墨板之间充分接触实现了均匀降温，由于气体处于流动状态，可带走额外的热量，增强了晶体散热，从而维持了径向温度梯度的一致性，减少了晶体生长过程中出现位错、层错等缺陷的风险，提升了碳化硅晶体的生长质量。

以上为本申请实施例提供碳化硅晶体生长装置的一些具体实现方式，基于此，本申请还提供了对应的方法。

参见图3，该图为本申请实施例提供的一种碳化硅晶体生长方法的流程图，应用于碳化硅晶体生长装置，该方法至少包括以下步骤：

S301：根据设定的第一阶段压力值、温度值和时间值在碳化硅晶体生长装置中进行第一阶段的碳化硅晶体生长。

第一阶段压力值包括第一压力值、第二压力值和第三压力值，温度值包括第一温度值，时间值包括第一时长、第二时长和第三时长。

通过本申请的碳化硅晶体生长装置进行碳化硅晶体生长，具体工艺过程可以包括：在第一压力值下，升温至第一温度值，保持第一时长，第一压力值在第一压力值范围内，第一温度值在第一温度值范围内，第一时长在第一时长范围内；

然后将第一压力值降为第二压力值，保持第二时长，第二压力值在第二压力值范围内，第二时长在第二时长范围内；

在第三压力值下，提拉坩埚，提拉速度为第一速度值，保持第三时长，完成碳化硅单晶的生长，第三压力值在第二压力值范围内，第一速度值在速度值范围内，第三时长在第三时长范围内。

具体地，第一压力值范围可以为20-80Kpa千帕，第一温度值范围可以为2000-2500摄氏度，第一时长范围可以为1-10小时，第二压力值范围可以为100-5000pa帕，第二时长范围可以为1-5小时，速度值范围可以为0.1-0.5mm/h毫米每小时，第三时长范围可以为40-500小时。

S302：在第二阶段压力值下，通过底托盖上的气孔进行通气，获得碳化硅晶体。

第二阶段压力值可以为第四压力值，在完成第一阶段的碳化硅晶体生长后，可以将压力值升至第四压力值，通过气孔进行通气，并保持第四时长，从而获得碳化硅单晶。具体地，可以通过气孔通入冷却气体的方式进行降温冷却，从而获得碳化硅单晶，其中第四压力值在第一压力值范围内，即20-80Kpa，第四时长范围可以为5-20小时。

在一种可能的实施方式中，碳化硅晶体生长的工艺制作过程包括：在压力20Kpa下升温至2000摄氏度，维持5个小时；然后将压力降至5000pa，维持3个小时；将压力维持在500pa，提拉坩埚，提拉速度为0.3mm/h，碳化硅晶体的生长时间为100小时，最后将压力升至50Kpa，径气孔循环通入冷却气体进行降温冷却，冷却时间为10小时，获得碳化硅单晶。

可选地，所述底托盖上通入的气体为氩气、氮气或冷却混合气体中的一种或多种。

以上为本申请实施例提供的一种碳化硅晶体生长方法，应用于碳化硅晶体生长装置，所述装置包括：底托盖、石墨板和坩埚，底托盖上包括气孔，底托盖位于石墨板的上方，石墨板位于坩埚的上方。根据设定的第一阶段压力值、温度值和时间值在碳化硅晶体生长装置中进行第一阶段的碳化硅晶体生长。在第二阶段压力值下，通过底托盖上的气孔进行通气，获得碳化硅晶体。根据设定的压力值、温度值和时间值在碳化硅晶体装置中完成了碳化硅晶体生长，其中通过底托盖上的气孔在碳化硅晶体的生长过程中进行通气，使得气体在底托盖和石墨板之间充分接触实现了均匀降温，由于气体处于流动状态，可带走额外的热量，增强了晶体散热，从而维持了径向温度梯度的一致性，减少了晶体生长过程中出现位错、层错等缺陷的风险，提升了碳化硅晶体的生长质量。

本申请实施例中提到的“第一”、“第二”(若存在)等名称中的“第一”、“第二”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一、第二。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-only memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元提示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。