一种自动化补料装置、晶体生长装置及晶体生长方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种自动化补料装置、晶体生长装置及晶体生长方法。

背景技术

碳化硅是一种宽禁带半导体，具有高化学稳定性和导热性、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强等优良特性，在通信、交通、军事等领域有重要的应用前景。

碳化硅晶体的代表性生长方法为气相法和液相法。在气相法中，主要是采用升华法制备碳化硅晶体，对坩埚加热来使得碳化硅原料粉末升华来进行碳化硅晶体生长。虽然这种方法碳化硅晶体生长速率快，但其较高的反应温度和气相外延的生长方式，导致所得的碳化硅晶体中含有大量的位错。目前，液相法作为一种新兴起的碳化硅晶体生长方法，有结晶质量高、易扩径、易实现P型掺杂等优势，然而在液相法生长碳化硅晶体的过程中，碳化硅籽晶与碳化硅溶液液面之间形成弯月面，随着碳化硅溶液的消耗，碳化硅溶液液面与碳化硅晶体的相对位置发生改变，导致弯月面高度的变化，同时原本体系一致的碳化硅溶液中的碳-硅比例也会发生变化，将对碳化硅晶体均匀、稳定的生长会产生很大影响。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种自动化补料装置，包括：

石墨坩埚、籽晶轴、自动化补料结构、液面高度检测控制结构；

所述石墨坩埚用于盛放碳化硅溶液；

所述籽晶轴位于所述石墨坩埚的正上方，所述籽晶轴高度可调，所述籽晶轴用于固定碳化硅籽晶并控制所述碳化硅籽晶的升降；

所述自动化补料结构用于向所述石墨坩埚添加或者停止添加硅原料，保持所述碳化硅溶液液面的高度；

所述液面高度检测控制结构包括：触点，所述触点高度可调；所述液面高度检测控制结构通过所述触点检测所述石墨坩埚内的碳化硅溶液液面高度；

通过所述液面高度检测控制结构的触点高度和所述籽晶轴高度的控制，使得所述碳化硅溶液液面高度保持于设定液面生长高度，从而实现所述碳化硅溶液液面与所述碳化硅晶体接触处的弯月面高度保持于一定范围内，其中，所述弯月面高度为所述碳化硅溶液液面与所述碳化硅晶体接触处液面之间的位置差异。

可选的，所述液面高度检测控制结构还包括：推动装置；所述推动装置的第一端与所述触点相连接，所述推动装置的第二端设置于所述石墨坩埚外部，所述推动装置用于控制所述触点沿所述石墨坩埚的纵向方向运动，从而调整所述碳化硅溶液液面高度。

可选的，所述触点设置于所述石墨坩埚内且不接触所述碳化硅晶体。

可选的，所述触点包括：第一触点、第二触点；所述第一触点、所述第二触点与所述石墨坩埚内的所述碳化硅溶液液面接触时，所述自动化补料结构停止向所述石墨坩埚中添加硅原料；所述第一触点、所述第二触点与所述石墨坩埚内的所述碳化硅溶液液面分离时，所述自动化补料结构向所述石墨坩埚添加硅原料；所述第一触点、所述第二触点为导电材料且不与碳化硅溶液反应。

可选的，所述自动化补料结构包括原料腔体、密封阀和电机，所述原料腔体用于盛放硅原料，所述电机用于控制所述密封阀的开启和关闭，所述密封阀用于控制所述原料腔体向所述石墨坩埚添加或者停止添加硅原料，当所述电机控制所述密封阀开启时，所述原料腔体向所述石墨坩埚添加硅原料，当所述电机所述密封阀关闭时，所述原料腔体停止向所述石墨坩埚添加硅原料。

可选的，所述原料腔体具有进料口、出料口、储料室，所述进料口、所述储料室设置于所述石墨坩埚的外部，所述出料口设置于所述石墨坩埚内部；所述密封阀设置于所述出料口处。

本发明还提供一种晶体生长装置，包括上述的一种自动化补料装置。

本发明还提供一种晶体生长方法，采用上述的一种晶体生长装置，包括：

提供硅原料与具有所述硅原料的石墨坩埚；

加热所述石墨坩埚，使得所述石墨坩埚中的硅原料熔化，且所述石墨坩埚中的碳溶解于熔化的硅中，形成碳化硅溶液；

当所述碳化硅溶液液面与液面高度检测控制结构的触点相接触时，下降固定有碳化硅籽晶的籽晶轴，进行碳化硅晶体生长；

通过控制所述液面高度检测控制结构的触点高度和所述籽晶轴高度，使得所述碳化硅溶液液面高度保持于设定液面生长高度，从而实现所述碳化硅溶液液面与所述碳化硅晶体接触处的弯月面高度保持于一定范围内，其中，通过所述液面高度检测控制结构的触点实时检测所述碳化硅溶液液面高度，当所述碳化硅溶液液面高度低于所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构向所述石墨坩埚中添加硅原料；当所述碳化硅溶液液面高度达到所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构停止向所述石墨坩埚添加硅原料，所述弯月面高度为所述碳化硅溶液液面与所述碳化硅晶体接触处液面之间的位置差异。

本发明还提供所述液面高度检测控制结构的触点的高度与所述籽晶轴高度的差值的变化量等于所述碳化硅晶体的生长高度。

本发明还提供所述弯月面高度范围为0.1mm～10mm。

综上所述，本发明的优点及有益效果为：

本发明提供一种自动化补料装置、晶体生长装置及晶体生长方法，所述自动化补料装置在碳化硅晶体生长过程中通过所述液面高度检测控制结构检测所述石墨坩埚内的所述碳化硅溶液液面高度，当所述碳化硅溶液液面高度低于所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构向所述石墨坩埚中添加硅原料；当所述碳化硅溶液液面高度达到所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构停止向所述石墨坩埚添加硅原料，在不打开坩埚的条件下，维持所述碳化硅溶液体系的一致性，保证了碳化硅晶体生长条件的稳定，实现碳化硅晶体的稳定生长。

同时，通过所述液面高度检测控制结构的触点高度和所述籽晶轴高度的控制，使得所述碳化硅溶液液面高度保持于设定液面生长高度，使得所述碳化硅溶液液面与碳化硅晶体接触处的弯月面高度保持于一定范围内，避免弯月面的高度变化对碳化硅晶体生长产生影响。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种自动化补料装置的碳化硅溶液液面与碳化硅晶体接触处的弯月面高度的示意图；

图2为本发明实施例中的一种自动化补料装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

液相法生长碳化硅晶体是将碳溶解在熔融状态的硅中，形成碳化硅溶液，当碳化硅籽晶浸渍于碳化硅溶液中并被提升到一定高度时，碳化硅溶液液面与碳化硅晶体接触处液面发生弯曲，弯曲部分即为弯月面，碳化硅溶液液面与碳化硅晶体接触处液面之间的位置差异称为弯月面高度，弯月面的高度会严重影响碳化硅晶体生长界面的曲率和生长角度，不合适的曲率导致巨大的阶梯束和溶剂夹杂物，并且生长角度控制着碳化硅晶体生长的直径。

另外，碳化硅籽晶浸渍在碳化硅溶液中，利用碳化硅籽晶周围的过饱和碳化硅溶液进行碳化硅晶体的外延生长，在碳化硅晶体生长过程中，随着碳化硅晶体的生长会不断地消耗碳化硅溶液，一方面，碳化硅溶液液面与碳化硅晶体的相对位置发生改变，导致弯月面高度的变化；另一方面，原本碳-硅比例平衡的碳化硅溶液体系的一致性、碳化硅晶体生长环境的稳定性都被破坏，严重影响碳化硅晶体的生长质量，因此，在碳化硅晶体生长过程中维持一定的弯月面高度、碳化硅溶液体系的一致且稳定的生长条件变得尤为关键，本发明提供一种自动化补料装置、晶体生长装置及晶体生长方法，实现碳化硅晶体的稳定生长。

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种自动化补料装置，请参考图1～图2，包括：

石墨坩埚6、籽晶轴11、自动化补料结构、液面高度检测控制结构；

所述石墨坩埚6用于盛放碳化硅溶液5；

所述籽晶轴11位于所述石墨坩埚6的正上方，所述籽晶轴11高度可调，所述籽晶轴11用于固定碳化硅籽晶9并控制所述碳化硅籽晶9的升降；

所述自动化补料结构用于向所述石墨坩埚6添加或者停止添加硅原料12，保持所述碳化硅溶液5液面的高度；

所述液面高度检测控制结构包括：触点，所述触点高度可调；所述液面高度检测控制结构通过所述触点检测所述石墨坩埚6内的碳化硅溶液5液面高度；

通过所述液面高度检测控制结构的触点高度和所述籽晶轴11高度的控制，使得所述碳化硅溶液5液面高度保持于设定液面生长高度，从而实现所述碳化硅溶液5液面与所述碳化硅晶体接触处的弯月面高度h保持于一定范围内，其中，所述弯月面高度h为所述碳化硅溶液5液面与所述碳化硅晶体接触处液面之间的位置差异。

具体的，在本发明实施例中，所述液面高度检测控制结构还包括：推动装置13；所述推动装置13的第一端与所述触点相连接，所述推动装置13的第二端设置于所述石墨坩埚6外部，所述推动装置13用于控制所述触点沿所述石墨坩埚6的纵向方向运动，从而调整所述碳化硅溶液5液面高度。

所述触点设置于所述石墨坩埚6内且远离碳化硅晶体。

在本发明实施例中，所述触点设置于所述石墨坩埚6的内侧壁。

在本发明实施例中，所述触点包括：第一触点4a、第二触点4b；所述第一触点4a、所述第二触点4b与所述石墨坩埚6内的所述碳化硅溶液5液面接触时，所述自动化补料结构停止向所述石墨坩埚6中添加硅原料12；所述第一触点4a、所述第二触点4b与所述石墨坩埚6内的所述碳化硅溶液5液面分离时，所述自动化补料结构向所述石墨坩埚6添加硅原料12；所述第一触点4a、所述第二触点4b为导电材料且不与碳化硅溶液反应。

在本发明实施例中，所述第一触点4a、所述第二触点4b相对设置于所述石墨坩埚6的内侧壁。

在其他实施例中，所述第一触点4a、所述第二触点4b距所述石墨坩埚6底部的距离相同，且不接触。

在本发明实施例中，所述自动化补料结构包括原料腔体1、密封阀2和电机3，所述原料腔体1用于盛放硅原料12，所述电机3用于控制所述密封阀2的开启和关闭，所述密封阀2用于控制所述原料腔体1向所述石墨坩埚6添加或者停止添加硅原料12，当所述电机3控制所述密封阀2开启时，所述原料腔体1向所述石墨坩埚6添加硅原料12，当所述电机3所述密封阀2关闭时，所述原料腔体1停止向所述石墨坩埚6添加硅原料12。

在本发明实施例中，所述原料腔体1具有进料口14、出料口15、储料室(未图示)，所述进料口14、所述储料室(未图示)设置于所述石墨坩埚6的外部，所述出料口15设置于所述石墨坩埚6内部；所述密封阀2设置于所述出料口处15。

在本发明实施例中，所述自动化补料结构的电路具体为：电源正极与开关8的一端相连，开关8的另一端与所述第二触点4b相连，所述电源负极与所述密封阀2的第一端相连，所述密封阀2的第二端与所述电机3的一端相连，所述电机3的另一端与所述第一触点4a相连。

在本发明实施例中，当所述碳化硅溶液5液面达到所述第一触点4a与所述第二触点4b的高度时，所述自动化补料结构的电路处于导通状态，电机3控制所述密封阀2关闭，使得所述原料腔体1停止向所述石墨坩埚6中添加硅原料12；

当所述碳化硅溶液5的液面高度低于所述第一触点4a与所述第二触点4b的高度时，所述自动化补料结构的电路处于断路状态，所述电机3控制所述密封阀2打开，使得所述原料腔体1向所述石墨坩埚6中添加硅原料12，当所述碳化硅液面高度重新达到所述第一触点4a与所述第二触点4b的高度时，所述自动化补料结构的电路重新处于导通状态，重复上述步骤。

在本发明实施例中，所述石墨坩埚6具有坩埚盖10，所述坩埚盖10预留有籽晶轴11孔位、自动化补料结构孔位、所述液面高度检测控制结构孔位；所述石墨坩埚6外壁具有保温层7。

在本发明实施例中，所述碳化硅籽晶9为4H-碳化硅、6H-碳化硅或者3C-碳化硅。

本发明实施例还提供一种晶体生长装置，包括上述的一种自动化补料装置。

本发明实施例还提供一种晶体生长方法，采用上述的一种自动化补料装置，包括：

步骤S10，提供硅原料与具有所述硅原料的石墨坩埚；

步骤S20，加热所述石墨坩埚，使得所述石墨坩埚中的硅原料熔化，且所述石墨坩埚中的碳溶解于熔化的硅中，形成碳化硅溶液；

步骤S30，当所述碳化硅溶液液面与液面高度检测控制结构的触点相接触时，下降固定有碳化硅籽晶的籽晶轴，进行碳化硅晶体生长；

步骤S40，通过控制所述液面高度检测控制结构的触点高度和所述籽晶轴高度，使得所述碳化硅溶液液面高度保持于设定液面生长高度，从而实现所述碳化硅溶液液面与所述碳化硅晶体接触处的弯月面高度保持于一定范围内，其中，通过所述液面高度检测控制结构的触点实时检测所述碳化硅溶液液面高度，当所述碳化硅溶液液面高度低于所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构向所述石墨坩埚中添加硅原料；当所述碳化硅溶液液面高度达到所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构停止向所述石墨坩埚添加硅原料，所述弯月面高度为所述碳化硅溶液液面与所述碳化硅晶体接触处液面之间的位置差异。

具体的，执行步骤S10，提供硅原料12与具有所述硅原料12的石墨坩埚6。

在本发明实施例中，所述硅原料12用于生长4H-碳化硅晶体，所述石墨坩埚6用于盛放碳化硅溶液5，并在所述4H-碳化硅晶体生长过程中持续提供碳元素。

所述石墨坩埚6中的硅原料12的量根据生长所述碳化硅晶体的晶型确定，用于形成不同碳-硅比例的碳化硅溶液5，从而实现对应晶型的所述碳化硅晶体的生长。

在本发明实施例中，形成的所述碳化硅溶液5中碳-硅比例范围为1：2～1：20。

在本发明实施例中，在执行步骤S10前，先闭合自动化补料结构的电路的开关8。

执行步骤S20，加热所述石墨坩埚6，使得所述石墨坩埚6中的硅原料12熔化，且所述石墨坩埚6中的碳溶解于熔化的硅中，形成碳化硅溶液5。

加热所述石墨坩埚6至所述硅原料12熔点以上，使得所述石墨坩埚6中的硅原料12熔化，同时所述石墨坩埚6中的碳元素溶解于所述硅溶液中，形成具有一定碳-硅比例的所述碳化硅溶液5。

执行步骤S30，当所述碳化硅溶液5液面与液面高度检测控制结构的触点相接触时，下降固定有碳化硅籽晶9的籽晶轴11，进行碳化硅晶体生长。

所述碳化硅籽晶9浸渍在所述碳化硅溶液5时，所述碳化硅籽晶9周围的所述碳化硅溶液5温度降低，形成过饱和状态，进而在所述碳化硅籽晶9表面进行外延生长，形成碳化硅晶体。

在本发明实施例中，通过所述籽晶轴11将所述碳化硅籽晶9下降并浸渍在所述碳化硅溶液5中。

执行步骤S40，通过控制所述液面高度检测控制结构的触点高度和所述籽晶轴11高度，使得所述碳化硅溶液5液面高度保持于设定液面生长高度，从而实现所述碳化硅溶液5液面与所述碳化硅晶体接触处的弯月面高度h保持于一定范围内，其中，通过所述液面高度检测控制结构的触点实时检测所述碳化硅溶液5液面高度，当所述碳化硅溶液5液面高度低于所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构向所述石墨坩埚6中添加硅原料12；当所述碳化硅溶液5液面高度达到所述设定液面生长高度时，所述自动化补料结构停止向所述石墨坩埚6添加硅原料12，所述弯月面高度h为所述碳化硅溶液5液面与所述碳化硅晶体接触处液面之间的位置差异。

在本发明实施例中，所述液面高度检测控制结构的触点的高度与所述籽晶轴高度的差值的变化量等于所述碳化硅晶体的生长高度。

所述液面高度检测控制结构的触点高度通过推动装置13进行调节，并配合所述籽晶轴11高度共同调整所述碳化硅溶液5的液面高度。

在本发明实施例中，所述弯月面高度h范围为0.1mm～10mm。

所述碳化硅晶体生长一段时间，消耗了所述碳化硅溶液5中的硅和碳，导致所述碳化硅溶液5液面下降，且所述碳化硅溶液5中的碳-硅比例也发生变化，通过向所述石墨坩埚6中添加碳化硅原料12，维持所述碳化硅溶液5液面的高度，保证碳化硅晶体的生长需要，同时维持所述石墨坩埚6中的所述碳化硅溶液5中的碳-硅比例的平衡，从而保持所述碳化硅溶液5体系的一致性，也保持所述碳化硅晶体生长环境的稳定性；

同时，通过控制所述触点高度和所述籽晶轴11高度，使得所述碳化硅溶液5液面与所述碳化硅晶体接触处的弯月面高度h保持于一定范围内，进而使得所述碳化硅晶体生长界面的曲率和生长角度保持在一定范围内，避免产生巨大的阶梯束和溶剂夹杂物，同时也控制了所述碳化硅晶体的生长直径。

在本发明实施例中，当所述碳化硅溶液5的高度达到所述第一触点4a与所述第二触点4b的高度时，所述自动化补料结构的电路处于导通状态，电机3控制所述密封阀2关闭，使得所述原料腔体1停止向所述石墨坩埚6中添加硅原料12；

当所述碳化硅溶液5的液面高度低于所述第一触点4a与所述第二触点4b的高度时，所述自动化补料结构的电路处于断路状态，所述电机3控制所述密封阀2打开，使得所述原料腔体1向所述石墨坩埚6中添加硅原料12，当所述碳化硅液面高度重新达到所述第一触点4a与所述第二触点4b的高度时，所述自动化补料结构的电路重新处于导通状态，重复上述步骤。

最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。