用于液相法生长碳化硅晶体的装置及方法

技术领域

本发明属于碳化硅单晶液相生长技术领域。具体而言，本发明涉及一种用于液相法生长碳化硅晶体的装置及方法。

背景技术

碳化硅(SiC)是受到广泛关注的宽带隙半导体材料之一，具有密度低，禁带宽度大(室温下，4H-SiC的带隙为3.2eV)，击穿场强高(约为Si的10倍)，饱和电子迁移率高(约为Si的2倍)，热导率高(Si的3倍、GaAs的10倍)和化学稳定性好等优点，是制作高频、高压、大功率器件和蓝光发光二极管的理想衬底材料。在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通讯等领域具有重要的应用潜力。

SiC目前的主要生长方法是物理气相传输法，但其存在缺陷密度高、扩径和p型掺杂难等问题。液相法生长温度低，生长环境相对平稳，生长过程接近热力学平衡条件，晶体质量好，且在扩径和p型掺杂等方面具有良好前景，近年来受到学术界和产业界的普遍关注。

液相法中的原料供给分为两部分，含Si的金属原料提供Si，石墨坩埚内壁和坩埚底部的C溶解进入熔体。Si和C通过扩散和对流传输至籽晶处，实现SiC晶体的生长。因此，在液相法生长SiC晶体中，C的溶解和传输至关重要，直接决定着晶体的质量和速度。若在生长过程中溶质供应不充足，不仅会导致生长速度下降，还会产生沟槽、包裹物等宏观缺陷。此外，由于生长系统存在温场不对称、坩埚材质不均匀等因素，会引起溶质分布不均，从而影响晶体质量。

采用籽晶托高速换向旋转的方式会在熔体中引入强制对流，进而提升溶质的传输速度和熔体的成分均匀性。

现有的技术一般采用螺纹连接的方式实现籽晶杆和籽晶托的固定，例如中国专利(CN 216809016U)采用籽晶杆上的外螺纹和籽晶托上的内螺纹实现二者的固定。但是这种固定方式只适用于单向旋转。

还有人通过将螺纹内部间隙填充胶水或者插入插销来达到正反转不松脱的目的，但这些办法实施起来较为复杂，且不具备高的可靠性，在高速换向旋转时仍然有很大可能松脱。除此之外，采用胶粘的方式还会在生长系统中引入额外杂质。

因此，目前急需一种能够提升液相法生长碳化硅晶体中溶质的传输速度和熔体的成分均匀性进而提高晶体质量的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于液相法生长碳化硅晶体的装置。本发明的装置可以方便和可靠的实现籽晶托高速正反转，在熔体中引入强制对流，促进熔体成分均匀并加速溶质传输，提升液相法生长碳化硅晶体的质量和速度。

本发明的又一目的是提供一种制备碳化硅晶体的方法。本发明的方法制得碳化硅晶体的质量优异。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。

一方面，本发明提供一种用于液相法生长碳化硅晶体的装置，其包括：籽晶杆、籽晶托和锁紧螺母；

所述籽晶杆延其轴向包括圆柱形的第一部段、第二部段和第三部段，其中第二部段的直径大于第一部段的直径且大于第三部段的直径以形成位于籽晶杆上的凸台；所述第三部段上设有外螺纹；

所述籽晶托包括基板和沿基板一侧方向上周向延伸的第一圆筒部段；所述第一圆筒部段上设有内螺纹和外螺纹；

所述锁紧螺母延其周向包括第二圆筒部段和第三圆筒部段，所述第二圆筒部段的内径小于第三圆筒部段的内径；所述第三圆筒部段上设有内螺纹；

所述第二部段的直径大于所述第二圆筒部段的内径且小于等于所述第三圆筒部段的内径；

所述第三部段上的外螺纹与第一圆筒部段上的内螺纹旋向相同，使得所述籽晶杆的第三部段与所述籽晶托的第一圆筒部段能够螺纹连接；所述第一圆筒部段上的外螺纹与所述第三圆筒部段上的内螺纹旋向相同，使得所述锁紧螺母的第三圆筒部段与所述籽晶托的第一圆筒部段能够螺纹连接并且连接后使得所述第二圆筒部段压靠在所述凸台上；并且所述第三部段上的外螺纹与所述第三圆筒部段上的内螺纹旋向相反。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述籽晶杆的第三部段的轴向长度大于所述籽晶托的第一圆筒部段的轴向长度，使得所述籽晶杆的第三部段与所述籽晶托的第一圆筒部段螺纹连接后，所述凸台与所述籽晶托的第一圆筒部段之间存在间隔距离。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述籽晶杆的第三部段的轴向长度比所述籽晶托的第一圆筒部段的轴向长度大1～4mm，使得所述籽晶杆的第三部段与所述籽晶托的第一圆筒部段螺纹连接后，所述凸台与所述籽晶托的第一圆筒部段之间存在1～4mm的间隔距离。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述锁紧螺母的第三圆筒部段的轴向长度小于所述籽晶杆的第二部段和第三部段的轴向长度之和，使得所述锁紧螺母的第三圆筒部段与所述籽晶托的第一圆筒部段螺纹连接后，所述锁紧螺母的第三圆筒部段与所述籽晶托的基板之间存在间隔距离，以此保证所述锁紧螺母旋紧后与凸台紧密贴合。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述锁紧螺母的第三圆筒部段的轴向长度小于所述籽晶杆的第二部段和第三部段的轴向长度之和，使得所述锁紧螺母的第三圆筒部段与所述籽晶托的第一圆筒部段螺纹连接后，所述锁紧螺母的第三圆筒部段与所述籽晶托的基板之间存在1～4mm的间隔距离，以此保证所述锁紧螺母旋紧后与凸台紧密贴合。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述籽晶托的第一圆筒部段靠近所述基板的一侧设有退刀槽，以保证所述籽晶杆与所述籽晶托旋紧后，所述籽晶杆的第三部段能与所述籽晶托的螺纹孔底紧密贴合。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述籽晶杆的第三部段上的外螺纹的长度比所述籽晶托的第一圆筒部段上的内螺纹的长度大1～4mm。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述第二部段的直径比所述第二圆筒部段的内径大4～10mm。

优选地，在本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置中，所述籽晶杆、籽晶托和锁紧螺母的材质为高纯石墨或钼。

另一方面，本发明提供一种制备碳化硅晶体的方法，其使用本发明的用于液相法生长碳化硅晶体的装置，其包括如下步骤：

(1)将生长原料置于坩埚中，通过感应加热装置对坩埚进行加热，使得生长原料熔化成熔体，同时控制籽晶杆以第一速度进行单向旋转；

(2)控制籽晶杆以第一速度进行单向旋转的同时下降籽晶托，使固定在籽晶托上的碳化硅籽晶与熔体相接触；

(3)待籽晶与熔体液面接触后，控制籽晶杆以第二速度进行周期性换向旋转：以第二速度旋转一定时间后，缓慢减速至零，再朝反方向加速至第二速度，保持一定时间后，缓慢减速至零，再朝反方向加速第二速度，循环往复，直至生长结束；

(4)生长结束后控制籽晶杆以第一速度进行单向旋转，同时提升籽晶托，直至籽晶与熔体分离，随炉冷却后得到碳化硅单晶；

所述第一速度为0或1～30rpm；所述第二速度为100～300rpm。

在本发明中，在加热和碳化硅籽晶下降过程中，籽晶杆不旋转或者以低速单向旋转。当温场很均匀时，籽晶杆不旋转也可以均匀的升温。当温场不是很均匀时，低速旋转可以减弱这种不均匀的温场带来的不良影响(例如加热不均导致的热应力和籽晶烧蚀)。但在此阶段如果转速过快，接触液面的一瞬间会使液面抖动，熔体飞溅，影响后续的晶体生长。

在本发明中，开启籽晶杆正反转后，控制籽晶杆以第二速度旋转，然后缓慢减速至0rpm，再朝反方向加速至第二速度。当转速较低时，强迫对流不明显，溶质传输的促进作用不明显。当转速较高时，熔体液面不稳定，且对生长炉的机械精度和石墨件的强度提出较高的要求，因为如果籽晶杆的圆跳动过大，高速旋转带来的径向分量就会使籽晶托摆动，严重时会折断籽晶杆。加减速时间和保持时间的选择也是基于这个道理。

优选地，在本发明的方法中，所述步骤(3)中的控制籽晶杆以第二速度进行周期性换向旋转是在包括如下步骤的方法中进行的：

以第二速度旋转30～60min后，缓慢减速至零，再朝反方向加速至第二速度，保持30～60min后，缓慢减速至零，再朝反方向加速第二速度，循环往复，直至生长结束；其中加速和减速时间总和为1～15min。

优选地，在本发明的方法中，所述坩埚为石墨坩埚；更优选地，所述石墨坩埚的纯度不小于99.95％，石墨坩埚的内径比籽晶锭的直径大10～150mm，石墨坩埚的壁厚不小于10mm，石墨坩埚的密度为1.7～2.0g/cm

在本发明的具体实施方案中，所述装置包括籽晶杆、籽晶托、锁紧螺母；所述籽晶杆的下端为右旋螺纹，螺纹上方有一凸台，所述锁紧螺母内部为左旋螺纹，且上部内径较小，旋紧后可以与凸台贴合。所述籽晶托设置有右旋内螺纹和左旋外螺纹，且右旋内螺纹与籽晶杆上的右旋螺纹相连接，左旋外螺纹与锁紧螺母内的左旋螺纹相连接。使用时，将籽晶杆旋入籽晶托上的螺纹孔中直至孔底，再将锁紧螺母从籽晶杆上端套入，与籽晶托上的外螺纹连接旋紧。所述装置达成的效果即在生长过程中，当籽晶托旋转方向与籽晶杆螺纹旋向一致时，籽晶托所受阻力将籽晶杆与籽晶托旋紧，而籽晶杆与籽晶托螺纹孔底紧密贴合，不会松动。当旋转方向改变时，即与锁紧螺母螺纹旋向一致时，籽晶托所受阻力将锁紧螺母与籽晶托旋紧，锁紧螺母有向下运动的趋势，但由于籽晶杆上凸台的阻碍，锁紧螺母会使籽晶杆和籽晶托压紧，确保籽晶杆和籽晶托紧密连接。

在本发明的具体实施方案中，籽晶杆下端螺纹与籽晶托内部螺纹旋向相同，为右旋或左旋螺纹，锁紧螺母内部螺纹与籽晶托外部螺纹旋向相同，为左旋或右旋螺纹，锁紧螺母内部螺纹与籽晶杆下端螺纹旋向相反。

在本发明的具体实施方案中，所述籽晶杆螺纹长度应大于籽晶托螺纹孔长度1～4mm，且籽晶托螺纹孔底设置退刀槽，长度为1～2mm，保证籽晶杆与籽晶托旋紧后，籽晶杆下端能与籽晶托螺纹孔底紧密贴合；所述籽晶杆下端至凸台下端的长度大于籽晶托内螺纹孔的深度1～4mm，保证籽晶杆与籽晶托旋紧后，凸台与籽晶托存在1～4mm的间隙；所述锁紧螺母上部内径小于籽晶杆上凸台直径4～10mm，且所述锁紧螺母长度合适，旋紧后下端面应与籽晶托存在1～4mm的间隙，以此保证锁紧螺母旋紧后与凸台紧密贴合。所述装置达成的效果即为在生长过程中，当旋转方向与籽晶杆螺纹旋向一致时，籽晶托所受阻力使籽晶杆与籽晶托旋紧，而籽晶杆与籽晶托螺纹孔底紧密贴合，进而不会松动。当旋转方向改变时，即与锁紧螺母螺纹旋向一致时，籽晶托所受阻力使锁紧螺母与籽晶托旋紧，锁紧螺母有向下运动的趋势，但由于籽晶杆上凸台的阻碍，锁紧螺母会使籽晶杆和籽晶托压紧，确保籽晶杆和籽晶托不松脱。

在本发明的具体实施方案中，籽晶杆直径为5～40mm，籽晶托的直径与生长选用的籽晶直径相同或小1～4mm，石墨坩埚的内径大于所选用籽晶的直径10～150mm，壁厚不小于10mm，所述石墨坩埚的密度为1.7～2.0g/cm

在本发明的具体实施方案中，所述籽晶为导电型(n型或p型)或半绝缘型碳化硅籽晶，尺寸为1～8英寸。

在本发明的具体实施方案中，所述籽晶杆、籽晶托和锁紧螺母的材质为高纯石墨或钼，坩埚为石墨坩埚，石墨坩埚的纯度不小于99.95％。

在本发明的具体实施方案中，所述发热筒为石墨软毡或石墨硬毡制成的发热筒，石墨毡的纯度不小于99.9％。

本发明与现有技术相比至少具有如下的有益效果：

(1)本发明提供一种能够在液相法生长碳化硅晶体过程中引入强制对流的籽晶托高速正反转装置和方法，这种装置和方法能够增强生长过程中的溶质传输，改善溶质分布均匀性，提升液相法生长碳化硅晶体的质量和速度。

(2)本发明提供一种能够在液相法生长碳化硅晶体过程中方便和可靠的实现籽晶托高速正反转的装置，其本质是一套自锁装置，用来防止在换向旋转的过程中，尤其是在加减速比较快的时候发生籽晶托与籽晶杆松脱的情况。本发明所述的装置可以方便、快捷和可靠的实现锁紧，防止在生长过程中籽晶托与籽晶杆松脱。除此之外，本发明所述的籽晶杆和锁紧螺母可以重复使用，降低成本。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1是本发明一个具体实施方案的装置示意图；

图2是本发明一个具体实施方案的装置的自锁结构立体示意图；

图3是本发明一个具体实施方案的装置的自锁结构实物图；

图4是本发明实施例1得到的碳化硅晶体外形图；

图5是本发明实施例1得到的碳化硅晶体摇摆曲线数据图；

图6是本发明实施例2得到的碳化硅晶体外形图；

图7是本发明实施例2得到的碳化硅晶体摇摆曲线数据图；

图8是本发明对比例1得到的碳化硅晶体外形图；

图9是本发明对比例1得到的碳化硅晶体摇摆曲线数据图；

其中，附图标记：

1-水冷杆；2-籽晶杆；3-发热筒；4-坩埚；5-原料；6-感应线圈；7-坩埚托盘；8-锁紧螺母；9-凸台；10-锁紧螺母左旋内螺纹；11-籽晶托左旋外螺纹；12-籽晶杆右旋外螺纹；13-籽晶托右旋内螺纹；14-退刀槽；15-籽晶托；16-籽晶；17-第一部段；18-第二部段；19-第三部段；20-第一圆筒部段；21-第二圆筒部段；22-第三圆筒部段。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。

参照图1至图4，本发明提供一种用于液相法生长碳化硅晶体的装置，其包括：籽晶杆(2)、籽晶托(15)和锁紧螺母(8)；籽晶杆(2)延其轴向包括圆柱形的第一部段(17)、第二部段(18)和第三部段(19)，其中第二部段(18)的直径大于第一部段(17)的直径且大于第三部段(19)的直径以形成位于籽晶杆上的凸台(9)；第三部段(19)上设有外螺纹，即籽晶杆右旋外螺纹(12)。籽晶托(15)包括基板和沿基板一侧方向上周向延伸的第一圆筒部段(20)；第一圆筒部段(20)上设有内螺纹和外螺纹，即分别为籽晶托右旋内螺纹(13)和籽晶托左旋外螺(11)；锁紧螺母(8)延其周向包括第二圆筒部段(21)和第三圆筒部段(22)，第二圆筒部段(21)的内径小于第三圆筒部段(22)的内径；第三圆筒部段(22)上设有内螺纹，即锁紧螺母左旋内螺纹(10)；第二部段(18)的直径大于第二圆筒部段(21)的内径且小于等于第三圆筒部段(22)的内径；第三部段(19)上的外螺纹与第一圆筒部段(20)上的内螺纹旋向相同，使得籽晶杆的第三部段(19)与籽晶托的第一圆筒部段(20)能够螺纹连接；第一圆筒部段(20)上的外螺纹与第三圆筒部段(22)上的内螺纹旋向相同，使得锁紧螺母的第三圆筒部段(22)与籽晶托的第一圆筒部段(20)能够螺纹连接并且连接后使得第二圆筒部段(21)压靠在凸台(9)上；并且第三部段(19)上的外螺纹与第三圆筒部段(22)上的内螺纹旋向相反。

在本发明的一个具体实施方案中，籽晶杆(2)的第三部段(19)的轴向长度大于籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)的轴向长度，使得籽晶杆(2)的第三部段(19)与籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)螺纹连接后，凸台(9)与籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)之间存在间隔距离。

在本发明的一个具体实施方案中，籽晶杆(2)的第三部段(19)的轴向长度比籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)的轴向长度大1～4mm，使得籽晶杆(2)的第三部段(19)与籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)螺纹连接后，凸台(9)与籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)之间存在1～4mm的间隔距离。

在本发明的一个具体实施方案中，锁紧螺母的第三圆筒部段(22)的轴向长度小于籽晶杆(2)的第二部段(18)和第三部段(19)的轴向长度之和，使得锁紧螺母的第三圆筒部段(22)与籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)螺纹连接后，锁紧螺母的第三圆筒部段(22)与籽晶托(15)的基板之间存在间隔距离，以此保证锁紧螺母旋紧后与凸台(9)紧密贴合。

在本发明的一个具体实施方案中，锁紧螺母(8)的第三圆筒部段(22)的轴向长度小于籽晶杆(2)的第二部段(18)和第三部段(19)的轴向长度之和，使得锁紧螺母(8)的第三圆筒部段(22)与籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)螺纹连接后，锁紧螺母(8)的第三圆筒部段(22)与籽晶托(15)的基板之间存在1～4mm的间隔距离，以此保证锁紧螺母(8)旋紧后与凸台(9)紧密贴合。

在本发明的一个具体实施方案中，籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)靠近基板的一侧设有退刀槽(14)，以保证籽晶杆(2)与籽晶托(15)旋紧后，籽晶杆(2)的第三部段(19)能与籽晶托(15)的螺纹孔底紧密贴合。

在本发明的一个具体实施方案中，籽晶杆(2)的第三部段(19)上的外螺纹的长度比籽晶托(15)的第一圆筒部段(20)上的内螺纹的长度大1～4mm。

在本发明的一个具体实施方案中，第二部段(18)的直径比第二圆筒部段(21)的内径大4～10mm。

在本发明的一个具体实施方案中，籽晶杆(2)、籽晶托(15)和锁紧螺母(8)的材质为高纯石墨或钼。

在本发明的一个具体实施方案中，籽晶杆下端为右旋螺纹，螺纹上方为凸台，籽晶托上设置有右旋内螺纹和左旋外螺纹，锁紧螺母内部为左旋螺纹。使用时，将籽晶杆旋入籽晶托的螺纹孔中直至孔底，再将锁紧螺母从籽晶杆上端套入，旋入籽晶托上的左旋外螺纹。籽晶杆螺纹长度为13mm，籽晶托螺纹孔深度11mm，籽晶托螺纹退刀槽深度为2mm。籽晶杆上凸台直径为26mm，籽晶杆下端至凸台下端的长度为13mm；锁紧螺母长度为17mm，上部内径为21mm。

在本发明的一个具体实施方案中，所述碳化硅籽晶为半绝缘型碳化硅籽晶，尺寸为4英寸，籽晶杆、坩埚、籽晶托和锁紧螺母的材质为高纯石墨，发热筒为石墨软毡制成的发热筒，石墨毡的纯度不小于99.9％，籽晶杆直径为15mm，籽晶托的直径为99mm，石墨坩埚的内径为150mm，壁厚15mm，密度为1.8g/cm

实施例1

采用本发明的装置，液相法生长碳化硅晶体的装置进行，所述方法包括以下步骤：

(1)将包含有Si和Cr金属单质的生长原料置于所述坩埚中，通过所述感应加热装置对所述坩埚进行加热，将包含有Si和Cr金属单质的生长原料熔化，同时控制籽晶杆以10rpm的速度低速单向旋转；

(2)下降籽晶托，同时控制籽晶杆以10rpm的速度低速单向旋转；使固定在所述籽晶托上的碳化硅籽晶与所述Si合金熔体相接触；

(3)所述籽晶与熔体液面接触后，控制籽晶杆高速换向旋转，以180rpm的速度旋转30min，然后缓慢减速至0rpm，再朝反方向加速至180rpm，加减速时间总和为10min，循环往复，直至生长结束。

(4)生长结束后控制籽晶杆以10rpm的速度低速单向旋转，同时提升籽晶托，直至籽晶与熔体分离，随炉冷却后得到碳化硅单晶。

本实施例所得的碳化硅晶体外形如图4所示，摇摆曲线测试半高宽为14.4弧秒，如图5所示。

实施例2

本实施例2采用的液相法生长碳化硅晶体的方法与实施例1基本相同，除了所述籽晶与熔体液面接触后，开启籽晶杆正反转，以100rpm的速度旋转30min，然后缓慢减速至0rpm，再朝反方向加速至100rpm，加减速时间总和为5min，循环往复，直至生长结束。

采用本实施例所述的装置和方法生长所得的碳化硅晶体外形如图6所示。摇摆曲线测试晶体的半高宽为28.8弧秒，如图7所示。

对比例1

本对比例1采用的液相法生长碳化硅晶体的装置不包括图2所示的自锁结构，籽晶杆下端为右旋外螺纹，籽晶托上设置有右旋螺纹孔，二者通过螺纹连接。此外，本对比例1采用的液相法生长碳化硅晶体的方法与上述实施例1基本相同，唯一不同的是，籽晶与熔体液面接触后，籽晶杆以60rpm的速度单向旋转，直至生长结束。

采用本对比例所述的装置和方法生长所得的碳化硅晶体外形如图8所示，摇摆曲线测试晶体的半高宽为100.8弧秒，如图9所示。

由此可见，相比于常规装置，采用本发明的装置和方法生长得到的碳化硅晶体表面平整光滑，沟槽和开裂等宏观缺陷相比于常规生长工艺大大减少，摇摆曲线半高宽也较窄，说明晶体质量更优。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。