[发明专利]一种PVT法气流导向的碳化硅单晶生长装置及使用方法

说明书

本发明涉及一种PVT法气流导向的碳化硅单晶生长装置及使用方法。包括粘接石墨籽晶托、籽晶、坩埚上、石墨连接环、坩埚下、外壳箱体、上测温杆和下测温杆，石墨连接环的材质是与坩埚上和坩埚下材质不同的多孔石墨材料，孔径为1‑100μm，孔隙率和孔径均与坩埚上和坩埚下有差异。步骤包括：装炉、升温、抽真空、冲惰性气体、升温保压、降压、降温。本发明使反应系统内的气体利用石墨的孔隙差异在指定位置溢出，通过反应气体在籽晶表面和边缘的滞留时间和流向的控制，以及坩埚内外气体压力差的控制来达到生长高质量，尤其是可以抑制边缘小裂纹和多晶的产生，同时可以降低晶体生长过程中的杂质含量。

技术领域

本发明涉及单晶生长技术领域，特别涉及一种PVT法气流导向的碳化硅单晶生长装置及使用方法。

背景技术

碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料。与硅、砷化镓相比，碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景。以高纯半绝缘碳化硅为衬底的氮化镓射频器件，主要应用于5G通讯领域；以导电型碳化硅为衬底的高压大电流电力电子器件，可应用于大型变电系统，电动汽车，充电桩等领域。

目前商用碳化硅衬底的生长方法是物理气相传输法（简称PVT）。即将碳化硅粉料放在密闭的石墨坩埚中，在坩埚顶部放置碳化硅籽晶。采用电阻炉或者感应炉加热，合理设计单晶炉热场分布，使粉源区温度高于籽晶区温度，且粉源区达到碳化硅粉源升华温度点。碳化硅粉源升华产生的Si、C、Si2C、SiC2、SiC分子经扩散或对流效应被输运至籽晶区附近。由于籽晶区温度较低，上述气氛形成一定的过冷度并在籽晶表面结晶为SiC晶体。

碳化硅单晶生长使用的是等静压石墨加工而成的石墨坩埚，整个系统是封闭或者半封闭状态。碳化硅生长是在高温低压的条件下进行，坩埚外保持的生长压力为0.1~20mbar，并且随着压力的降低生长速率增加；而在坩埚内，碳化硅粉料在升华过程中会形成含Si、C、Si2C、SiC2、SiC在内的混合气体，坩埚内部的压力大于外部压力。

坩埚内的气体组分会通过未密封的石墨接口处或者石墨孔隙处泄露，生长前后的质量损失在10~1000 mg，且不可控；另外由于反应气体对石墨材质的蚀刻，造成晶体边缘的裂纹或者多晶等宏观缺陷出现；一般生长装置，反应气体为垂直向上传输，由籽晶边缘溢出，造成籽晶中心部位与边缘部位温度和气体组分的差异。在晶体生长过程中，气体溢出的不可控性，包括溢出量和溢出路径，直接影响单晶生长的质量和批量生产的一致性。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种PVT法气流导向的碳化硅单晶生长装置，通过改变坩埚连接件的材质，引导气体溢出去向，同时通过控制坩埚连接件即石墨的孔隙尺寸的选择来改变气体的溢出速率，达到来控制晶体的生长速率和晶体中杂质的含量。

本发明的技术方案是：一种PVT法气流导向的碳化硅单晶生长装置，包括粘接石墨籽晶托、籽晶、坩埚上、石墨连接环、坩埚下、外壳箱体、上测温杆和下测温杆，所述外壳是由保温材料组成的，所述上测温杆穿过外壳箱体的上端面设置在外壳箱体的上部，所述下测温杆穿过外壳箱体的底面设置在外壳箱体的下部，所述坩埚下设置在下测温杆的上方，所述坩埚上设置上测温杆的下方，所述粘接石墨籽晶托设置在坩埚上的上端 ，所述籽晶设置在石墨籽晶托的下端，所述坩埚组件设置在坩埚上和坩埚下之间，其特征在于：石墨连接环的材质是与坩埚上和坩埚下材质不同的多孔石墨材料，孔径为1-100 μm，孔隙率和孔径均与坩埚上和坩埚下有差异。

一种PVT法气流导向的碳化硅单晶生长装置的使用方法，其特征在于：具体步骤如下：

第一步：将生长碳化硅用SiC粉源装入坩埚下内，将SiC籽晶和粘接石墨籽晶托装配到坩埚上上端，用石墨连接环将坩埚上和坩埚下固定连接；

第二步：装炉完毕后，对单晶生长炉进行抽真空和升温处理，坩埚上顶部测温点的温度设定为1000-1200摄氏度，达到设定温度后，恒温抽真空1-2小时；