大厚度碳化硅晶体生长装置的制作方法

本技术涉及半导体材料的，具体为大厚度碳化硅晶体生长装置。

背景技术：

1、碳化硅（sic）作为第三代宽禁带半导体材料的核心代表，具有禁带宽度大、热导率高、击穿电场强等优异特性，特别是对于晶体厚度超过50mm的高质量大厚度碳化硅晶体，在新能源汽车功率器件、轨道交通牵引变流器、智能电网换流阀、航空航天耐高温电子设备等高端领域具有不可替代的应用价值。

2、目前，工业界主流的碳化硅晶体生长方法为物理气相传输法（pvt法），其核心原理是设置一个石墨坩埚，并通过装置控制石墨坩埚外部的温度条件，石墨坩埚内可填装碳化硅粉料，石墨坩埚的顶部固定有籽晶，通过加热石墨坩埚到达一定的温度，使得坩埚内的碳化硅粉料升华分解为si、si2c、sic2等气态组分，这些气态组分在温度梯度的驱动下向温度较低的籽晶表面传输，并在籽晶上结晶生长形成碳化硅单晶。

3、在碳化硅生长的过程中，碳化硅会逐渐在籽晶上积累厚度，导致碳化硅在籽晶上的生长面会逐渐向下方的碳化硅粉料的料面靠近，让碳化硅生长面与碳化硅粉料的料面温差变小，进而导致生长面上碳化硅的结晶速率降低且结晶的稳定性变差，为了解决此问题，现有技术“一种分段式石墨坩埚及碳化硅晶体生长方法”（公布号：cn117568922a）公开了一种碳化硅生长石墨坩埚结构，该石墨坩埚包括上坩埚、下坩埚和升降机构，下坩埚的中心竖直设有多孔石墨直筒，粉料填装在多孔石墨直筒外壁和下坩埚内部之间围成的空间内，粉料升华分解而成的si、si2c、sic2等气态组分会透过多孔石墨外壁，然后向上汇集到籽晶表面并结晶，而升降机构可带动上坩埚向上移动，当籽晶表面的碳化硅单晶结晶到一定厚度时，升降机构控制上坩埚移动来保证碳化硅在籽晶上的生长面始终与粉料的料面保持合适的距离，从而让此区域的温差保持相对稳定，让生长面始终处在合适的温度梯度，以此来解决碳化硅结晶速率低和结晶稳定性变差的问题。但是现有技术仍然存在如下技术问题：

4、现有技术中的下坩埚在需要补充粉料时，需要中断生长过程并打开坩埚盖进行补料，特别是制备厚度超过50mm的碳化硅晶体，其粉料的用量更多，而打开坩埚盖进行补料的方式，不仅操作繁琐，还会因为开盖的过程破坏晶体生长所需的密封与热场环境，让空气携带的氧气、水分、灰尘等杂质侵入坩埚腔体，与高温下的气态组分反应生成氧化物杂质，或直接附着于籽晶生长面形成碳包裹、微管等缺陷，降低晶体纯度；同时，高温坩埚暴露于常温空气后，内部稳定的温度梯度被打破，温度骤降引发晶体内部产生热应力裂纹，重新升温至目标温度需消耗大量时间与能源，且升温过程中热场难以恢复至初始稳定状态，导致后续结晶速率波动、晶体径向均匀性变差；此外，补料操作中断了晶体生长的连续性，不仅延长单批次生产周期、降低生产效率，还可能因生长过程的非连续性引发层错、位错等缺陷，进一步影响晶体质量稳定性。

技术实现思路

1、本实用新型提供大厚度碳化硅晶体生长装置，可以解决现有技术中的碳化硅生长装置的粉料补充过程中，不仅操作繁琐，还容易破坏坩埚内部热场环境，导致杂质侵入坩埚内，从而降低碳化硅结晶后的晶体质量的问题。

2、本技术提供如下技术方案：大厚度碳化硅晶体生长装置，包括石墨保温层、位于石墨保温层内的石墨加热器和位于石墨加热器内的生长组件；

3、所述生长组件包括位于石墨加热器中间的下坩埚和倒扣在下坩埚上方的上坩埚；所述上坩埚的下方固定有多孔石墨圆筒；

4、所述下坩埚的下部固定有坩埚底，坩埚底的中心设有凹槽，多孔石墨圆筒插入到凹槽内；下坩埚的中部设有填料仓；下坩埚的上部设有沿上坩埚的外周环形布置的补料仓。

5、有益效果：

6、1、避免粉料补充对热场环境的破坏，保障碳化硅结晶质量。由于大厚度的碳化硅晶体制备时需要消耗更多的粉料，且为了避免导致坩埚内部的温差扩大而影响粉料升华速率均匀性进而降低结晶质量的问题，而无法采用尺寸过大的坩埚，因为尺寸更大的坩埚会影响外部加热器的热量通过坩埚壁传导至坩埚内部粉料的热量传递效果，使得坩埚内的温场会更难以把控，因此就需要生长过程中进行补料，本方案通过在下坩埚上部设置沿上坩埚外周环形布置的补料仓，使得在碳化硅单晶生长过程中，补料仓内的粉料可持续向下补充到填料仓内，相比于现有技术，可以在不开启坩埚的前提下补充粉料，确保坩埚内稳定的温度梯度不被破坏，有效规避了因打开坩埚盖补料而造成热场失衡导致的碳化硅结晶后的晶体内部热应力裂纹、结晶速率波动等问题；同时还能避免打开坩埚盖过后，外部空气携带的氧气、水分、灰尘等杂质进入坩埚，与气态组分反应生成氧化物杂质，或直接附着于籽晶生长面，形成碳包裹、微管等缺陷，以此提升碳化硅结晶后的晶体质量。

7、2、提升生产效率和结晶稳定性。本方案中的生长装置在补料时，无需中断碳化硅的生长过程，相比于现有技术中需要打开坩埚盖进行补料的方式，本方案能够避免因开盖补料后重新升温的时间，从而大幅节省补料时间，有效提升了生产效率。

8、进一步，所述补料仓的下端与填料仓的上端接口处设置为倒锥型。

9、有益效果：利用倒锥形结构的导向与聚流作用，使补料仓内的粉料沿锥面顺滑、均匀地流入下坩埚填料仓，既避免粉料在接口处堆积堵塞，保障补料的连续性与稳定性，又能让补充的粉料精准导向填料仓内壁面及周边区域，针对性弥补下坩埚内壁面粉料的快速挥发损耗，防止下坩埚内壁面粉料消耗导致该区域的局部温度突然升高而产生热应力，从而有助于提升下坩埚的使用寿命。

10、进一步，所述上坩埚的上方固定有旋转提拉杆，上坩埚与补料仓滑动连接，多孔石墨圆筒的外壁与凹槽的内壁滑动连接。

11、有益效果：由于填料仓的粉料升华成气态组分后会向温度更低的上坩埚传输，并在上坩埚内的生长区域结晶，当晶体结晶生长到一定厚度过后，生长面会逐渐向下方的填料仓靠近，导致生长面与填料仓的温差变小，导致结晶效果变差，而本方案的旋转提拉杆可调节上坩埚的高度，从而在碳化硅结晶生长过程中，让碳化硅的生长面始终与下方的填料仓保持一定的间距，避免生长面过于靠近填料仓导致温差变小，造成结晶停滞，无法形成大厚度晶体，因此，依靠在提拉上坩埚来控制晶体生长面的高度，可提升大厚度碳化硅晶体的均匀性与生长稳定性。

12、进一步，所述下坩埚的底部还固定有旋转支撑杆。

13、有益效果：下坩埚底部的旋转支撑杆可带动下坩埚旋转，使填料仓内粉料受热与挥发更均匀，避免局部料面失衡，同时促进气态组分均匀扩散，减少晶体径向缺陷，提升大厚度碳化硅晶体的生长一致性与质量稳定性。

14、进一步，所述旋转支撑杆与旋转提拉杆的旋转方向相反。

15、有益效果：旋转支撑杆与旋转提拉杆采用相反方向旋转的设计，可使得填料仓内粉料均匀受热，避免粉料长期静置导致的局部过热，保障粉料升华速率均匀，避免因局部过热引发的碳化硅组分挥发失衡；提升大厚度碳化硅晶体的径向厚度一致性与结晶质量稳定性。

16、进一步，所述石墨加热器包括位于填料仓外周的主加热器和位于补料仓外周的副加热器。

17、有益效果：主加热器对应填料仓外周精准提供粉料升华所需的高温环境，副加热器适配补料仓外周针对性调控补料仓域温度，既避免补料仓内补充的冷态粉料因温度过低影响填料仓整体热场稳定性，还能避免上坩埚内的结晶区域与下方填料仓区域产生过大的温差导致结晶缺陷，提升大厚度碳化硅结晶后晶体的径向均匀性与整体质量。