碳化硅晶体生长装置的制作方法

1.本技术涉及材料制备领域，具体而言，涉及一种碳化硅晶体生长装置。


背景技术：

2.碳化硅作为目前发展最为成熟的第三代宽带隙半导体材料，其具备的高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优势，使其可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率以及抗辐射的新要求，碳化硅器件也因此被广泛用于航天探测、核能开发、卫星、雷达和通信等领域。
3.目前，碳化硅单晶的生长方式包括物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相外延法等。其中，物理气相传输法(pvt)是目前碳化硅单晶的主流生长方式，被大部分研究机构和公司所采用。
4.但相关技术中采用物理气相传输法制备碳化硅单晶，存在原料利用率低的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的包括，例如，提供了一种碳化硅晶体生长装置，其能够。
6.本技术的实施例可以这样实现：
7.本技术提供一种碳化硅晶体生长装置，包括：
8.坩埚，坩埚包括坩埚腔体和盖设于坩埚腔体的开口处的盖体；
9.支架组件，支架组件设置在坩埚腔体内远离盖体的一端并沿坩埚腔体的侧壁设置，支架组件包括至少一个支撑板和用于安装支撑板的支撑座；
10.第一通道，第一通道设置在坩埚腔体内远离开口的一端的中部，从坩埚腔体内远离开口的一端向开口一端延伸；
11.第一滤网，第一滤网与支撑板远离坩埚腔体侧壁的一端相抵接，并将支架组件与第一通道隔开。
12.在可选的实施方式中，坩埚腔体的截面为圆形。
13.在可选的实施方式中，第一滤网为圆筒状。
14.在可选的实施方式中，支撑座具有朝向坩埚腔体的开口的支撑面，支撑面用于支撑支撑板。
15.在可选的实施方式中，支撑座具有多个支撑面，支撑面为环形面。
16.在可选的实施方式中，支撑座为绕坩埚腔体轴线设置的回转体。
17.在可选的实施方式中，支撑面的数量为两个以上，支撑板的数量与支撑面的数量匹配，多个支撑板在坩埚腔体的深度方向上间隔设置。
18.在可选的实施方式中，沿坩埚腔体底部到开口的方向，相邻的支撑面之间，更靠近坩埚腔体底部的支撑面的内径和外径大于更靠近开口的支撑面的内径和外径。
19.在可选的实施方式中，支撑座设置于坩埚腔体底部，并且支撑座的外侧壁与坩埚腔体的内侧壁贴合。
20.在可选的实施方式中，还包括第二滤网，第二滤网盖设于最上层的支撑板的上方，并与最上层的支撑板、盖体间隔设置。
21.在可选的实施方式中，第一滤网的上端穿过最上层的支撑板，第一滤网高出最上层的支撑板，第二滤网直接连接于腔体的内壁并与第一滤网连接。
22.在可选的实施方式中，第一滤网和第二滤网的孔径为10-100微米。
23.在可选的实施方式中，支撑板为表面镀有金属碳化物的石墨板，金属碳化物为碳化钽和碳化钛中的至少一种。
24.本技术提供一种碳化硅晶体生长装置，包括坩埚，坩埚包括坩埚腔体和盖设于坩埚腔体开口处的盖体；
25.坩埚腔体包括：
26.第一腔室，第一腔室用于盛放碳化硅原料粉料，第一腔室设置在远离坩埚腔体开口一端的侧部；
27.第一通道，第一通道用于运输碳化硅原料气体，第一通道设置在远离坩埚腔体开口一端的中部；
28.第二腔室，第二腔室用于晶体生长，第二腔室设置在相对于第一腔室和第一通道更靠近坩埚腔体开口的一侧；
29.第一滤网，第一腔室与第一通道之间通过第一滤网隔开；
30.第二滤网，第一腔室与第二腔室之间通过第二滤网隔开。
31.在可选的实施方式中，第一腔室内设置有若干支撑板，支撑板用于盛放碳化硅原料粉料。
32.在可选的实施方式中，碳化硅晶体生长装置还包括支撑座，支撑座设置于第一腔室内，支撑板的一端与支撑座连接。
33.在可选的实施方式中，支撑座具有朝向坩埚腔体的开口的支撑面，支撑面用于支撑支撑板的一端，支撑板的另一端与第一滤网连接。
34.在可选的实施方式中，坩埚腔体的截面为圆形，支撑座为绕坩埚腔体轴线设置的回转体，支撑面为环形面。
35.在可选的实施方式中，支撑板为圆环形板体，第一滤网为圆筒状且穿过支撑板。
36.在可选的实施方式中，若干支撑板沿坩埚腔体的深度方向间隔排布，第一滤网的上端从最靠近坩埚腔体开口的支撑板穿过而延伸至第二腔室，第二滤网为圆环形且连接于第一滤网的上端。
37.在可选的实施方式中，第二滤网的一侧抵接第一滤网，第二滤网的另一侧抵接坩埚腔体的内壁。
38.本技术实施例的碳化硅晶体生长装置的有益效果包括如下：
39.本技术实施例提供的碳化硅晶体生长装置包括坩埚和设置于坩埚内的支架组件以及第一滤网。支架组件包括支撑板和用于安装支撑板的支撑座坩埚腔体中部具有第一通道，第一通道与支架组件通过第一滤网隔开。在使用碳化硅晶体生长装置时，可以将碳化硅原料放置在坩埚底部以及支撑板上，令原料不会堆积过厚，相对分散，使得各个位置的原料能够良好地受热，提高原料的利用率。并且，第一通道形成于坩埚的中部，在第一滤网的阻拦作用下，仅供支撑板上的原料气化后进入。第一通道处于坩埚中部，热量相对来说难以到
达，减少固态原料在此处的分布，也可以提高原料的利用率。
40.本技术实施例提供的碳化硅晶体生长装置的坩埚腔体具有第一腔室、第二腔室以及第一通道，第一腔室用于盛放碳化硅原料粉料，第二腔室用于晶体生长，第一通道用于运输碳化硅原料气体。第一腔室设置在远离坩埚腔体开口一端的侧部，第一腔体设置有若干支撑板，第一通道用于运输碳化硅原料气体，第一通道设置在远离坩埚腔体开口一端的中部，第二腔室设置在相对于第一腔室和第一通道更靠近坩埚腔体开口的一侧。第一腔室与第一通道之间通过第一滤网隔开；第一腔室与第二腔室之间通过第二滤网隔开。由于第一腔室设有若干支撑板，可以分散原料，第一通道设置于远离坩埚腔体开口一端的中部，避免原料堆积在温度相对较低的区域，因此该碳化硅晶体生长装置能够提高原料的利用率。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
42.图1为本技术一种实施例中碳化硅晶体生长装置的剖面示意图；
43.图2为本技术一种实施例中支撑板的示意图；
44.图3为本技术一种实施例中支撑座的结构示意图。
45.图标：100-碳化硅晶体生长装置；110-坩埚；111-坩埚腔体；112-盖体；113-第一腔室；114-第二腔室；115-第一通道；120-支架组件；121-支撑座；122-第一支撑面；123-第二支撑面；124-支撑板；125-通孔；130-第一滤网；140-第二滤网；200-原料；300-籽晶。
具体实施方式
46.在碳化硅晶体的制备方式中，物理气相传输法(pvt)是较为主流的方法。采用pvt法生长碳化硅单晶时是将碳化硅原料堆积于坩埚底部并将其加热到2000℃以上，在低压环境下，使其升华到坩埚顶部的冷态籽晶处沉积结晶。但是碳化硅原料在堆积于坩埚底部时，不能够均匀地受热。通常，利用pvt法生长碳化硅单晶时，表层及靠近坩埚内壁的高温区域的原料优先升华，而中、下部位的原料升华缓慢或不发生升华。另外，高温反应过的碳化硅原料无法二次使用，意味着碳化硅原料如果在使用过一次后没有升华、结晶，那么这部分原料也就难以再次用来制备碳化硅晶体了。相关技术中pvt法生长碳化硅单晶时，由于原料受热不均会导致原料的利用率严重降低，并且提高了生产成本。
47.为了改善相关技术中制备碳化硅晶体时原料利用率低、成本高的问题，本技术实施例提供了一种新的碳化硅晶体生长装置，通过均匀碳化硅原料的受热，让碳化硅原料最大程度升华，从而提高原料利用率。
48.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
49.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
50.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
51.在本技术的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
52.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互结合。
54.图1为本技术一种实施例中碳化硅晶体生长装置100的剖面示意图。如图1所示，本技术实施例提供的碳化硅晶体生长装置100包括坩埚110以及设置于坩埚110内的支架组件120和滤网组件。支架组件120可用于放置一部分碳化硅原料200，避免所有原料200均堆积在坩埚110底部，分散原料200能够避免局部原料200受热不足，从而提高碳化硅原料200的利用率。滤网组件能够起到隔离碳化硅原料200的作用。
55.请参考图1，本实施例中的坩埚110包括坩埚腔体111和盖体112，坩埚腔体111包括坩埚110的底部和侧壁，也即形成了具有开口的容纳腔。盖体112用于设置在坩埚腔体111的开口处以封闭坩埚腔体111的开口。此外，盖体112的内表面还可以设置籽晶300，碳化硅原料升华后的气相组分可以在籽晶300处沉积结晶。
56.坩埚腔体111内具有第一通道115，第一通道115设置在坩埚腔体111内远离开口的一端的中部，从坩埚腔体111内远离开口的一端向开口一端延伸。在本技术实施例中，坩埚110为圆柱形，换言之，坩埚110的坩埚腔体111的截面为圆形，盖体112也可选地为圆形。在本实施例中，坩埚腔体111的开口直径小于底部直径，当然，为了方便支架组件120和原料200的放置，可以将开口与底部直径设置为相同，或者将坩埚腔体111设置为可拆解的。
57.支架组件120包括支撑座121和支撑板124。支撑板124被支撑座121支撑，支撑板124上可以用于放置碳化硅原料200。在本技术实施例中，支撑板124的数量至少为一个，因此可以将碳化硅原料200至少分为两层，一部分堆积于坩埚腔体111底部，一部分堆积在支撑板124上。具体在本实施例中，支撑板124的数量为两个，各个支撑板124在坩埚腔体111的深度方向上(也即图1中上下方向)间隔设置。应理解，坩埚腔体111的深度方向是指坩埚腔体111的开口与底部的间隔方向，该深度方向与坩埚腔体111的轴线延伸方向一致。
58.图2为本技术一种实施例中支撑板124的示意图。请结合图1和图2，在本实施例中，各个支撑板124均为中心带有通孔125的圆环形板体，第一通道115穿过支撑板124的通孔125。这意味着支撑板124用于承载原料200(固态)的部分不包括其中心部分，而通孔125内的第一通道115仅供气化后的原料气体通过。在本实施例中，可选的，各个支撑板124的通孔125在坩埚腔体111的深度方向上相对，并且各个通孔125的轴线共线；进一步的，还可以将各个支撑板124的中心轴线与坩埚腔体111的中心轴线设置为重合。通过这种设置方式，使得各个支撑板124的通孔125均位于坩埚腔体111的中心轴线上。而坩埚腔体111的中部区域
相对来说难以加热，因此这一部分不放置碳化硅原料200，也有利于提高碳化硅原料200的利用率。
59.图3为本技术一种实施例中支撑座121的结构示意图。请参照图1至图3，为了支撑各个支撑板124，支撑座121设置有至少一个支撑面，各个支撑面均朝向坩埚腔体111的开口并分别用于支撑各个支撑板124的边缘。在本技术实施例中，支撑面的数量可以为两个以上，支撑板的数量与支撑面的数量匹配。由于本实施例中的支撑板124数量为两个，因此支撑座121在不同的两个高度上分别设置第一支撑面122和第二支撑面123，第一支撑面122的位置低于第二支撑面123的位置而更靠近坩埚腔体111底部。
60.如图1和图3所示，支撑座121为绕坩埚腔体111轴线设置的回转体，各个支撑面为环形面。
61.本实施例中，各个支撑板124在坩埚腔体111的深度方向上间隔设置，各个支撑板124的通孔125在坩埚腔体111的深度方向上相对；并且沿坩埚腔体111底部到开口的方向，各个支撑面的内径和外径逐渐变大(在本实施例中表现为第二支撑面123的内径和外径分别大于第一支撑面122的内径和外径)，各个支撑板124的外径逐渐变大而内径不变。在本实施例中第二支撑面123位于支撑座121的顶部，而最靠上的支撑板124的外径与坩埚腔体111的内径匹配，从而贴合坩埚腔体111的内壁或者与坩埚腔体111的内壁间隙配合。应理解，该生长装置在感应炉中被加热时，感应炉的热场特性往往导致坩埚110中靠近侧壁的温度高于靠近中心的温度，靠近底部的温度大于靠近出口端的温度。因此将各个支撑板124的外径设置为从深到浅逐渐变大，有利于使各层的碳化硅原料接受的热量更为接近，同时，也便于取放原料和支撑板124。
62.在本实施例中支撑座121设置于坩埚腔体111底部，并且支撑座121的外侧壁与坩埚腔体111的内侧壁贴合，这样能够保持支撑座121具有良好的稳定性。应当理解，在可选的其他实施例中，支撑座121可以不是回转体的形式，而是在圆周方向上分布多个支撑座121，同样可以起到对支撑板124边缘的支撑。在可选的其他实施例中，如果坩埚腔体111并非为圆筒结构，那么支撑座121、支撑板124的形状也应当做适应性地调整。此外，支撑板124的数量不仅限于两个，可以是三个或者更多，多个支撑板124在坩埚腔体111深度方向上间隔设置，因此可以将原料200分成多层(具体为支撑板124的数量加一)。
63.在本实施例中，坩埚110、支撑座121均可以选用石墨材质，具体可以是高密度、耐热的石墨材质。支撑板124可选为表面镀有金属碳化物的石墨板，金属碳化物可以是碳化钽、碳化钛等，具有高密度、耐热的特性，可以防止支撑板124被气相组分腐蚀，从而延长支撑板124使用寿命。上述所列举的金属碳化物为现有的公知材料。
64.请继续参照图1，在本技术实施例中，滤网组件包括第一滤网130和第二滤网140。第一滤网130与支撑板124远离坩埚腔体111侧壁的一端相抵接，并将支架组件120与第一通道115隔开。第一滤网130为筒状，并沿坩埚腔体111的深度方向延伸而穿设于各个支撑板124的通孔125内侧，第一滤网130与通孔125的壁面贴合。进一步的，第一滤网130的下端抵接在坩埚110底部。第一滤网130的作用是阻挡放置于支撑板124上的原料200，但是允许其升华产生的气体进入到坩埚腔体111中部的第一通道115中，进而上升到盖体112。换言之，本技术实施例的坩埚110中部设置了一个供原料200升华产生的气体上升的第一通道115，但由于坩埚腔体111中部不容易受热，因此避免将固体原料200堆积在此处。
65.在本实施例中，第一滤网130卷成筒状，其截面形状应当与支撑板124的通孔125匹配。比如，通孔125为圆孔，那么第一滤网130则为圆筒状，如果通孔125为方孔，那么第一滤网130则为方形筒状。
66.第二滤网140盖设于最上层的支撑板124的上方。具体在本实施例中，第二滤网140连接在第一滤网130的上端，也即靠近盖体112的一端。在本实施例中，第二滤网140为片状，并且位于最上层的支撑板124的上方以拦截向上飘起的碳颗粒。应理解，碳化硅原料200多为粉末，原料反应时，其中的硅先升华(原料200气化后的气相组分主要包括si、si2c、sic2)，特别是靠近坩埚腔体111的侧壁的高温区域原料200会逐渐富碳并产生碳颗粒，碳颗粒容易伴随上升气流运动至晶体成核处形成碳包裹，导致最终形成的碳化物晶体就会存在包裹物缺陷。而本实施例中第二滤网140能够拦截被上升气流带起而飘向盖体112上的籽晶300的碳颗粒，避免在籽晶300处形成碳包裹因此，第二滤网140能够保障最终产品的质量。
67.进一步中，第二滤网140为圆环形并套设于第一滤网130的上端，第二滤网140的外边缘与坩埚腔体111的内壁相抵接。第二滤网140的内边缘还可以与第一滤网130的外侧抵接，这样可以更好地避免原料200的颗粒物飘向盖体112。
68.应当理解，第一滤网130和第二滤网140都应该具有耐高温的性能，可选的，第一滤网130和第二滤网140可以采用石墨滤网。第一滤网130和第二滤网140应当能够阻拦碳颗粒的通过，因此，第一滤网130和第二滤网140的孔径应至少小于碳化硅原料200的粒径。在本实施例中，可选的，第一滤网130和第二滤网140的孔径为10-100微米，该尺寸可以根据所使用的碳化硅原料200的粒径进行调整。
69.在本技术实施例中，坩埚110的坩埚腔体111的壁厚以及盖体112的厚度可选为5-30毫米；支撑座121的各个支撑面宽度可选为5-30毫米；用于放置碳化硅原料200的各层空间高度可选为10-40毫米；各个支撑板124的外径可选为100-250毫米，内径可选为30-100毫米。
70.本实施例的碳化硅晶体生长装置100可以将原料200粉末分为三层，最底层的原料200放置在坩埚腔体111底部，中层和上层的原料200放置分别放置在两个支撑板124上。由于中部空间被第一滤网130隔开而不放置原料200，原料200沿周向放置在靠近坩埚腔体111壁面的位置，有利于受热升华。而中部的通道则可以用于供升华产生的气体通过，使其上升至盖体112中部，进行沉积。本技术实施例提供的碳化硅晶体生长装置100将原料200分为多层，更利于原料200受热均匀，而且避开了中部不容易加热的区域，因此能够提高碳化硅原料200的利用率。采用此碳化硅晶体生长装置100进行晶体生长完毕后，碳化硅晶体正常，原料200利用率可达到80-90％。
71.在本技术实施例提供的碳化硅晶体生长装置100中，坩埚腔体111包括第一腔室113、第二腔室114以及第一通道115。第一腔室113用于盛放碳化硅原料粉料，第一腔室113设置在远离坩埚腔体111开口一端的侧部，第一腔体设置有若干支撑板124，碳化硅原料粉料具体盛放在支撑板124上。第一通道115用于运输碳化硅原料气体，第一通道115设置在远离坩埚腔体111开口一端的中部。第二腔室114用于晶体生长，第二腔室114设置在相对于第一腔室113和第一通道115更靠近坩埚腔体111开口的一侧，即图1中支架组件120和第一通道115的上方。在本技术实施例中，第一腔室113与第一通道115之间通过第一滤网130隔开，换言之，第一滤网130的外侧到坩埚腔体111的内壁之间为第一腔室113，而第一滤网130的
内侧形成第一通道115。第一腔室113与第二腔室114之间通过第二滤网140隔开。
72.在本实施例中，支架组件120由支撑座121和支撑板124构成，支撑座121和支撑板124之间是可分离的，支撑座121设置在第一腔室113中，用于支撑支撑板124。支撑座121具有朝向坩埚腔体111的开口的支撑面，支撑面用于支撑支撑板124。支撑板124为中心带有通孔125的圆环形板体，第一滤网130为圆筒状且穿过支撑板124的通孔125，第一通道115位于第一滤网130的内侧。若干支撑板124沿坩埚腔体111的深度方向间隔排布，第一滤网130的上端从最上层的支撑板124穿过而延伸至第二腔室114，第二滤网140为圆环形并套设于第一滤网130的上端。具体的，第二滤网140的内边缘抵接第一滤网130，第二滤网140的外边缘抵接坩埚腔体111的内壁。
73.在可选的其他实施例中，支撑座121也可以省略，直接将支撑板124连接于坩埚腔体111的内壁，甚至直接连接于第一滤网130的外侧。第一滤网130与第二滤网140可以设置为一体式，以增加过滤组件整体结构的稳定性。支撑板124的形状可以根据需要进行设置，可以与坩埚腔体111的内壁贴合或者不贴合。
74.综上所述，本技术实施例提供了一种碳化硅晶体生长装置100，其包括坩埚110和设置于坩埚110内的支架组件120以及第一滤网130。支架组件120包括支撑座121和设置于支撑座121的至少一个支撑板124，支撑板124用于承载碳化硅原料200，各个支撑板124中部均设置有通孔125。第一滤网130呈筒状，并沿坩埚腔体111的深度方向延伸而穿设于各个支撑板124的通孔125内侧，第一滤网130与通孔125的壁面贴合。在使用碳化硅晶体生长装置100时，可以将碳化硅原料200放置在坩埚110底部以及支撑板124上，令原料200不会堆积过厚，相对分散，使得各个位置的原料200能够良好地受热，提高原料200的利用率。并且，第一通道115形成于坩埚110中部，在第一滤网130的阻拦作用下，仅供支撑板124上的原料气化后进入。第一通道115处于坩埚110中部，热量相对来说难以到达，减少固态原料200在此处的分布，也可以提高原料200的利用率。另一方面，本技术实施例提供的碳化硅晶体生长装置100的坩埚腔体111具有第一腔室113、第二腔室114以及第一通道115，第一腔室113用于盛放碳化硅原料粉料，第二腔室114用于晶体生长，第一通道115用于运输碳化硅原料气体。第一腔室113设置在远离坩埚腔体111开口一端的侧部，第一腔体设置有若干支撑板124，第一通道115用于运输碳化硅原料气体，第一通道115设置在远离坩埚腔体111开口一端的中部，第二腔室114设置在相对于第一腔室113和第一通道115更靠近坩埚腔体111开口的一侧。第一腔室113与第一通道115之间通过第一滤网130隔开；第一腔室113与第二腔室114之间通过第二滤网140隔开。由于第一腔室113设有若干支撑板124，可以分散原料，第一通道115设置于远离坩埚腔体111开口一端的中部，避免原料堆积在温度相对较低的区域，因此该碳化硅晶体生长装置100能够提高原料的利用率。
75.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。