本發明涉及一種用于PVT法生長碳化硅晶體的碳化硅晶體生長設備。

背景技術：

碳化硅(SiC)單晶具有高導熱率、高擊穿電壓、載流子遷移率極高、化學穩定性很高等優良的半導體物理性質，可以制作成在高溫、強輻射條件下工作的高頻、高功率電子器件和光電子器件，在國防、高科技、工業生產、供電、變電領域有巨大的應用價值，被看作是極具發展前景的第三代寬禁帶半導體材料。但是，生長碳化硅晶體非常困難，經過多年努力，現以美國Gree公司為代表的實驗室已成功用物理氣相傳輸法(PVT)生長出大直徑的高質量碳化硅單晶并制成外延基片，用碳化硅單晶外延片已研制成功多種性能優良的電子器件和光電子器件。

如圖1所示，圖1是傳統的碳化硅晶體生長設備的結構示意圖，其包括真空室7、設置于該真空室7內的保溫裝置4、設置于該保溫裝置4內具有上蓋的密閉的石墨坩堝1以及給真空室7加熱的加熱裝置等。

目前，使用PVT技術生長碳化硅晶體時，在石墨坩堝1底部裝有一定量的粉狀或狀的顆粒碳化硅料2，在碳化硅料2上方間隔一定的距離，一個碳化硅單晶片作為籽晶3粘貼在石墨坩堝的上蓋上，保溫裝置4包圍設置于石墨坩堝1的外圍和底部。石墨坩堝1的上蓋上部按工藝要求設置有中心開有測溫孔6的厚度適當的絕熱元件5，保溫裝置4和絕熱元件5共同使石墨坩堝形成適合碳化硅晶體生長的溫度場。石墨坩堝1、連同周圍的保溫裝置4等都放置在一個與大氣隔離的真空室7中，生長晶體時，真空室7抽真空至工藝需要的真空度后，再充入合適氣壓的高純Ar氣并通過真空室氣壓自動控制系統使氣壓保持在工藝需要的范圍內。通過加熱裝置如感應線圈8的感應加熱使石墨坩堝1達到需要的高溫并通過溫度自動控制系統使溫度保持在工藝需要的高溫如2000℃-2500℃，石墨坩堝1中的碳化硅料2在高溫蒸發成飽和蒸氣，通過擴散及氣體對流作用輸送到溫度較低的籽晶3表面重新凝結，形核，結晶，使籽晶3逐漸長大而成一個大晶體。

PVT法生長碳化硅晶體過程中，碳化硅晶體生長設備的結構，例如石墨坩堝1的形狀和結構、感應線圈頻率、加熱功率、保溫裝置、真空室氣壓等很多因素都會影響石墨坩堝內的溫度分布均勻性，因而對晶體生長和晶體質量有重大影響，國內外很多實驗室就此問題作過大量研究，發表過很多有關實驗和計算機模擬的文章。如文獻1：Self-congruent process of SiC growth by physical vapor transport D.I.Cherednichenkoa,R.V.Drachevb,T.S.Sudarshan Journal of Crystal Growth 262(2004)175–181，此為其中的一個例子。

如圖2所示，圖2是文獻1中的生長碳化硅晶體時石墨坩堝中的熱流及溫度分布的數學模型。其中Tc為晶體背面溫度，Ts為結晶面(晶體正面)溫度，Tv為碳化硅料面溫度，S為晶體生長厚度，ΔTc為結晶面與晶體背面的溫度差，d為結晶面距碳化硅料上表面的距離，ΔTv為結晶面與碳化硅料上表面之間的溫度差。ΔT_G是碳化硅料上表面與晶體背面的溫度差，S_RC為碳化硅料的平均高度(代表碳化硅料量大小)，T_H是加熱裝置的溫度，代表來自加熱裝置的熱能大小。而Q_V及Q_W分別表示碳化硅料及加熱裝置通過熱傳導及熱輻射傳遞給結晶面的熱量。L表示晶體的結晶潛熱。Fi表示升華蒸氣傳輸總量，V表示結晶速度。

其中碳化硅料面與結晶面溫度差ΔTv是升華蒸氣的傳輸動力，其大小和穩定程度對于結晶過程和質量起著決定性作用。碳化硅料面Tv溫度較穩定，但結晶面溫度Ts會隨著結晶厚度的增加而非線性增加，致使兩面之間溫度差減少，進一步導致結晶速度V減少甚至停止生長。不穩定的溫度差及生長速度會導致多種晶體缺陷產生，難以生長出高質量的晶體。

在背景技術部分公開的上述信息僅用于加強對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種用于PVT法生長碳化硅晶體工藝并能保持晶體結晶面與碳化硅料上表面溫度差基本恒定的碳化硅晶體生長設備。

根據本發明的一個方面，一種碳化硅晶體生長設備，包括真空腔室、腔室加熱裝置、坩堝裝置、坩堝蓋加熱裝置和控制裝置。其中真空腔室包括具有開口端部的真空腔體和密封安裝于所述開口端部的密封法蘭；腔室加熱裝置用于給所述真空腔室加熱；坩堝裝置設置于所述真空腔室內，包括具有頂端開口的坩堝本體和密封蓋在所述頂端開口的坩堝蓋，所述坩堝本體用于盛裝碳化硅料，所述坩堝蓋底部設有一籽晶，該籽晶能生長成一晶體；坩堝蓋加熱裝置用于加熱所述坩堝蓋；控制裝置包括溫度采集器和控制器，溫度采集器用于采集所述坩堝蓋底部的溫度數據；控制器內部存儲有多條隨著晶體生長厚度變化的晶體背面溫度曲線，所述控制器用于接收所述溫度采集器發送的所述坩堝蓋底部溫度數據，并依此控制所述坩堝蓋加熱裝置，以使所述坩堝蓋溫度與所述晶體背面溫度曲線保持一致。

由上述技術方案可知，本發明的優點和有益技術效果在于：本發明碳化硅晶體生長設備包括用于加熱所述坩堝蓋的坩堝蓋加熱裝置以及控制裝置，控制裝置包括能實時采集坩堝蓋底部溫度數據的溫度采集器和控制器，控制裝置能根據坩堝蓋底部溫度數據控制所述坩堝蓋加熱裝置按一設定的理想的晶體背面溫度曲線保持一致，從而使得晶體結晶面與碳化硅料上表面溫度差基本恒定，進而使晶體的生長速度保持穩定，大幅度提升了生長出的晶體質量。

本發明中通過以下參照附圖對優選實施例的說明，本發明的上述以及其它目的、特征和優點將更加明顯。

附圖說明

圖1是傳統的碳化硅晶體生長設備的結構示意圖；

圖2是生長碳化硅晶體時石墨坩堝中的熱流及溫度分布的數學模型；

圖3是本發明碳化硅晶體生長設備一實施方式的示意圖；

圖4是圖3的局部放大圖；

圖5是Virtual Reactor模擬軟件系統獲得的晶體背面溫度曲線圖；

圖6為圖3所示的碳化硅晶體生長設備中控制裝置的控制原理圖。

圖中：9、坩堝本體；10、碳化硅料；12、保溫裝置；13、螺旋感應加熱線圈；14、真空腔體；15、筒底；16、筒體；17、加熱電極；18、紅外測溫儀；19、測溫接口；20、冷卻水管；21、渦旋感應加熱線圈；22、籽晶；23、晶體；24、密封法蘭；28、晶體背面；30、結晶面；31、通孔；35、石墨托。

具體實施方式

現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限于在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本公開將全面和完整，并將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。

參見圖3和圖4，圖3是本發明碳化硅晶體生長設備一實施方式的示意圖；圖4是圖3的局部放大圖。如圖3和圖4所示，本發明碳化硅晶體生長設備一實施方式包括真空腔室、腔室加熱裝置、坩堝裝置、坩堝蓋加熱裝置和控制裝置。

真空腔室可以由具有開口端部的真空腔體14和密封法蘭24圍成。密封法蘭24可以通過螺釘或卡夾實現與真空腔體14上端面的穩固連接。優選地，密封法蘭24可以通過耐高溫螺釘例如用高純石墨材料制成的石墨螺釘密封安裝于真空腔體14的開口端部。使用時由抽真空設備將真空腔室抽真空至工藝所需的真空度，例如3×10^-4Pa。

腔室加熱裝置用于加熱真空腔室，其可以圍繞真空腔室外面設置，腔室加熱裝置可以是螺旋感應加熱線圈13等。

坩堝裝置設置于真空腔室內，其包括具有頂端開口的坩堝本體9和密封蓋在頂端開口的坩堝蓋。坩堝本體9用于盛裝碳化硅料10，坩堝蓋下表面粘貼有一籽晶22，使用PVT技術生長碳化硅工藝，該籽晶22能生長成一晶體23。

在該第一實施方式中，坩堝蓋呈圓筒形，具有筒底15和筒體16，筒底15可以是厚度為3mm至5mm厚的薄圓盤，以減小熱阻，方便溫度的精確控制。坩堝蓋加熱裝置可以設置于筒體16內并鄰近筒底15。坩堝蓋的筒體16下端部外周設有環形槽，該環形槽具有側密封部和端密封部，該側密封部和端密封部分別對應配合于坩堝本體9的內側面和頂端面。這樣一方面提高了坩堝裝置的密封性能，另一方面可以使得筒底15伸入筒體16內，更有利于保持筒底15恒定，便于溫度的精確控制。

應當理解，本發明的坩堝裝置中坩堝蓋的結構并不限于上面例舉的具體結構形式，其他結構形式的坩堝蓋，例如一平板狀的坩堝蓋等均可應用于本發明。

坩堝蓋加熱裝置用于加熱坩堝蓋，以使設置于坩堝蓋的籽晶22生長成晶體23的過程中，晶體23表面的結晶面30(見圖4)能保持適宜的溫度。坩堝蓋加熱裝置與坩堝蓋之間可以直接接觸，也可以保持一間隙，當坩堝蓋為平板狀時，該間隙可以是平板狀坩堝蓋上表面與坩堝蓋加熱裝置下表面之間的距離；當坩堝蓋呈筒形時，該間隙可以是筒底15的上表面與坩堝蓋加熱裝置下表面之間的距離。

可選擇地，坩堝蓋加熱裝置可以是一渦旋感應加熱線圈21，渦旋感應加熱線圈21上連接加熱電極17。此時，渦旋感應加熱線圈21與坩堝蓋之間可以保持8-15mm的間隙，具體可根據坩堝蓋加熱裝置的加熱溫度和效率、坩堝蓋厚度、坩堝蓋大小、坩堝蓋材質等因素確定，例如8.5mm、10.4mm、11mm、12.6mm、13.5mm、14.2mm，等等。

優選地，渦旋感應加熱線圈21可以通過加熱電極17固定于密封法蘭24上。加熱電極17可以連接于渦旋感應加熱線圈21的最外層線圈上，加熱電極17可以是兩個、4個等。

進一步地，渦旋感應加熱線圈21的橫截面呈中空的矩形形狀，以避免或減少圓環效應和集膚效應的影響。更進一步地，渦旋感應加熱線圈21的兩端部還分別通過管接頭(圖中未示出)連接一冷卻水管20，當坩堝底部例如筒底15的溫度過高時，可向冷卻水管20通入冷卻水進行冷卻。該冷卻水管20可以連接于渦旋感應加熱線圈21的最外層線圈，當然本發明并不限于此，冷卻水管20連接于渦旋感應加熱線圈21的最內層線圈或中間層線圈均是可行的。

在一些實施方式中，碳化硅晶體生長設備還包括一設置于真空腔室內的保溫裝置12，保溫裝置12可以包圍坩堝本體9以及部分坩堝蓋。保溫裝置12可以是石墨氈等。進一步地，碳化硅晶體生長設備還包括一支撐部件如石墨托35，石墨托35固定于保溫裝置12底部中央，使保溫裝置12與真空腔體14底部保持一間距。

本發明中，坩堝裝置可以設置于真空腔室中央位置，即二者同軸布置，進一步地，保溫裝置12、腔室加熱裝置、石墨托35均與坩堝裝置同軸布置。

參見圖6，圖6為圖3所示的碳化硅晶體生長設備中控制裝置的控制原理圖。如圖6所示，本發明還包括能控制結晶面溫度的控制裝置，其包括溫度采集器和控制器。其中溫度采集器用于采集坩堝蓋底部例如筒底15的溫度數據，并將該溫度數據發送給控制器。

在一實施方式中，溫度采集器采用紅外測溫儀18，此種情況下，需要在密封法蘭24的中央位置設置測溫接口19，坩堝蓋加熱裝置在對應于測溫接口19位置設有通孔31，當坩堝蓋加熱裝置采用渦旋感應加熱線圈21時，可以在中央處不設置線圈層從而留出中空部分形成所述通孔31。這樣紅外測溫儀18即可無任何阻礙地測量到坩堝蓋底部溫度。當然其他種類的溫度采集器例也可應用于本發明。

控制器內部存儲有多條隨著晶體23生長厚度變化的晶體背面溫度曲線，控制器用于實時接收溫度采集器發送的坩堝蓋底部溫度數據，并依此控制坩堝蓋加熱裝置，以使坩堝蓋溫度與晶體背面溫度曲線保持一致。在一些實施方式中，控制器可以采用PID控制器。

參見圖3并結合圖2，晶體23的結晶面30溫度表示為Ts，碳化硅料10溫度為Tv，晶體背面28的溫度為Tc，在本實施例中Tv被螺旋感應加熱線圈13加熱而具有固定值。晶體的結晶面(正面)30和晶體背面28之間的溫度差對應圖2的ΔTc，結晶面30與碳化硅料10之間的溫度差對應圖2的ΔTv。圖2描述了PVT方法生長碳化硅晶體時通過結晶面的熱流Q＝Qv+Qw+L，在晶體的結晶面30和晶體背面28形成了溫差ΔTc＝Ts-Tc。碳化硅料10與結晶面30的溫差ΔTv＝Tv-Ts。由此得出：ΔTv＝Tv-(Tc+ΔTc)，傳熱學給出，ΔTc＝Q*Rc，其中，Rc是晶體的熱阻。隨著晶體的厚度增加，則Rc增大，由ΔTc增大，如果要保持ΔTv不變，則只有減少Tc。

其中，晶體背面溫度曲線可通過現有的專用的SiC生長仿真軟件模擬得出，如文獻《SiC單晶生長及其晶片加工技術的進展》(姜守振，半導體學報第28卷第5期)或者文獻《坩堝在線圈中位置對大直徑SiC單晶溫度場影響》(王英明，電子工藝技術第32卷第6期等多篇論文所提到和使用的Virtual Reactor模擬軟件系統獲得。

參見圖5并結合圖2和圖4，圖5是Virtual Reactor模擬軟件系統獲得的晶體背面溫度曲線圖。如圖5所示，在螺旋感應加熱線圈13的溫度TH＝2610K(開爾文),碳化硅料10的溫度TV＝2600K，真空腔體壓力PAr＝5mBar，籽晶直徑d0＝5cm的工況下，隨著晶體生長厚度增加，晶體的結晶面溫度Tc的變化曲線，其中曲線1、曲線2、曲線3分別表示結晶速率V＝1mm/h(毫米每小時),V＝2mm/h,V＝3mm/h時Tc隨晶體生長厚度的變化規律。由此可見，在一定的生長條件下，當Tc的溫度跟隨圖3所示的曲線(如曲線1)減少時，可使得ΔTv恒定。

使用時，螺旋感應加熱線圈13通電，對真空腔室加熱，熱量通過熱傳導及熱輻射方式經真空腔體14、保溫裝置12、坩堝本體9將碳化硅料10加熱至2600℃，此時碳化硅料10升華，在碳化硅料10的上表面29及籽晶22背面28的溫度差作用下升華氣體輸運至背面28處，并重新反應，凝結，形核生長為碳化硅(SiC)晶體23，同時形成晶體23的生長面即結晶面30。本發明通過使晶體23背面28的溫度Tc按給定的曲線變化，即可使得碳化硅料10與晶體的結晶面30的溫差ΔTv＝Tv-Ts Tv-(Tc+ΔTc)保持不變，從而使得晶體23具有穩定的結晶生長速度，可生長出高質量的SiC結晶體。

本發明通過在坩堝蓋內設置渦旋感應加熱線圈21，并由控制裝置控制晶體背部溫度Tc與理想狀態下的晶體背部溫度(相當于理論Tc，如圖5所示)一致，可實現隨著晶體生長百度增厚，晶體傳熱熱阻增大，晶體背部和晶體結晶面之間的ΔTc增大，而晶體結晶面和碳化硅料上表面溫的差ΔTv基本保持不變的目的。從而實現穩定的晶體生長速度，生長出質量高的晶體。

雖然本說明書中使用相對性的用語，例如“上”“下”來描述圖標的一個組件對于另一組件的相對關系，但是這些術語用于本說明書中僅出于方便，例如根據附圖中的示例的方向。能理解的是，如果將圖標的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在“上”的組件將會成為在“下”的組件。當某結構在其它結構“上”時，有可能是指某結構一體形成于其它結構上，或指某結構“直接”設置在其它結構上，或指某結構通過另一結構“間接”設置在其它結構上。用語“第一”、“第二”等僅作為標記使用，不是對其對象的數量限制。

本權利要求書中，用語“一個”、“一”、“”和“至少一個”用以表示存在一個或多個要素/組成部分/等；用語“包含”、“包括”和“具有”用以表示開放式的包括在內的意思并且是指除了列出的要素/組成部分/等之外還可存在另外的要素/組成部分/等。

應可理解的是，本發明不將其應用限制到本說明書提出的部件的詳細結構和布置方式。本發明能夠具有其他實施方式，并且能夠以多種方式實現并且執行。前述變形形式和修改形式落在本發明的范圍內。應可理解的是，本說明書公開和限定的本發明延伸到文中和/或附圖中提到或明顯的兩個或兩個以上單獨特征的所有可替代組合。所有這些不同的組合構成本發明的多個可替代方面。本說明書的實施方式說明了已知用于實現本發明的最佳方式，并且將使本領域技術人員能夠利用本發明。