本發明涉及碳化硅晶體生長領域，尤其涉及一種高效率碳化硅單晶生長裝置。

背景技術：

1、碳化硅是典型的寬禁帶半導體材料，是繼硅、砷化鎵之后的第三代半導體材料。與硅、砷化鎵相比，碳化硅材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等優異性能，在高溫、高頻、高功率及抗輻射器件方面擁有應用前景。

2、目前，制備碳化硅單晶體的常用方法是物理氣相傳輸法（pvt）。即將碳化硅粉料放在密閉的石墨坩堝底部，而在坩堝頂部中心放置碳化硅籽晶。例如，公開號為cn213172678u的一種用于生長大尺寸碳化硅單晶的坩堝其既是如此設計。此類坩堝通過合理設計單晶爐熱場分布，使粉源區溫度高于籽晶區溫度，且粉源區達到碳化硅粉源升華溫度點。碳化硅粉源升華產生的si、c、si2c、sic2、sic等分子經擴散或對流效應被輸運至籽晶區附近。由于籽晶區溫度較低，上述氣氛形成一定的過冷度并在籽晶表面結晶為sic晶體。

3、由于碳化硅粉源在高溫下產生非化學計量比升華，所揮發的氣氛中以富硅氣氛為主。粉料隨著生長過程進行，將逐步富碳。而單晶生長過程中在生長面附近會富集的硅氣氛。根據晶體生長化學反應平衡方程式，生長面附近富硅氣氛條件下，將抑制晶體生長正向反應過程。隨著生長進行，硅富集效應加劇。則晶體生長速率逐步降低。那么，通過增加生長時間來增加晶體厚度的方式是缺乏效率的。

4、目前，國內外生長所獲得的碳化硅單晶（8英寸）厚度一般在2-3cm左右，遠低于第一代半導體si或第二代半導體gaas材料的單爐次的晶體生長長度。sic晶體生長速率一般為5-10天/爐次，平均生長速率一般不高于0.5mm/h。隨著sic產業發展，在sic晶體尺寸從4、6英寸逐步過渡到8、12英寸的過程中，上述硅富集效應導致的長晶抑制將更顯著。因此限制了sic單晶材料的制造成本和競爭力。

技術實現思路

1、本技術是為了克服現有技術中的用于生長碳化硅晶體的生長裝置在生長大尺寸的碳化硅晶體的過程中的效率較低的缺陷，提供了一種高效率碳化硅單晶生長裝置以克服上述不足之處。

2、為實現上述發明目的，本發明通過以下技術方案實現：

3、第一方面，本發明首先提供了一種高效率碳化硅單晶生長裝置，

4、包括一個坩堝主體，所述坩堝主體從上至下按照溫區分布劃分為高溫區以及低溫區，且所述高溫區以及低溫區相互連通；其中，

5、所述高溫區內設置有一個用于盛放碳化硅粉源的粉料區，所述高溫區的頂部還設置有一個用于盛放碳粉的碳粉區；

6、所述低溫區底部粘結設置有一個用于沉積碳化硅晶體的籽晶；

7、所述坩堝主體內部還設置有用于過濾固體顆粒掉落至籽晶表面的過濾裝置。

8、通常而言，現有的碳化硅生長裝置其底部的溫度高于頂部的溫度，因此碳化硅粉源在氣化后形成的氣體會逐漸向上擴散，從而在頂部的籽晶處結晶形成碳化硅單晶。而本技術與現有技術相比較采用了完全不同的熱場分布設置。在本技術中，坩堝主體的上部為高溫區，而坩堝主體的下部則為低溫區，因此碳化硅在高溫區內升華后，其揮發產生的生長氣氛是通過擴散或對流方式，從坩堝主體的上端逐漸輸運至坩堝主體底部的籽晶區域，并形成過飽和氣氛從而完成晶體生長。

9、如此設置的原因與碳化硅粉源受熱分解揮發以及結晶有著密切的關系，多年的sic晶體材料制備理論和實驗研究（《碳化硅晶體生長與缺陷》，施爾畏，科學出版社）中指出：

10、粉料區sic粉分解反應的方程式主要包括：

11、

12、籽晶區發生sic結晶反應的方程式主要包括：

13、

14、。

15、從上述方程式以及pvt生長理論可知，碳化硅粉料區域反應(1)(2)(3)，造成揮發氣相組分富si，殘留固體c顆粒。上述氣氛在籽晶結晶區域發生結晶，最終獲得化學計量比1:1的sic晶體，即，殘留si氣氛在氣相中，即導致了硅氣氛富集。從(4)化學反應方程式可以知道，si（g）過量（分壓增大）將影響（4）的正向反應速率；從(5)化學反應方程式可以知道，si（g）過量（分壓增大）同樣將影響（5）的正向反應速率。因此，富si氣氛是造成生長過程晶體生長速率降低的根本原因。

16、另外體系中si（g）氣氛密度低于si2c（g）以及sic2(g)的密度，因此在本技術的熱場結構中，sic沉積過程累積的si氣氛將趨向于在坩堝頂部擴散分布，粉料揮發的si2c（g）、sic2(g)氣氛趨向于坩堝底部分布，即籽晶區域氣氛相比傳統結構，c/si比更高。這種氣氛組分的分布方式與傳統pvt結構下的分布方式是截然不同的。在該種氣氛分布方式，能維持單晶生長籽晶表面不會過多富集si，即生長速率維持初期較高水平。同時，頂部富集的si氣氛與坩堝主體頂部的碳粉區內存放的高純碳粉則會繼續反應，從而增加了氣相組分中含c濃度，從而進一步輸運至晶體區域，提升了晶體生長速率。

17、作為優選，所述碳化硅粉料區包含有一個環繞坩堝主體內壁一周用于存放碳化硅粉源的粉料坩堝，所述粉料坩堝中心處還設置有一個用于氣體流通的氣流通道。

18、本技術中環繞坩堝主體內壁一周的粉料坩堝的設計，大幅增加了碳化硅粉源與高溫環境的接觸面積。更大的接觸面積使得碳化硅粉源能夠更充分地受熱，加快揮發速度，為后續在低溫區籽晶上的沉積提供更充足的氣相原料，有助于提高碳化硅單晶的生長速率。

19、此外，粉料坩堝環繞內壁分布，使得粉源在圓周方向上受熱相對均勻，有利于實現碳化硅粉源的均勻揮發。這對于在籽晶表面形成均勻的氣相沉積，進而生長出高質量、均勻性好的碳化硅單晶至關重要。

20、作為優選，所述高溫區內壁設置有環形支撐板，所述粉料坩堝設置于所述環形支撐板上端。

21、作為優選，碳化硅粉料區的頂部與所述碳粉區之間存在間距，從而形成碳化硅蒸發區。

22、在高溫環境下，碳化硅粉在粉料區內開始揮發，蒸發區能夠讓碳化硅有足夠的空間進行充分蒸發，轉化為氣相狀態。相比于沒有專門蒸發區的情況，這種設計可以避免碳化硅粉因空間受限而無法完全蒸發，提高了碳化硅的蒸發效率，為后續的晶體生長提供充足的氣相原料。

23、作為優選，所述坩堝主體從上到下依次包括坩堝頂蓋、坩堝筒以及籽晶蓋；

24、所述碳粉區設置于所述坩堝頂蓋的下方，所述籽晶粘結于所述籽晶蓋的頂端。

25、作為優選，所述坩堝主體的外部包覆有一層保溫材料；

26、所述保溫材料位于坩堝頂蓋頂部區域的厚度大于位于籽晶蓋底部區域的厚度。

27、碳化硅單晶生長過程中，高溫區需要保持較高且穩定的溫度來促使碳化硅粉源和碳粉等原料進行揮發、反應等過程。坩堝頂蓋頂部區域的保溫材料較厚，能夠有效減少高溫區熱量通過頂部向外界的散失，確保高溫區溫度維持在合適的范圍內，為原料的揮發和反應提供穩定的高溫環境，有利于提高反應的效率和一致性。籽晶蓋底部區域的保溫材料相對較薄，使得低溫區（籽晶所在區域）能夠與外界環境有一定的熱量交換，從而在坩堝內形成從高溫區到低溫區合適的溫度梯度。這種溫度梯度對于引導氣相原料從高溫區向低溫區的輸運以及在籽晶表面的沉積生長非常關鍵，能夠促使碳化硅晶體按照預期的方向和方式生長，提高晶體的生長質量和完整性。

28、本技術通過優化溫度分布和減少熱量波動，為碳化硅單晶生長提供了更穩定的熱力學條件。穩定的生長條件有利于晶體的均勻生長，減少因溫度變化引起的晶體缺陷，如應力集中、晶格畸變等，從而提高碳化硅單晶的質量和性能的一致性。

29、作為優選，所述保溫材料位于籽晶蓋底部的中心處設置有一個與籽晶蓋相連通的散熱孔。

30、散熱孔為籽晶蓋及籽晶所在區域提供了額外的散熱通道，有助于更有效地將籽晶晶體生長過程中產生的熱量散發出去。由于碳化硅晶體生長對溫度非常敏感，精確控制籽晶溫度對于晶體的質量和生長方向至關重要。通過散熱孔，可以避免籽晶區域因熱量積聚而溫度過高，確保籽晶處于適宜的生長溫度范圍內，有利于提高晶體生長的質量和穩定性。

31、作為優選，所述過濾裝置包括設置在碳粉區底部的上過濾板以及設置在粉料坩堝與籽晶之間的下過濾板。

32、上過濾板的設置能夠保證碳顆粒無法從上過濾板孔隙中掉落，而下過濾板可防止坩堝上部的粉料、碳顆粒等意外顆粒物的掉落并在坩堝底部的碳化硅單晶中形成包裹體并誘導多晶、多型、微管、位錯等缺陷。因此，本技術通過上過濾板和下過濾板的協同作用使得參與晶體生長的物質更加純凈、氣流更加均勻穩定，從而保證了碳化硅晶體在生長過程中成分和結構的一致性。

33、作為優選，所述坩堝主體內部設置有用于支撐上過濾板與下過濾板的支撐墊板。

34、作為優選，所述坩堝主體內壁表面設置有抗腐蝕涂層。

35、在碳化硅單晶生長過程中，坩堝內的碳粉、碳化硅粉料等物質在高溫下可能會與坩堝內壁發生化學反應，對坩堝造成腐蝕。抗腐蝕涂層能夠作為一道屏障，阻止這些物質與坩堝內壁直接接觸，減少化學侵蝕的發生，從而延長坩堝的使用壽命。如果坩堝內壁受到腐蝕，腐蝕產物可能會混入到碳化硅粉料或生長環境中，成為雜質，影響碳化硅晶體的純度和質量。抗腐蝕涂層可以有效避免這種情況發生，保證晶體生長環境的純凈度，有助于生長出高質量、低缺陷的碳化硅晶體。

36、因此本技術具有以下有益效果：

37、本技術通過改變坩堝主體內部高溫區與低溫區的設置方向，有效改變了用于碳化硅單晶沉積的氣體的擴散方向以及分布方式，使得籽晶表面不會過多富集si，從而提升了晶體生長速率，保證了單晶生長速率始終維持在沉積初期的較高水平。