CN105696079A - 一种精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，配备一碳化硅单晶生长用单晶炉；该方法包括：步骤1）基于感应加热法设计加热线圈，该加热线圈由轴向排布的若干段线圈单元组合而成，每段线圈单元连接有独立控制装置；步骤2）通过控制每段线圈单元的加热参数，使发热筒各部分的发热量发生改变，从而精确控制单晶炉腔内温度场，始终保持晶体生长的前沿处于适合其生长的温区，最终得到碳化硅单晶。通过分段独立控制各位置温场，在坩埚运动过程中严格将高温区域控制在所需的生长点上，实现优质6英寸碳化硅单晶的生长，降低能耗浪费，而且无需对坩埚进行提拉和旋转，简化了单晶炉的机械结构，该温场控制方法不局限于碳化硅单晶生长。

Description

一种精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法
技术领域
本发明涉及半导体生长技术领域，特别是一种精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法。
背景技术
碳化硅单晶生长处于一个密闭空间，生长过程中粉源不断消耗，单晶厚度逐渐增加，晶体生长前沿面与粉源之间的距离不断缩小，即生长线一直在变化，温度梯度和生长气氛亦发生改变。随着碳化硅粉源的进一步消耗，如果温度梯度控制不好，生长出的单晶就容易产生多型或者出现表面碳化的现象。
根据电磁场的“集肤效应”，在非优良的导体中，进入导体的电磁波随距离按指数衰减。在距离处的振幅减小到初始振幅的1/e。因此，在优良导体中磁场远大于电场。在圆柱体表面，大部分的加热功率消耗在一倍穿透深度δ之内，仅仅一小部分发生在2δ之外。对石墨坩埚，取石墨坩埚电阻率为ρ＝2.9×10-5Ω·m，相对磁导率取μr＝1，磁导率μm＝μrμ0＝μ0＝4Π×10-7，f(f＝ω/2п,ω为加热电流角频率，f为加热电流频率)为2.5KHz，则δ＝55mm。由于6英寸单晶直径约150mm，正常加热功率到达中心时基本已衰减完毕，因此必须重新设计温场以适应6英寸碳化硅单晶生长。
目前面对由晶体生长前沿面与粉源间距引起的温度梯度变化，一体式线圈不能及时有效地调控温场，容易产生多型或单晶表面碳化。因此，现有的生长工艺很难生长出厚度大于30毫米的高质量碳化硅单晶。针对这一技术难题，我们对单晶炉、线圈进行改造，以适应6英寸晶体生长。
发明内容
针对现有技术中存在的现有碳化硅生长的场温控制缺陷，本发明的目的在于提供一种可精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，为该方法配备一碳化硅单晶生长用单晶炉，该单晶炉包括用于加热坩埚的发热筒和感应加热发热筒的加热线圈；
该方法包括如下步骤：
步骤1)基于感应加热法设计所述加热线圈，该加热线圈由轴向排布的若干段线圈单元组合而成，每段线圈单元连接有独立控制装置；
步骤2)通过控制每段线圈单元的加热参数，使发热筒各部分的发热量发生改变，从而精确控制单晶炉腔内温度场，始终保持晶体生长的前沿处于适合其生长的温区，最终得到碳化硅单晶。
进一步，根据场温控制需求，确定每段所述线圈单元的匝数，且所述加热线圈的匝间距相同。
进一步，每段所述线圈单元为单匝或者多匝。
进一步，所述加热线圈为水冷管式铜线圈。
进一步，每段所述线圈单元连接有独立控制电源，或者所有线圈单元连接同一电源，每段线圈单元连接有各自的分线控制器，由所述分线控制器独立控制每段线圈单元的功率。
本发明通过分段独立控制各位置温场，在坩埚运动过程中严格将高温区域控制在所需的生长点上，实现优质6英寸碳化硅单晶的生长，降低能耗浪费，而且无需对坩埚进行提拉和旋转，简化了单晶炉的机械结构，该温场控制方法不局限于碳化硅单晶生长。
附图说明
图1为本发明的单晶炉***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1所示本实施例中的一种精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，为该方法配备一碳化硅单晶生长用单晶炉，该单晶炉包括：包括：坩埚2、发热筒1、保温结构3和加热线圈6，其中，坩埚2优选为石墨坩埚，在坩埚2的底部装有一定量的碳化硅料源5，在坩埚2盖的内侧粘结有碳化硅籽晶，坩埚2置于发热筒1内，发热筒1四周包覆有保温结构3，加热线圈6与发热筒1配合使用，感应加热发热筒1，发热筒1的高度接近于感应线圈6的高度，加热线圈6为水冷管式铜线圈。
该方法包括如下步骤：
步骤1)基于感应加热法设计加热线圈6，该加热线圈6由轴向排布的若干段线圈单元组合而成，每段线圈单元连接有独立控制电源7，由控制电源7独立控制每段线圈单元的功率；或者所有线圈单元连接同一电源，每段线圈单元连接有各自的分线控制器，由分线控制器独立控制每段线圈单元的功率。
步骤2)通过控制每段线圈单元的加热参数，使发热筒1各部分的发热量发生改变，从而精确控制单晶炉腔内温度场，始终保持碳化硅晶体生长的前沿处于适合其生长的温区，最终得到碳化硅单晶。
其中，根据场温控制需求，确定每段线圈单元的匝数，且加热线圈6的匝间距相同。每段线圈单元为单匝或者多匝。所有线圈单元连接同一电源，每段线圈单元连接有各自的分线控制器，由所述分线控制器独立控制每段线圈单元的功率。
图1中以15匝的加热线圈6为例，将加热线圈6分为3段线圈单元A、B、C，第一段线圈单元A和第三段线圈单元C均为4匝，中间第二段线圈单元C为7匝。取石墨坩埚2电阻率为ρ＝2.9×10-5Ω·m，相对磁导率取μr＝1，磁导率μm＝μrμ0＝μ0＝4Π×10-7，则加热电流频率f2为1.3KHz，f1＝f3＝0.43KHz。则通过严格控制生长点温度，达到生长优质碳化硅单晶的目的。
上述示例只是用于说明本发明，本发明的实施方式并不限于这些示例，本领域技术人员所做出的符合本发明思想的各种具体实施方式都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，其特征在于，为该方法配备一碳化硅单晶生长用单晶炉，该单晶炉包括用于加热坩埚的发热筒和感应加热发热筒的加热线圈；
该方法包括如下步骤：
步骤1）基于感应加热法设计所述加热线圈，该加热线圈由轴向排布的若干段线圈单元组合而成，每段线圈单元连接有独立控制装置；
步骤2）通过控制每段线圈单元的加热参数，使发热筒各部分的发热量发生改变，从而精确控制单晶炉腔内温度场，始终保持晶体生长的前沿处于适合其生长的温区，最终得到碳化硅单晶。
2.如权利要求1所述的精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，其特征在于，根据场温控制需求，确定每段所述线圈单元的匝数，且所述加热线圈的匝间距相同。
3.如权利要求1所述的精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，其特征在于，每段所述线圈单元为单匝或者多匝。
4.如权利要求1所述的精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，其特征在于，所述加热线圈为水冷管式铜线圈。
5.如权利要求1所述的精密控制6英寸碳化硅单晶生长温场的方法，其特征在于，每段所述线圈单元连接有独立控制电源，或者所有线圈单元连接同一电源，每段线圈单元连接有各自的分线控制器，由所述分线控制器独立控制每段线圈单元的功率。
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