CN108130593A

CN108130593A - 一种晶体生长炉用保温装置

Info

Publication number: CN108130593A
Application number: CN201711386301.2A
Authority: CN
Inventors: 高攀; 孔海宽; 忻隽; 施尔畏
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-06-08

Abstract

本发明涉及一种晶体生长炉用保温装置，所述保温装置包括卷绕包覆在晶体生长炉外的位于内侧的至少一层第一石墨碳毡和位于外侧的至少一层第二墨碳毡，以及夹所述第一石墨毡和第二石墨毡之间的至少一层石墨纸，沿所述晶体生长炉的纵轴方向，所述第二石墨毡的高度覆盖整个晶体的高度，所述至少一层石墨纸的高度从所述第二石墨碳毡的顶部延伸至晶体生长炉的顶盖下方10～20 mm处，所述第一石墨碳毡的高度大于等于所述至少一层石墨纸的高度，且小于等于所述第二石墨毡的高度。

Description

一种晶体生长炉用保温装置

技术领域

本发明涉及一种晶体生长炉用保温装置，具体涉及一种基于物理气相传输法生长碳化硅晶体的可循环利用的保温碳毡，属于保温碳毡材料领域。

背景技术

碳化硅(SiC)单晶具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高、介电常数低、化学稳定性好等优点，在高频、大功率、耐高温、抗辐照半导体器件及紫外探测器和短波发光二极管等方面具有广泛的应用前景。

目前，高质量SiC单晶的制备技术日趋成熟，但其成本过高仍制约着SiC晶体的广泛应用，因此，各国科研人员都通过制备更大尺寸的SiC晶体和节约其制备部件如石墨坩埚镀保护膜这两方面来努力实现SiC晶体成本的降低。行业内研究人员都知道，在碳化硅晶体生长中高纯保温材料也是非常昂贵的，比如西格里公司的石墨软碳毡，但其作为石墨材料，在超过2000摄氏度高温时容易与从籽晶盖四周溢出石墨坩埚的生长组分发生反应而被破坏。这不仅影响晶体生长时的保温效果，而且影响生长界面温度场的均匀性导致生长的晶体应力不均匀而使晶体开裂。且碳化硅(SiC)单晶体性能优异可广泛应用于制备高温、高频及大功率电子器件，然而目前物理气相传输(PVT)法制备低缺陷SiC单晶体成本仍然很高，这严重制约了该材料的普及应用，各国科研人员都持续努力降低SiC单晶体的制备成本，比如制备更大尺寸晶体、采用石墨保温硬毡从而实现多次使用以及石墨坩埚镀碳化钽(TaC)层实现重复使用等等技术。总的来说，目前碳化硅单晶体的应用成本过高，而碳化硅单晶尽管性能优异且制备比较成熟，但其价格昂贵，目前还很难广泛应用于一般领域。国内专利(CN204849112U和CN204210104U)尽管都公开了一种高温真空炉用石墨毡，其关键是通过粘结剂在碳毡中加入石墨纸，而粘结剂的加入将直接影响保温石墨毡的纯度，无法满足SiC单晶生长的高纯度要求，目前SiC单晶生长尤其高纯SiC晶体生长必须采用进口的高纯保温软碳毡才能符合无杂质污染要求。另外，专利(CN204849112U和CN204210104U)中都将石墨纸加入整个碳毡中，实现了径向和轴向温度梯度的同步减小，但在SiC单晶生长中轴向温梯和径向温梯随晶体生长厚度增加变化是不一样的，尤其轴向温度梯度随生长时间延长需要逐渐升高，因此，在整个石墨毡中加入石墨纸无法调控晶体生长的温度场，并不利于碳化硅晶体生长。SiC单晶生长在超过2000摄氏度高温条件下进行，即使采用上述两个专利所述的石墨毡，只能延缓但并不能阻止生长组分与石墨毡发生反应而出现边界被破坏的现象，而这将极大影响下一炉次SiC晶体生长的温度场，也将无法节约SiC晶体的制备成本。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种晶体生长炉用可替换式的保温装置，所述保温装置包括卷绕包覆在晶体生长保温筒外的位于内侧的至少一层第一石墨碳毡和位于外侧的至少一层第二石墨碳毡，以及夹所述第一石墨毡和第二石墨毡之间的至少一层石墨纸，沿所述晶体生长炉的纵轴方向，所述第二石墨毡的高度覆盖整个晶体的高度，所述至少一层石墨纸的高度从所述第二石墨碳毡的顶部延伸至晶体生长炉的顶盖下方10～20mm处，所述第一石墨碳毡的高度大于等于所述至少一层石墨纸的高度，且小于等于所述第二石墨毡的高度。

本发明中，所述晶体生长炉用保温装置(保温碳毡)由多层石墨碳毡卷绕而成且在相邻两层石墨碳毡之间夹入石墨纸。由此，位于石墨纸外侧的石墨碳毡不会受从籽晶盖溢出的生长成分的影响，在实际应用中仅更换石墨纸以及石墨纸内侧的石墨碳毡即可。而且石墨纸的高度从所述多层石墨碳毡的顶部延伸至晶体生长炉的顶盖下方10～20mm处。由此实现晶体生长界面处径向温度梯度的均匀一致性。本发明通过柔性石墨纸保护石墨坩埚外保温碳毡，使得该保温碳毡不仅可以保护保温石墨软毡实现其被多次使用降低成本，同时还能保证长界面温度场(径向温度场)的均匀一致性，实现低缺陷、高质量SiC晶体的低成本、高成品率制备，即，有效避免引入杂质并兼顾实现温场的调节和成本大幅降低的要求。

较佳地，所述石墨纸的纯度高于99.9％，厚度为0.2～4mm，优选1～2mm。

较佳地，所述第一石墨碳毡的层数为一层或两层，所述第二石墨碳毡的层数为两层以上。即、沿晶体生长炉的径向方向，所述石墨纸的夹入位置为保温碳毡中由内而外第1层以上石墨碳毡外，优化为保温碳毡中由内而外内层的第1层石墨碳毡外或第2层石墨碳毡外。

较佳地，第一石墨碳毡和/或第二石墨碳毡包括石墨软碳毡和/或石墨硬碳毡。

较佳地，所述单层第一石墨碳毡和/或单层第二石墨碳毡的厚度为5～20mm。

另一方面，本发明还提供了一种晶体生长炉，其特征在于，包括发热线圈、发热体，以及设置在所述发热线圈和发热体之间的如上所述的保温装置。即，是晶体生长炉包括上保温装置，设置于所述保温装置内部的发热体和环绕所述保温装置的发热线圈。本发明中，所述保温装置不局限于应用于SiC晶体生长，还可应用于物理气相传输(PVT)法生长其它晶体，可有效避免引入杂质并兼顾实现温场的调节和成本大幅降低的要求。

较佳地，所述第一石墨碳毡和第二石墨碳毡总厚度小于发热线圈的内侧半径R₁与发热体半径R₂的差值再减去5mm的数值。

将本发明制备的可循环利用的保温碳毡用于晶体生长，所述的高纯柔性石墨纸及在石墨纸内层的与石墨纸相同宽度的保温软碳毡在每次晶体生长结束后进行更换，从而保护未更换的保温软碳毡，显著提高保温软碳毡的使用次数至少在10次以上，同时保证晶体生长时温度场的均匀一致性，减少晶体缺陷，提高晶体生长的稳定性和重复性，大幅降低高质量碳化硅单晶体的制备成本。

附图说明

图1为物理气相传输(PVT)法生长SiC单晶体的生长室结构示意图；

图2为实施例1在PVT法生长SiC单晶体中采用在保温软碳毡由内而外第1层外夹入柔性石墨纸的方法生长10炉次后外层保温软碳毡的被破坏情况；

图3为实施例2在PVT法生长SiC单晶体中采用在保温软碳毡由内而外第2层外夹入柔性石墨纸的方法生长15炉次后外层保温软碳毡的被破坏情况；

图4为对比例1在PVT法生长SiC单晶体中未采用在保温软碳毡中夹入柔性石墨纸的方法生长2炉次后外层保温软碳毡的被破坏情况。

具体实施方式

以下通过下述实施方式和附图进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明中，可循环利用的保温碳毡(晶体生长炉用保温装置)的结构如图1所示，所述保温碳毡2由多层石墨碳毡卷绕而成且在至少一个相邻两层石墨碳毡之间夹入石墨纸3。换言之，多层石墨碳毡2包括位于内侧的可替换的第一石墨碳毡4和位于外侧的第二石墨碳毡5。第一石墨碳毡和第二石墨碳毡均可为多层结构，优选地，第一石墨碳毡的层数为一层或两层，第一石墨碳毡的层数为两层以上。本发明中柔性石墨纸放置于石墨软碳毡夹层内，其放置位置在内层由内而外的第1层石墨碳毡外及以上均可，优化放置于内层由内而外的的第1层石墨碳毡外或第2层石墨碳毡外。所述石墨碳毡可为石墨软碳毡或/和石墨硬碳毡。沿所述晶体生长炉的纵轴方向，第二石墨毡的高度覆盖整个晶体的高度，以提供均一的保温效果提供均一温场。又，考虑到从坩埚盖(籽晶盖)处溢出的生长组分与***的石墨材料会迅速发生反应及反应宽度在10mm以内，因此本发明中石墨软碳毡(或石墨硬碳毡)夹层内的石墨纸的宽度须大于等于石墨软碳毡(或石墨硬碳毡)顶部到籽晶盖下部10mm的距离，但不超过整个石墨软碳毡(或石墨硬碳毡)的高度，石墨纸的宽度优选为石墨软碳毡(或石墨硬碳毡)顶部到籽晶盖下部10～20mm的距离，即、石墨纸的高度从所述第二石墨碳毡的顶部延伸至晶体生长炉的顶盖下方10～20mm处。第一石墨碳毡的高度大于等于所述至少一层石墨纸的高度，且小于等于所述第二石墨毡的高度。优选为等于石墨纸的高度，以节约成本。

本发明中，所述第一石墨碳毡的层数为一层或两层，所述第二石墨碳毡的层数为两层以上。所述第一石墨碳毡和/或第二石墨碳毡包括石墨软碳毡和/或石墨硬碳毡。所述第一石墨碳毡和/或第二石墨碳毡的厚度可为5～20mm。将该保温装置置于发热线圈和发热体之间时，其石墨碳毡的总厚度小于发热线圈内侧半径R₁与保温装置内发热体半径R₂的差值减去5mm的值。所述石墨纸(柔性石墨纸)的纯度高于99.9％，厚度范围在0.2～4mm，优选1～2mm。

上述可循环利用的保温碳毡卷绕设置在晶体生长装置内发热体(即坩埚等，例如图1中“1”)的***，更***为用于加热该发热体的发热线圈(加热线圈)。在SiC晶体生长中发热体为石墨坩埚，所述坩埚包括坩埚盖和坩埚体。本发明所述保温装置不局限于应用于SiC晶体生长，还可应用于物理气相传输(PVT)法生长其它晶体。本发明所述保温碳毡不仅仅局限于保护石墨软碳毡，如果生长结构中石墨坩埚外保温材料也采用石墨硬碳毡，该方法同样可适用。

以下示例性地说明将上述保温碳毡(保温装置)用于基于物理气相传输法生长碳化硅单晶体的方法。

将碳化硅原料置于石墨坩埚1底部高温区(石墨坩埚体)，将籽晶置于石墨坩埚1上部低温区(石墨坩埚盖)，石墨坩埚1外层采用石墨碳毡(例如，石墨软碳毡等)2包裹实现保温且在石墨碳毡2内层夹入一张高纯柔性石墨纸3。然后采用物理气相传输方法在生长压强为2～30Torr，生长温度为1900～2300℃的条件下在籽晶表面沉积生长碳化硅单晶体。在碳化硅晶体生长结束后，将所述石墨纸和被石墨纸包裹的石墨碳毡进行更换。即，每次晶体生长结束后，对上述柔性石墨纸3及在石墨纸3内层的与石墨纸3相同宽度的保温软碳毡4进行换新，从而保护未更换的保温碳毡。这显著提高保温软碳毡的使用次数至少在10次以上，同时保证晶体生长过程中径向温场的均匀一致性，进一步减少内应力及微观晶体缺陷，提高晶体生长的稳定性和重复性，大幅降低高质量碳化硅单晶体的制备成本。所述物理气相传输方法的参数还包括：生长时间为50小时以上。所述生长气氛可为氩气、氮气、氦气和氢气中的至少一种。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。若无特殊说明，下述实施例中所述石墨纸的纯度高于99.9％，厚度为0.2～4mm，优选1～2mm。所述石墨碳毡为德国西格里公司生产的SIGRATHERM型石墨软碳毡，厚度为6mm，高度可选，裁取为400mm。

实施例1

保温碳毡的制备：所述保温碳毡包括5层石墨软碳毡，其中内层开始的第1层石墨软碳毡与第2层石墨软碳毡之间夹入一张高度为50mm，厚度为1mm的高纯柔性石墨纸，且被石墨纸包裹在石墨软碳毡中内层开始的第1层与第2层之间，所述石墨软碳毡的高度为400mm，被石墨纸包裹的石墨软碳毡与未包裹的石墨软碳毡处于分离状态；

首先将碳化硅原料置于石墨坩埚高温区，将籽晶置于石墨坩埚低温区，石墨坩埚外层采用石墨软碳毡包裹实现保温且在保温软碳毡内层开始的第1层石墨软碳毡与第2层石墨软碳毡之间夹入一张高度为50mm的高纯柔性石墨纸(所述石墨纸的高度为石墨碳毡顶部到坩埚盖下部15mm的距离)，再放入晶体生长炉室中，生长气氛为氩气中掺杂少量氮气，在生长压强为12Torr，生长温度为2100℃，生长时间120h后，获得厚度为20mm的碳化硅单晶体。生长结束后，采用新的高度为50mm的石墨碳毡条替换生长后被破坏的距离顶部为50mm的第1层保温碳毡，同时新的石墨纸采用同样的放置方式替换使用过的石墨纸，进行下一炉次晶体生长准备。每次晶体生长结束后如此重复更换石墨纸和相同宽度的第1层保温碳毡准备下一炉次晶体生长，如此重复生长10次后，可以发现未更换的外层石墨软碳毡被破坏很少(如图2所示)，这保证了每次晶体生长时温度场的稳定性与重复性，不仅提高了高质量晶体生长的成品率，而且大幅降低了碳化硅晶体生长的成本。

实施例2

保温碳毡的制备：所述保温碳毡包括7层石墨软碳毡，其中内层开始的第2层石墨软碳毡与第3层石墨软碳毡之间夹入一张高度为60mm，厚度为2mm的高纯柔性石墨纸，且被石墨纸包裹在石墨软碳毡中内层开始的第2层与第3层之间，所述石墨软碳毡的高度为400mm，被石墨纸包裹的石墨软碳毡与未包裹的石墨软碳毡处于分离状态；

首先将碳化硅原料置于石墨坩埚高温区，将籽晶置于石墨坩埚低温区，石墨坩埚外层采用石墨软碳毡包裹实现保温且在保温软碳毡内层开始的第2层石墨软碳毡与第3层石墨软碳毡之间夹入一张高度为60mm的高纯柔性石墨纸(所述石墨纸的高度为石墨碳毡顶部到坩埚盖下部20mm的距离)，再放入晶体生长炉室中，生长气氛为氩气，在生长压强为9Torr，生长温度为2070℃，生长时间120h后，获得厚度为20mm的半绝缘碳化硅单晶体。生长结束后，采用2条新的宽度为60mm的石墨软毡替换生长后被破坏的距离顶部为60mm的从内而外的第1层和第2层的保温软碳毡，同时同样宽度的新石墨纸采用同样放置方式替换使用过的石墨纸，进行下一炉次晶体生长。每次晶体生长结束后如此重复更换石墨纸和相同宽度的第1层和第2层保温软碳毡准备下一炉次晶体生长，如此重复生长15次后，可以发现未更换的石墨软碳毡被破坏很少(如图3所示)，这显著提高了高质量碳化硅晶体生长的成品率，并大幅降低了碳化硅晶体的制备成本。

对比例1

为了进行实验对比，同样将碳化硅原料置于石墨坩埚高温区，将籽晶置于石墨坩埚低温区，石墨坩埚外层仅采用7层石墨软碳毡包裹实现保温，但未采用石墨纸保护保温软碳毡的方法，放入晶体生长炉室中，生长气氛为氩气，在生长压强为9Torr，生长温度为2070℃，生长时间120h后，获得厚度为22mm的碳化硅单晶体。如此重复生长2次后，可以发现未更换的石墨软碳毡从内而外的三层被溢出坩埚的生长组分极大的破坏(如图4所示)，这显著影响了晶体生长时温度场的均匀性和一致性，此保温软碳毡无法继续进行高质量的晶体生长，因此需要更换整个保温软碳毡，这极大提高了碳化硅晶体生长的成本，且根本不适于产业化制备碳化硅晶体。

应该指出，上述的具体实施方式只是对本发明进行详细说明，它不应是对本发明的限制。对于本领域的技术人员而言，在不偏离权利要求的宗旨和范围时，可以有多种形式和细节的变化，比如柔性石墨纸同样可用于保护保温硬毡及其它石墨保温材料。

Claims

1.一种晶体生长炉用保温装置，其特征在于，所述保温装置包括卷绕包覆在晶体生长炉外的位于内侧的至少一层第一石墨碳毡和位于外侧的至少一层第二墨碳毡，以及夹所述第一石墨毡和第二石墨毡之间的至少一层石墨纸，沿所述晶体生长炉的纵轴方向，所述第二石墨毡的高度覆盖整个晶体的高度，所述至少一层石墨纸的高度从所述第二石墨碳毡的顶部延伸至晶体生长炉的顶盖下方10～20 mm处，所述第一石墨碳毡的高度大于等于所述至少一层石墨纸的高度，且小于等于所述第二石墨毡的高度。

2.根据权利要求1所述的晶体生长炉用保温装置，其特征在于，所述石墨纸的纯度高于99.9%，厚度为0.2～4 mm，优选1～2 mm。

3.根据权利要求1或2所述的晶体生长炉用保温装置，其特征在于，所述第一石墨碳毡的层数为一层或两层，所述第二石墨碳毡的层数为两层以上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的晶体生长炉用保温装置，其特征在于，所述第一石墨碳毡和/或第二石墨碳毡包括石墨软碳毡和/或石墨硬碳毡。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的晶体生长炉用保温装置，其特征在于，所述单层第一石墨碳毡和/或单层第二石墨碳毡的厚度为5～20 mm。

6.一种晶体生长炉，其特征在于，包括发热线圈、发热体，以及设置在所述发热线圈和发热体之间的如权利要求1-5中任一项所述的保温装置。

7.根据权利要求6所述的晶体生长炉，其特征在于，所述第一石墨碳毡和第二石墨碳毡总厚度小于发热线圈的内侧半径与发热体半径的差再减去5 mm的数值。