CN114737249A - 一种碳化硅晶锭生长装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅晶锭生长装置，涉及碳化硅晶锭技术领域，包括筒体，筒体内设有加热内胆，筒体上部设有盖体；筒体上贯穿设有多个投料管，投料管的一端穿过加热内胆延伸至加热内胆的内部，并固定有坩埚；多个坩埚在加热内胆的内部排布呈倒立的堆型结构；每个投料管上连接有储料箱，储料箱与投料管之间设有投料机构；盖体的下方设有可旋转的碳化硅晶锭生长板，碳化硅晶锭生长板的上方设有冷却槽。本发明还提出了一种碳化硅晶锭生长的方法，通过碳化硅与掺杂物质之间升华的方式生长出碳化硅晶锭。本发明可使碳化硅与掺杂剂进行同步升华立体分布混合，生成出掺杂浓度更加均匀的半绝缘碳化硅晶锭，提高了半绝缘碳化硅晶锭的质量。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅晶锭技术领域，具体涉及一种碳化硅晶锭生长装置及方法。
背景技术
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优点，被广泛应用在工业生产中，以提高产品的耐磨性，延长使用寿命。 通过掺杂而得到的半绝缘碳化硅晶锭，由于具有最大击穿电压(break field voltage)和导热率(thermalconductivity)的优点，是更加优良的下一代半导体器件材料。在制备碳化硅晶锭通常采用掺杂剂与碳化硅混合和合成的方法，来制备半绝缘碳化硅晶锭。
但由于掺杂剂和碳化硅的升华温度不同，例如，碳化硅的升华温度约为2700℃，而掺杂剂铬的升华温度约为1857℃，而钒的升华温度约为1910℃，其升华温度远低于碳化硅的升华温度。这样就容易导致升华的先后，导致生成的半绝缘碳化硅晶锭掺杂不均匀，因此无法得到均质掺杂的半绝缘碳化硅晶锭。为此，我们设计并提出一种碳化硅晶锭生长装置及方法，通过梯度式升华的方式，生成匀质的半绝缘碳化硅晶锭。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在掺杂剂与碳化硅混合和合成方法生成的半绝缘碳化硅晶锭掺杂不均匀的缺点，而提出的一种碳化硅晶锭生长装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种碳化硅晶锭生长装置，包括筒体，所述筒体的下部以嵌入的方式固定设有加热内胆，所述筒体的上部设有适配的盖体；所述筒体上贯穿设有多个投料管，所述投料管的一端穿过加热内胆延伸至加热内胆的内部，并固定有坩埚；多个所述坩埚在加热内胆的内部排布呈倒立的堆型结构；每个投料管位于筒体的一端连接有储料箱，所述储料箱与投料管之间设有投料机构；所述盖体的下方设有碳化硅晶锭生长板，所述盖体上固定设有用于驱动碳化硅晶锭生长板旋转的驱动电机；所述碳化硅晶锭生长板的上方设有冷却槽；所述盖体设有与冷却槽相连的注入管；所述盖体上设有用于蜂窝状的散热孔。
与现有技术相比，采用本方案的碳化硅晶锭生长装置，具有以下有益效果：
1）、本发明提出的碳化硅晶锭生长装置，通过掺杂剂投入的方式进行升华混合，可有效避免因升华温度不同导致碳化硅与掺杂剂先后升华的问题，可有效提高半绝缘碳化硅晶锭生成掺杂的均匀度，提高半绝缘碳化硅晶锭的品质。
2）、本发明提出的碳化硅晶锭生长装置，投料管的分布采用倒立堆型结构，使掺杂剂以立体的方式分布在碳化硅升华的通道内，如此一来，可使碳化硅与掺杂剂在升华的过程中充分混合，以同步升华立体分布混合的方式达到碳化硅均匀分布的掺杂。
3）、本发明提出的碳化硅晶锭生长装置，采用旋转的碳化硅晶锭生长板进行碳化硅晶锭的生长，可使上升到碳化硅晶锭生长板上的碳化硅与掺杂剂气体进一步均匀分布，进一步提升碳化硅晶锭掺杂的均匀度，提高半绝缘碳化硅晶锭的品质。
进一步的，所述筒体的内部设有隔热夹层，所述隔热夹层为玻璃纤维、石棉、岩棉或硅酸盐的一种或几种的混合。
进一步的，所述投料管为绝热材料制成的绝热管。
进一步的，所述投送机构包括投送电机和螺旋送料杆，所述螺旋送料杆固定连接在投送电机的输出端上，所述螺旋送料杆的旋转半径与投料管的内径相适配。
进一步的，所述碳化硅晶锭生长板的旋转直径略小于筒体的内径。
进一步的，所述筒体上部的一侧设有温度传感器，所述温度传感器的探头延伸至筒体的内部。
进一步的，所述碳化硅晶锭生长板的底部均布有多个冷却管，所述冷却管与所述冷却槽相连通。
本发明还提出了一种碳化硅晶锭生长的方法，用于所述碳化硅晶锭生长装置，通过碳化硅与掺杂物质之间同步升华立体分布混合的方式生长出碳化硅晶锭，具体步骤包括：
步骤1、根据碳化硅晶锭掺杂配比，将碳化硅置入加热内胆内，将掺杂剂等掺杂组分置入到储料箱内，并对加热内胆进行预热；
步骤2、将加热内胆内部的温度升高至的2700摄氏度以上，当温度传感器检测到温度达到2700摄氏度后，开启投送机构，并向冷却槽内连续注入冷却液，并启动驱动电机带动碳化硅晶锭生长板旋转；
步骤3、使掺杂剂以掺杂配比量匀速进入至坩埚内，加热内胆内的碳化硅缓慢升华，并匀速上升，在掺杂剂等掺杂物质进入到坩埚内后，由于温度远大于其升华温度，投入后会迅速升华，并与经过的碳化硅气体混合，一起继续上升；
步骤4、当掺杂后的碳化硅气体上升至碳化硅晶锭生长板后，温度降低，并在碳化硅晶锭生长板再次结晶生成目标物质均匀掺杂的碳化硅晶锭。
进一步的，在步骤1中，所述掺杂剂为钒、铬、锰或钴中的一种。
进一步的，在步骤2中，冷却液的注入量等于蒸发量。
与现有技术相比，采用本发明提出的一种碳化硅晶锭生长的方法，有益效果在于：可避免碳化硅与掺杂剂因升华温度不同导致先后升华的问题，可使碳化硅与掺杂剂进行同步升华混合，可生成出掺杂浓度更加均匀的半绝缘碳化硅晶锭，提高了半绝缘碳化硅晶锭的质量。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的内部结构示意图；
图3是本发明中关于投料机构的内部结构示意图；
图4是本发明关于实施例1中碳化硅与掺杂物质升华掺杂示意图；
图5是本发明关于实施例2中碳化硅与掺杂物质升华掺杂示意图；
图中标记为：1、筒体；11、隔热夹层；2、加热内胆；3、盖体；4、投料管；41、坩埚；5、储料箱；6、投送机构；61、投送电机；62、螺旋送料杆；7、碳化硅晶锭生长板；71、驱动电机；72、冷却槽；73、冷却管；74、注入管；75、散热孔；8、温度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“嵌入”、“设有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
参见图1-2，一种碳化硅晶锭生长装置，包括筒体1，筒体1的下部以嵌入的方式固定设有加热内胆2，加热内胆2由耐火材料制成，用于加热碳化硅，使碳化硅进行升华，加热内胆2的底部裸露在筒体1的外侧，以便于加热内胆2的加热，筒体1的内部设有隔热夹层11，隔热夹层11为玻璃纤维、石棉、岩棉或硅酸盐的一种或几种的混合，隔热夹层11的设置可对加热内胆2起到良好的保温效果，筒体1的上部设有适配的盖体3，盖体3起到对筒体1密封作用。
参见图1-2，筒体1上贯穿设有多个投料管4，投料管4用于投放掺杂剂等掺杂组分，投料管4的一端穿过加热内胆2延伸至加热内胆2的内部，并固定有坩埚41，投料管4为绝热材料制成的绝热管，可隔绝大部分加热内胆2内部的温度，使投料管4内的掺杂剂不会提前升华，多个坩埚41在加热内胆2的内部排布呈倒立的堆型结构，坩埚41在加热内胆2的内部以倒立堆型的方式进行分布，可使掺杂剂在升华的过程中，均匀的混合进碳化硅的升华气体内，得到混合均匀的掺杂碳化硅升华气体。
参见图3，每个投料管4位于筒体1的一端连接有储料箱5，储料箱5与投料管4之间设有投料机构，投送机构6包括投送电机61和螺旋送料杆62，螺旋送料杆62固定连接在投送电机61的输出端上，螺旋送料杆62的旋转半径与投料管4的内径相适配，通过控制螺旋送料杆62的转速，可控制投送机构6的投入量，再结合在固定温度下，碳化硅的升华速度，从而计算出掺杂剂的投放量，螺旋送料杆62的转速可由碳化硅掺杂量来决定，从而达到均匀投料，实现碳化硅和掺杂剂同步升华后的均匀掺杂混合。
参见图1-2和4，盖体3的下方设有碳化硅晶锭生长板7，盖体3上固定设有用于驱动碳化硅晶锭生长板7旋转的驱动电机71，碳化硅晶锭生长板7的旋转直径略小于筒体1的内径，碳化硅晶锭生长板7的上方设有冷却槽72，盖体3设有与冷却槽72相连的注入管74，盖体3上设有用于蜂窝状的散热孔75，冷却槽72内注入冷却液可降低碳化硅晶锭生长板7的温度，散热孔75用于冷却液蒸发汽的排出，当碳化硅和掺杂剂的升华气体遇到冷的碳化硅晶锭生长板7，便会重新结晶，生成半绝缘碳化硅晶锭，通过碳化硅晶锭生长板7旋转的方式，可使碳化硅和掺杂剂在重新结晶的过程中重新分布，碳化硅晶锭生长板7转速越高，其碳化硅与掺杂剂掺杂混合的越均匀，得到碳化硅晶锭掺杂浓度越均匀。
参见图2和4，筒体1上部的一侧设有温度传感器8，温度传感器8的探头延伸至筒体1的内部，温度传感器8用于探知筒体1上部的温度。
本发明的碳化硅晶锭生长装置，一方面通过掺杂剂以立体的方式分布在碳化硅升华的通道内，可使碳化硅与掺杂剂在升华的过程中充分混合，以同步升华立体分布混合的方式，达到碳化硅掺杂的均匀分布，另一方面，通过旋转的方式进行碳化硅晶锭的生长，可使碳化硅与掺杂剂气体在结晶时，进一步均匀分布，提高半绝缘碳化硅晶锭的质量。
实施例2
参照图1-2和5，作为本发明的另一优选实施例，与实施例1的区别在于，碳化硅晶锭生长板7的底部均布有多个冷却管73，冷却管73与冷却槽72相连通，通过冷却管73可增大碳化硅晶锭生长板7的冷却面积，使掺杂后的碳化硅气体更易于重新结晶生长成半绝缘碳化硅晶锭。
为了进一步说明，本发明还提出了一种碳化硅晶锭生长的方法，用于碳化硅晶锭生长装置，通过碳化硅与掺杂物质之间同步升华立体分布混合的方式生长出碳化硅晶锭，具体步骤包括：
步骤1、根据碳化硅晶锭掺杂配比，将碳化硅置入加热内胆2内，将掺杂剂等掺杂组分置入到储料箱5内，并对加热内胆2进行预热，其中，掺杂剂为钒、铬、锰或钴中的一种，还包含碳化硅晶锭生长所需的碳聚合物树脂、溶剂组合物。
步骤2、将加热内胆2内部的温度升高至的2700摄氏度以上，当温度传感器8检测到温度达到2700摄氏度后，开启投送机构6，并向冷却槽72内连续注入冷却液，并启动驱动电机71带动碳化硅晶锭生长板7旋转，冷却液的注入量等于蒸发量。
步骤3、使掺杂剂以掺杂配比量匀速进入至坩埚41内，加热内胆2内的碳化硅缓慢升华，并匀速上升，在掺杂剂等掺杂物质进入到坩埚41内后，由于温度远大于其升华温度，投入后会迅速升华，并与经过的碳化硅气体混合，一起继续上升。
步骤4、当掺杂后的碳化硅气体上升至碳化硅晶锭生长板7后，温度降低，并在碳化硅晶锭生长板7再次结晶生成目标物质均匀掺杂的碳化硅晶锭。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化硅晶锭生长装置，包括筒体（1），其特征在于，所述筒体（1）的下部以嵌入的方式固定设有加热内胆（2），所述筒体（1）的上部设有适配的盖体（3）；
所述筒体（1）上贯穿设有多个投料管（4），所述投料管（4）的一端穿过加热内胆（2）延伸至加热内胆（2）的内部，并固定有坩埚（41）；
多个所述坩埚（41）在加热内胆（2）的内部排布呈倒立的堆型结构；
每个投料管（4）位于筒体（1）的一端连接有储料箱（5），所述储料箱（5）与投料管（4）之间设有投料机构；
所述盖体（3）的下方设有碳化硅晶锭生长板（7），所述盖体（3）上固定设有用于驱动碳化硅晶锭生长板（7）旋转的驱动电机（71）；
所述碳化硅晶锭生长板（7）的上方设有冷却槽（72）；
所述盖体（3）设有与冷却槽（72）相连的注入管（74）；
所述盖体（3）上设有用于蜂窝状的散热孔（75）。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶锭生长装置，其特征在于，所述筒体（1）的内部设有隔热夹层（11），所述隔热夹层（11）为玻璃纤维、石棉、岩棉或硅酸盐的一种或几种的混合。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶锭生长装置，其特征在于，所述投料管（4）为绝热材料制成的绝热管。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶锭生长装置，其特征在于，所述投送机构（6）包括投送电机（61）和螺旋送料杆（62），所述螺旋送料杆（62）固定连接在投送电机（61）的输出端上，所述螺旋送料杆（62）的旋转半径与投料管（4）的内径相适配。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶锭生长装置，其特征在于，所述碳化硅晶锭生长板（7）的旋转直径略小于筒体（1）的内径。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶锭生长装置，其特征在于，所述筒体（1）上部的一侧设有温度传感器（8），所述温度传感器（8）的探头延伸至筒体（1）的内部。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶锭生长装置，其特征在于，所述碳化硅晶锭生长板（7）的底部均布有多个冷却管（73），所述冷却管（73）与所述冷却槽（72）相连通。
8.一种碳化硅晶锭生长的方法，用于权利要求1-7任一项所述碳化硅晶锭生长装置，通过碳化硅与掺杂物质之间同步升华立体分布混合的方式生长出碳化硅晶锭，其特征在于，具体步骤包括：
步骤1）、根据碳化硅晶锭掺杂配比，将碳化硅置入加热内胆（2）内，将掺杂剂等掺杂组分置入到储料箱（5）内，并对加热内胆（2）进行预热；
步骤2）、将加热内胆（2）内部的温度升高至的2700摄氏度以上，当温度传感器（8）检测到温度达到2700摄氏度后，开启投送机构（6），并向冷却槽（72）内连续注入冷却液，并启动驱动电机（71）带动碳化硅晶锭生长板（7）旋转；
步骤3）、使掺杂剂以掺杂配比量匀速进入至坩埚（41）内，加热内胆（2）内的碳化硅缓慢升华，并匀速上升，在掺杂剂等掺杂物质进入到坩埚（41）内后，由于温度远大于其升华温度，投入后会迅速升华，并与经过的碳化硅气体混合，一起继续上升；
步骤4）、当掺杂后的碳化硅气体上升至碳化硅晶锭生长板（7）后，温度降低，并在碳化硅晶锭生长板（7）再次结晶生成目标物质均匀掺杂的半绝缘碳化硅晶锭。
9.根据权利要求7所述碳化硅晶锭生长的方法，其特征在于，在步骤1）中，所述掺杂剂为钒、铬、锰或钴中的一种。
10.根据权利要求7所述碳化硅晶锭生长的方法，其特征在于，在步骤2）中，冷却液的注入量等于蒸发量。
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