【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于碳化硅晶體制備，具體涉及一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐及碳化硅單晶生長(zhǎng)方法。
技術(shù)介紹
1、碳化硅(sic)作為第三代半導(dǎo)體材料之一，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛運(yùn)用于大功率電力電子器件及航空航天器件等領(lǐng)域。
2、大直徑sic晶體制備的常用方法是物理氣相傳輸法(physical?vaportransport)，其原理是采用感應(yīng)或電阻加熱的方式對(duì)密閉的坩堝系統(tǒng)加熱，將作為生長(zhǎng)源的固態(tài)混合物置于溫度較高的坩堝底部，籽晶固定在溫度較低的坩堝頂部，生長(zhǎng)源在低壓高溫下升華分解產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)，在由生長(zhǎng)源與籽晶之間存在的溫度梯度而形成的壓力梯度的驅(qū)動(dòng)下，這種氣態(tài)物質(zhì)自然輸運(yùn)到低溫的籽晶位置，并由于超飽和度的產(chǎn)生而潔凈生長(zhǎng)。碳化硅晶體取出后進(jìn)行機(jī)械切割、研磨和拋光。
3、從碳化硅晶體生長(zhǎng)過程及設(shè)備結(jié)構(gòu)可知，其軸向及徑向均存在較大的溫度梯度，導(dǎo)致生長(zhǎng)出來的碳化硅晶體中必然存在較大的內(nèi)應(yīng)力。其次，籽晶需要粘接在坩堝蓋上，而碳化硅晶體與坩堝蓋之間熱膨脹系數(shù)相差較大，額外增加了碳化硅晶體內(nèi)部的應(yīng)力。從晶體生長(zhǎng)出來到晶片的應(yīng)用還需要經(jīng)過切割、研磨等一系列的加工過程，內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)極大加劇加工難度，使得晶片成品率低，而且加工出的晶片面型也很難達(dá)到較好的水平，這就必然給后續(xù)的外延工藝帶來困難。
4、專利cn?111118598?b公開了一種高質(zhì)量碳化硅單晶、襯底及其高效制備方法，屬于半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。該制備方法包括將原料和籽晶置于坩堝，組裝坩堝和保溫結(jié)構(gòu)置于長(zhǎng)晶爐
5、專利cn?110284199?b公開了本專利技術(shù)涉及一種晶體原位碳化退火裝置及方法，所述晶體原位碳化退火裝置包括：形成生長(zhǎng)室并在其內(nèi)部生長(zhǎng)晶體的石墨坩堝；包裹在石墨坩堝外周但露出至少部分坩堝頂部的外周保溫層；生長(zhǎng)爐，在所述生長(zhǎng)爐的下部放置包裹有外周保溫層的石墨坩堝，在且在該生長(zhǎng)爐的下部的內(nèi)周設(shè)置有用于調(diào)節(jié)生長(zhǎng)爐內(nèi)溫度的感應(yīng)線圈，所述生長(zhǎng)爐還具有充放氣接口以選擇性地與真空源或惰性氣體源連接；設(shè)置在所述石墨坩堝上方可升降的上保溫層，所述上保溫層朝向所述石墨坩堝一側(cè)懸掛硅粉裝載單元，所述上保溫層在晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)位于遠(yuǎn)離坩堝的生長(zhǎng)爐頂部，當(dāng)生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)，下降所述上保溫層，蓋住所述石墨坩堝并借助退火溫度使硅粉裝載單元釋放硅氣氛進(jìn)入所述生長(zhǎng)室。
6、現(xiàn)有解決方案中，為了降低晶體生長(zhǎng)帶來的內(nèi)應(yīng)力，通常是在生長(zhǎng)結(jié)束后直接退火，即晶體第一次原位退火，但現(xiàn)有的原位退火效果不足，僅通過原位退火并不能很好的去處晶體內(nèi)應(yīng)力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為解決晶體生長(zhǎng)帶來的內(nèi)應(yīng)力問題，本專利技術(shù)提供一種低應(yīng)力的碳化硅單晶生長(zhǎng)真空感應(yīng)爐，將保溫層分為上、下兩部分，通過升降機(jī)構(gòu)對(duì)上保溫層位置進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度梯度的可控性；通過將中部測(cè)溫孔移到坩堝外緣進(jìn)行測(cè)溫，使得測(cè)溫孔直徑實(shí)現(xiàn)最小化，碳化硅籽晶徑向溫度梯度減小；通過在生長(zhǎng)爐上蓋增加堵頭輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，在退火過程中進(jìn)減小碳化硅晶體的溫度梯度，從而減小殘余應(yīng)力；通過改進(jìn)生長(zhǎng)工藝，在晶錠生長(zhǎng)到一半厚度時(shí)進(jìn)行晶錠升溫釋放應(yīng)力的操作，減小應(yīng)力和缺陷在生長(zhǎng)過程中的擴(kuò)展；通過在生長(zhǎng)結(jié)束后進(jìn)行測(cè)溫孔封堵、晶錠升溫退火操作，以便在降溫過程中，減小晶體內(nèi)部溫度梯度并釋放晶體中的應(yīng)力，從而得到低應(yīng)力的碳化硅單晶；通過改進(jìn)控溫方式，實(shí)現(xiàn)碳化硅晶錠生長(zhǎng)面溫度的精確控制，提高碳化硅晶錠晶型的穩(wěn)定性，從而減小碳化硅晶錠的應(yīng)力。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采取以下技術(shù)方案：
3、一種低應(yīng)力的碳化硅單晶生長(zhǎng)真空感應(yīng)爐，具體包括支撐筒、感應(yīng)爐上蓋及感應(yīng)爐下蓋，感應(yīng)爐上蓋設(shè)置在支撐筒的上部，感應(yīng)爐下蓋設(shè)置在支撐筒的下部；
4、所述感應(yīng)爐上蓋上設(shè)有上保溫層升降機(jī)構(gòu)、第一密封結(jié)構(gòu)、上測(cè)溫窗、第三密封結(jié)構(gòu)和測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，上保溫層升降機(jī)構(gòu)穿過感應(yīng)爐上蓋的中心，第一密封結(jié)構(gòu)設(shè)置于上保溫層升降機(jī)構(gòu)和感應(yīng)爐上蓋之間，并通過第一密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，上保溫層升降機(jī)構(gòu)與上保溫層升降電機(jī)相連接，上保溫層升降電機(jī)設(shè)置于感應(yīng)爐上蓋的頂部，測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)穿過感應(yīng)爐上蓋并通過第三密封結(jié)構(gòu)固定，實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，上測(cè)溫窗的頂部設(shè)有上紅外測(cè)溫儀；
5、所述支撐筒內(nèi)部自上而下依次設(shè)置有測(cè)溫孔堵頭、上保溫層、坩堝蓋、坩堝、下保溫層及坩堝固定機(jī)構(gòu)，測(cè)溫孔堵頭與測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，上保溫層與上保溫層升降機(jī)構(gòu)相連接，上保溫層上設(shè)置有上測(cè)溫孔，下保溫層內(nèi)部設(shè)置有坩堝和坩堝蓋，下保溫層底部中心設(shè)有下測(cè)溫孔，下保溫層下部設(shè)置坩堝固定機(jī)構(gòu)，坩堝蓋設(shè)置于坩堝的上部；支撐筒外部周圍設(shè)有感應(yīng)線圈和線圈升降機(jī)構(gòu)，線圈升降機(jī)構(gòu)設(shè)置于感應(yīng)線圈的外部，線圈升降機(jī)構(gòu)上部與線圈升降電機(jī)相連接；
6、所述感應(yīng)爐下蓋上設(shè)有坩堝旋轉(zhuǎn)軸和第二密封結(jié)構(gòu)，坩堝旋轉(zhuǎn)軸穿過感應(yīng)爐下蓋中心，第二密封結(jié)構(gòu)設(shè)置于坩堝旋轉(zhuǎn)軸和感應(yīng)爐下蓋之間，并通過第二密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，坩堝旋轉(zhuǎn)軸上自上而下設(shè)置有第二齒輪和下測(cè)溫窗，第二齒輪一側(cè)設(shè)置有第一齒輪，并通過第一齒輪與坩堝旋轉(zhuǎn)電機(jī)相連接，下測(cè)溫窗底部設(shè)置有下紅外測(cè)溫儀。
7、所述支撐筒為雙層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為石英。
8、所述上保溫層升降機(jī)構(gòu)具有對(duì)上保溫層進(jìn)行自動(dòng)升降的功能。
9、所述上保溫層和下保溫層的中心軸線重合。
10、所述坩堝旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以通過第一齒輪、第二齒輪、坩堝旋轉(zhuǎn)軸、坩堝固定固定機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，使坩堝、坩堝蓋和下保溫層繞中心軸旋轉(zhuǎn)。
11、所述測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有上下移動(dòng)功能，控制測(cè)溫孔堵頭進(jìn)入或移出上測(cè)溫孔；所述測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)移動(dòng)功能，控制測(cè)溫孔堵頭旋轉(zhuǎn)到上測(cè)溫孔外，；所述測(cè)溫孔堵頭直徑小于上測(cè)溫孔直徑0.5mm～1mm，測(cè)溫孔堵頭底部帶有倒角，倒角大小為0.5mm～1mm。
12、所述的線圈升降電機(jī)通過線圈升降機(jī)構(gòu)使感應(yīng)線圈升降移動(dòng)。
13、所述坩堝蓋和坩堝的材質(zhì)為石墨，坩堝蓋上粘結(jié)有碳化硅籽晶，坩堝內(nèi)部盛有碳化硅粉料。
14、一種碳化硅晶體的生長(zhǎng)方法，采用上述裝置實(shí)現(xiàn)，具體包括以下步驟：
15、步驟1.準(zhǔn)備：將碳化硅粉料放入坩堝腔體內(nèi)，將籽晶粘接在坩堝蓋上，然后將坩堝與坩堝旋緊密封至密封狀態(tài)后，放入真空感應(yīng)爐中，密封真空感應(yīng)爐后抽真空；
16、步驟2.第一階段生長(zhǎng)：采用物理氣相傳輸法生長(zhǎng)碳化硅單晶，移動(dòng)感應(yīng)線圈至初始位置，充入惰性氣體作為載氣，單晶在設(shè)定的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)，得到晶錠ⅰ；所述初始位置為第一階段生長(zhǎng)位本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，具體包括支撐筒、感應(yīng)爐上蓋及感應(yīng)爐下蓋，感應(yīng)爐上蓋設(shè)置在支撐筒的上部，感應(yīng)爐下蓋設(shè)置在支撐筒的下部；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，上保溫層升降機(jī)構(gòu)穿過感應(yīng)爐上蓋的中心，第一密封結(jié)構(gòu)設(shè)置于上保溫層升降機(jī)構(gòu)和感應(yīng)爐上蓋之間，并通過第一密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，上保溫層升降機(jī)構(gòu)與上保溫層升降電機(jī)相連接，上保溫層升降電機(jī)設(shè)置于感應(yīng)爐上蓋的頂部，測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)穿過感應(yīng)爐上蓋并通過第三密封結(jié)構(gòu)固定，實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，上測(cè)溫窗的頂部設(shè)有上紅外測(cè)溫儀；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，測(cè)溫孔堵頭與測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，上保溫層與上保溫層升降機(jī)構(gòu)相連接，上保溫層上設(shè)置有上測(cè)溫孔，下保溫層內(nèi)部設(shè)置有坩堝和坩堝蓋，下保溫層底部中心設(shè)有下測(cè)溫孔，下保溫層下部設(shè)置坩堝固定機(jī)構(gòu)，坩堝蓋設(shè)置于坩堝的上部；支撐筒外部周圍設(shè)有感應(yīng)線圈和線圈升降機(jī)構(gòu)，線圈升降機(jī)構(gòu)設(shè)置于感應(yīng)線圈的外部，線圈升降機(jī)構(gòu)上部與線圈升降電機(jī)相連接；線圈升降電機(jī)通過線圈升降機(jī)構(gòu)使感應(yīng)線圈升降移動(dòng)；p>
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，坩堝旋轉(zhuǎn)軸穿過感應(yīng)爐下蓋中心，第二密封結(jié)構(gòu)設(shè)置于坩堝旋轉(zhuǎn)軸和感應(yīng)爐下蓋之間，并通過第二密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封；坩堝旋轉(zhuǎn)軸上自上而下設(shè)置有第二齒輪和下測(cè)溫窗，第二齒輪一側(cè)設(shè)置有第一齒輪，并通過第一齒輪與坩堝旋轉(zhuǎn)電機(jī)相連接，下測(cè)溫窗底部設(shè)置有下紅外測(cè)溫儀；
5.一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)方法，采用權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐實(shí)現(xiàn)，其特征在于，具體包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述第一階段生長(zhǎng)和第二階段生長(zhǎng)過程中，通過溫度函數(shù)T控＝T(t)直接控制上測(cè)溫點(diǎn)溫度，通過上下保溫層間隙函數(shù)L＝L(t)直接控制上保溫層高度；從而間接控制碳化硅生長(zhǎng)速度滿足v＝v(t)；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述函數(shù)T控＝T(t)、L＝L(t)、v＝v(t)構(gòu)建過程為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述S1中的晶錠厚度h，以碳化硅晶錠的初始厚度h0為最小厚度，即籽晶厚度，以生長(zhǎng)結(jié)束的目標(biāo)厚度為最大厚度；i、j分別獨(dú)立的為15～30；
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)方法，其特征在于，步驟1中，所述碳化硅粉料為5N級(jí)；
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)方法，其特征在于，步驟3和步驟5中，充入惰性氣體后反應(yīng)室氣壓為0.9atm～1.0atm，升溫后的晶錠溫度比單晶生長(zhǎng)溫度高80℃～100℃，保溫時(shí)間為5h～6h。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，具體包括支撐筒、感應(yīng)爐上蓋及感應(yīng)爐下蓋，感應(yīng)爐上蓋設(shè)置在支撐筒的上部，感應(yīng)爐下蓋設(shè)置在支撐筒的下部；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，上保溫層升降機(jī)構(gòu)穿過感應(yīng)爐上蓋的中心，第一密封結(jié)構(gòu)設(shè)置于上保溫層升降機(jī)構(gòu)和感應(yīng)爐上蓋之間，并通過第一密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，上保溫層升降機(jī)構(gòu)與上保溫層升降電機(jī)相連接，上保溫層升降電機(jī)設(shè)置于感應(yīng)爐上蓋的頂部，測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)穿過感應(yīng)爐上蓋并通過第三密封結(jié)構(gòu)固定，實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，上測(cè)溫窗的頂部設(shè)有上紅外測(cè)溫儀；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，測(cè)溫孔堵頭與測(cè)溫孔堵頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，上保溫層與上保溫層升降機(jī)構(gòu)相連接，上保溫層上設(shè)置有上測(cè)溫孔，下保溫層內(nèi)部設(shè)置有坩堝和坩堝蓋，下保溫層底部中心設(shè)有下測(cè)溫孔，下保溫層下部設(shè)置坩堝固定機(jī)構(gòu)，坩堝蓋設(shè)置于坩堝的上部；支撐筒外部周圍設(shè)有感應(yīng)線圈和線圈升降機(jī)構(gòu)，線圈升降機(jī)構(gòu)設(shè)置于感應(yīng)線圈的外部，線圈升降機(jī)構(gòu)上部與線圈升降電機(jī)相連接；線圈升降電機(jī)通過線圈升降機(jī)構(gòu)使感應(yīng)線圈升降移動(dòng)；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低應(yīng)力碳化硅單晶生長(zhǎng)感應(yīng)爐，其特征在于，坩堝旋轉(zhuǎn)軸穿過感應(yīng)爐下蓋中心，第二密封結(jié)構(gòu)設(shè)置于坩堝旋轉(zhuǎn)軸和感應(yīng)爐下蓋之間，并通過第二密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封；坩堝旋轉(zhuǎn)軸上自上而下設(shè)置有第二齒輪...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李建昌，丘榮生，周明旭，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東北大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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