一种制备高质量单晶碳化硅的装置及其应用
技术领域
本发明涉及晶体材料制备装置技术领域，尤其涉及一种高质量单晶碳化硅的制备装置，还涉及制备高质量单晶碳化硅的装置在制备高质量单晶碳化硅中的应用。
背景技术
碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性能，被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。目前物理气相输运(PVT)法是生产碳化硅单晶的主要生长技术，即在高温下使碳化硅原料升华产生的气相源输运至籽晶处重新结晶而成。
PVT法生长碳化硅单晶的生长过程是在密闭的石墨坩埚中进行，因此在高温下生长环境处于富碳气氛下。晶体生长初期，由于硅组分的蒸气分压较高，因此晶体生长界面处于硅组分和碳组分相对平衡的状态。随着晶体生长的进行，碳化硅原料中的硅组分不断地升华减少，导致生长腔室内的气相组分逐渐失衡成为富碳状态。在富碳的生长环境下，晶体生长的前沿界面会有碳的富集并形成碳包裹体缺陷。包裹体缺陷会诱生微管、位错、层错等缺陷，严重影响碳化硅衬底质量，进而影响外延层质量和器件性能。
PVT法生长碳化硅晶体时，通常使用一个坩埚进行碳化硅长晶，在晶体生长的中后期，由于硅组分的大量挥发和逸散，底部的碳化硅原料碳化严重，导致生长腔室内的气相组分逐渐失衡成为富碳状态。在富碳的生长环境下，晶体生长的前沿界面会有碳的富集并形成碳包裹体缺陷。为了消除碳化硅晶体中存在的碳包裹体缺陷，西安理工大学的王凤府等在原有长晶坩埚中加入一个装有富硅原料的小坩埚，以希望在晶体生长过程中作为硅组分的补充源，从而减少富碳组分的生成，进而抑制碳包裹体的形成[王凤府.原料中掺入Si粉对SiC晶体质量的影响[D].西安理工大学,2013.]。该方法不能灵活的控制小坩埚中硅的升华时间，有可能造成硅的提前升华或者滞后升华，硅提前升华会造成生长腔内硅气氛过多，容易形成硅包裹体、微管等缺陷；硅滞后升华则不能起到抑制碳包裹体的作用。
CN105671637A和CN205653539U公开了一种PVT法生长碳化硅单晶缓释的装置，坩埚内设置有隔板，所述隔板将所述碳化硅粉源分隔成上下两层，隔板上设置由若干个连通上下两层碳化硅粉源的孔。CN207062351U公开了一种两段蒸馏的真空炉，坩埚Ⅰ和坩埚Ⅱ通过导气管连通，温控加热构件Ⅰ与坩埚Ⅰ连接，温控加热构件Ⅱ与坩埚Ⅱ连接，热电偶Ⅰ设置在坩埚Ⅰ内，热电偶Ⅱ设置在坩埚Ⅱ内，实现对两个坩埚分别加热，实现对金属物料的两次真空蒸馏。以上专利文献对单晶碳化硅长晶过程中硅元素的流失控制效果不理想，控制不够准确。
发明内容
现有的技术无法充分抑制碳化硅原料的碳化，导致在晶体生长的后期出现较高浓度的碳包裹体缺陷，导致晶体质量和衬底质量大幅降低。西安理工大学王凤府等在原有长晶坩埚中加入一个装有富硅原料的小坩埚，以希望在晶体生长过程中作为硅组分的补充源的方法，不能灵活的控制小坩埚中硅的升华时间，有可能造成硅的提前升华或者滞后升华，硅提前升华会造成生长腔内硅气氛过多，容易形成硅包裹体、微管等缺陷；硅滞后升华则不能起到抑制碳包裹体的作用。另外，小坩埚的加入会增加引入额外杂质的风险。此外小坩埚的尺寸受限，小坩埚中原料可提供的硅气氛也会受到限制，可能导致在生长后期硅气氛补充不总，不能很好的抑制晶体生长后期碳包裹的形成。本发明提出的高质量单晶碳化硅的制备装置可灵活控制硅气氛补充的时间，在抑制碳包裹体的同时还可以避免以上问题的产生。
本发明针对现有技术中单晶碳化硅制备过程中容易形成较多的碳包裹体、微管等缺陷的问题，提供了一种制备高质量单晶碳化硅的装置，所述制备装置包括：至少第一坩埚和第二坩埚、至少两个加热元件以及保温结构；其中，所述至少两个坩埚相互连通；每个坩埚对应至少一个加热元件；每个坩埚的加热是独立控制的；所述第一坩埚用于单晶碳化硅晶体的生长，所述第二坩埚用于硅气氛的补充。增加至少一个用于补充硅气氛的坩埚，在晶体生长阶段中后期，补充的硅气氛会通过连通管道进入生长腔内，使得生长腔内的硅碳比达到平衡，减少甚至消除碳包裹体的形成。每个坩埚的温度都由单独的中频线圈控制，提高了温度控制的灵活性。
一方面，本发明提供了一种制备高质量单晶碳化硅的装置，所述装置包括：至少第一坩埚和第二坩埚、至少两个加热元件以及保温结构；其中，所述至少两个坩埚相互连通；每个坩埚对应至少一个加热元件；每个坩埚的加热是独立控制的；所述第一坩埚用于单晶碳化硅晶体的生长，所述第二坩埚用于硅气氛的补充。
进一步的，所述第一坩埚和所述第二坩埚上下串联连通。
更进一步的，所述第一坩埚和所述第二坩埚通过连通管道相互连通，所述第一坩埚和所述第二坩埚与连通管道的连接方式是螺纹连接。
更进一步的，在所述第一坩埚和所述第二坩埚之间增加一个或多个坩埚，且所有坩埚相互连通。
进一步的，所述加热元件选自电阻加热圈、感应加热圈、电弧加热圈、电子束加热圈、红外线加热圈或介质加热圈中的一种。
更进一步的，所述加热元件为感应加热圈，感应加热圈可为中频线圈或高频线圈中的一种。优选的，所述加热元件可为中频线圈。
进一步的，所述第一坩埚设置有用于晶体生长的原料和籽晶，所述第二坩埚设置有用于硅气氛补充的富硅原料。
更进一步的，所述用于晶体生长的原料选自高纯碳化硅粉料、高纯硅粉和高纯碳粉的混合物。
更进一步的，所述富硅原料选自硅元素比例高于碳元素比例的材料。优选所述富硅原料为高纯硅粉。
进一步的，所述保温结构可以是一套保温结构，也可以是多套保温结构，其中，多套保温结构的数量与坩埚的数量一致。
更进一步的，所述保温结构可以是分体填充式保温结构，包括支架部分和填充部分。
更进一步的，所述第一坩埚和所述第二坩埚上下串联连通。所述第一坩埚底部设置挡料板，所述挡料板与所述第一坩埚的底部通过螺纹连接方式相连接。
更进一步的，所述挡料板的长度为所述第一坩埚的高度的1/3-2/3。优选的，所述挡料板的长度为所述第一坩埚的高度的1/2。
更进一步的，所述连通管道的横截面积是所述第一坩埚横截面积的1/12-1/6。优选的，所述连通管道的横截面积是所述第一坩埚横截面积的1/10-1/8。更优选的，所述连通管道的横截面积是所述第一坩埚横截面积的1/9。
更进一步的，所述连通管道与所述第一坩埚和所述第二坩埚的连接方式为螺纹连接。
更进一步的连通管道的横截面的形状可为圆形、椭圆形、正方形、长方形、菱形、多边形中的一种；优选的正方形、长方形、菱形、多边形的各个角处均是圆弧形状。
另一方面，本发明还提供了上述制备高质量单晶碳化硅的装置在制备高质量单晶碳化硅中的应用。
进一步的，所述应用方法具体包括以下步骤：
将所述第一坩埚内生长腔抽真空至5-80mbar，对所述第一坩埚加热至长晶温度2000-2500℃，进行第一阶段长晶，当所述第一坩埚内气相中Si和C比例小于1.1时，结束第一阶段长晶；对所述第二坩埚进行加热至长晶温度2000-2500℃，所述第二坩埚内的硅气氛补充入所述第一坩埚中，进行第二阶段长晶10-50h。
更进一步的，当所述第一坩埚内气相中Si和C比例达到1.0-1.1:1时，结束第一阶段长晶。优选的，当所述第一坩埚内气相中Si和C比例达到1.0-1.05:1时，结束第一阶段长晶。更优选的，当所述第一坩埚内气相中Si和C比例达到1.0-1.01:1时，结束第一阶段长晶。
更进一步的，在所述碳化硅晶体生长的第一阶段开始前，所述应用方法还包括：在所述第一坩埚中装入长晶原料和籽晶，在所述第二坩埚中装入富硅组分的原料，并向所述第一坩埚和所述第二坩埚内通入保护气体。
所述保护气体选自氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气中一种或多种。
更进一步的，在所述碳化硅晶体生长的第二阶段结束后，所述应用方法还包括如下步骤：向所述第一坩埚和第二坩埚内通入保护气体，至坩埚内压力达到一个大气压，同时自然冷却至室温，即可制得高质量的单晶碳化硅。
所述保护气体选自氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气中一种或多种。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用两个以上相互连通的坩埚，每个坩埚中均可放置碳化硅长晶需要的原料；其中一个坩埚放置籽晶进行长晶，其余坩埚中的原料为富硅的原料，在晶体生长阶段中后期，可为长晶用的坩埚提供硅气氛补充，可减少甚至消除晶体碳包裹体的形成。
2.本发明采用两段以上的加热元件可实现对每个坩埚单独的控制，可根据实际生产需要分阶段、分时间、分工艺控制，提高控制的灵活性，可减少由于对硅气氛补充时间的控制不当而引起的硅包裹体、微管等缺陷。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明包括上下串联连通的坩埚的制备高质量单晶碳化硅的装置的示意图。
其中：1.第一测温孔；2.第一坩埚；3.籽晶；4.挡料板；5.第一加热元件；6.长晶原料；7.连通管道；8.第二坩埚；9.第二加热元件；10.富硅原料；11.保温结构；12.第二测温孔。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合以下具体实施例进行详细说明，但不限制本发明的保护范围。
实施例1
制备高质量单晶碳化硅的装置如图1所示，所述制备装置包括：用于碳化硅单晶生长的第一坩埚(2)、用于补充硅气氛的第二坩埚(8)、用于连接第一坩埚和第二坩埚的连通管道(7)、用于第一坩埚加热的第一加热元件(5)、用于第二坩埚加热的第二加热元件(9)、挡料板(4)和保温结构(11)，还包括用于测量第一坩埚的温度的第一测量孔(1)、用于测量第二坩埚的温度的第二测量孔(12)，其中，所述第一坩埚、所述第二坩埚与所述连通管道的连接方式是螺纹连接，所述挡料板与第一坩埚的连接方式是螺纹连接，所述第一加热元件和所述第二加热元件是独立控制的。
所述第一坩埚和所述第二坩埚的连通方式是上下串联连通的。
所述第一加热元件和所述第二加热元件均为中频线圈。
所述第一坩埚中设有籽晶(3)和用于碳化硅单晶生长的长晶原料(6)；所述第二坩埚中设有用于硅气氛补充的富硅原料(10)。
所述挡料板的长度为所述第一坩埚的高度的1/3-2/3。
所述连通管道的横截面积是所述第一坩埚横截面积的1/12-1/6。
本发明的所述保温结构没有特别限定，只要能起到保温作用即可，所述保温结构可以是一套保温结构，也可以是多套保温结构，其中，多套保温结构的数量与坩埚的数量一致。
所述保温结构可以是分体填充式保温结构，包括支架部分和填充部分。
实施例2
制备高质量单晶碳化硅的方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在所述第一坩埚中装入长晶原料碳化硅粉料和籽晶，在所述第二坩埚中装入富硅组分的原料，并向所述第一坩埚和所述第二坩埚内通入保护气体氦气；
(2)将所述第一坩埚内生长腔抽真空5mbar，并将所述第一加热元件的控制开关打开，对所述第一坩埚进行加热，使所述第一坩埚的温度逐步提升至长晶温度2000℃，进行第一阶段长晶50h；
(3)步骤(2)中的第一阶段长晶结束后，此时，所述第一坩埚中生长腔中的生长气氛的硅碳比为1.0，打开所述第二加热元件的控制开关，对所述第二坩埚进行加热，使所述第二坩埚的温度逐步提升至长晶温度2500℃，所述第二坩埚内的硅气氛补充入所述第一坩埚中，进行第二阶段长晶30h；
(4)步骤(3)中的第二阶段长晶结束后，向所述第一坩埚和所述第二坩埚内通入保护气体，至坩埚内压力达到一个大气压，同时自然冷却至室温，即可制得高质量的单晶碳化硅。
实施例3
制备高质量单晶碳化硅的方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在所述第一坩埚中装入长晶原料碳化硅粉料和籽晶，在所述第二坩埚中装入富硅组分的原料，并向所述第一坩埚和所述第二坩埚内通入保护气体氢气；
(2)将所述第一坩埚内生长腔抽真空80mbar，并将所述第一加热元件的控制开关打开，对所述第一坩埚进行加热，使所述第一坩埚的温度逐步提升至长晶温度2500℃，进行第一阶段长晶10h；
(3)步骤(2)中的第一阶段长晶结束后，此时，所述第一坩埚中生长腔中的生长气氛的硅碳比为1.01，打开所述第二加热元件的控制开关，对所述第二坩埚进行加热，使所述第二坩埚的温度逐步提升至长晶温度2000℃，所述第二坩埚内的硅气氛补充入所述第一坩埚中，进行第二阶段长晶50h；
(4)步骤(3)中的第二阶段长晶结束后，向所述第一坩埚和所述第二坩埚内通入保护气体，至坩埚内压力达到一个大气压，同时自然冷却至室温，即可制得高质量的单晶碳化硅。
实施例4
制备高质量单晶碳化硅的方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在所述第一坩埚中装入长晶原料碳化硅粉料和籽晶，在所述第二坩埚中装入富硅组分的原料，并向所述第一坩埚和所述第二坩埚内通入保护气体氦气；
(2)将所述第一坩埚内生长腔抽真空50mbar，并将所述第一加热元件的控制开关打开，对所述第一坩埚进行加热，使所述第一坩埚的温度逐步提升至长晶温度2200℃，进行第一阶段长晶40h；
(3)步骤(2)中的第一阶段长晶结束后，此时，所述第一坩埚中生长腔中的生长气氛的硅碳比为1.05，打开所述第二加热元件的控制开关，对所述第二坩埚进行加热，使所述第二坩埚的温度逐步提升至长晶温度2400℃，所述第二坩埚内的硅气氛补充入所述第一坩埚中，进行第二阶段长晶20h；
(4)步骤(3)中的第二阶段长晶结束后，向所述第一坩埚和所述第二坩埚内通入保护气体，至坩埚内压力达到一个大气压，同时自然冷却至室温，即可制得高质量的单晶碳化硅。
使用本发明的高质量单晶碳化硅的制备装置制备出的单晶碳化硅具有较少的碳包裹体浓度。分别选取普通坩埚结构和本发明的坩埚结构生长出的单晶碳化硅10块，单晶碳化硅切片后在显微镜下观察碳包裹体的浓度情况。每块单晶碳化硅统一抽取第10片和第20片，在50倍放大倍数下，统计的碳包裹体浓度数据如表1所示。
表1采用普通坩埚与本发明坩埚产出单晶碳化硅晶片第10片与第20片包裹体浓度(/cm3)
从上表数据可以看出，使用本发明的坩埚生产出的单晶碳化硅的碳包裹体浓度明显低于采用普通坩埚生产出的单晶碳化硅的碳包裹体浓度。采用本发明坩埚生产的单晶碳化硅的第10片和第20片晶片的碳包裹体平均浓度仅为0.36/cm3和0.71/cm3，而采用普通坩埚生产的单晶碳化硅的第10片和第20片晶片的碳包裹体平均浓度为1.24/cm3和1.77/cm3。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。
