一種碳化硅單晶制造裝置的制作方法

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體機(jī)械設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳化硅單晶制造裝置。

背景技術(shù)：

升華法是目前制造碳化硅晶體的標(biāo)準(zhǔn)方法，一般采用中頻感應(yīng)加熱方式，即對(duì)坩堝內(nèi)的碳化硅進(jìn)行加熱升華，并在坩堝上方還設(shè)有籽晶，因此氣態(tài)碳化硅上升并接觸到籽晶后凝結(jié)并形成碳化硅單晶。加熱器對(duì)爐體內(nèi)的大環(huán)境進(jìn)行加熱，難以對(duì)晶體生長(zhǎng)面的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，且目前采用的方法是直接將晶體生長(zhǎng)面的溫度設(shè)置在2250℃左右，但是直接在該溫度下生長(zhǎng)的碳化硅單晶在后續(xù)的機(jī)械加工過(guò)程中容易出現(xiàn)破損，為了提高碳化硅單晶的品質(zhì)，只能降低生長(zhǎng)速度，同時(shí)減小生長(zhǎng)口徑，為了保證碳化硅晶體品質(zhì)而降低生長(zhǎng)速度以及減少生長(zhǎng)口徑也導(dǎo)致碳化硅單晶的成本過(guò)高。

另外還有一種CVD法制作碳化硅單晶，如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)枺?01110431762.3)公開(kāi)了一種制造碳化硅單晶的裝置，通過(guò)從籽晶的下面供應(yīng)原料氣體來(lái)在籽晶上生長(zhǎng)碳化硅單晶，該裝置包括加熱容器和定位于加熱容器中的基部，籽晶安裝于基部上，該裝置還包括用于引起凈化氣體沿著加熱容器的內(nèi)壁表面流動(dòng)的第一入口、用于將凈化氣體供應(yīng)至第一入口的凈化氣體源、用于引起凈化氣體沿著基部的外壁表面流動(dòng)的第二入口、以及用于支撐基部以及用于將凈化氣體從基部的下面供應(yīng)至基部的機(jī)構(gòu)，該裝置是高溫CVD法制作碳化硅單晶的設(shè)備，通過(guò)氣體作為原料并通過(guò)S_iH₄來(lái)制作碳化硅單晶，不使用粉末，氣體污染大，與通過(guò)物理的升華法制作碳化硅單晶是完全不同的制作原理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問(wèn)題，提出了一種碳化硅單晶制造裝置，該碳化硅單晶制造裝置能夠在保證碳化硅單晶的高品質(zhì)的前提下高速生長(zhǎng)碳化硅單晶，實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶的大口徑生長(zhǎng)，減少后期機(jī)械加工的損失。

本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種碳化硅單晶制造裝置，包括爐體和設(shè)置在爐體內(nèi)的坩堝，在坩堝的上部設(shè)置能夠安裝籽晶的籽晶保持架，所述籽晶保持架能夠自轉(zhuǎn)和上下升降，在爐體內(nèi)還設(shè)有加熱爐體使?fàn)t體形成環(huán)境溫度梯度的爐體加熱器，其特征在于，在籽晶保持架外設(shè)有能作用在碳化硅單晶上的加熱冷卻器。

坩堝內(nèi)放置碳化硅粉末，爐體加熱器能夠?qū)t體進(jìn)行加熱，使得爐體內(nèi)形成一個(gè)沿軸向呈梯度分布的環(huán)境溫度，在爐體加熱器的加熱下坩堝內(nèi)的碳化硅粉末升華成氣態(tài)并上升至籽晶處，籽晶保持架上安裝有籽晶，籽晶的下端面為晶體生長(zhǎng)面，加熱冷卻器設(shè)置在籽晶保持架外部且對(duì)籽晶形成主要的溫度影響因素。加熱冷卻器的下端處能夠產(chǎn)生低于爐體溫度的冷卻溫度來(lái)促進(jìn)氣態(tài)碳化硅在晶體生長(zhǎng)面上凝結(jié)成碳化硅晶體。隨著碳化硅單晶的生長(zhǎng)生成，籽晶保持架向上旋轉(zhuǎn)上升，由于采用冷卻加熱器對(duì)晶體生長(zhǎng)面進(jìn)行加速冷卻結(jié)晶，在晶體生長(zhǎng)面上產(chǎn)生了凹進(jìn)或者凸出的不規(guī)則結(jié)晶面，或者生長(zhǎng)出了針狀的表面或出現(xiàn)毛細(xì)氣孔，導(dǎo)致加快冷卻產(chǎn)生了較壞的結(jié)晶和機(jī)械性能，此時(shí)，加熱冷卻器對(duì)這些不利的結(jié)晶面進(jìn)行高于爐體溫度的碳化硅升華溫度進(jìn)行加熱，使得不利的結(jié)晶面氣化升華并恢復(fù)至較為平整的結(jié)晶生長(zhǎng)面，保證碳化硅單晶的品質(zhì)，即減少其后的機(jī)械性加工損失，之后又進(jìn)行快速冷卻，如此冷卻加熱循環(huán)進(jìn)行，達(dá)到快速長(zhǎng)晶的效果，同時(shí)又能保持好好的機(jī)械性能。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述的加熱冷卻器能夠形成沿著碳化硅單晶生長(zhǎng)軸向分布的溫度梯度。氣態(tài)碳化硅能夠在籽晶生正面上凝結(jié)，并逐漸凝結(jié)成柱狀，該柱狀的方向?yàn)閱尉L(zhǎng)軸向，而加熱冷卻器內(nèi)有一段沿碳化硅單晶生長(zhǎng)軸向分布的溫度梯度，該溫度梯度能減少生成的碳化硅單晶在冷卻后內(nèi)部的應(yīng)力，減少其后的機(jī)械性加工損失，即切割研磨時(shí)的破裂與破損。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述加熱冷卻器為頻率為10KHz～50KHz的感應(yīng)加熱線(xiàn)圈，包括螺旋設(shè)置的銅管，上述籽晶保持架上升時(shí)能夠穿過(guò)銅管。螺旋設(shè)置的銅管產(chǎn)生中高頻電流進(jìn)行加熱，需要降低溫度時(shí)在銅管內(nèi)通入冷卻介質(zhì)使碳化硅單晶生長(zhǎng)的區(qū)域溫度低于爐體內(nèi)環(huán)境溫度，冷卻介質(zhì)可以是惰性氣體氬氣等常規(guī)的介質(zhì)，而且冷卻介質(zhì)的流速大小能夠形成梯度分布的溫度區(qū)間。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述加熱冷卻器形成的溫度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者減少。該溫度梯度能減少生成的碳化硅單晶內(nèi)部的應(yīng)力，減少后期碳化硅單晶在機(jī)械加工中的損失。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述加熱冷卻器下端與坩堝端口之間的距離d等于或大于20cm。晶體生長(zhǎng)面與坩堝端口之間的距離對(duì)碳化硅單晶品質(zhì)有很大的影響，該距離的變化與原料的粒度分布、形狀差異、晶體生長(zhǎng)速度、氣態(tài)碳化硅流速等因素存在復(fù)雜的關(guān)系，且會(huì)相互干涉，如籽晶保持架轉(zhuǎn)速和氣態(tài)碳化硅流速一定的情況下，晶體生長(zhǎng)面與坩堝端口距離過(guò)小，則導(dǎo)致未完全氣化的碳化硅粉末被帶到晶體生長(zhǎng)面上，碳化硅單晶生長(zhǎng)速度過(guò)快，導(dǎo)致碳化硅單晶品質(zhì)下降；反之，在籽晶保持架轉(zhuǎn)速和氣態(tài)碳化硅流速一定的情況下，若晶體生長(zhǎng)面與坩堝端口之間的距離大于60cm，晶體生長(zhǎng)面處氣態(tài)碳化硅濃度過(guò)低，碳化硅單晶生長(zhǎng)速度過(guò)慢，因此為了獲得快速高品質(zhì)的碳化硅單晶時(shí)晶體生長(zhǎng)面與坩堝端口之間的理想距離為20cm～60cm。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，本碳化硅單晶制造裝置還包括能使籽晶或者已經(jīng)生長(zhǎng)的碳化硅晶體的中央部分與周?chē)糠值臏囟炔钭冃〉膮?shù)控制器，參數(shù)控制器能夠設(shè)置籽晶保持架的旋轉(zhuǎn)速度和提升速度以及加熱冷卻器下端處的氣態(tài)碳化硅流速使碳化硅單晶的生長(zhǎng)面形成橫向溫度梯度。橫向溫度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者減少，碳化硅單晶凝結(jié)后形成柱狀，后續(xù)機(jī)械加工時(shí)需要沿徑向切片成為晶片，然后對(duì)晶片長(zhǎng)外延并進(jìn)行橫向和豎向切割形成芯片，其中如果在碳化硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中中央部分與周?chē)糠譁囟炔钶^大，則會(huì)在碳化硅單晶內(nèi)部產(chǎn)生較大的沿徑向的應(yīng)力，該應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致在碳化硅晶體后期的機(jī)械加工過(guò)程中，容易導(dǎo)致晶片破損，為此本制造裝置設(shè)置有參數(shù)控制器，通過(guò)參數(shù)控制器來(lái)減小碳化硅晶體中央部分與周?chē)糠值臏囟炔?，具體的，參數(shù)控制器通過(guò)控制籽晶保持架的旋轉(zhuǎn)速度、提升速度以及氣態(tài)碳化硅的流速來(lái)控制，如合理控制籽晶保持架的旋轉(zhuǎn)速度能夠使晶體生長(zhǎng)面受熱均勻、提升速度和氣態(tài)碳化硅的流速將影響晶體生長(zhǎng)面處的濃度，這些都是影響碳化硅晶體中央部分與周?chē)糠值臏囟炔畹囊蛩亍?/p>

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述坩堝的最小開(kāi)口面積小于坩堝內(nèi)腔橫截面面積的一半，所述坩堝高度與直徑的高寬比大于5:1。傳統(tǒng)的坩堝端口較大，上升的氣態(tài)碳化硅彌漫在爐體內(nèi)，而晶體生長(zhǎng)面僅僅是其中一小部分面積，因此難以精確控制晶體生長(zhǎng)面處的氣態(tài)碳化硅濃度，濃度稀薄，而本坩堝的端口面積較小，小于坩堝內(nèi)腔橫截面的一半，使得氣態(tài)碳化硅具有一個(gè)較快的流速后提高濃度，因此上升的氣態(tài)碳化硅能夠直接流向晶體生長(zhǎng)面，便于對(duì)晶體生長(zhǎng)面處的氣態(tài)碳化硅濃度進(jìn)行精確控制，從而對(duì)碳化硅晶體的品質(zhì)進(jìn)行保障，進(jìn)而提高長(zhǎng)晶速度，坩堝高度與直徑的比值為5:1，也可以增加，使坩堝內(nèi)的粉末有充分時(shí)間氣化。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，本碳化硅單晶制造裝置還包括能控制爐體加熱器形成的溫度梯度的大小的溫度控制器，該溫度控制器能夠控制爐體加熱器平緩碳化硅晶型轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，使得溫度的下降速度為0.5℃/min～30℃/min。本制造裝置設(shè)置有溫度控制器，能夠感應(yīng)溫度梯度區(qū)間內(nèi)的溫度波動(dòng)變化，從而及時(shí)的控制爐體加熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，進(jìn)而提高碳化硅晶體的品質(zhì)，隨著碳化硅單晶凝結(jié)后的降溫退火，碳化硅單晶晶型會(huì)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，如經(jīng)過(guò)2200℃區(qū)間時(shí)晶體結(jié)構(gòu)為15R菱面體對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)、經(jīng)過(guò)1900℃區(qū)間時(shí)晶體結(jié)構(gòu)為6H六方晶、經(jīng)過(guò)1700℃區(qū)間時(shí)晶體結(jié)構(gòu)為4H立方晶、在1500℃時(shí)晶體凝結(jié)時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)為3C立方晶，而碳化硅單晶晶型轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致不同晶型之間出現(xiàn)扭曲等影響碳化硅單晶品質(zhì)的不良因素，因此溫度控制器控制爐體加熱器產(chǎn)生合適大小的溫度梯度，該呈梯度變化的溫度環(huán)境能夠平緩溫度下降的速度，進(jìn)而消除碳化硅單晶晶型轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高碳化硅單晶品質(zhì)，其中爐體加熱器有一個(gè)或者一個(gè)以上，可以根據(jù)需要對(duì)爐體的不同部位加熱。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述坩堝的內(nèi)底面上連接有若干噴氣管，在噴氣管的上端具有傘狀的防塵部，所述噴氣管的外壁上具有若干向下傾斜的支管，該若干支管位于防塵部下方，且支管的下端端口為噴氣口，所述噴氣管與氣源相連通。氣源能夠?yàn)閲姎夤芴峁怏w，使得氣體從支管的噴氣口噴出，而支管的噴氣口均傾斜朝下，因此噴出的氣體能夠使沉降在坩堝底面上的碳化硅粉末或者細(xì)小顆粒飛揚(yáng)漂浮，飛揚(yáng)漂浮的碳化硅粉末或者細(xì)小顆粒能夠更均勻和高效的受熱升華，提高升華效率，只有保證氣態(tài)碳化硅的生成效率才能夠?yàn)闅鈶B(tài)碳化硅的流速和濃度控制提供基礎(chǔ)，其中防塵部能夠防止碳化硅粉末或者細(xì)小顆粒堵住支管的噴氣口，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述爐體在坩堝的下方設(shè)有預(yù)熱筒，所述預(yù)熱筒下方設(shè)有對(duì)預(yù)熱筒底部進(jìn)行加熱的熱源，若干所述噴氣管的下端伸出坩堝底面并伸入預(yù)熱筒內(nèi)，所述預(yù)熱筒與氣源相連通。預(yù)熱筒通過(guò)熱源進(jìn)行加熱，當(dāng)氣源的氣體經(jīng)過(guò)預(yù)熱筒時(shí)能夠被加熱至設(shè)定溫度，該具有設(shè)定溫度的氣體進(jìn)入坩堝內(nèi)時(shí)能夠?qū)μ蓟璺勰┗蛘呒?xì)小顆粒進(jìn)行加熱，提高升華效率。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述預(yù)熱筒內(nèi)沿軸向水平固連有若干均熱板，所述均熱板之間形成供氣體迂回流動(dòng)的預(yù)熱通道，該預(yù)熱通道的進(jìn)氣端位于預(yù)熱筒底部，出氣端位于預(yù)熱筒的頂部。氣源進(jìn)入的氣體需要沿著預(yù)熱通道流動(dòng)至坩堝內(nèi)，預(yù)熱通道迂回設(shè)置，能夠充分的利用預(yù)熱筒有限的空間以及充分的利用有限數(shù)量的均熱板，從而增加氣體在預(yù)熱筒的流通時(shí)間，使得氣體被加熱充分。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述均熱板的邊沿均開(kāi)設(shè)有過(guò)氣缺口，且相鄰兩均熱板上的過(guò)氣缺口分別位于預(yù)熱筒軸心線(xiàn)的兩側(cè)，所述氣源通過(guò)供氣管與預(yù)熱筒內(nèi)腔的底部相連通，所述噴氣管與預(yù)熱筒內(nèi)腔的頂部相連通。氣體從預(yù)熱筒內(nèi)腔的底部流向頂部，而從一個(gè)過(guò)氣缺口流向相鄰的過(guò)氣缺口時(shí)氣體需要徑向流動(dòng)，因此增加氣體流動(dòng)行程。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述氣源包括若干儲(chǔ)氣桶，所述供氣管有若干根，該若干供氣管的一端均伸入爐體并與預(yù)熱筒相連通，另一端分別與若干儲(chǔ)氣桶相連通。供氣管向預(yù)熱筒輸入的氣體可以是H2、Ar、HCL、Air、C3H8，CH4，C2H6等中的一種或者多種，因此預(yù)設(shè)多個(gè)儲(chǔ)氣桶，用于儲(chǔ)存上述的多種氣體，多個(gè)儲(chǔ)氣桶通過(guò)各自的供氣管與預(yù)熱筒相連通，從而能夠向預(yù)熱筒輸入其中的一種或者多種氣體。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述籽晶保持架呈盤(pán)狀，在籽晶保持架的下端面上具有用于安裝籽晶的安裝槽，所述籽晶保持架的上端面上具有平底凹腔或者向下弧形內(nèi)凹或者向上弧形凸出。籽晶保持架能夠吸收周?chē)h(huán)境中的熱量，并快速傳遞給碳化硅單晶，籽晶保持架的上端面向下弧形內(nèi)凹時(shí)，籽晶保持架厚的地方熱量傳遞慢，薄的地方熱量傳遞快，由于碳化硅單晶導(dǎo)熱性能非常好，使得籽晶保持架的形狀在碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)生長(zhǎng)好的碳化硅單晶產(chǎn)生橫向的溫度梯度的影響，配合上述的參數(shù)控制器的設(shè)置，并通過(guò)加熱冷卻器對(duì)生長(zhǎng)好的碳化硅單晶外部進(jìn)行加熱，使結(jié)晶面的溫度梯度保持在1℃/mm～20℃/mm范圍內(nèi)增加或者減少；籽晶保持架上端面向上弧形凸出，籽晶保持架中心位置的厚度大于四周，導(dǎo)致碳化硅單晶外部的溫度大于中央位置的溫度，此時(shí)可以通過(guò)提高籽晶保持架的轉(zhuǎn)速，使得碳化硅單晶外部空氣流動(dòng)加快，從而減小碳化硅單晶中央部分與周?chē)糠值臏囟炔?，并使得結(jié)晶面的溫度梯度保持在1℃/mm～20℃/mm范圍內(nèi)增加或者減少。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述爐體的上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有升降軸，該升降軸的下端伸入爐體內(nèi)，所述籽晶保持架安裝在升降軸下端，所述升降軸的上端分別連接有能夠帶動(dòng)升降軸旋轉(zhuǎn)的電機(jī)和能夠帶動(dòng)升降軸上下升降的氣缸一。即籽晶保持架通過(guò)氣缸一帶動(dòng)升降，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，為普通的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，本制造裝置采用磁流體密封傳動(dòng)集成裝置可簡(jiǎn)化上述結(jié)構(gòu)。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述爐體加熱器包括對(duì)預(yù)熱筒進(jìn)行加熱的第一感應(yīng)加熱線(xiàn)圈、對(duì)坩堝內(nèi)的碳化硅粉末進(jìn)行加熱的第二感應(yīng)加熱線(xiàn)圈、對(duì)加熱冷卻器下端和坩堝端口之間的區(qū)域進(jìn)行加熱的第三感應(yīng)加熱線(xiàn)圈和對(duì)加熱冷卻器所在爐體上部區(qū)域進(jìn)行加熱的第四感應(yīng)加熱線(xiàn)圈。第一感應(yīng)加熱線(xiàn)圈對(duì)預(yù)熱筒進(jìn)行加熱，使進(jìn)入坩堝的氣體的溫度最適化，進(jìn)而對(duì)碳化硅粉末或者細(xì)小顆粒進(jìn)行預(yù)熱，第二感應(yīng)加熱線(xiàn)圈對(duì)坩堝進(jìn)行加熱，使得坩堝內(nèi)漂浮的碳化硅粉末快速升華，第三感應(yīng)加熱線(xiàn)圈能夠使流出坩堝的碳化硅保持氣態(tài)，同時(shí)使隨氣流流出的部分未升華的碳化硅粉末升華，保證無(wú)粉末雜質(zhì)進(jìn)入結(jié)晶生長(zhǎng)面，第四感應(yīng)加熱線(xiàn)圈能夠?yàn)榧訜崂鋮s器提供環(huán)境溫度，然后通過(guò)加熱冷卻器來(lái)精準(zhǔn)的控制溫度梯度區(qū)間。

在上述的碳化硅單晶制造裝置中，所述加熱冷卻器上連接有調(diào)節(jié)軸，所述爐體上設(shè)有能夠帶動(dòng)調(diào)節(jié)軸上下升降的氣缸二。通過(guò)氣缸二帶動(dòng)加熱冷卻器升降調(diào)節(jié)，也是一種普通現(xiàn)有的升降結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本碳化硅單晶制造裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、由于隨著碳化硅單晶的生長(zhǎng)，籽晶保持架向上旋轉(zhuǎn)上升，而加熱冷卻器能形成一段沿碳化硅單晶生長(zhǎng)軸向分布的溫度梯度，該溫度梯度能減少生成的碳化硅單晶的應(yīng)力，減少其后期在機(jī)械加工中的損失。

2、由于采用加熱冷卻器對(duì)晶體生長(zhǎng)面進(jìn)行加速冷卻結(jié)晶，在晶體生長(zhǎng)面上產(chǎn)生了凹進(jìn)或者凸出的不規(guī)則結(jié)晶面，或者生長(zhǎng)出了針狀的表面，而加熱冷卻器對(duì)這些不利的結(jié)晶面進(jìn)行高于爐體溫度的碳化硅升華溫度進(jìn)行加熱，使得不利的結(jié)晶面再次氣化升華并恢復(fù)至較為平整的結(jié)晶生長(zhǎng)面，保證碳化硅單晶的結(jié)晶品質(zhì)，之后又進(jìn)行快速冷卻，如此加熱冷卻循環(huán)進(jìn)行，達(dá)到快速長(zhǎng)晶的效果，同時(shí)又能保持好好的機(jī)械性能，也能實(shí)現(xiàn)大口徑的碳化硅單晶的生長(zhǎng)。

3、由于本制造裝置設(shè)置有參數(shù)控制器，通過(guò)參數(shù)控制器來(lái)減小碳化硅晶體中央部分與周?chē)糠值臏囟炔?，因此能夠在機(jī)械加工時(shí)減少晶片破損。

附圖說(shuō)明

圖1是碳化硅單晶制造裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是碳化硅單晶制造裝置使用狀態(tài)的縱向剖視圖。

圖3是圖2中A處的結(jié)構(gòu)放大圖。

圖4是圖2中B處的結(jié)構(gòu)放大圖。

圖5是圖2中C-C處的結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖6是碳化硅單晶制造裝置使用狀態(tài)的縱向剖視圖。

圖7是上端面向上弧形凸出的籽晶保持架的結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖8是上端面向下弧形內(nèi)凹的籽晶保持架的結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖9是上端面具有平底凹腔的籽晶保持架的結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖中，1、爐體；2、坩堝；3、籽晶保持架；31、安裝槽；32、升降軸；33、氣缸一；34、電機(jī)；4、爐體加熱器；41、第一感應(yīng)加熱線(xiàn)圈；42、第二感應(yīng)加熱線(xiàn)圈；43、第三感應(yīng)加熱線(xiàn)圈；44、第四感應(yīng)加熱線(xiàn)圈；5、加熱冷卻器；51、銅管；52、調(diào)節(jié)軸；53、氣缸二；6、噴氣管；61、防塵部；62、支管；7、預(yù)熱筒；71、均熱板；72、過(guò)氣缺口；73、預(yù)熱通道；74、熱源；75、供氣管；76、氣源；77、儲(chǔ)氣桶；8、籽晶。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

實(shí)施例一：

如圖1、圖2、圖3所示，一種碳化硅單晶制造裝置，包括爐體1和設(shè)置在爐體1內(nèi)的坩堝2，坩堝2內(nèi)放置碳化硅粉末，在坩堝2的上部設(shè)置籽晶保持架3，籽晶保持架3上安裝有籽晶8，籽晶保持架3能夠自轉(zhuǎn)和上下升降，即爐體1的上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有升降軸32，該升降軸32的下端伸入爐體1內(nèi)，籽晶保持架3安裝在升降軸32下端，升降軸32的上端分別連接有能夠帶動(dòng)升降軸32旋轉(zhuǎn)的電機(jī)34和能夠帶動(dòng)升降軸32上下升降的氣缸一33。在爐體1內(nèi)還設(shè)有爐體加熱器4，該爐體加熱器4能夠加熱爐體1使?fàn)t體1內(nèi)形成環(huán)境溫度梯度，在籽晶保持架3外設(shè)有加熱冷卻器5，加熱冷卻器5呈筒狀，固連有調(diào)節(jié)軸52，爐體1上固連有氣缸二53，該氣缸二53與調(diào)節(jié)軸52相連接，能夠帶動(dòng)調(diào)節(jié)軸52上下升降，該加熱冷卻器5能作用在碳化硅單晶上且沿著碳化硅單晶生長(zhǎng)軸向形成溫度梯度。

具體來(lái)說(shuō)，加熱冷卻器5為感應(yīng)加熱線(xiàn)圈，感應(yīng)加熱線(xiàn)圈的頻率為10KHz～50KHz，在本實(shí)施例中采用頻率為30KHz的感應(yīng)加熱線(xiàn)圈效果較佳，感應(yīng)加熱線(xiàn)圈包括螺旋設(shè)置的銅管51，籽晶保持架3上升時(shí)能夠穿過(guò)銅管51，加熱冷卻器5沿晶體生長(zhǎng)軸方向形成的溫度梯度以1℃/mm～20℃/mm增加或者減少，而本實(shí)施例中加熱冷卻器5沿晶體生長(zhǎng)軸方向形成的溫度梯度以10℃/mm增加或者減少，該溫度梯度能減少生成的碳化硅單晶的應(yīng)力，增加機(jī)械加工的性能。碳化硅單晶制造裝置還包括能使籽晶8中央部分與周?chē)糠值臏囟炔钭冃〉膮?shù)控制器，參數(shù)控制器能夠設(shè)置籽晶保持架3的旋轉(zhuǎn)速度和提升速度以及加熱冷卻器下端處的氣態(tài)碳化硅流速使碳化硅單晶的生長(zhǎng)面形成橫向溫度梯度。坩堝2的最小開(kāi)口面積小于坩堝2內(nèi)腔橫截面面積的一半，而坩堝高度與直徑的比值等于或大于5:1，在本實(shí)施例中選用高度與直徑比值為5:1的坩堝。本碳化硅單晶制造裝置還包括能控制爐體加熱器4形成的溫度梯度的大小的溫度控制器，該溫度控制器能夠控制爐體加熱器4平緩碳化硅晶型轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，使得溫度的下降速度為0.5℃/min～30℃/min。

結(jié)合圖4、圖5所示，坩堝2的內(nèi)底面上轉(zhuǎn)動(dòng)連接有若干噴氣管6，在噴氣管6的上端具有傘狀的防塵部61，噴氣管6的外壁上具有若干向下傾斜的支管62，該若干支管62位于防塵部61下方，且支管62的下端端口為噴氣口，爐體1在坩堝2的下方設(shè)有預(yù)熱筒7，預(yù)熱筒7下方設(shè)有對(duì)預(yù)熱筒7底部進(jìn)行加熱的熱源74，若干噴氣管6的下端伸出坩堝2底面并伸入預(yù)熱筒7內(nèi)，預(yù)熱筒7內(nèi)沿軸向水平固連有若干均熱板71，均熱板71之間形成供氣體迂回流動(dòng)的預(yù)熱通道73，該預(yù)熱通道73的進(jìn)氣端位于預(yù)熱筒7底部，出氣端位于預(yù)熱筒7的頂部，均熱板71的邊沿均開(kāi)設(shè)有過(guò)氣缺口72，且相鄰兩均熱板71上的過(guò)氣缺口72分別位于預(yù)熱筒7軸心線(xiàn)的兩側(cè)，氣源76通過(guò)供氣管75與預(yù)熱筒7內(nèi)腔的底部相連通，噴氣管6與預(yù)熱筒7內(nèi)腔的頂部相連通，其中氣源76包括若干儲(chǔ)氣桶77，供氣管75有若干根，該若干供氣管75的一端均伸入爐體1并與預(yù)熱筒7相連通，另一端分別與若干儲(chǔ)氣桶77相連通，供氣管向預(yù)熱筒輸入的氣體可以是H₂、Ar、HCL、C₃H₈，CH₄，C₂H₆或空氣中的一種或者多種，這些氣體使得粉末漂浮起來(lái)。

結(jié)合圖6所示，爐體加熱器4包括對(duì)預(yù)熱筒7進(jìn)行加熱的第一感應(yīng)加熱線(xiàn)圈41、對(duì)坩堝2內(nèi)的碳化硅粉末進(jìn)行加熱的第二感應(yīng)加熱線(xiàn)圈42、對(duì)加熱冷卻器5下端和坩堝2端口之間的區(qū)域進(jìn)行加熱的第三感應(yīng)加熱線(xiàn)圈43和對(duì)加熱冷卻器5所在區(qū)域進(jìn)行加熱的第四感應(yīng)加熱線(xiàn)圈44。

如圖7所示，籽晶保持架3呈盤(pán)狀，在籽晶保持架3的下端面上具有用于安裝籽晶8的安裝槽31，籽晶保持架3的上端面向上弧形凸出，籽晶保持架3能夠吸收周?chē)h(huán)境中的熱量，并快速傳遞給碳化硅單晶，籽晶保持架3厚的地方熱量傳遞慢，薄的地方熱量傳遞快，由于碳化硅單晶導(dǎo)熱性能非常好，使得籽晶保持架3的形狀在碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)生長(zhǎng)好的碳化硅單晶產(chǎn)生橫向的溫度梯度的影響，導(dǎo)致碳化硅單晶外部的溫度大于中央位置的溫度，此時(shí)可以通過(guò)提高籽晶保持架3的轉(zhuǎn)速，使得碳化硅單晶外部空氣流動(dòng)加快，從而減小碳化硅單晶中央部分與周?chē)糠值臏囟炔?，并使得結(jié)晶面的溫度梯度保持在0.5℃/mm～20℃/mm范圍內(nèi)增加或者減少，因此采用籽晶保持架3上端面向上弧形凸出進(jìn)行長(zhǎng)晶時(shí)，籽晶保持架3的上升速度為0.5mm/秒，旋轉(zhuǎn)速度為50轉(zhuǎn)/分鐘～2000轉(zhuǎn)/分鐘，氣態(tài)碳化硅的流速為1L/分～10L/分，最佳為5L/分。

爐體加熱器4能夠?qū)t體1進(jìn)行加熱，使得爐體1內(nèi)形成一個(gè)沿軸向呈梯度分布的環(huán)境溫度，坩堝2內(nèi)放置碳化硅粉末，氣源76能夠?yàn)閲姎夤?提供氣體，氣體在經(jīng)過(guò)預(yù)熱筒7并被預(yù)熱后從噴氣口噴出，噴出的氣體能夠使沉降在坩堝2底面上的碳化硅粉末飛揚(yáng)漂浮，在第二感應(yīng)加熱線(xiàn)圈42的加熱下坩堝2內(nèi)的碳化硅粉末升華成氣態(tài)并上升至籽晶8處，而第三感應(yīng)加熱線(xiàn)圈43能夠使流出坩堝2的碳化硅保持氣態(tài)，同時(shí)使隨氣流流出的未升華的碳化硅粉末升華，保證升華質(zhì)量，籽晶保持架3上安裝有籽晶8，籽晶8的下端面為晶體生長(zhǎng)面，加熱冷卻器5設(shè)置在籽晶保持架3外部且對(duì)籽晶8形成主要的熱源74影響因素。加熱冷卻器5的下端處能夠產(chǎn)生低于爐體1溫度的冷卻溫度來(lái)加快在晶體生長(zhǎng)面上凝結(jié)碳化硅，隨著碳化硅單晶的生成，籽晶保持架3向上旋轉(zhuǎn)上升，在加熱冷卻器5內(nèi)形成一段沿碳化硅單晶生長(zhǎng)軸向分布的溫度梯度，該溫度梯度能減少生成的碳化硅單晶內(nèi)部的應(yīng)力，減少其后的機(jī)械性加工損失，即切割研磨時(shí)的破損。由于采用冷卻加熱器對(duì)晶體生長(zhǎng)面進(jìn)行加速冷卻結(jié)晶，在晶體生長(zhǎng)面上產(chǎn)生了凹進(jìn)或者凸出的不規(guī)則結(jié)晶面，或者生長(zhǎng)出了針狀的表面或者毛細(xì)氣孔，導(dǎo)致加快冷卻產(chǎn)生了較壞的結(jié)晶和機(jī)械性能，此時(shí)，加熱冷卻器5對(duì)這些不利的結(jié)晶面進(jìn)行高于爐體1溫度的碳化硅升華溫度進(jìn)行加熱，使得不利的結(jié)晶面氣化升華并恢復(fù)至較為平整的結(jié)晶生長(zhǎng)面，保證碳化硅單晶的品質(zhì)，之后又進(jìn)行快速冷卻，如此冷卻加熱循環(huán)進(jìn)行，達(dá)到快速長(zhǎng)晶的效果，同時(shí)又能保持好好的機(jī)械性能。

晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口之間的距離對(duì)碳化硅單晶品質(zhì)有很大的影響該距離的變化與原料的粒度分布、形狀差異、晶體生長(zhǎng)速度、氣態(tài)碳化硅流量等因素存在復(fù)雜的關(guān)系，且會(huì)相互干涉，為了獲得高品質(zhì)的碳化硅單晶時(shí)當(dāng)晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口之間的距離至少為20cm，經(jīng)試驗(yàn)獲得以下數(shù)據(jù)：

對(duì)比例1：籽晶保持架3的轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，籽晶保持架3的上升速度為5mm/小時(shí)，氣態(tài)碳化硅的流速為5L/分時(shí)，不設(shè)置加熱冷卻器5，而是直接將晶體生長(zhǎng)面的溫度維持在2250℃，此時(shí)碳化硅單晶的生長(zhǎng)速度為20um/hr，但是晶片在機(jī)械加工過(guò)程中出現(xiàn)破損。

對(duì)比例2：籽晶保持架3的轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，籽晶保持架3的上升速度為5mm/小時(shí)，氣態(tài)碳化硅的流速為5L/分時(shí)，晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口之間的距離d為10cm，此時(shí)碳化硅單晶的生長(zhǎng)速度為1000um/hr，但是生長(zhǎng)的碳化硅單晶中含有大量未升華的材料和其他雜質(zhì)材料。

對(duì)比例3：籽晶保持架3的轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，籽晶保持架3的上升速度為5mm/小時(shí)，氣態(tài)碳化硅的流速為5L/分，晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口之間的距離d為10cm時(shí)，將加熱冷卻器5形成的溫度梯度設(shè)定為1℃/mm～20℃/mm，此時(shí)在機(jī)械加工過(guò)程中晶片的破損明顯減少。

對(duì)比例4：籽晶保持架3的轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，籽晶保持架3的上升速度為5mm/小時(shí)，氣態(tài)碳化硅的流速為5L/分，晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口之間的距離d為20cm～60cm時(shí)，將加熱冷卻器5形成的溫度梯度設(shè)定為1℃/mm～20℃/mm，此時(shí)在機(jī)械加工過(guò)程中晶片不破損。

由此可以得出在籽晶保持架3轉(zhuǎn)速和氣態(tài)碳化硅流速設(shè)定的情況下，晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口距離過(guò)小，則導(dǎo)致未完全氣化的碳化硅粉末被帶到晶體生長(zhǎng)面上，碳化硅單晶生長(zhǎng)速度過(guò)快，導(dǎo)致碳化硅單晶品質(zhì)下降；反之，在籽晶保持架3轉(zhuǎn)速和氣態(tài)碳化硅流速設(shè)定的情況下，若晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口之間的距離大于60cm，晶體生長(zhǎng)面處氣態(tài)碳化硅濃度過(guò)低，碳化硅單晶生長(zhǎng)速度過(guò)慢，也會(huì)導(dǎo)致碳化硅單晶品質(zhì)下降，因此為了獲得高品質(zhì)的碳化硅單晶時(shí)晶體生長(zhǎng)面與坩堝2端口之間的理想距離為20cm～60cm。

實(shí)施例二：

該碳化硅單晶制造裝置的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)基本相同，不同點(diǎn)在于如圖8所示，籽晶保持架3的上端面向下弧形內(nèi)凹，則配合參數(shù)控制器的設(shè)置，并通過(guò)加熱冷卻器5對(duì)生長(zhǎng)好的碳化硅單晶外部進(jìn)行加熱，使結(jié)晶面的溫度梯度保持在0.5℃/mm～20℃/mm范圍內(nèi)增加或者減少。

實(shí)施例三：

該碳化硅單晶制造裝置的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)基本相同，不同點(diǎn)在于如圖9所示，籽晶保持架3的上端面上具有平底凹腔。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了爐體1、坩堝2、籽晶保持架3等術(shù)語(yǔ)，但并不排除使用其它術(shù)語(yǔ)的可能性。使用這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。