專利名稱：用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于人工晶體生長技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝。
背景技術(shù)：
第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)具有禁帶寬、臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度高、電子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高以及耐高溫、抗輻照和耐腐蝕等特點(diǎn)，是制造高性能電力電子器件、大功率固體微波器件和固體傳感器等新型器件以及耐高溫集成電路的優(yōu)選材料，從而廣泛應(yīng)用于石油、化學(xué)、汽車、航空、航天、通信、武器等行業(yè)。碳化硅在正常的工程條件下無液相存在，低壓下1800° C左右開始升華為氣體，因而不能象鍺、硅、砷化鎵那樣用籽晶從熔體中生長，也不能用區(qū)熔法進(jìn)行提純，并且存在一定條件下極易相互轉(zhuǎn)變的不同結(jié)晶形態(tài)(即同質(zhì)異晶型或同質(zhì)多型體，Polytype)，故碳化硅是當(dāng)今世界人工晶體生長的難點(diǎn)之一。目前主要有兩種碳化硅晶體制備方法以體單晶為目標(biāo)的物理氣相輸運(yùn)法(即籽晶升華法)和以薄膜制備為目標(biāo)的外延法。外延法主要采用化學(xué)氣相淀積法，即利用攜帶氣體將含硅、碳的氣體注入到反應(yīng)室內(nèi)，在適當(dāng)高的溫度下淀積源氣體通過熱解或置換等化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生晶體生長所需要的物質(zhì)源，然后原子沉積，襯底外延生長?；瘜W(xué)氣相淀積法的優(yōu)點(diǎn)是可直接控制氣氛中硅、碳的濃度和含量，可以連續(xù)地提供高純的生長原材料，并且可在反應(yīng)氣體中引入適當(dāng)比例摻雜氣體參與氣相反應(yīng)，從而使生長出的外延層因含有適量的雜質(zhì)而具有希望的導(dǎo)電類型和電阻率。但化學(xué)氣相淀積法的生長速率低，在碳化硅器件工藝中常采用化學(xué)氣相淀積法制備所需要的外延層，目前還難以采用該方法制備碳化硅體材料。制備體單晶采用的物理氣相輸運(yùn)法是將作為生長源的碳化硅粉(或硅、碳固態(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，生長源在低壓高溫下升華分解產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)，在由生長源與籽晶之間存在的溫度梯度而形成的壓力梯度的驅(qū)動下，這些氣態(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)生而結(jié)晶生長，形成晶態(tài)的碳化硅?，F(xiàn)有技術(shù)中物理氣相輸運(yùn)法采用感應(yīng)加熱方式，使用的是普通直筒狀坩堝。由于溫場分布和單個碳化硅顆粒的逐步分解(指非一次性分解)的原因，制備碳化硅晶體過程中，粉源中存在結(jié)晶現(xiàn)象，隨著晶體生長的持續(xù)，碳化硅粉源將逐漸致密化、分層，升華分解率降低，甚至停頓，以至于生長結(jié)束時，仍存在大量的未升華的碳化硅粉，剩余粉源一般占總量的二分之一多，嚴(yán)重時達(dá)三分之二多。這種情況一方面降低了粉源的利用率，另一方面影響了長晶體的制備和生長速率的提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中碳化硅粉源利用率不高、晶體平均生長速率低的問題。
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本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝，包括坩堝本體，其特征在于，坩堝本體內(nèi)腔在水平方向上分成多個用于盛放碳化硅粉源的分裝區(qū)域。進(jìn)一步地，各分裝區(qū)域的橫截面均為圓形且呈蜂窩狀排列?；蛘?，各分裝區(qū)域的橫截面均為扇形且沿坩堝本體的中心周向分布。坩堝本體為一體式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是在制備碳化硅晶體過程中，將碳化硅粉源分別盛放在各分裝區(qū)域中，能減少粉源中的徑向溫度梯度，增大粉源與高溫區(qū)的接觸面積，提高坩堝中心的粉源溫度，增加粉源的升華、分解率，減弱粉源中的二次結(jié)晶現(xiàn)象，抑制粉源的致密化、分層，從而提高粉源的利用率和晶體平均生長速率。


圖I是使用現(xiàn)有直筒狀坩堝進(jìn)行碳化硅晶體生長的工裝示意圖；圖2是本發(fā)明用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖之一；圖3是本發(fā)明的用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖之二 ；其中，I.上測溫孔，2.絕熱套，3.籽晶，4.線圈，5.直筒狀坩堝，6.碳化硅粉源，7.下測溫孔，8.坩堝本體，81.圓形分裝區(qū)域，82.扇形分裝區(qū)域。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I如圖2所示，本發(fā)明包括外部形狀為圓柱形、且石墨材質(zhì)的坩堝本體8，坩堝本體內(nèi)腔包括用于盛放碳化硅粉源的六個圓形分裝區(qū)域81，該六個圓形分裝區(qū)域81的橫截面均為圓形且在水平方向上呈蜂窩狀均勻排列，具體為其中一個圓形分裝區(qū)域81位于坩堝本體8的中心，另外五個周向分布在其外側(cè)。坩堝本體8為一體式結(jié)構(gòu)，即五個分裝區(qū)域81之間的間隔為同材質(zhì)且一體式結(jié)構(gòu)，有利于減小碳化硅份源的徑向溫度梯度。實(shí)施例2如圖3所示，本發(fā)明包括外部形狀為圓柱形、且石墨材質(zhì)的坩堝本體8，坩堝本體內(nèi)腔包括用于盛放碳化硅粉源的四個扇形分裝區(qū)域82，該四個扇形分裝區(qū)域82的橫截面均為扇形且在水平方向上沿坩堝本體的中心周向分布。坩堝本體8為一體式結(jié)構(gòu)，即四個扇形分裝區(qū)域82之間的間隔為同材質(zhì)且一體式結(jié)構(gòu)，有利于減小碳化硅份源的徑向溫度梯度。本發(fā)明中根據(jù)需要選用不通內(nèi)腔分區(qū)形式的坩堝，坩堝內(nèi)腔中分裝區(qū)域的形狀和多少根據(jù)工況要求而定，如考慮計劃填裝粉源的質(zhì)量、粉源中的溫度分布、坩堝內(nèi)部粉源填裝部分的溫度分布，粉源與石墨壁的接觸面積、晶體生長時間等因素。在滿足計劃填裝粉源容量要求的基礎(chǔ)上，以增大粉源與石墨壁的接觸面積、提高坩堝內(nèi)部粉源填裝部分溫度分布的均勻性為目標(biāo)，依據(jù)計算機(jī)溫場模擬結(jié)果，確定粉源分裝區(qū)的形狀、大小、多少和具體分布。因此，除實(shí)施例I和實(shí)施例2所示的兩個形式的分裝區(qū)域外，本發(fā)明坩堝本體8內(nèi)的各分裝區(qū)域還可以為其他幾何形狀。如圖I所示，在物理氣相輸運(yùn)法制備碳化硅晶體時，是將坩堝外部設(shè)置絕熱套2，絕熱套2的上下兩端中心開孔并分別形成上測溫孔I和下測溫孔7，絕熱套2的外側(cè)設(shè)置有線圈4，在坩堝內(nèi)盛放碳化硅粉源6，坩堝頂部蓋板下方放置籽晶3。在由生長源與籽晶之間存在的溫度梯度而形成的壓力梯度的驅(qū)動下，這些氣態(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)生而結(jié)晶生長，形成晶態(tài)的碳化硅。直筒狀坩堝5為普通石墨坩堝，其內(nèi)腔為圓柱形。在制備碳化硅晶體過程中，碳化硅粉源升華、分解時，單個碳化硅顆粒(粒徑一般為數(shù)百微米至I毫米)并不是一次全部分解、消失，而是從外向內(nèi)逐步完成的。顆粒表面分解產(chǎn)生的碳將形成一個碳?xì)?，完全包裹住未分解的顆粒里層(以下簡稱為碳化硅核)，而碳?xì)拥男纬山档土朔墼吹挠行釋?dǎo)率，并對碳化硅核分解產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)輸運(yùn)形成阻力，致使碳化硅核的分解速度降低。此外，靠近坩堝壁的碳化硅粉由于溫度相對較高先升華、分解，然后隨著晶體生長的持續(xù)，升華區(qū)域逐步向溫度相對較低的粉源中心擴(kuò)展，而粉源邊緣升華、分解產(chǎn)生的碳以碳化硅贗型存在，降低了熱量從坩堝壁向粉源中心傳遞的效率，致使粉源中心區(qū)域的碳化硅顆粒在生長結(jié)束時仍未完全升華分解。隨著晶體生長的持續(xù)，粉源的升華分解率逐步降低，甚至停頓，以至于生長結(jié)束時，仍存在大量的未升華的碳化硅粉，剩余粉源一般占總量的二分之一多，嚴(yán)重時達(dá)三分之二多。這種情況一方面降低了粉源的利用率，另一方面影響了長晶體的制備和生長速率的提聞。本發(fā)明通過將坩堝本體內(nèi)腔在水平方向上分成多個用于盛放碳化硅粉源的分裝區(qū)域，在制備碳化硅晶體過程中，將碳化硅粉源分別盛放在各分裝區(qū)域中，能減少粉源中的徑向溫度梯度，增大粉源與高溫區(qū)的接觸面積，提高坩堝中心的粉源溫度，增加粉源的升華、分解率，減弱粉源中的結(jié)晶現(xiàn)象，抑制粉源的致密化、分層，從而提高粉源的利用率和晶體平均生長速率。
權(quán)利要求
1.一種用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝，包括坩堝本體，其特征在于，所述坩堝本體內(nèi)腔在水平方向上分成多個用于盛放碳化硅粉源的分裝區(qū)域。
2.按照權(quán)利要求I所述的用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝，其特征在于，所述各分裝區(qū)域的橫截面均為圓形且呈蜂窩狀排列。
3.按照權(quán)利要求I所述的用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝，其特征在于，所述各分裝區(qū)域的橫截面均為扇形且沿坩堝本體的中心周向分布。
4.按照權(quán)利要求I所述的用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝，其特征在于，所述坩堝本體為一體式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提高粉源利用率的碳化硅晶體生長坩堝，包括坩堝本體，坩堝本體內(nèi)腔在水平方向上分成多個用于盛放碳化硅粉源的分裝區(qū)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中碳化硅粉源利用率不高、晶體平均生長速率低的問題。
文檔編號C30B23/00GK102912444SQ201210413959
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者封先鋒, 陳治明, 臧源, 馬劍平, 蒲紅斌 申請人:西安理工大學(xué)