一种快速生长大尺寸高质量碳化硅单晶的装置及方法与流程

本发明涉及晶体生长，特别是涉及一种快速生长大尺寸高质量碳化硅单晶的装置及方法。

背景技术：

1、碳化硅作为宽禁带半导体的典型代表之一，具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移率高、导热率高、热稳定性和化学稳定性好等优良的特性，是制作高频、高压、高效且抗辐射、耐高温的大功率器件和蓝光发光二极管的理想衬底材料，使得其在新能源汽车、高速轨道交通、航空航天、高压智能电网以及清洁能源等领域有着巨大的应用前景，因此是受到了学术界及各国政府的广泛的关注。

2、目前生长碳化硅单晶衬底的主流方法是物理气相传输法（pvt），虽然在几十年来的不断研发和改进下该方法已经较为成熟，目前能为市场供应大量碳化硅单晶衬底，但其仍然存一些难以避免的局限性，主要表现在其生长环境不稳定，缺陷难以消除，成品率低，成本高，扩径困难，难以实现持续有效的p型掺杂等方面。

3、与气相法相比，液相法生长所需生长温度低，生长环境相对平稳，可实现晶体在近平衡状态下的生长，不仅生长成本相对较低，而且理论上可以实现更高的晶体质量。在液相法生长碳化硅单晶中，晶体径向温场的均匀性和籽晶背向散热的均匀性对碳化硅晶体，尤其是大尺寸（4~8英寸）碳化硅晶体，的生长质量和速率有着非常重要的影响。目前一般采用调整晶体上方保温毡开口的尺寸来改变晶体生长过程中的散热速率和径向温度梯度。该方法很难同时兼顾散热速率和径向温度梯度，也无法实现生长过程中对晶体散热的原位实时调控，进而无法很好的兼顾晶体的生长质量和速率，也难以实现长时间的稳定生长。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种快速生长大尺寸高质量碳化硅单晶的装置及方法，本发明提供的装置可有效提高晶体的散热速率和散热的均匀性，并实时调控晶体生长界面处径向温度梯度和轴向散热速率，满足晶体生长各阶段的散热需求，实现大尺寸高质量碳化硅单晶的快速生长。

2、本发明提供了一种快速生长大尺寸高质量碳化硅单晶的装置，所述装置包括坩埚组件、籽晶组件以及设置在所述坩埚组件外侧的加热组件和位于所述加热组件和所述坩埚组件之间的保温组件；所述坩埚组件包括坩埚和设置在所述坩埚下方用于推动和旋转所述坩埚的推动旋转部件；所述籽晶组件包括籽晶杆、籽晶托和涡轮散热器；所述籽晶托包括籽晶托基板和与所述籽晶托基板固定连接的连接杆；所述连接杆与所述籽晶杆通过榫卯结构连接；所述榫卯结构通过锁紧部件进行锁紧；所述涡轮散热器包括涡轮轴筒和分布在所述涡轮轴筒上的涡轮叶片；所述涡轮轴筒套合在所述连接杆上；所述涡轮散热器沿第一方向旋转时加速散热，沿第二方向旋转时抑制散热。

3、优选地，所述坩埚为石墨坩埚。

4、优选地，所述榫卯结构包括设置在所述籽晶杆下端的榫槽结构和设置在所述连接杆上端的榫头结构；所述锁紧部件与所述榫槽结构通过螺纹固定。

5、本发明还提供了一种快速生长大尺寸高质量碳化硅单晶的方法，通过第一方面所述的装置实现，所述方法包括如下步骤：

6、s1.将助熔剂和硅置于坩埚中，加热至混合物完全液化，得到熔体；

7、s2.将籽晶杆沿第二方向以第一预设转速旋转第一预设时间后，使籽晶与所述熔体接触，进行晶体生长，得到碳化硅单晶；在晶体生长过程中，根据不同阶段的散热需求调控所述籽晶杆的旋转方向和速度；坩埚的旋转方向始终与所述籽晶的旋转方向相反。

8、优选地，在晶体生长过程中，当所述籽晶与所述熔体接触后，籽晶杆沿第二方向以第二预设转速旋转第二预设时间，然后于第三预设时间，将转速减速至0且沿第一方向加速至第三预设转速，再以第三预设转速旋转第四预设时间，最后根据保温组件采用的保温材料的保温性能衰减曲线，于第五预设时间将转速减至第四预设转速，以确保散热速率保持稳定。

9、优选地，所述第二预设转速大于所述第一预设转速；

10、所述第三预设转速大于所述第二预设转速。

11、优选地，所述第一预设转速为5~30 rpm；

12、所述第二预设转速为10~60 rpm；和/或

13、所述第三预设转速为60~240 rpm。

14、优选地，在晶体生长过程中，所述坩埚的转速为2~10rpm；

15、坩埚向上移动的速度为0~1000 μm/h；和/或

16、所述籽晶杆的提拉速度为0~1500 μm/h。

17、优选地，所述第二预设时间为0.5~2h；

18、所述第三预设时间为0.5~2h；

19、所述第四预设时间为10~20h；和/或

20、所述第五预设时间为20~60h。

21、优选地，在晶体生长结束后，于第六预设时间，将转速减至0并沿第二方向加速至第五预设转速，然后保持第七预设时间。

22、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

23、在籽晶托基板上方安装涡轮散热器，通过籽晶杆的旋转带动涡轮散热器与籽晶托进行同步旋转，使得在晶体生长过程中坩埚中的气流会在涡轮散热器的驱动下进行有序的定向运动，不仅可以限制坩埚中的气体湍流而且可以将坩埚壁处的热量快速地带到坩埚中心区域，从而有效地提高晶体生长界面处温度的均匀性，有利于提高晶体的生长质量，也为大尺寸晶体的生长提供了基础。在晶体生长过程中，通过涡轮散热器的旋转可以加快热量的定向流动速率，有效提高晶体的散热速率和散热的均匀性，使产生的结晶潜热及时且均匀地从生长界面处导出，有利于提高晶体生长速率。在晶体生长过程中，可以通过控制籽晶杆实时调节涡轮散热器的旋转速度和旋转方向，进而对晶体生长过程中对晶体生长界面处径向温度梯度和轴向散热速率的实时调控，有利晶体长时间稳定生长。

24、本发明籽晶组件中籽晶托和籽晶杆通过榫卯结构进行连接，然后通过锁紧部件筒进行锁紧，可实现籽晶杆和籽晶托之间的牢固连接，同时也可以对涡轮散热器进行限位，避免在籽晶托旋转过程中涡轮散热器发生滑动，该结构可靠性好，可承受更大的旋转扭矩，可满足更大的扭矩传输需求，更好地实现晶体生长过程中大尺寸晶体在黏度较大的熔体中高速旋转，可以满足长时间高速旋转提拉生长大尺寸碳化硅晶体的工艺要求，克服了现有籽晶杆和籽晶托之间因连接不牢固带来的无法实现更高要求的晶体旋转工艺、难以支撑更大尺寸晶体高速旋转、连接螺纹易磨损或损坏、可重复利用性差等局限。

25、本发明提供的装置可有效提高晶体的散热速率和散热的均匀性，并实时调控晶体生长界面处径向温度梯度和轴向散热速率，满足晶体生长各阶段的散热需求，实现大尺寸高质量碳化硅单晶长时间快速稳定地生长。

26、本发明基于提供的装置并结合碳化硅晶体生长全过程不同阶段的散热需求，通过调控籽晶杆控制涡轮散热器的旋转方向和速度对籽晶背面散热速率进行调控，可有效提高晶体的散热速率和散热的均匀性，并实时调控晶体生长界面处径向温度梯度和轴向散热速率，满足晶体生长各阶段的散热需求，实现大尺寸高质量碳化硅单晶的快速生长。

1.一种快速生长大尺寸高质量碳化硅单晶的装置，其特征在于，所述装置包括坩埚组件、籽晶组件以及设置在所述坩埚组件外侧的加热组件和位于所述加热组件和所述坩埚组件之间的保温组件；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述坩埚为石墨坩埚。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述榫卯结构包括设置在所述籽晶杆下端的榫槽结构和设置在所述连接杆上端的榫头结构；所述锁紧部件与所述榫槽结构通过螺纹固定。

4.一种快速生长大尺寸高质量碳化硅单晶的方法，其特征在于，通过权利要求1-3任一项所述的装置实现，所述方法包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在晶体生长过程中，当所述籽晶与所述熔体接触后，籽晶杆沿第二方向以第二预设转速旋转第二预设时间，然后于第三预设时间，将转速减速至0且沿第一方向加速至第三预设转速，再以第三预设转速旋转第四预设时间，最后根据保温组件采用的保温材料的保温性能衰减曲线，于第五预设时间将转速减至第四预设转速，以确保散热速率保持稳定。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二预设转速大于所述第一预设转速；和/或

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一预设转速为5~30 rpm；

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在晶体生长过程中，所述坩埚的转速为2~10rpm；

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二预设时间为0.5~2h；

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在晶体生长结束后，于第六预设时间，将转速减至0并沿第二方向加速至第五预设转速，然后保持第七预设时间。