【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于半導體，具體涉及一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置及方法。
技術介紹
1、本部分的陳述僅僅是提供了與本專利技術相關的
技術介紹
信息，不必然構成在先技術。
2、碳化硅作為第三代半導體材料，憑借其禁帶寬度大、臨界擊穿場強大、熱導率高、飽和漂移速度高等諸多特點，在軌道交通、電動汽車、高壓輸變電、光伏、芯片等領域具有巨大的應用潛力。
3、碳化硅單晶的主要生長方法是物理氣相傳輸(pvt)法。在這一過程中，坩堝底部放置碳化硅粉料，坩堝頂部放置碳化硅籽晶。坩堝底部的粉料溫度高發生升華，在溫度梯度作為驅動力下，輸運至溫度較低的坩堝頂部碳化硅籽晶處進行沉積生長。其中感應加熱由于功耗低，是pvt法生長碳化硅單晶常用的加熱模式。但感應加熱中坩堝壁作為發熱體，由于趨膚效應，坩堝壁的溫度顯著高于中心，導致坩堝內存在明顯徑向溫度梯度。大直徑碳化硅單晶的生長需要大直徑的坩堝作為反應容器和加熱體，坩堝直徑的增大進一步加劇了增大了坩堝內部徑向溫度梯度。
4、碳化硅單晶生長時，粉料底部的溫度高，籽晶處的溫度低。當粉料中的軸向溫度梯度變大時，極易出現氣相組分在粉料頂部結晶的問題，阻礙生長氣相組分向籽晶的輸運導致粉料利用率嚴重降低。此外升華分解后會有一部分殘余的碳留在坩堝底部，影響了坩堝底部熱量傳遞到粉料表面。若徑向溫度梯度過大，側壁的粉料在升華后向中心移動，也可能導致粉料中心重新結晶，從而影響粉料的利用效率并降低生長速率。
5、同時，pvt生長過程中，由于石墨坩堝自身存在孔隙且結構無法做到完全密封，碳化
6、現有技術cn118461121a公開了在坩堝主體內設置多個感應組件，通過感應組件感應加熱碳化硅粉料，減小粉料內的溫度梯度，改善坩堝內的粉體溫度均勻性，但由于趨膚效應以及感應加熱轉化效率，坩堝內部多個感應組件無法得到有效加熱，粉料利用率不能有效提高。現有技術cn216688415u公開了坩堝內使用配件插入粉源中心處，以增大粉源升華的表面積，增加了中心粉源升華速率，但由于底部升華的碳化硅粉料將在溫度較低的配件上重新結晶，因此粉料的利用率無法得到有效提高。現有技術cn221918323u公開了在坩堝內部放置雙層多孔石墨，通過多孔石墨調節溫場以實現提高粉料利用率，但粉料的軸向與徑向溫度梯度都偏大，這將阻礙粉料的高效利用。
技術實現思路
1、本專利技術為了解決上述坩堝結構下生長過程中粉料利用率低，以及碳化硅氣相組分泄露影響生長組件使用壽命的問題，提出了一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置及方法，本專利技術在碳化硅單晶生長過程中引入加熱桶與導熱結構，從而提高粉料利用率，提升生長結構密封性，實現生長過程中粉料的高效利用，以及延長生長裝置的使用壽命，降低成本。
2、根據一些實施例，本專利技術采用如下技術方案：
3、第一方面，本專利技術提供一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，用于實現增大生長系統密閉性，延長生長坩堝、保溫與單晶爐的使用壽命。
4、一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，包括加熱桶、坩堝和導熱組件，所述加熱桶包含相適配的上蓋與桶體，所述桶體的內部容納有所述坩堝，所述坩堝的底部設置有通孔，且所述桶體的底部設置有導熱棒，導熱棒通過所述通孔向上延伸至坩堝內部；
5、所述坩堝包含相適配的坩堝蓋和坩堝體，坩堝蓋的下端設置有碳化硅籽晶，坩堝體的下部為裝料區，裝料區承載有碳化硅粉料，碳化硅籽晶至碳化硅粉料表面之間為生長腔；
6、所述裝料區內設置有導熱組件，所述導熱組件包含導熱塔與導熱環，導熱塔內部設置有中空結構，導熱塔套接在所述導熱棒外側，所述導熱塔上設置有若干層導熱環，所述導熱環向外延伸，作用于所述裝料區的不同區域。
7、作為可選擇的實施方式，所述加熱桶和導熱棒為石墨材質，所述導熱塔和導熱環為石墨材質、金屬碳化物或金屬材質中的至少一種。
8、作為進一步限定的實施方式，所述石墨材質包括等靜壓石墨和擠壓型石墨中的至少一種，所述金屬碳化物材質包括碳化鉭和碳化鈮中的至少一種，所述金屬材質包括鉭和鈮中的至少一種。
9、作為可選擇的實施方式，所述加熱桶壁厚與所述坩堝壁厚一致，所述加熱桶內徑與所述坩堝外徑相適配，所述加熱桶高度為所述坩堝高度的120％～200％。
10、作為可選擇的實施方式，所述坩堝直徑與高度根據生長晶體要求尺寸進行調節。
11、作為可選擇的實施方式，所述裝料區高度為所述坩堝高度的30％～60％，所述生長腔為所述坩堝高度的40％～70％。
12、作為可選擇的實施方式，所述導熱棒高度小于裝料區高度，所述導熱棒直徑為所述坩堝直徑的5％～15％，所述導熱塔內部的中空結構直徑為所述坩堝直徑的10％～20％；所述導熱塔總高度與裝料區高度一致，且高于所述導熱棒高度。
13、作為可選擇的實施方式，所述導熱塔包括若干層，且每層與碳化硅料接觸的一側為變徑結構，直徑由上到下依次增大。
14、優選的，所述變徑結構為圓臺狀。
15、作為進一步限定的實施方式，所述導熱塔的頂部直徑為坩堝直徑的10％～20％，所述導熱塔的底部直徑為坩堝直徑的15％～30％，與所述坩堝底部中心孔洞大小一致。
16、作為可選擇的實施方式，所述導熱環包括內環、外環和輻條，所述內環的直徑根據所述導熱塔的層數或安裝在導熱塔的位置處直徑進行設置，所述外環的直徑為裝料區直徑的80％～90％；
17、所述內環、外環之間通過多個圓周設置的輻條連接。
18、所述內環、外環、輻條均為導熱材料，且內環、外環的直徑，以及輻條的數量可以根據導熱需求等靈活設置。
19、作為可選擇的實施方式，所述碳化硅單晶生長裝置，還包括設置在加熱桶外側的加熱系統，所述加熱桶與加熱系統之間填充有保溫材料。
20、第二方面，本專利技術提供一種碳化硅單晶生長方法，使用如上碳化硅單晶生長裝置。
21、一種碳化硅單晶生長方法，包括以下步驟：
22、導熱塔與坩堝底部孔洞通過螺紋連接密封，隨后將坩堝放入加熱桶內，使得導熱棒嵌入導熱塔內部圓柱狀孔洞內；
23、將碳化硅粉料均勻攤鋪在石墨坩堝底部，粉料高度與導熱塔高度持平，根據導熱塔形狀和導熱環內環的內徑大小，分別將導熱環放置在粉料表面或埋入粉料之中，導熱環內環套入導熱塔；將碳化硅籽晶固定在坩堝上蓋位置；
24、將加熱桶連同石墨坩堝放入生長裝置中，將生長裝置密封，對其內部進行抽真空處理；
25、對抽真空處理后的生長裝置內部進行加熱，并向生長裝置的內部充入載氣，加熱到達預計溫度后保持恒溫使碳化硅粉料升華，升華的粉料輸至碳化硅籽晶表面實現晶體生長；
26、當晶體生長完成后，對生長裝本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，包括加熱桶、坩堝和導熱組件，所述加熱桶包含相適配的上蓋與桶體，所述桶體的內部容納有所述坩堝，所述坩堝的底部設置有通孔，且所述桶體的底部設置有導熱棒，導熱棒通過所述通孔向上延伸至坩堝內部；
2.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述加熱桶和導熱棒為石墨材質，所述導熱塔和導熱環為石墨材質、金屬碳化物或金屬材質中的至少一種；
3.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述加熱桶壁厚與所述坩堝壁厚一致，所述加熱桶內徑與所述坩堝外徑相適配，所述加熱桶高度為所述坩堝高度的120％～200％。
4.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述坩堝的直徑與高度根據生長晶體要求尺寸進行調節。
5.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述裝料區高度為所述坩堝高度的30％～60％，所述生長腔為所述坩堝高度的40％～70％。
6.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳
7.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述導熱塔包括若干層，且每層與碳化硅料接觸的一側為變徑結構，直徑由上到下依次增大；
8.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述導熱塔的頂部直徑為坩堝直徑的10％～20％，所述導熱塔的底部直徑為坩堝直徑的15％～30％，與所述坩堝的底部的中心孔洞大小一致。
9.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述導熱環包括內環、外環和輻條，所述內環的直徑根據所述導熱塔的層數或安裝在導熱塔的位置處直徑進行設置，所述外環的直徑為裝料區直徑的80％～90％；
10.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述碳化硅單晶生長裝置，還包括設置在加熱桶外側的加熱系統，所述加熱桶與加熱系統之間填充有保溫材料。
11.一種碳化硅單晶生長方法，其特征是，包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，包括加熱桶、坩堝和導熱組件，所述加熱桶包含相適配的上蓋與桶體，所述桶體的內部容納有所述坩堝，所述坩堝的底部設置有通孔，且所述桶體的底部設置有導熱棒，導熱棒通過所述通孔向上延伸至坩堝內部；
2.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述加熱桶和導熱棒為石墨材質，所述導熱塔和導熱環為石墨材質、金屬碳化物或金屬材質中的至少一種；
3.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述加熱桶壁厚與所述坩堝壁厚一致，所述加熱桶內徑與所述坩堝外徑相適配，所述加熱桶高度為所述坩堝高度的120％～200％。
4.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述坩堝的直徑與高度根據生長晶體要求尺寸進行調節。
5.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述裝料區高度為所述坩堝高度的30％～60％，所述生長腔為所述坩堝高度的40％～70％。
6.如權利要求1所述的一種提高粉料利用率的碳化硅單晶生長裝置，其特征是，所述導熱棒高度小于裝...
【專利技術屬性】
技術研發人員：謝雪健，張皓然，陳秀芳，楊祥龍，彭燕，徐現剛，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：
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