本發(fā)明涉及半導體領域，尤其是涉及一種可減少碳包裹的碳化硅熱場體系。

背景技術：

1、碳化硅(sic)單晶材料是目前發(fā)展較為成熟的寬禁帶半導體材料，在高壓、高頻、高功率及耐高溫等領域應用廣泛。目前，新能源汽車、光伏逆變、軌道交通、特高壓電網以及5g通訊中采用碳化硅功率器件的占比在逐年增多。在不久的將來，碳化硅單晶材料將成為最重要的電子材料之一。

2、生長碳化硅單晶最常用的方法是物理氣相傳輸法(physical?vapor?transport；pvt)，該方法是將高純碳化硅粉及籽晶分別固定在石墨坩堝的底部和頂部，通過感應線圈加熱坩堝至2000℃以上使碳化硅粉升華成碳化硅蒸氣，由于受到溫度梯度的調控，碳化硅蒸氣向上傳輸并沉積在籽晶的端面上結晶、生長。然而相關技術中的碳化硅熱場體系生長出的碳化硅晶體容易出現(xiàn)碳包裹缺陷，極大地影響碳化硅晶體的品質，因此如何減少生長出的碳化硅晶體的碳包裹缺陷是本領域技術人員亟需解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明人在實際研究中發(fā)現(xiàn)：pvt法中通常伴隨的碳包裹產生的原因主要可歸結于以下兩點：1、晶體生長后期，碳化硅粉源發(fā)生嚴重石墨化；2、晶體生長前中期，發(fā)生非化學計量比升華的富硅氣相組分，粉源至籽晶接長面之間區(qū)域的石墨坩堝內壁與非穩(wěn)態(tài)物質發(fā)生結晶，部分碳再次反應后形成細小的顆粒，隨著上浮的氣相摻雜到晶體中。

2、對于問題1，通?？梢酝ㄟ^增加裝料量及鋪設過濾層加以消除或抑制，此外，中后期形成的碳包裹對于晶體結構缺陷(多型及微管)的產生影響不大，對碳化硅襯底片的切片良率影響較小。但是對于晶體生長前中期發(fā)生的問題2型碳包裹，則會直接導致初期相變及伴生微管的產生。對于晶體質量的影響則是致命性的；

3、對于問題2型碳包裹，晶體生長初期，碳化硅粉源發(fā)生非化學計量比分解升華，產生的富硅氣相組分(非穩(wěn)態(tài)物質)通過擴散模型自粉源端向晶體生長端輸運，當靠近粉源與晶體接長面區(qū)域內的石墨坩堝內壁后，由于軸向溫度梯度的存在，石墨坩堝內壁溫度較低，這部分非穩(wěn)態(tài)的富硅氣相組分隨之發(fā)生結晶，即，非穩(wěn)態(tài)的富硅氣相組分在此區(qū)域內與石墨壁發(fā)生反應，這就導致石墨坩堝內壁處的一部分碳分解。

4、由于在此區(qū)域內，雖可以部分發(fā)生反應，但尚不具備穩(wěn)定的結晶條件，故，此部分結晶產物會陸續(xù)分解，分解的過程中，再次形成富硅氣相組分和脫離的碳，因此，導致石墨坩堝內壁中脫離的碳向上輸運，摻雜于晶體之內。這部分碳包裹通常出現(xiàn)于晶體生長初期，極易造成因碳包裹造成的多型相變，從而伴生微管或嚴重的螺旋位錯缺陷。因此，對單晶的生長是致命性的。

5、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一。為此，本發(fā)明在于提出一種可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，在長晶過程中，石墨筒內部的弧形段因為“趨膚效應”相對于同橫截面維度上溫度更高，有利于抑制晶體生長初期由于非穩(wěn)態(tài)的富硅氣相組分在石墨筒內壁發(fā)生結晶情況來減少前中期碳包裹。

6、根據本發(fā)明實施例的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，包括：石墨蓋，所述石墨蓋的底部設有籽晶；石墨筒，所述石墨筒設于所述石墨蓋的下方，所述石墨筒的頂部與所述石墨蓋可拆卸地相連，所述石墨筒具有氣流通道，所述石墨筒包括弧形段和直管段，所述直管段位于所述弧形段的下方，所述直管段的頂端與所述弧形段的底端相連，所述弧形段的內壁呈外凸的圓弧過渡，在從上到下的方向上，所述弧形段的內徑逐漸增大；坩堝本體，所述石墨筒的底部與所述坩堝本體可拆卸地相連，所述坩堝本體的底部設有碳化硅粉源。

7、根據本發(fā)明實施例的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，通過使得弧形段的內壁呈外凸的圓弧過渡，可以增大弧形段內壁的表面積，在長晶過程中，石墨筒內部的弧形段因為“趨膚效應”相對于同橫截面維度上溫度更高，可以使得粉源至晶體接長面區(qū)域石墨坩堝壁局部溫度升高，有利于抑制晶體生長初期由于非穩(wěn)態(tài)的富硅氣相組分在石墨筒內壁發(fā)生結晶情況來減少前中期碳包裹，從而提高碳化硅晶體的生長質量。

8、在本發(fā)明的一些實施例中，所述碳化硅熱場體系還包括：石墨紙，所述石墨蓋蓋設于所述石墨筒上，所述石墨蓋的底部具有第一臺階槽，所述石墨筒的頂部具有與所述第一臺階槽相對的第二臺階槽，所述石墨紙位于所述第一臺階槽和所述第二臺階槽限定出的安裝空間內，所述籽晶通過所述石墨紙粘貼至所述石墨蓋。

9、在本發(fā)明的一些實施例中，所述弧形段的高度h為80mm-120mm，所述弧形段的頂端的內徑d1為155mm-165mm，所述弧形段的底端的內徑d2為175mm-185mm。

10、在本發(fā)明的一些實施例中，所述石墨筒的外徑d3為210mm-220mm，在從上到下的方向上，所述石墨筒的厚度逐步減小。

11、在本發(fā)明的一些實施例中，所述石墨筒的壁厚t為8mm-10mm。

12、在本發(fā)明的一些實施例中，所述石墨筒的內壁具有多個溝槽，多個所述溝槽在所述石墨筒的周向均勻間隔開排布，每個溝槽在上下方向延伸且呈彎曲向所述籽晶端延伸。

13、在本發(fā)明的一些實施例中，所述溝槽的橫截面形成為弧形。

14、在本發(fā)明的一些實施例中，所述溝槽的深度w是3mm-4mm。

15、在本發(fā)明的一些實施例中，所述碳化硅熱場體系還包括：過濾層，所述過濾層設于所述坩堝本體內且位于所述碳化硅原料的上方，所述過濾層設有多個過濾孔，所述過濾孔的孔徑小于所述碳化硅粉的粒徑。

16、在本發(fā)明的一些實施例中，所述石墨筒的底部具有第一螺紋段，所述坩堝本體具有第二螺紋段，所述第一螺紋段和所述第二螺紋段螺紋配合。

17、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

技術特征：

1.一種可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，還包括：

3.根據權利要求1所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，所述弧形段的高度h為80mm-120mm，所述弧形段的頂端的內徑d1為155mm-165mm，所述弧形段的底端的內徑d2為175mm-185mm。

4.根據權利要求2所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，所述石墨筒的外徑d3為210mm-220mm，在從上到下的方向上，所述石墨筒的厚度逐步減小。

5.根據權利要求2所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，所述石墨筒的壁厚t為8mm-10mm。

6.根據權利要求1所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，所述石墨筒的內壁具有多個溝槽，多個所述溝槽在所述石墨筒的周向均勻間隔開排布，每個溝槽在上下方向延伸且呈彎曲向所述籽晶端延伸。

7.根據權利要求6所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，所述溝槽的橫截面形成為弧形。

8.根據權利要求6所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，所述溝槽的深度w是3mm-4mm。

9.根據權利要求1所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，還包括：

10.根據權利要求1所述的可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，其特征在于，所述石墨筒的底部具有第一螺紋段，所述坩堝本體具有第二螺紋段，所述第一螺紋段和所述第二螺紋段螺紋配合。

技術總結
本發(fā)明公開了一種可減少碳包裹的碳化硅熱場體系，包括：石墨蓋，石墨蓋的底部設有籽晶；石墨筒，石墨筒設于石墨蓋的下方，石墨筒的頂部與石墨蓋可拆卸地相連，石墨筒具有氣流通道，石墨筒包括弧形段和直管段，直管段位于弧形段的下方，直管段的頂端與弧形段的底端相連，弧形段的內壁呈外凸的圓弧過渡，在從上到下的方向上，弧形段的內徑逐漸增大；坩堝本體，石墨筒的底部與坩堝本體可拆卸地相連，坩堝本體的底部設有碳化硅粉源。根據本發(fā)明的碳化硅熱場體系，在長晶過程中，石墨筒內部的弧形段因為“趨膚效應”相對于同橫截面維度上溫度更高，有利于抑制晶體生長初期由于非穩(wěn)態(tài)的富硅氣相組分在石墨筒內壁發(fā)生結晶情況來減少前中期碳包裹。

技術研發(fā)人員：李遠田,吳建
受保護的技術使用者：江蘇集芯先進材料有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/9/9