СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОННОГО РОСТА КРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ ВО МНОЖЕСТВЕ ТИГЛЕЙ Российский патент 2024 года по МПК C30B29/36 C30B23/00 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

[0001] По настоящей заявке испрашивается приоритет патентной заявки КНР №202111349816.1, озаглавленной «Способ и устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей» и поданной 15 ноября 2021 года, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

[0002] Настоящая заявка относится к способу и устройству для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей и принадлежит к области техники кристаллов карбида кремния.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[0003] Кристаллический карбид кремния представляет собой полупроводниковый материал третьего поколения с широкой запрещенной зоной и превосходными эксплуатационными характеристиками. Его характеризуют широкая запрещенная зона, высокая концентрация насыщения носителей, высокое критическое пробивное электрическое поле, высокая теплопроводность и высокая химическая устойчивость, и, таким образом, он представляет собой наилучший материал для изготовления интегрированных электронных устройств, имеющих высокую частоту, высокую мощность, высокую плотность, высокотемпературную и радиационную устойчивость, а также другие характеристики. Однако вследствие жестких условий роста, низкой скорости роста и высокой стоимости выращивания кристаллов карбида кремния, кристаллический карбид кремния может находить применение только в электронных компонентах, имеющих высокую добавленную стоимость.

[0004] Рост кристаллов карбида кремния в промышленном масштабе осуществляют, используя, главным образом, способ физического переноса из паровой фазы (PVT). Этот способ включает стадии нагревания исходного материала карбида кремния, содержащегося в графитовом тигле, при температуре, превышающей 2100°С, для сублимации, разложения и переноса образующегося газа в точки, где содержится затравочный кристалл, для перекристаллизации, таким образом, чтобы получать монокристаллы карбида кремния (SiC) больших размеров.

[0005] В настоящее время способ PVT, включающий индукционное нагревание, находит широкое промышленное применение для выращивания кристаллов карбида кремния. Индукционная катушка заставляет графитовый тигель генерировать вихревой ток для непосредственного нагревания. Вихревой ток сосредоточен, главным образом, на поверхности графитового тигля, и результате этого создается высокий радиальный градиент температуры в тигле. В результате этого радиальный градиент температуры в тигле является высоким в течение роста кристаллов, что вызывает растрескивание кристаллов вследствие чрезмерного внутреннего напряжения. В частности, для выращивания крупных кристаллов выход кристаллов в ходе роста является низким. Кроме того, в традиционном устройстве для выращивания способом PVT предусмотрена установка тигля в полости, и только один кристалл карбида кремния может быть выращен в течение определенного периода времени. Однако вследствие роста кристаллов карбида кремния в таких условиях, как высокая температура, низкая скорость роста, высокая стоимость оборудования и т.д., стоимость выращиваемых кристаллов карбида кремния оказывается существенно выше, чем стоимость кристаллов кремния, что в значительной мере ограничивает применение кристаллов карбида кремния.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[0006] С учетом недостатков родственных технологий, одна из целей настоящей заявки заключается в том, чтобы предложить способ и устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей в целях решения описанных выше проблем предшествующего уровня техники.

[0007] Для достижения первой цели, которая указана выше, предложено устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, и в настоящей заявке реализовано следующее техническое решение.

[0008] Устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей содержит камеру и изоляционный слоевой блок, расположенный вблизи внутренних стенок камеры, причем множество нагревательных компонентов расположено с интервалами внутри изоляционного слоевого блока, в результате чего камера разделена на множество независимых ростовых полостей, и каждая из ростовых полостей содержит независимый ростовой блок; и при этом независимый ростовой блок содержит графитовый тигель и лоток для затравочного кристалла, расположенный поверх графитового тигля. В такой конфигурации внутреннее пространство камеры полностью окружено теплоизоляционным слоевым блоком, и внутреннее пространство, окруженное изоляционным слоевым блоком, разделено на множество независимых ростовых полостей, которые не взаимодействуют друг с другом вследствие множества нагревательных компонентов, расположенных с интервалами внутри изоляционного слоевого блока, в результате чего может быть реализован синхронный рост кристаллов карбида кремния, и может быть повышена эффективность выращивания кристаллов карбида кремния.

[0009] Необязательно ростовая полость имеет круглое горизонтальное поперечное сечение.

[0010] Необязательно ростовая полость имеет симметричное многоугольное горизонтальное поперечное сечение с числом сторон не менее четырех.

[0011] Необязательно графитовый тигель соединяется с приводным блоком в нижней части, и приводной блок используется для перемещения графитового тигля при его движении в ростовой полости.

[0012] Необязательно приводной блок содержит подъемный механизм и поворотный механизм. Подъемный механизм содержит полый подъемный стержень, соединенный с дном графитового тигля скользящим образом, и подъемный двигатель, прикрепленный в нижней части камеры и соединенный с нижним концом полого подъемного стержня. Поворотный механизм содержит шаговый двигатель, прикрепленный внутри полого подъемного стержня, и поворотный стержень, коаксиальный и фиксированно соединенный с выходным валом шагового двигателя, причем поворотный стержень фиксированно соединяется с дном графитового тигля. Поворотный механизм установлен внутри подъемного механизма, и они не взаимодействуют друг с другом, когда они работают, таким образом, что обеспечивается точность приводного блока в регулировании положения графитового тигля, а также обеспечивается простое и удобное независимое регулирование высоты и угла наклона графитового тигля.

[0013] Необязательно полый подъемный стержень проникает через дно камеры.

[0014] Необязательно графитовый тигель содержит кольцевой желоб на нижнем конце, и полый подъемный стержень содержит скользящий ролик, входящий в кольцевой желоб на верхнем конце.

[0015] Необязательно нагревательные компоненты представляют собой первый нагреватель и второй нагреватель, расположенные вокруг периферии графитового тигля, и третий нагреватель, прикрепленный к дну графитового тигля.

[0016] Необязательно графитовый тигель определяется как имеющий высоту М, первый нагреватель и второй нагреватель расположены вокруг периферии графитового тигля, причем первый нагреватель занимает положение от верхнего края графитового тигля до высоты 1/4М от верхнего края графитового тигля, второй нагреватель занимает положение от нижнего края графитового тигля до высоты 3/4М от верхнего края графитового тигля, и второй нагреватель имеет высоту, которая не превышает высоту исходного материала карбида кремния.

[0017] Для достижения второй цели, которая указана выше, предложен способ синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, и в настоящей заявке реализовано следующее техническое решение.

[0018] В способе синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей используется описанное выше устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния, и способ включает следующие стадии:

S1 (стадия предварительного нагревания), на которой после установления графитового тигля, приводного блока и исходного материала карбида кремния проверяют воздухонепроницаемость камеры, вакуумируют камеру до внутреннего давления в диапазоне от 0,1 до 5 Па, дополнительно вакуумируют камеру до внутреннего давления в диапазоне от 10^-5 до 10^-2 Па, увеличивают мощность нагревательных компонентов для установления температуры внутри камеры в диапазоне от 500 до 700°С, наполняют камеру смешанным газом, содержащим азот/водород и инертный газ, регулируют давление внутри камеры для поддержания его в диапазоне от 10000 до 70000 Па после определения того, что температура внутри камеры составляет более чем 1500°С, и дополнительно увеличивают мощность нагревательных компонентов для достижения температуры графитового тигля, составляющей 2000°С;

S2 (стадия кристаллизации), на которой регулируют соотношение мощности нагревательных компонентов таким образом, что температура на дне графитового тигля составляет на 10-100°С выше, чем температура в верхней части графитового тигля, регулируют положение графитового тигля через приводной блок таким образом, что температура исходного материала карбида кремния в графитовом тигле составляет на 15-80°С выше, чем температура затравочного кристалла, и снижают давление внутри камеры для поддержания его в диапазоне от 50 до 2500 Па на стадии роста кристалла;

S3 (стадия заключительной обработки), на которой после завершения стадии роста кристалла регулируют давление внутри камеры для поддержания его в диапазоне от 2500 до 10000 Па, уменьшают мощность нагревательных компонентов таким образом, чтобы уменьшить разность температур между дном графитового тигля и верхней частью графитового тигля и установить ее в пределах 20°С, и дополнительно медленно уменьшают мощность нагревательных компонентов до установления нулевой мощности.

[0019] Для достижения первой цели, которая указана выше, предложено устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, и в настоящей заявке реализовано следующее техническое решение.

[0020] Устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей содержит камеру и изоляционный слоевой блок, расположенный вблизи внутренних стенок камеры, причем изоляционный слоевой блок используется для разделения камеры на множество независимых ростовых полостей, и каждая из ростовых полостей содержит независимый ростовой блок; и при этом независимый ростовой блок содержит графитовый тигель, лоток для затравочного кристалла, расположенный поверх графитового тигля, и нагревательные компоненты, расположенные вокруг периферии графитового тигля. В такой конфигурации внутреннее пространство камеры полностью окружено теплоизоляционным слоевым блоком и разделено на множество независимых ростовых полостей, которые не взаимодействуют друг с другом вследствие теплоизоляционного слоевого блока, в результате чего может быть реализован синхронный рост кристаллов карбида кремния, и может быть повышена эффективность выращивания кристаллов карбида кремния.

[0021] Необязательно ростовая полость имеет круглое горизонтальное поперечное сечение.

[0022] Необязательно ростовая полость имеет симметричное многоугольное горизонтальное поперечное сечение с числом сторон не менее четырех.

[0023] Необязательно графитовый тигель соединяется с приводным блоком в нижней части, и приводной блок используется для перемещения графитового тигля при его движении в ростовой полости.

[0024] Необязательно приводной блок содержит подъемный механизм и поворотный механизм. Подъемный механизм содержит полый подъемный стержень, соединенный с дном графитового тигля скользящим образом, и подъемный двигатель, прикрепленный в нижней части камеры и соединенный с нижним концом полого подъемного стержня. Поворотный механизм содержит шаговый двигатель, прикрепленный внутри полого подъемного стержня, и поворотный стержень, коаксиальный и фиксированно соединенный с выходным валом шагового двигателя, причем поворотный стержень фиксированно соединяется с дном графитового тигля. Поворотный механизм установлен внутри подъемного механизма, и они не взаимодействуют друг с другом, когда они работают, таким образом, что обеспечивается точность приводного блока в регулировании положения графитового тигля, а также обеспечивается простое и удобное независимое регулирование высоты и угла наклона графитового тигля.

[0025] Необязательно полый подъемный стержень проникает через дно камеры.

[0026] Необязательно графитовый тигель содержит кольцевой желоб на нижнем конце, и полый подъемный стержень содержит скользящий ролик, входящий в кольцевой желоб на верхнем конце.

[0027] Необязательно нагревательные компоненты представляют собой первый нагреватель и второй нагреватель, расположенные вокруг периферии графитового тигля, и третий нагреватель, прикрепленный к дну графитового тигля.

[0028] Необязательно графитовый тигель определяется как имеющий высоту М, первый нагреватель и второй нагреватель расположены вокруг периферии графитового тигля, причем первый нагреватель занимает положение от верхнего края графитового тигля до высоты 1/4М от верхнего края графитового тигля, второй нагреватель занимает положение от нижнего края графитового тигля до высоты 3/4М от верхнего края графитового тигля, и второй нагреватель имеет высоту, которая не превышает высоту исходного материала карбида кремния.

Полезные эффекты настоящей заявки

[0029] (1) Настоящая заявка относится к устройству для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, в котором многосегментный независимо регулируемый графитовый нагреватель используется для нагревания вместо традиционного индукционного способа нагревания, и в котором можно с большей точностью регулировать радиальный и продольный температурный градиент тигля, в результате чего увеличивается скорость роста кристаллов, и уменьшается внутреннее напряжение кристаллов.

[0030] (2) Настоящая заявка относится к устройству для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, в котором каждый тигель расположен в независимом пространстве, и образуется среда для роста кристаллов, аналогичная традиционному однотигельному оборудованию, в результате чего предотвращается взаимное влияние различных кристаллов в процессе их роста, и обеспечивается качество кристаллов, которое не является ниже качества кристаллов, получаемых в процессе роста в одном тигле.

[0031] (3) Настоящая заявка относится к устройству для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, в котором каждый тигель содержит независимый подъемный и поворотный механизм, который может с большей точностью регулировать радиальный и продольный температурный градиент для каждого тигля, а также может регулировать различные температурные градиенты, которые имеют отдельные тигли, в результате чего ускоряются исследования и разработки процесса роста кристаллов, и снижается стоимость этих исследований и разработок.

[0032] (4) Настоящая заявка относится к устройству для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, в котором нагревательные компоненты представляют собой первый нагреватель, второй нагреватель и третий нагреватель, независимо расположенные без взаимодействия, причем второй нагреватель и третий нагреватель используются для регулирования температуры исходного материала карбида кремния, и, в частности, второй нагреватель может обеспечивать регулирование достижения желательной температуры исходного материала карбида кремния и предотвращение воздействия на затравочный кристалл карбида кремния в лотке для затравочного кристалла, таким образом, что достигается цель регулирования температур исходного материала карбида кремния и затравочного кристалла карбида кремния, соответственно.

[0033] (5) Настоящая заявка относится к способу синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, в котором различные тигли могут быть использованы для выращивания кристаллов карбида кремния, имеющих различные диаметры. Например, четырехдюймовые, шестидюймовые и восьмидюймовые кристаллы можно выращивать синхронно в одном устройстве для выполнения производственных задач.

[0034] (6) Настоящая заявка относится к способу синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, в котором множество тиглей может быть использовано для синхронного роста, и множество кристаллов может быть выращено в одной печи, в результате чего значительно увеличивается производительность единой печи, уменьшаются затраты энергии и расходы на оборудование и персонал, а также уменьшается отличие в стоимости от монокристаллического кремния, что может не только значительно уменьшить стоимость выращивания кристаллов карбида кремния, но также обеспечить внутреннее качество монокристаллических слитков и расширить область применения кристаллов карбида кремния.

Краткое описание фигур

[0035] При рассмотрении следующих фигур, на которых подробно представлены неограничительные варианты осуществления и другие признаки, становятся более очевидными цели и преимущества настоящей заявки.

[0036] На фиг. 1 представлено схематическое изображение сверху конструкции устройства для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей согласно варианту осуществления настоящей заявки.

[0037] На фиг. 2 представлено схематическое изображение спереди конструкции устройства для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей согласно варианту осуществления настоящей заявки.

[0038] На фиг. 3 представлено увеличенное схематическое изображение фрагмента А, указанного на фиг. 2 настоящей заявки.

[0039] На фиг. 4 представлено схематическое изображение сверху конструкции устройства для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей согласно другому варианту осуществления настоящей заявки.

[0040] На фиг. 5 представлено схематическое изображение спереди конструкции устройства для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей согласно другому варианту осуществления настоящей заявки.

[0041] На описанных выше фигурах: 1 - камера, 2 - ростовая полость, 3 - графитовый тигель, 4 - лоток для затравочного кристалла, 5 - подъемный механизм, 6 - поворотный механизм, 7 - полый подъемный стержень, 8 - подъемный двигатель, 9 - кольцевой желоб, 10 - скользящий ролик, 11 - шаговый двигатель, 12 - поворотный стержень, 13 - первый нагреватель, 14 - второй нагреватель, 15 - третий нагреватель, 16 - первый изоляционный слой, 17 - второй изоляционный слой, 18 - третий изоляционный слой, 19 - первый электрод, 20 - второй электрод, 21 - третий электрод, 22 - исходный материал карбида кремния, 23 - затравочный кристалл карбида кремния.

Подробное раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения

[0042] Чтобы легко понять технические средства, творческие признаки, цели и эффекты, достигаемые в настоящей заявке, ее дальнейшее описание сопровождается представлением конкретных вариантов осуществления.

Пример 1

[0043] Как представлено на фиг. 1 и 2, предложено устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, которое содержит камеру 1 и изоляционный слоевой блок, расположенный вблизи внутренних стенок камеры, причем изоляционный слоевой блок содержит первый изоляционный слой 16, второй изоляционный слой 17 и третий изоляционный слой 18, которые расположены вблизи внутренних стенок камеры сверху вниз; множество нагревательных компонентов расположены с интервалами внутри изоляционного слоевого блока, в результате чего камера разделена на множество независимых ростовых полостей 2, и каждая из ростовых полостей 2 содержит независимый ростовой блок; и при этом независимый ростовой блок содержит графитовый тигель 3, лоток 4 для затравочного кристалла, расположенный поверх графитового тигля 3, и приводной блок, расположенный на дне графитового тигля 3; нагревательные компоненты представляют собой первый нагреватель 13 и второй нагреватель 14, расположенные вокруг периферии графитового тигля 3, и третий нагреватель 15, прикрепленный к дну графитового тигля 3. Графитовый тигель 3 определяется как имеющий высоту М. Согласно этому варианту осуществления исходный материал карбида кремния загружается до 1/2М высоты графитового тигля 3. Первый нагреватель 13 и второй нагреватель 14 расположены вокруг периферии графитового тигля 3, причем первый нагреватель 13 занимает положение от верхнего края графитового тигля 3 до высоты 1/2М от верхнего края графитового тигля 3, второй нагреватель 14 занимает положение от нижнего края графитового тигля 3 до высоты 1/2М от верхнего края графитового тигля 3, и второй нагреватель 14 имеет высоту, которая не превышает высоту исходного материала карбида кремния. Первый электрод 19 прикреплен на каждый первый нагреватель 13, второй электрод 20 прикреплен на каждый второй нагреватель 14, и третий электрод 21 прикреплен на каждый третий нагреватель 15. Первый электрод 19, второй электрод 20 и третий электрод 21 выходят наружу из камеры 1 и находятся в электрическом соединении с регулятором. Соответственно, первый электрод 19 внедрен между первым изоляционным слоем 16 и вторым изоляционным слоем 17, второй электрод 20 внедрен между вторым изолирующим слоем 17 и третьим изолирующим слоем 18, и третий электрод 21 проникает через третий изолирующий слой 18.

[0044] В этом примере ростовая полость 2 имеет круглое горизонтальное поперечное сечение.

[0045] Графитовый тигель 3 соединяется с приводным блоком в нижней части, и приводной блок используется для перемещения графитового тигля при движении в его ростовой полости 2.

[0046] Приводной блок содержит подъемный механизм 5 и поворотный механизм 6. Подъемный механизм 5 содержит полый подъемный стержень 7, соединенный с дном графитового тигля 3 скользящим образом, и подъемный двигатель 8, прикрепленный в нижней части камеры 1 и соединенный с нижним концом полого подъемного стержня 7, и полый подъемный стержень 7 проникает через дно камеры 1. Как представлено на фиг. 3, графитовый тигель 3 содержит кольцевой желоб 9 на нижнем конце, и полый подъемный стержень 7 содержит скользящий ролик 10, входящий в кольцевой желоб 9 на верхнем конце. Поворотный механизм 6 содержит шаговый двигатель 11, прикрепленный внутри полого подъемного стержня 7, и поворотный стержень 12, коаксиальный и фиксированно соединенный с выходным валом шагового двигателя 11, и при этом поворотный стержень 12 фиксированно соединяется с дном графитового тигля 3.

[0047] В итоге рабочий принцип и способ эксплуатации согласно настоящей заявке может быть описан следующим образом. Графитовый тигель 3 внутри каждой ростовой полостью 2 заполняют исходным материалом карбида кремния 22 и прикрепляют затравочный кристалл карбида кремния 23 на лоток 4 для затравочного кристалла. Проверяют воздухонепроницаемость камеры 1, осуществляют вакуумирование и нагревание до тех пор, пока камера 1 и графитовый тигель 3 не достигают желательных значений давления и температуры. Осуществляют синхронный рост кристаллов карбида кремния. В течение процесса роста раздельно регулируют нагревательные компоненты и подъемный механизм 5 и поворотный механизм 6 внутри каждого отдельного ростового блока, а также регулируют температуру графитового тигля 3 и его положение в ростовой полости 2.

Пример 2

[0048] Пример 2 является таким же, как пример 1, за исключением того, что ростовая полость имеет восьмиугольное горизонтальное поперечное сечение.

Пример 3

[0049] В способе синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей используется описанное выше в примере 1 устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния, и способ включает следующие стадии:

S1 (стадия предварительного нагревания)

После установления графитового тигля 3, приводного блока и исходного материала карбида кремния проверяют воздухонепроницаемость камеры 1, вакуумируют до достижения давления внутри камеры 1, составляющего приблизительно 5 Па, дополнительно вакуумируют до достижения давления внутри камеры, составляющего приблизительно 10^-5 Па. Существующий молекулярный насос или сухой вихревой насос может быть использован в качестве насосное устройство для вакуумного откачивания. Насосное устройство присоединяется к камере 1 через вакуумную трубку, которая не представлена на иллюстрациях. Включают поворотный двигатель, прикрепленный к дну устройства для синхронного роста. Увеличивают мощность нагревательных компонентов до достижения температуры внутри камеры, составляющей 500°С, заполняют камеру 1 смешанным газом, содержащим азот и аргон, регулируют давление внутри камеры 1 для его поддержания на уровне, составляющем приблизительно 10000 Па, и дополнительно увеличивают мощность нагревательных компонентов для достижения температуры графитового тигля 3, составляющей 2100°С.

S2 (стадия кристаллизации)

Регулируют соотношение мощности нагревательных компонентов таким образом, что температура на дне графитового тигля 3 составляет на 10°С выше, чем температура в верхней части графитового тигля 3, регулируют положение графитового тигля 3 через приводной блок таким образом, что температура исходного материала карбида кремния в графитовом тигле 3 составляет на 15°С выше, чем температура затравочного кристалла, и снижают давление внутри камеры 1 для его поддержания на уровне, составляющем приблизительно 50 Па, на стадии роста кристаллов проводящего кристаллического карбида кремния.

S3 (стадия заключительной обработки)

После завершения стадии роста кристалла регулируют давление внутри камеры 1 для его поддержания на уровне, составляющем приблизительно 10000 Па, уменьшают мощность нагревательных компонентов таким образом, чтобы уменьшить разность температур между дном графитового тигля 3 и верхней частью графитового тигля 3 в пределах 20°С, и дополнительно медленно уменьшают мощность нагревательных компонентов до нулевого уровня.

Пример 4

[0050] В способе синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей используется описанное выше в примере 2 устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния, за исключением того, что ростовая полость 2 имеет иное горизонтальное поперечное сечение.

Пример 5

[0051] В способе синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей используется описанное выше в примере 1 устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния, причем способ является таким же, как в примере 3, за исключением того, что на стадии S1 используется смешанный газ, содержащий водород и аргон, для выращивания полуизолирующих кристаллов карбида кремния.

Пример 6

[0052] Предложен способ синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, в котором на стадии S1 смешанный газ, содержащий водород и аргон, используется для выращивания полуизолирующих кристаллов карбида кремния. Пример 6 отличается от примера 5 тем, что в нем используется описанное выше в примере 2 устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния, и ростовая полость 2 имеет восьмиугольное горизонтальное поперечное сечение.

Пример 7

[0053] Как представлено на фиг. 4 и 5, устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей содержит камеру 1 и изоляционный слоевой блок, расположенный вблизи внутренних стенок камеры 1, причем изоляционный слоевой блок содержит первый изоляционный слой 16, второй изоляционный слой 17 и третий изоляционный слой 18, которые расположены вблизи внутренних стенок камеры сверху вниз; изоляционный слоевой блок используется для разделения камеры 1 на множество независимых ростовых полостей 2, и каждая из ростовых полостей 2 содержит независимый ростовой блок; и при этом независимый ростовой блок содержит графитовый тигель 3, лоток 4 для затравочного кристалла, расположенный поверх графитового тигля 3, нагревательные компоненты, расположенные вокруг периферии графитового тигля 3, и приводной блок, расположенный на дне графитового тигля 3. Нагревательные компоненты представляют собой первый нагреватель 13 и второй нагреватель 14, расположенные вокруг периферии графитового тигля 3, и третий нагреватель 15, прикрепленный к дну графитового тигля 3. Графитовый тигель 3 определяется как имеющий высоту М. Согласно этому варианту осуществления исходный материал карбида кремния загружают до 1/2М высоты графитового тигля 3. Первый нагреватель 13 и второй нагреватель 14 расположены вокруг периферии графитового тигля 3, причем первый нагреватель 13 занимает положение от верхнего края графитового тигля 3 до высоты 1/2М от верхнего края графитового тигля 3, второй нагреватель 14 занимает положение от нижнего края графитового тигля 3 до высоты 1/2М от верхнего края графитового тигля 3, и при этом второй нагреватель 14 имеет высоту, которая не превышает высоту исходного материала карбида кремния. Первый электрод 19 прикреплен на каждый первый нагреватель 13, второй электрод 20 прикреплен на каждый второй нагреватель 14, и третий электрод 21 прикреплен на каждый третий нагреватель 15. Первый электрод 19, второй электрод 20 и третий электрод 21 выходят наружу из камеры 1 и находятся в электрическом соединении с регулятором. Соответственно, первый электрод 19 внедрен между первым изоляционным слоем 16 и вторым изоляционным слоем 17, второй электрод 20 внедрен между вторым изолирующим слоем 17 и третьим изолирующим слоем 18, и третий электрод 21 проникает через третий изолирующий слой 18.

[0054] В этом примере ростовая полость 2 имеет круглое горизонтальное поперечное сечение.

[0055] Графитовый тигель 3 соединяется с приводным блоком в нижней части, и приводной блок используется для перемещения графитового тигля при движении в ростовой полости 2.

[0056] Приводной блок содержит подъемный механизм 5 и поворотный механизм 6. Подъемный механизм 5 содержит полый подъемный стержень 7, соединенный с дном графитового тигля 3 скользящим образом, и подъемный двигатель 8, прикрепленный в нижней части камеры 1 и соединенный с нижним концом полого подъемного стержня 7, и при этом полый подъемный стержень 7 проникает через дно камеры 1. Как представлено на фиг. 3, графитовый тигель 3 содержит кольцевой желоб 9 на нижнем конце, и полый подъемный стержень 7 содержит скользящий ролик 10, входящий в кольцевой желоб 9 на верхнем конце. Поворотный механизм 6 содержит шаговый двигатель 11, прикрепленный внутри полого подъемного стержня 7, и поворотный стержень 12, коаксиальный и фиксированно соединенный с выходным валом шагового двигателя 11, причем поворотный стержень 12 фиксированно соединяется с дном графитового тигля 3.

[0057] В итоге рабочий принцип и способ эксплуатации согласно настоящей заявке может быть описан следующим образом. Графитовый тигель 3 внутри каждой из ростовых полостей 2 заполняют исходным материалом карбида кремния 22 и прикрепляют затравочный кристалл карбида кремния 23 на лоток 4 для затравочного кристалла. Проверяют воздухонепроницаемость камеры 1, осуществляют вакуумирование и нагревание до тех пор, пока камера 1 и графитовый тигель 3 не достигают желательных значений давления и температуры. Осуществляют синхронный рост кристаллов карбида кремния. В течение процесса роста раздельно регулируют нагревательные компоненты и подъемный механизм 5 и поворотный механизм 6 внутри каждого отдельного ростового блока, а также регулируют температуру графитового тигля 3 и его положение в ростовой полости 2.

Сравнительный пример 1

[0058] Были использованы устройство для выращивания монокристаллов и соответствующий способ выращивания, которые описаны в патентной заявке КНР №CN 110129880 А.

Сравнительный пример 2

[0059] Были использованы устройство для выращивания монокристаллов и соответствующий способ выращивания, которые описаны в патентной заявке КНР №CN 104364428 А.

Результат исследования 1

[0060] Результат исследования 1 был использован, чтобы представить рост кристаллов карбида кремния, которые были получены, посредством наблюдения и статистического сопоставления со способом выращивания, описанным в примерах 3-6, по сравнению с устройством для выращивания монокристаллов и способом выращивания в сравнительных примерах 1 и 2.

Здесь ○ представляет высокую эффективность выращивания кристаллического карбида кремния; □ представляет удовлетворительную эффективность выращивания кристаллического карбида кремния; и x представляет неудовлетворительную эффективность выращивания кристаллического карбида кремния.

Результат исследования 2

[0061] Результат исследования 2 был использован, чтобы представить морфологию кристаллов карбида кремния, которые были получены, посредством наблюдения и статистического сопоставления со способом выращивания, описанным в примерах 3-6, по сравнению с устройством для выращивания монокристаллов и способом выращивания в сравнительных примерах 1 и 2.

Здесь ○ представляет, что кристаллический карбид кремния имеет интегральную морфологию, и его поверхность является гладкой; □ представляет, что кристаллический карбид кремния имеет интегральную морфологию и трещины на поверхности; и х представляет, что кристаллический карбид кремния имеет неудовлетворительную морфологию.

[0062] Приведенные выше результаты кратко представлены ниже в следующей таблице.

[0063] Посредством сравнения результатов исследований в примерах 3-6 можно видеть, что монокристаллы карбида кремния, полученные с применением данного устройства и способа выращивания, имеют более гладкую и чистую поверхность, пониженное внутреннее напряжение, значительно уменьшенный коэффициент растрескивания и значительно повышенный выход кристаллов по сравнению с монокристаллами карбида кремния, выращенными с применением существующих распространенных способов.

[0064] Выше представлены и описаны основные принципы и главные признаки настоящей заявки и преимущества настоящей заявки. Для специалистов в данной области техники является очевидным, что настоящая заявка не ограничивается подробностями представленных выше примерных вариантов осуществления, и настоящая заявка может быть реализована в других конкретных формах без отклонения от идеи или основных признаков настоящей заявки. Таким образом, с любой точки зрения, варианты осуществления следует рассматривать как примерные и неограничительные. Объем настоящей заявки определяется прилагаемой формулой изобретения, а не представленным выше описанием. Таким образом, предусмотрено, что в него входят все изменения в пределах значения и объема эквивалентных элементов формулы изобретения в настоящей заявке.

[0065] Кроме того, следует понимать, что хотя настоящее описание представлено согласно вариантам осуществления, не в каждом варианте осуществления содержится только независимое техническое решение. Настоящее описание представлено исключительно в целях ясности. Специалистам в данной области техники следует рассматривать настоящее описание в целом, и технические решения в каждом варианте осуществления также могут быть надлежащим образом объединены с образованием других вариантов осуществления, которые могут быть понятными для специалистов в данной области техники.

Изобретение относится к химической промышленности и полупроводниковой технике. Устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей содержит камеру (1) и расположенный вблизи ее внутренних стенок изоляционный слоевой блок, внутри которого с интервалами расположено множество нагревательных компонентов, представляющих собой первый (13), второй (14) и третий (15) нагреватели, в результате чего она разделена на множество независимых ростовых полостей (2), содержащих независимый ростовой блок с графитовым тиглем (3) и лотком для затравочного кристалла (4). Каждый графитовый тигель (3) соединен с предназначенным для его перемещения приводным блоком, содержащим подъемный (5) и поворотный (6) механизмы. Подъемный механизм (5) содержит полый подъемный стержень (7), соединенный с дном графитового тигля (3) скользящим образом, и подъемный двигатель (8). Поворотный механизм (6) содержит шаговый двигатель (11), прикрепленный внутри полого подъемного стержня (7), и поворотный стержень (12), коаксиальный и фиксированно соединенный как с выходным валом шагового двигателя (11), так и с дном графитового тигля (3). На стадии предварительного нагревания S1 устанавливают в камере (1) графитовый тигель (3), приводной блок и исходный карбид кремния, проверяют воздухонепроницаемость камеры (1), вакуумируют ее до внутреннего давления 0,1-5 Па, дополнительно вакуумируют до 10^-5-10^-2 Па, увеличивают мощность нагревательных компонентов для установления температуры 500-700°С, наполняют камеру (1) смешанным газом, содержащим азот/водород и инертный газ, регулируют давление для его поддержания в диапазоне 10000-70000 Па после достижения температуры более 1500°С, и дополнительно увеличивают мощность нагревательных компонентов для достижения температуры графитового тигля (3), составляющей 2000°С. На стадии кристаллизации S2 регулируют соотношение мощности нагревательных компонентов таким образом, чтобы температура на дне графитового тигля (3) была на 10-100°С выше температуры в его верхней части, регулируют его положение через приводной блок таким образом, чтобы температура исходного карбида кремния в графитовом тигле (3) была на 15-80°С выше температуры затравочного кристалла, и снижают давление внутри камеры (1) до 50-2500 Па. На стадии заключительной обработки S3 поддерживают давление внутри камеры (1) в диапазоне от 2500-10000 Па, уменьшают мощность нагревательных компонентов таким образом, чтобы уменьшить разность температур между дном графитового тигля (3) и его верхней частью и установить ее в пределах 20°С, и дополнительно медленно уменьшают мощность нагревательных компонентов до установления нулевой мощности. Технический результат – повышение выхода годных крупных кристаллов за счет исключения их растрескивания вследствие внутреннего напряжения. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил., 6 пр.

1. Устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, содержащее камеру (1) и изоляционный слоевой блок, расположенный вблизи внутренних стенок камеры (1),

причем множество нагревательных компонентов расположено с интервалами внутри изоляционного слоевого блока, в результате чего камера разделена на множество независимых ростовых полостей (2), и каждая из ростовых полостей (2) содержит независимый ростовой блок; и

при этом независимый ростовой блок содержит графитовый тигель (3) и лоток для затравочного кристалла (4), расположенный поверх графитового тигля (3).

2. Устройство по п. 1, в котором ростовая полость имеет круглое горизонтальное поперечное сечение.

3. Устройство по п. 1, в котором ростовая полость (2) имеет симметричное многоугольное горизонтальное поперечное сечение с числом сторон не менее четырех.

4. Устройство по п. 2 или 3, в котором графитовый тигель (3) соединяется с приводным блоком в нижней части, и приводной блок используется для перемещения графитового тигля (3) при движении в его ростовой полости (2).

5. Устройство по п. 4, в котором приводной блок содержит подъемный механизм (5) и поворотный механизм (6);

причем подъемный механизм (5) содержит полый подъемный стержень (7), соединенный с дном графитового тигля (3) скользящим образом, и подъемный двигатель (8), прикрепленный в нижней части камеры (1) и соединенный с нижним концом полого подъемного стержня (7); и

при этом поворотный механизм (6) содержит шаговый двигатель (11), прикрепленный внутри полого подъемного стержня (7), и поворотный стержень (12), коаксиальный и фиксированно соединенный с выходным валом шагового двигателя (11), причем поворотный стержень (12) фиксированно соединен с дном графитового тигля (3).

6. Устройство по п. 5, в котором полый подъемный стержень (7) проникает через дно камеры (1).

7. Устройство по п. 5, в котором графитовый тигель (3) содержит кольцевой желоб (9) на нижнем конце, и полый подъемный стержень (7) содержит скользящий ролик (10), входящий в кольцевой желоб (9) на верхнем конце.

8. Устройство по п. 6 или 7, в котором нагревательные компоненты представляют собой первый нагреватель (13) и второй нагреватель (14), расположенные вокруг периферии графитового тигля (3), и третий нагреватель (15), прикрепленный к дну графитового тигля (3).

9. Устройство по п. 8, в котором графитовый тигель (3) определяется как имеющий высоту М, первый нагреватель (13) и второй нагреватель (14) расположены вокруг периферии графитового тигля (3), причем первый нагреватель (13) занимает положение от верхнего края графитового тигля (3) до высоты 1/4М от верхнего края графитового тигля (3), второй нагреватель (14) занимает положение от нижнего края графитового тигля (3) до высоты 3/4М от верхнего края графитового тигля (3), и второй нагреватель (14) имеет высоту, которая не превышает высоту исходного материала карбида кремния.

10. Способ синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей с применением устройства для синхронного роста кристаллов карбида кремния по любому из пп. 4-9, включающий следующие стадии:

S1 (стадия предварительного нагревания), на которой после установления графитового тигля (3), приводного блока и исходного материала карбида кремния проверяют воздухонепроницаемость камеры (1), вакуумируют камеру (1) до внутреннего давления в диапазоне от 0,1 до 5 Па, дополнительно вакуумируют камеру (1) до внутреннего давления в диапазоне от 10^-5 до 10^-2 Па, увеличивают мощность нагревательных компонентов для установления температуры внутри камеры (1) в диапазоне от 500 до 700°С, наполняют камеру (1) смешанным газом, содержащим азот/водород и инертный газ, регулируют давление внутри камеры (1) для поддержания его в диапазоне от 10000 до 70000 Па после определения того, что температура внутри камеры (1) составляет более чем 1500°С, и дополнительно увеличивают мощность нагревательных компонентов для достижения температуры графитового тигля (3), составляющей 2000°С;

S2 (стадия кристаллизации), на которой регулируют соотношение мощности нагревательных компонентов таким образом, что температура на дне графитового тигля (3) составляет на 10-100°С выше, чем температура в верхней части графитового тигля (3), регулируют положение графитового тигля (3) через приводной блок таким образом, что температура исходного материала карбида кремния в графитовом тигле (3) составляет на 15-80°С выше, чем температура затравочного кристалла, и снижают давление внутри камеры (1) для поддержания его в диапазоне от 50 до 2500 Па на стадии роста кристалла;

S3 (стадия заключительной обработки), на которой после завершения стадии роста кристалла регулируют давление внутри камеры (1) для поддержания его в диапазоне от 2500 до 10000 Па, уменьшают мощность нагревательных компонентов таким образом, чтобы уменьшить разность температур между дном графитового тигля (3) и верхней частью графитового тигля (3) и установить ее в пределах 20°С, и дополнительно медленно уменьшают мощность нагревательных компонентов до установления нулевой мощности.

11. Устройство для синхронного роста кристаллов карбида кремния во множестве тиглей, содержащее камеру (1) и изоляционный слоевой блок, расположенный вблизи внутренних стенок камеры (1),

причем изоляционный слоевой блок используется для разделения камеры (1) на множество независимых ростовых полостей (2), и при этом каждая из ростовых полостей (2) содержит независимый ростовой блок;

причем независимый ростовой блок содержит графитовый тигель (3), лоток для затравочного кристалла (4), расположенный поверх графитового тигля (3) и нагревательные компоненты, расположенные вокруг периферии графитового тигля (3).

12. Устройство по п. 11, в котором ростовая полость (2) имеет круглое горизонтальное поперечное сечение.

13. Устройство по п. 11, в котором ростовая полость (2) имеет симметричное многоугольное горизонтальное поперечное сечение с числом сторон не менее четырех.

14. Устройство по п. 12 или 13, в котором графитовый тигель (3) соединяется с приводным блоком в нижней части, и приводной блок используется для перемещения графитового тигля (3) при движении в его ростовой полости (2).

15. Устройство по п. 14, в котором приводной блок содержит подъемный механизм (5) и поворотный механизм (6);

причем подъемный механизм (5) содержит полый подъемный стержень (7), соединенный с дном графитового тигля (3) скользящим образом, и подъемный двигатель (8), прикрепленный в нижней части камеры (1) и соединенный с нижним концом полого подъемного стержня (7); и

при этом поворотный механизм (6) содержит шаговый двигатель (11), прикрепленный внутри полого подъемного стержня (7), и поворотный стержень (12), коаксиальный и фиксированно соединенный с выходным валом шагового двигателя (11), причем поворотный стержень (12) фиксированно соединяется с дном графитового тигля (3).

16. Устройство по п. 15, в котором полый подъемный стержень (7) проникает через дно камеры (1).

17. Устройство по п. 15, в котором графитовый тигель (3) содержит кольцевой желоб (9) на нижнем конце, и полый подъемный стержень (7) содержит скользящий ролик (10), входящий в кольцевой желоб (9) на верхнем конце.

18. Устройство по п. 16 или 17, в котором нагревательные компоненты представляют собой первый нагреватель (13) и второй нагреватель (14), расположенные вокруг периферии графитового тигля (3), и третий нагреватель (15), прикрепленный к дну графитового тигля (3).

19. Устройство по п. 18, в котором графитовый тигель (3) определяется как имеющий высоту М, первый нагреватель (13) и второй нагреватель (14) расположены вокруг периферии графитового тигля (3), причем первый нагреватель (13) занимает положение от верхнего края графитового тигля (3) до высоты 1/4 М от верхнего края графитового тигля (3), второй нагреватель (14) занимает положение от нижнего края графитового тигля (3) до высоты 3/4 М от верхнего края графитового тигля (3), и второй нагреватель (14) имеет высоту, которая не превышает высоту исходного материала карбида кремния.