一种用于碳化硅单晶生长的石墨坩埚的制作方法

[0001]
本申请涉及碳化硅单晶生长技术领域，尤其涉及一种用于碳化硅单晶生长的石墨坩埚。


背景技术：

[0002]
碳化硅(sic)是第三代半导体材料的典型代表，与第一代si和第二代gaas半导体材料相比，具有热导率高、禁带宽度宽、化学稳定性高、抗辐射能力强等优异的综合性能。这使sic半导体材料被用于制备高功率电力电子器件和微波器件，并已在高压电力传输、5g通信、电动汽车等领域获得广泛应用，sic半导体材料和器件目前已成为各国争相发展的产业。
[0003]
物理气相传输法是目前生长sic晶体的主流方法。图1为一种常用的坩埚的基本结构示意图。如图1所示，该坩埚采用石墨材料制成，并由坩埚盖1和坩埚体2两部分组成，其中，坩埚盖1下侧端、(图中虚线即是表示螺纹部分，螺纹有时又叫螺丝)，坩埚盖1和坩埚体2通过螺纹3紧固。在晶体生长时，将sic籽晶4粘贴在坩埚盖1，坩埚体2内装有作为生长原料的sic多晶粉末(图中未示出)，生长温度控制在2273k～2773k之间，sic多晶粉料处于高温区，sic籽晶4处于低温区。在高温区，sic多晶粉料分解为含有si、c组分的气相，通过对流或扩散，传输到处于低温区的sic籽晶4表面，并结晶成sic单晶材料。
[0004]
但是，sic多晶粉料分解的气相组分中的si，会在坩埚盖1和坩埚体2之间的缝隙扩散至螺纹3处，在高温下si蒸气会与石墨反应生成sic，sic之后再分解成气相并传输，结果会导致使用一段时间后，螺纹3变浅，失去密封作用，整个坩埚就此报废。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中在碳化硅单晶生长过程中，由于粉料中硅气氛对石墨螺纹的侵蚀，使得坩埚使用寿命较短的问题，本申请实施例提供了一种用于碳化硅单晶生长的石墨坩埚。
[0006]
本申请实施例提供的用于碳化硅单晶生长的石墨坩埚，包括坩埚盖和中空的坩埚体，其中：
[0007]
所述坩埚盖中靠近所述坩埚体的下表面包括第一下表面、位于所述第一下表面外周的第二下表面；所述第一下表面凸出于所述第二下表面，所述第一下表面和所述第二下表面之间形成坩埚盖台阶面，所述坩埚盖台阶面为向所述第一下表面倾斜的面；所述第二下表面上开设有第一固定孔；
[0008]
与所述坩埚盖台阶面相匹配的，所述坩埚体端口处的内壁为倾斜内壁；
[0009]
所述坩埚盖与所述坩埚体通过穿设在所述第一固定孔中的坩埚紧固部件紧固，所述第二下表面与所述坩埚体的端口面之间具有一定的间距。
[0010]
可选地，所述坩埚体的端口面上开设有第二固定孔，所述第二固定孔的内壁上设有螺纹，所述坩埚紧固部件为石墨螺杆，所述坩埚盖与所述坩埚体通过穿设在所述第一固
定孔和第二固定孔的所述石墨螺杆紧固。
[0011]
可选地，所述坩埚筒包括坩埚筒和坩埚底，其中：
[0012]
所述坩埚底中靠近所述坩埚筒的上表面包括第一上表面、位于所述第一上表面外周的第二上表面；所述第一上表面凸出于所述第二上表面，所述第一上表面和所述第二上表面之间形成坩埚底台阶面，所述坩埚底台阶面为向所述第一上表面倾斜的面；所述第二上表面上开设有第三固定孔；
[0013]
与所述坩埚底台阶面相匹配的，所述坩埚筒端口处的内壁为倾斜内壁；
[0014]
所述坩埚底与所述坩埚筒通过穿设在所述第三固定孔中的坩埚底紧固部件紧固，所述第二上表面与所述坩埚筒的端口面之间具有一定的间距。
[0015]
可选地，所述坩埚筒的端口面上开设有第四固定孔，所述第四固定孔的内壁上设有螺纹，所述坩埚底紧固部件为石墨螺杆，所述坩埚底与所述坩埚筒通过穿设在所述第三固定孔和第四固定孔的所述石墨螺杆紧固。
[0016]
可选地，所述坩埚盖台阶面的倾斜角度为10
°
～20
°
之间的任一角度值。
[0017]
可选地，所述第二下表面与所述坩埚体的端口面之间的间隙为1mm～2mm之间的任一数值。
[0018]
可选地，所述坩埚底台阶面222的倾斜角度为10
°
～20
°
之间的任一角度值。
[0019]
可选地，所述第二上表面与所述坩埚筒的端口面之间的间隙为1mm～2mm之间的任一数值。
[0020]
可选地，所述坩埚紧固部件为石墨坩埚紧固部件。
[0021]
本申请实施例提供的用于碳化硅单晶生长的石墨坩埚，通过将坩埚盖中靠近坩埚体的下表面设置为包括第一下表面、位于第一下表面外周的第二下表面，第一下表面凸出于第二下表面，第一下表面和第二下表面之间形成坩埚盖台阶面，坩埚盖台阶面为向第一下表面倾斜的面；同时，与坩埚盖台阶面相匹配的，将坩埚体端口处的内壁设置为倾斜内壁。这样，坩埚盖与坩埚体装配后，坩埚盖台阶面与倾斜内壁相接触，进而坩埚盖与坩埚体之间以斜面密封，密封效果要优于平面密封。另外，在坩埚盖的第二下表面上开设有第一固定孔，坩埚盖与坩埚体通过穿设在第一固定孔中的坩埚紧固部件紧固，第二下表面与坩埚体的端口面之间具有一定的间距，坩埚盖的第二下表面与坩埚体的端口面之间的间隙，可以使该处的坩埚紧固部件完全暴露在坩埚外部的气氛中，这样坩埚内部气相中的si蒸气不会对坩埚紧固部件产生侵蚀作用，进而可以坩埚的使用寿命延长。
附图说明
[0022]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
[0023]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为现有技术中一种常用的坩埚的基本结构示意图。
[0025]
图2为本申请实施例提供的第一种石墨坩埚的拆分结构示意图；
[0026]
图3为图2中的坩埚盖的第一基本结构示意图；
[0027]
图4为图2中的坩埚盖的第二基本结构示意图；
[0028]
图5为本申请实施例提供的第一种石墨坩埚的组装结构示意图；
[0029]
图6为本申请实施例提供的第二种石墨坩埚的拆分结构示意图；
[0030]
图7为图6中的坩埚底的基本结构示意图；
[0031]
图8为本申请实施例提供的第二种石墨坩埚的组装结构示意图。
具体实施方式
[0032]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0033]
在碳化硅单晶生长过程中，石墨坩埚是一种耗材，一定时间的单晶生长后，由于粉料中硅气氛对坩埚盖和坩埚体上的石墨螺纹的侵蚀，导致坩埚使用寿命较短。然而，在当前sic单晶市场竞争剧烈的条件下，延长石墨坩埚的使用寿命，降低单晶生长成本，对于提高sic单晶市场竞争力，具有重要的意义。基于此，本实施例提供了新型的石墨坩埚，以延长坩埚的使用寿命。
[0034]
图2为本申请实施例提供的第一种石墨坩埚的拆分结构示意图。如图2所示，本实施例提供的用于碳化硅单晶生长的石墨坩埚主要包括坩埚盖1和中空的坩埚体2两部分。
[0035]
图3为图2中的坩埚盖的第一基本结构示意图，图4为图2中的坩埚盖的第二基本结构示意图。如图3和4所示，在坩埚盖1中靠近坩埚体2的下表面设置为阶梯结构，即其下表面包括第一下表面11、位于第一下表面11外周的第二下表面12，并且，第一下表面11凸出于第二下表面12，第一下表面11和第二下表面12之间形成坩埚盖台阶面13，坩埚盖台阶面13为向第一下表面11倾斜的面。需要说明的是，为方便描述，本实施例将在坩埚盖1中靠近坩埚体2的表面定义为下表面、远离坩埚体2的表面定义为上表面。
[0036]
与坩埚盖台阶面13相匹配的，如图2所示，在坩埚体2端口处的内壁为倾斜内壁，优选地，坩埚盖台阶面13与坩埚体2端口处的内壁的倾斜角度相同或者近似相同，这样，坩埚盖1与坩埚体2装配后，坩埚盖台阶面13与坩埚体2端口处的内壁相接触，进而坩埚盖1与坩埚体2之间依靠上述斜面实现密封。
[0037]
其中，基于现有坩埚壁的厚度、密封效果等因素考虑，本实施例将上述坩埚盖台阶面13的倾斜角度设计为10
°
～20
°
之间的任一角度值，当然，在其它实施例中，可以设置为其它数值，本实施例在此不做具体限定。
[0038]
进一步的，坩埚盖1与坩埚体2装配后，为了实现坩埚盖1与坩埚体2的紧固，如图1至3所示，本实施例在第二下表面12上开设有第一固定孔101，该第一固定孔101为穿过坩埚盖1的通孔。为了方便坩埚盖1与坩埚体2装配后的紧固度与平整度，如图4所示，本实施例在坩埚盖1上对称开设有六个第一固定孔101，当然，在其它实施例中，可以设置为其它数目，本实施例不做具体限定。
[0039]
同时，坩埚体2的端口面上开设有第二固定孔201，第二固定孔201的内壁上设有螺纹，外壁具有螺纹的螺杆5作为坩埚紧固部件，螺杆5可以为石墨材质，然后，坩埚盖1与坩埚体2通过穿设在第一固定孔101和第二固定孔201的螺杆5紧固。基于上述螺杆5的固定结构，
本实施例将第二固定孔201设计为由大孔和小孔组成的沉孔结构，这样，螺杆5的帽头部分进入大孔，且帽头的下表面与在大、小孔之间的平台部分相接触，这样，既能使螺杆5能穿过坩埚盖1，同时，对其安装深度进行定位。另外，本实施例将第一固定孔101设计为内壁无螺纹的光孔，使得第一固定孔101与相应的第二固定孔201之间存在加工误差，也能实现坩埚的紧固。
[0040]
进一步的，螺杆5的帽头内可以设置内六角凹槽，在使用时，采用内六角扳手可以旋转螺杆5，以达到松开或紧固螺杆5的效果，当然，也可以是其它图形结构，例如设置十字结构。
[0041]
需要说明的是，对于上述坩埚紧固部件除了采用螺杆的结构外，还可在坩埚体2的端口面上设置凸出于其端面的立柱，立柱外壁带有螺纹，装配时，立柱穿入第一固定孔101中，然后，利用与立柱相配的螺母将坩埚盖1与坩埚体2紧固，只是该方式与上述设置第一固定孔101、第二固定孔201以及螺杆5的装配方式相比，第一固定孔101、第二固定孔201以及螺杆5的方式更方便单晶生长结束后的开盖工作。
[0042]
图5为本申请实施例提供的第一种石墨坩埚的组装结构示意图。如图5所示，本实施例通过在设置好坩埚盖台阶面13的倾角后，对坩埚盖1的第二下表面12与其上表面之间的间距、即坩埚盖1边缘的厚度设置，使坩埚盖1与坩埚体2装在一起后，坩埚盖1的第二下表面12与坩埚体2的端口面之间具有一定的间距d，其中，该间距d的具体值可以根据实际需求设定，例如，设置坩埚盖1的第二下表面12与坩埚体2的端口面之间的间距为1mm～2mm之间的任一数值。
[0043]
利用上述坩埚盖1的第二下表面12与坩埚体2的端口面之间的间隙，可以使该处的螺杆5完全暴露在坩埚外部的气氛中，这样坩埚内部气相中的si蒸气可以更快的扩散至坩埚外部，进而不会对坩埚紧固部件产生侵蚀作用，可以延长坩埚的使用寿命。同时，本实施例依靠上述坩埚盖1和坩埚体2上的斜面密封，可以保证坩埚的密封性。另外，完成晶体生长后，在取下螺杆5后，即使坩埚内壁生长有多晶，也可以利用上述坩埚盖1的第二下表面12与坩埚体2的端口面之间的间隙，撬动坩埚盖1，进而还具有方便取出晶体的功能。
[0044]
图6为本申请实施例提供的第二种石墨坩埚的拆分结构示意图。如图6所示，本实施例与上述实施例的区别在于，本实施例中的坩埚体包括坩埚筒21和坩埚底22。
[0045]
图7为图6中的坩埚底的基本结构示意图。如图7所示，本实施例设计坩埚底22中靠近坩埚筒21的上表面包括第一上表面221、位于第一上表面221外周的第二上表面223；第一上表面221凸出于第二上表面223，第一上表面221和第二上表面223之间形成坩埚底台阶面222，坩埚底台阶面222为向第一上表面221倾斜的面。如图6所示，与坩埚底台阶面222相匹配的，坩埚筒21的下端口处的内壁设置为倾斜内壁，这样，坩埚底22与坩埚筒21装配后，坩埚底台阶面222与坩埚筒21端口处的内壁相接触，进而坩埚底22与坩埚筒21之间依靠上述倾斜面实现密封。
[0046]
其中，基于现有坩埚壁的厚度、密封效果等因素考虑，本实施例将上述坩埚底台阶面222的倾斜角度设计为10
°
～20
°
之间的任一角度值，当然，在其它实施例中，可以设置为其它数值，本实施例在此不做具体限定。
[0047]
进一步的，坩埚底22与坩埚筒21装配后，为了实现坩埚底22与坩埚筒21的紧固，如图6所示，本实施例在第二上表面223上开设有第三固定孔224，该第三固定孔224为穿过坩
埚底22的通孔。同时，坩埚筒21的下端口面(即靠近坩埚底22的端口面)上开设有第四固定孔212，第四固定孔212的内壁上设有螺纹，外壁具有螺纹的螺杆52作为坩埚紧固部件，螺杆52可以为石墨材质，然后，坩埚底22与坩埚筒21通过穿设在第三固定孔224和第四固定孔212的螺杆52紧固。
[0048]
图8为本申请实施例提供的第二种石墨坩埚的组装结构示意图。如图8所示，将坩埚底22扣合在坩埚筒21后，坩埚底22的第二上表面223与坩埚筒21的下端口面之间具有一定的间距，其中，该间距的具体值可以根据实际需求设定，例如，设置该间距为1mm～2mm之间的任一数值。
[0049]
另外，基于与上述实例同样的设计原理，本实施例设置坩埚盖1与坩埚筒21之间也是利用斜面密封，另外，在坩埚盖1上开设有第一固定孔101、坩埚筒21的上端口面(即靠近坩埚盖1的端口面)上开设有第二固定孔211，在坩埚盖1与坩埚筒21利用穿设在第一固定孔101和第二固定孔211中的螺杆51密封。
[0050]
本实施例通过将坩埚体设计为由坩埚底22与坩埚筒21组成的分体式结构，完成晶体生长后，可以打开坩埚底22，将晶体取出，进而可以不受坩埚内壁生长有多晶的影响。另外，通过倾斜面密封的方式，还可以延长坩埚的使用寿命。
[0051]
基于上述设计，本实施例还提供了现有的利用螺纹紧固和密封的坩埚与本实施例利用斜面密封与螺杆紧固的坩埚的比对试验。
[0052]
在试验时，采用同样的生长工艺，具体的，将sic籽晶粘结在坩埚盖的下表面，对于本实施例中的坩埚盖，则是粘结在坩埚盖的第一下表面，将sic多晶粉料装进坩埚体中，多晶料的表面与sic籽晶保持30至60mm的间距；然后，将坩埚盖和坩埚体装配在一起并紧固；最后，将上述坩埚放进单晶炉进行sic单晶生长。
[0053]
试验结果如下表：
[0054]
坩埚类型现有坩埚本实施例紧固和密封方式螺纹紧固和密封螺杆紧固、斜面密封使用寿命(炉次)820
[0055]
进而可以证明，与现有的坩埚相比，本实施例提供的坩埚使用寿命有比较大的提高。
[0056]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0057]
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除