本發(fā)明屬于晶體生長(zhǎng)，涉及一種晶體生長(zhǎng)的裝置系統(tǒng)，尤其涉及一種減少晶體中碳包裹物的裝置系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、碳化硅(sic)是一種具有代表性的寬禁帶半導(dǎo)體材料。由于其優(yōu)越的半導(dǎo)體特性，碳化硅被廣泛應(yīng)用于高溫、高頻及高功率電子器件的制造。目前，生產(chǎn)碳化硅晶體的主流方法為物理氣相傳輸法(pvt法)。近年來(lái)，人們?cè)跀U(kuò)大碳化硅晶體直徑以及減少多型包裹上取得了很大的進(jìn)步。然而，生產(chǎn)的碳化硅晶體仍然存在一些不可忽視的缺陷，如較高的位錯(cuò)密度以及碳包裹物。其中，碳包裹物會(huì)誘發(fā)微管、層錯(cuò)等缺陷，這些缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重削弱碳化硅襯底的質(zhì)量，進(jìn)而影響碳化硅基半導(dǎo)體器件的性能。

2、碳化硅晶體中的碳包裹物主要有兩個(gè)來(lái)源：粉料石墨化后隨氣體傳輸?shù)奶碱w粒以及富硅氣體對(duì)石墨器件腐蝕產(chǎn)生的碳顆粒。多孔石墨板常被用來(lái)過(guò)濾粉料石墨化后隨氣體傳輸?shù)奶碱w粒。但是，僅僅使用單層多孔石墨板對(duì)氣體中碳顆粒的過(guò)濾效果并不好，并且在碳化硅晶體生長(zhǎng)初期，石墨器件如多孔石墨板、導(dǎo)氣環(huán)等，都會(huì)受到富硅氣體的腐蝕而產(chǎn)生碳顆粒，對(duì)這些石墨器件進(jìn)行碳化鉭的化學(xué)氣相沉積(cvd)能夠有效避免石墨器件受腐蝕而產(chǎn)生碳顆粒。但是cvd成本較高，并且不同的反應(yīng)氣體流量比、反應(yīng)壓強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間都將影響碳化鉭涂層抵抗氣體腐蝕的能力。

3、由此可見(jiàn)，如何有效減少物理氣相傳輸過(guò)程中粉料石墨化后隨氣體傳輸?shù)奶碱w粒以及富硅氣體對(duì)石墨器件腐蝕產(chǎn)生的碳顆粒成為了目前本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切需要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種減少晶體中碳包裹物的裝置系統(tǒng)及方法，所述裝置系統(tǒng)有效減少了物理氣相傳輸過(guò)程中粉料石墨化后隨氣體傳輸?shù)奶碱w粒，并避免了富硅氣體對(duì)石墨器件腐蝕產(chǎn)生的碳顆粒，從而有效減少了晶體中的碳包裹物。

2、為達(dá)到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種減少晶體中碳包裹物的裝置系統(tǒng)，所述裝置系統(tǒng)包括坩堝和設(shè)置于坩堝內(nèi)部的過(guò)濾層組與中空導(dǎo)流層。

4、所述過(guò)濾層組包括至少2層縱向過(guò)濾層和至少1層橫向過(guò)濾層。

5、其中，所述縱向過(guò)濾層的層數(shù)為至少2層，例如可以是2層、3層、4層、5層或6層，進(jìn)一步優(yōu)選為2層，所述橫向過(guò)濾層的層數(shù)為至少1層，例如可以是1層、2層、3層、4層或5層，進(jìn)一步優(yōu)選為1層，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

6、本發(fā)明提供的裝置系統(tǒng)通過(guò)在坩堝內(nèi)部設(shè)置過(guò)濾層組，且進(jìn)一步限定了過(guò)濾層組包括縱向過(guò)濾層和橫向過(guò)濾層，使得氣體在傳輸過(guò)程中依次進(jìn)行多次縱向過(guò)濾和橫向過(guò)濾，從而顯著減少了氣體中的碳顆粒，進(jìn)而有效地減少了晶體中的碳包裹物。

7、此外，中空導(dǎo)流層的設(shè)置可將多次過(guò)濾后的氣體直接從中間導(dǎo)向籽晶，無(wú)需使用導(dǎo)氣環(huán)，從而降低了石墨導(dǎo)氣環(huán)或帶有碳化鉭涂層的導(dǎo)氣環(huán)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本，更是避免了來(lái)自石墨導(dǎo)氣環(huán)受腐蝕而產(chǎn)生的碳顆粒。

8、優(yōu)選地，所述縱向過(guò)濾層包括網(wǎng)狀過(guò)濾層和/或纖維狀過(guò)濾層。

9、優(yōu)選地，所述縱向過(guò)濾層的材質(zhì)包括碳化鉭、碳化鎢或碳化鈮中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括碳化鉭與碳化鎢的組合，碳化鎢與碳化鈮的組合，碳化鉭與碳化鈮的組合，或碳化鉭、碳化鎢與碳化鈮的組合，進(jìn)一步優(yōu)選為碳化鉭。

10、優(yōu)選地，所述縱向過(guò)濾層為網(wǎng)狀過(guò)濾層，且所述網(wǎng)狀過(guò)濾層中網(wǎng)孔的平均直徑為5-300μm，例如可以是5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm或300μm，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

11、本發(fā)明中，所述網(wǎng)狀過(guò)濾層的網(wǎng)孔尺寸需要限定在合理范圍內(nèi)。具體地，當(dāng)其平均直徑小于5μm時(shí)，網(wǎng)孔在物理氣相傳輸過(guò)程中極易被碳顆粒堵塞，從而抑制了氣體向籽晶的順利傳輸；當(dāng)其平均直徑大于300μm時(shí)，氣體中的碳顆粒難以被充分過(guò)濾，從而導(dǎo)致過(guò)濾效率顯著降低。

12、優(yōu)選地，所述縱向過(guò)濾層與相鄰縱向過(guò)濾層之間的距離為10-20cm，例如可以是10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm、16cm、17cm、18cm、19cm或20cm，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

13、優(yōu)選地，所述橫向過(guò)濾層包括折疊狀過(guò)濾層、顆粒狀過(guò)濾層或粉末狀過(guò)濾層中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括折疊狀過(guò)濾層與顆粒狀過(guò)濾層的組合，顆粒狀過(guò)濾層與粉末狀過(guò)濾層的組合，折疊狀過(guò)濾層與粉末狀過(guò)濾層的組合，或折疊狀過(guò)濾層、顆粒狀過(guò)濾層與粉末狀過(guò)濾層的組合，進(jìn)一步優(yōu)選為折疊狀過(guò)濾層。

14、優(yōu)選地，所述橫向過(guò)濾層的材質(zhì)包括碳化鉭、碳化鎢或碳化鈮中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括碳化鉭與碳化鎢的組合，碳化鎢與碳化鈮的組合，碳化鉭與碳化鈮的組合，或碳化鉭、碳化鎢與碳化鈮的組合，進(jìn)一步優(yōu)選為碳化鉭。

15、優(yōu)選地，所述橫向過(guò)濾層的層高為6-10mm，例如可以是6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm或10mm，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

16、優(yōu)選地，所述折疊狀過(guò)濾層中網(wǎng)孔的平均直徑為5-300μm，例如可以是5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm或300μm，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

17、本發(fā)明采用與網(wǎng)狀過(guò)濾層的網(wǎng)孔尺寸相同的折疊狀過(guò)濾層作為橫向過(guò)濾層，不僅顯著增大了過(guò)濾面積，而且折疊的形狀可對(duì)橫向傳輸?shù)臍怏w進(jìn)行多次過(guò)濾，從而進(jìn)一步提升了過(guò)濾效果。

18、優(yōu)選地，所述顆粒狀過(guò)濾層中顆粒的平均粒徑為0.5-6mm，例如可以是0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm或6mm，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

19、優(yōu)選地，所述粉末狀過(guò)濾層中粉末的平均粒徑為10-500μm，例如可以是10μm、20μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

20、優(yōu)選地，所述中空導(dǎo)流層的中空區(qū)形狀包括圓形、方形或三角形中的任意一種。

21、優(yōu)選地，所述中空導(dǎo)流層的材質(zhì)包括碳化鉭、碳化鎢或碳化鈮中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括碳化鉭與碳化鎢的組合，碳化鎢與碳化鈮的組合，碳化鉭與碳化鈮的組合，或碳化鉭、碳化鎢與碳化鈮的組合，進(jìn)一步優(yōu)選為碳化鉭。

22、本發(fā)明中，所述縱向過(guò)濾層、橫向過(guò)濾層和中空導(dǎo)流層的材質(zhì)分別獨(dú)立地選用碳化鉭、碳化鎢或碳化鈮中的任意一種或至少兩種的組合，這類材質(zhì)的耐腐蝕性極強(qiáng)，不會(huì)因自身受腐蝕而產(chǎn)生碳顆粒，可多次重復(fù)使用。

23、優(yōu)選地，所述中空導(dǎo)流層的中空形狀為圓形，且所述圓形的直徑為40-200mm，例如可以是40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm或200mm，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

24、第二方面，本發(fā)明提供一種采用如第一方面所述裝置系統(tǒng)以減少晶體中碳包裹物的方法，所述方法包括以下步驟：

25、(1)將碳化硅原料裝填于坩堝的底部，在第一時(shí)間段內(nèi)將坩堝加熱至第一溫度，所述碳化硅原料受熱后升華為氣體；

26、(2)升華后的氣體上升至過(guò)濾層組依次進(jìn)行縱向過(guò)濾和橫向過(guò)濾；

27、(3)縱向過(guò)濾后的部分氣體在中空導(dǎo)流層的表面沉積為多晶碳化硅，其余氣體經(jīng)橫向過(guò)濾后穿過(guò)中空導(dǎo)流層的中空區(qū)，在籽晶的表面沉積為單晶碳化硅；

28、(4)在坩堝加熱至第二溫度時(shí)，中空導(dǎo)流層表面沉積的多晶碳化硅開(kāi)始升華為氣體，所述氣體經(jīng)橫向過(guò)濾后穿過(guò)中空導(dǎo)流層的中空區(qū)，在籽晶的表面沉積為單晶碳化硅；

29、(5)坩堝在第二溫度下保溫第二時(shí)間段，所述碳化硅原料持續(xù)受熱升華，且中空導(dǎo)流層的表面無(wú)多晶碳化硅沉積。

30、優(yōu)選地，步驟(3)所述多晶碳化硅的沉積厚度≤10mm，例如可以是1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm，沉積面積≤80cm2，例如可以是5cm2、10cm2、15cm2、20cm2、25cm2、30cm2、35cm2、40cm2、45cm2、50cm2、55cm2、60cm2、65cm2、70cm2、75cm2或80cm2，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

31、優(yōu)選地，所述第一溫度為2000-2300℃，例如可以是2000℃、2050℃、2100℃、2150℃、2200℃、2250℃或2300℃，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

32、優(yōu)選地，所述第一時(shí)間段為10-15h，例如可以是10h、11h、12h、13h、14h或15h，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

33、優(yōu)選地，所述第二溫度為2200-2500℃，例如可以是2200℃、2250℃、2300℃、2350℃、2400℃、2450℃或2500℃，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

34、優(yōu)選地，所述第二時(shí)間段為100-200h，例如可以是100h、110h、120h、130h、140h、150h、160h、170h、180h、190h或200h，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

35、本發(fā)明所述的數(shù)值范圍不僅包括上述例舉的點(diǎn)值，還包括沒(méi)有例舉出的上述數(shù)值范圍之間的任意的點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡(jiǎn)明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點(diǎn)值。

36、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

37、(1)本發(fā)明提供的裝置系統(tǒng)通過(guò)在坩堝內(nèi)部設(shè)置過(guò)濾層組，且進(jìn)一步限定了過(guò)濾層組包括縱向過(guò)濾層和橫向過(guò)濾層，使得氣體在傳輸過(guò)程中依次進(jìn)行多次縱向過(guò)濾和橫向過(guò)濾，從而顯著減少了氣體中的碳顆粒，進(jìn)而有效地減少了晶體中的碳包裹物。

38、(2)中空導(dǎo)流層的設(shè)置可將多次過(guò)濾后的氣體直接從中間導(dǎo)向籽晶，無(wú)需使用導(dǎo)氣環(huán)，從而降低了石墨導(dǎo)氣環(huán)或帶有碳化鉭涂層的導(dǎo)氣環(huán)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本，更是避免了來(lái)自石墨導(dǎo)氣環(huán)受腐蝕而產(chǎn)生的碳顆粒。