技术领域
[0001] 本实用新型涉及碳化硅单晶生长设备制造领域，具体涉及一种具有温度梯度调整作用的碳化硅单晶生长装置。
背景技术
[0002] 目前大多数大直径 SiC 晶体制备的常用方法是物理气相传输法（Physical Vapor Transport）。将碳化硅粉料放在密闭的
石墨组成的
坩埚底部，坩埚上盖固定一个籽晶，籽晶的直径将决定晶体的直径。粉料在感应线圈的作用下将达到
升华温度点，升华产生的 Si、Si2C 和 SiC2 分子在轴向温度梯度的作用下从原料表面传输到籽晶表面，在籽晶表面缓慢结晶达到晶体的生长，在晶体生长过程中温度梯度会对晶体生长速度、生长
稳定性和晶体中应
力分布等产生重要影响，通常通过改变原料与籽晶的距离、坩埚在线圈中的
位置、保温层结构来达到控制生长径向和轴向温度梯度的目的。然而上述调控温度梯度的方法同时会影响石墨坩埚内部原料区的温度分布，对原料的分解升华和内部
质量输运起到抑制作用，尤其对于大尺寸单晶的生长，径向温度梯度会进一步增加，中心温度低造成中心部位的生长速度较快，边缘相对较慢，晶体生长界面凸度较大，降低了晶体可用于切片的利用率，另外也会增加晶体内部的热
应力，造成切割过程中晶体开裂，同时碳化硅生长过程中通常靠调节坩埚和感应线圈的相对位置来调整径向温度梯度，相对位置的变化会对sic原料的升华和内部的质量输运产生影响，造成晶体生长不稳定，另外相对位置的变化也相应的会改变晶体中径向温度梯度，造成生长界面和晶体内部应力的改变。因此如何设计一种具有温度梯度调整作用的碳化硅单晶生长装置成为本领域亟需解决的问题。实用新型内容
[0003] 本实用新型针对
现有技术的不足，提出了一种具有温度梯度调整作用的碳化硅单晶生长装置，可用于大尺寸碳化硅单晶生长，本实用新型增设了位于坩埚上盖内部的空心附加层，所述空心附加层具有气体进口和出口，通过对气体类型、气体流量等特征进行优选，实现了对坩埚上盖温度的调整，进而控制晶体生长过程中存在的轴向和径向温度梯度。
[0004] 为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有温度梯度调整作用的碳化硅单晶生长装置，包括：坩埚、坩埚上盖、
保温毡、
感应加热器和空心附加层，其中，所述坩埚上盖位于所述坩埚的顶部，用于封闭所述坩埚和承载碳化硅籽晶；所述保温毡围绕所述坩埚四周设置，其由上部、下部和侧面保温毡组成，所述上部保温毡的中部设有中心孔，用于维持所述坩埚内的温度梯度；所述感应加热器包括感应线圈，其围绕所述侧面保温毡设置，用于使坩埚外围发热；根据本实用新型的
实施例，在所述侧面保温毡的上部至少设有1个开孔，用于通入所述空心附加层的进气口，在所述中心孔的周围至少还设有1个开孔，用于通入所述空心附加层的出气口，所述空心附加层位于所述上部保温毡和坩埚上盖之间且固定于所述坩埚上盖，所述空心附加层包括：至少一个进气口和至少一个出气口，所述进气口位于所述空心附加层的侧部且通入所述侧面保温毡的开孔，所述出气口位于所述空心附加层的上部且通入所述中心孔周围的开孔，用于通入气体
对流换热。
[0005]
发明人发现，通过本实用新型实施例所述的装置，通过增设一个空心附加层，所述空心附加层具有气体进口和出口，进行坩埚内部气体的对流换热，降低坩埚顶部中心热量散失，通过侧部进气有效带走坩埚四周热量，降低晶体中心和四周的温度差异，即降低晶体径向温度梯度，使生长出的晶体界面更加凸度更低，提高了晶体可用于切片的利用率，降低晶体内部的
热应力，防止切割过程中晶体开裂；同时通过对气体类型、气体流量等特征进行优选，实现了对坩埚上盖温度的调整，进而控制晶体生长过程中存在的轴向和径向温度梯度，本实用新型以相对简单的结构改进，实现了轴向和径向温度梯度的调控，提高单晶生长的稳定性，减少单晶内部应力，且易于实现、成本可控，具有突出的规模化应用前景，特别是适合大尺寸碳化硅单晶生长。
[0006] 根据本实用新型的实施例，所述坩埚上盖的材质为石墨。
[0007] 根据本实用新型的实施例，所述空心附加层为圆柱形，其空心高度为所述坩埚上盖高度的0.1-2倍且为所述坩埚上盖直径的0.2-0.5倍，其直径与所述坩埚上盖相同且为所述碳化硅籽晶直径的1.5-2倍，所述碳化硅籽晶的直径为2寸、3寸、4寸或6寸，其材质为金属钽，在相同条件下其导热性能比石墨低，用于降低所述中心孔处的
热损失，增加所述籽晶中心温度，调整温度梯度。
[0008] 根据本实用新型的实施例，所述中心孔周围的开孔与中心孔的距离为所述空心附加层直径的0.1-0.5倍。
[0009] 根据本实用新型的实施例，所述进气口和出气口均与所述相应开孔的个数相等，所述进气口为
水平设置，所述进气口为2个时，其在所述空心附加层侧部对称排列，所述进气口为3个时成120°
角度排列，所述进气口为4个时成90°角度排列；所述出气口为竖直设置，所述出气口为2个时，其在所述空心附加层上部对称排列，所述进气口为3个时其与所述空心附加层中心连线形成的夹角成120°角度排列，所述进气口为4个时其与所述空心附加层中心连线形成的夹角成90°角度排列，以此类推，所述进气口和出气口的个数与排列角度乘积均为360°。
[0010] 根据本实用新型的实施例，所述空心附加层底部还设有与所述坩埚上盖连接的丝扣。
[0011] 根据本实用新型的实施例，气体流量调节器，其与所述进气口相连，用于调节所述气体流量，进一步调节所述籽晶生长的温度梯度，所述气体为氢气、氦气或氩气。
[0012] 本实用新型至少有以下有益效果：
[0013] 1）通过设置空心附加层，进行坩埚内部气体的对流换热，降低坩埚顶部中心热量散失，通过侧部进气有效带走坩埚四周热量，降低晶体中心和四周的温度差异，即降低晶体径向温度梯度，使生长出的晶体界面更加凸度更低，提高了晶体可用于切片的利用率，降低晶体内部的热应力，防止切割过程中晶体开裂；
[0014] 2）通过调整气体类型和气体流量有效调整坩埚内纵向温度梯度，增强坩埚内部的气态组分质量输运，提高晶体生长稳定性，不会产生因坩埚与感应线圈的位置调整造成的sic原料升华的改变；
[0015] 3）本实用新型以相对简单的结构改进，实现了轴向和径向温度梯度的调控，提高单晶生长的稳定性，减少单晶内部应力，且易于实现、成本可控，具有突出的规模化应用前景，特别是适合大尺寸碳化硅单晶生长。
附图说明
[0016] 图1为本实用新型所述晶体生长装置的结构剖视图。
[0017] 图2为本实用新型所述空心附加层进气口和出气口均为2个时的结构剖视图。
[0018] 其中，坩埚1，坩埚上盖2，上部保温毡3，中心孔301，中心孔周围开孔302，侧面保温毡4，侧面保温毡开孔401，感应线圈5，碳化硅晶体6，碳化硅原料7，空心附加层8，进气口801，出气口802。
具体实施方式
[0019] 为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品
说明书进行。
[0020] 本实用新型提供了一种具有温度梯度调整作用的碳化硅单晶生长装置，图1为本实用新型所述晶体生长装置的结构剖视图，参照图1所示，根据本实用新型的实施例，本实用新型所述坩埚包括：坩埚1、坩埚上盖2、保温毡、感应加热器和空心附加层8，其中，所述坩埚上盖位于所述坩埚的顶部，用于封闭所述坩埚，所述碳化硅籽晶放置所述坩埚上盖的下表面，生长碳化硅晶体6，所述坩埚上盖上部还设有丝扣，与所述空心附加层底部的丝扣相连，将所述空心附加层进行固定，根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述坩埚上盖的具体材质不受限制，只要其材质的导热性能比所述空心附加层强即可，本实用新型优选为石墨，空心附加层与坩埚上盖相比，附加层的导
热能力低，降低了保温毡上部中心孔处的热损失，增加籽晶中心温度，同时由于空心附加层内气体从侧部流入，中部流出，坩埚上盖侧部与中心相比带走的热量更多，进一步降低了籽晶边缘和中心的温度差异，即降低了籽晶的轴向和径向温度梯度，尤其当生长大尺寸碳化硅单晶过程中，侧面感应加热方式会造成了更大的轴向和径向温度梯度，采用本方案可以有效克服该问题。
[0021] 根据本实用新型的实施例，参照图1所示，所述保温毡围绕所述坩埚四周设置，其由上部保温毡3、下部保温毡和侧面保温毡4组成，用于维持所述坩埚内的温度梯度，所述上部保温毡的中部设有中心孔301，在所述中心孔的周围至少还设有1个开孔302，所述中心孔周围的开孔与中心孔的距离为所述空心附加层直径的0.1-0.5倍，用于通入所述空心附加层的出气口802，所述中心孔周围开孔的个数与所述出气口相等，在所述侧面保温毡的上部至少设有1个开孔401，用于通入所述空心附加层的进气口801，所述侧面保温毡开孔的个数与所述进气口相等，所述感应加热器包括感应线圈5，其围绕所述侧面保温毡设置，所述感应线圈通过
电磁感应的方式使坩埚外围发热。
[0022] 根据本实用新型的实施例，图2为本实用新型所述空心附加层进气口和出气口均为2个时的结构剖视图，参照图1和图2所示，根据本实用新型的实施例，所述空心附加层8位于所述上部保温毡和坩埚上盖之间且固定于所述坩埚上盖，所述空心附加层底部还设有与所述坩埚上盖连接的丝扣，所述空心附加层包括：进气口801和出气口802，所述进气口为水平设置，位于所述空心附加层的侧部且通入所述侧面保温毡的开孔，所述出气口为竖直设置，位于所述空心附加层的上部且通入所述中心孔周围的开孔，用于通入气体对流换热，根据本实用新型的具体实施例，本实用新型所述进气口和出气口的具体个数不受限制，只要所述进气口和出气口的个数与排列角度乘积均为360°，如图2所示，当所述进气口和出气口均为2个时，进气口在所述空心附加层侧部沿水平方向对称排列，出气口在所述空心附加层上部沿竖直方向对称排列，当所述进气口为3个时成120°角度排列，所述进气口为4个时成90°角度排列；当所述进气口为3个时其与中心连线形成的夹角成120°角度排列，所述进气口为4个时其与中心连线形成的夹角成90°角度排列，以此类推，晶体生长过程中，在不改变坩埚与感应线圈位置的情况下，即保持碳化硅原料升华和质量输运不受影响的情况下，通过调整气体的流量可以调整坩埚上盖的温度，即调整坩埚内的轴向和径向温度梯度。
[0023] 根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述装置还可以包括气体流量调节器，其与所述进气口相连，用于调节所述气体流量，进一步调节所述籽晶生长的温度梯度，所述气体可以为氢气、氦气或氩气，晶体生长过程中，在不改变坩埚与感应线圈位置的情况下，碳化硅原料7位于所述坩埚底部，保持碳化硅原料升华和质量输运不受影响的情况下，通过调整气体的类型也可以调整坩埚上盖的温度，氢气的热导率大于氩气，相同压力条件下，通入氢气可以有效降低坩埚上盖温度，提高纵向温度梯度，相同气体类型条件下，增加气体流量，可以增强气体与坩埚上盖的对流换热能力，降低坩埚上盖温度，也可以提高纵向温度梯度，较大的纵向温度梯度有利于坩埚内气态物质的质量输运，提升晶体生长稳定性。
[0024] 根据本实用新型的实施例，所述空心附加层8为圆柱形，其空心高度为所述坩埚上盖高度的0.1-2倍且为所述坩埚上盖直径的0.2-0.5倍，其直径与所述坩埚上盖相同且为所述碳化硅籽晶直径的1.5-2倍，所述碳化硅籽晶的直径为2寸、3寸、4寸或6寸，其具体材质不受限制，只要材质的导热性能比所述坩埚上盖低即可，本实用新型优选为金属钽，在相同条件下其导热性能比石墨材质的坩埚上盖低，因此所述空心附加层的导热能力更低，降低了保温毡上部中心孔处的热损失，增加了籽晶中心温度，同时由于空心附加层内气体从侧部流入中部流出，坩埚上盖侧部与中心相比带走的热量更多，进一步降低了籽晶边缘和中心的温度差异，对温度梯度进行了调整。
[0025] 发明人发现，通过本实用新型实施例所述的装置，通过增设一个空心附加层，所述空心附加层具有气体进口和出口，进行坩埚内部气体的对流换热，降低坩埚顶部中心热量散失，通过侧部进气有效带走坩埚四周热量，降低晶体中心和四周的温度差异，即降低晶体径向温度梯度，使生长出的晶体界面更加凸度更低，提高了晶体可用于切片的利用率，降低晶体内部的热应力，防止切割过程中晶体开裂；同时通过对气体类型、气体流量等特征进行优选，实现了对坩埚上盖温度的调整，进而控制晶体生长过程中存在的轴向和径向温度梯度，本实用新型以相对简单的结构改进，实现了轴向和径向温度梯度的调控，提高单晶生长的稳定性，减少单晶内部应力，且易于实现、成本可控，具有突出的规模化应用前景，特别是适合大尺寸碳化硅单晶生长。
[0026] 在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“四周”和“侧面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0027] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0028] 以上所述的具体实施例，对本实用新型内容、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
