CN118064967A - 一种提拉式半导体晶体生长装置及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种提拉式半导体晶体生长装置及生长方法。包括：一种提拉式半导体晶体生长装置，利用坩埚传动装置使得第一坩埚内的籽晶和第二坩埚内的原料之间的轴向距离增大，从而提高生长腔的轴向温度梯度，同时，配合第一加热器、第二加热器对第一坩埚、第二坩埚内的温度进行调控，从而实现对生长腔内的轴向温度和半导体晶体生长面的径向温度的调控；与此同时，热屏蔽环的配合，隔绝第二加热器对第一坩埚的热辐射，减少进入第一坩埚的热通量，减小半导体晶体生长面的径向温度梯度，进而提升半导体晶体的厚度和晶体生长质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种提拉式半导体晶体生长装置及生长方法。
背景技术
半导体材料作为半导体器件的核心组成部分，其质量和技术的进步直接关系到整个半导体行业的发展。由于半导体材料通常呈现晶体形态，因此，半导体晶体的生长技术在整个半导体材料领域中扮演着举足轻重的角色。在众多半导体晶体生长方法中，物理气相输运（Physical Vapor Transport, PVT）法因其独特优势而备受关注。这种方法适用于多种半导体晶体的生长，如碳化硅和氮化铝等。
在PVT法半导体晶体生长过程中，轴向温度梯度和生长面径向温度梯度的调控对于晶体生长的质量至关重要。然而，当提高生长腔的轴向温度梯度时，往往难以同时保持晶体生长面的径向温度梯度在较低水平，使得晶体生长过程受到一定的制约，直接影响了晶体生长的速率和晶体生长的质量。
发明内容
本发明为解决生长腔轴向温度梯度和半导体晶体生长面径向温度梯度控制的问题，提供一种提拉式半导体晶体生长装置及生长方法。
为实现上述目的，本发明提供一种提拉式半导体晶体生长装置，包括：
组合坩埚、组合加热器、坩埚传动装置、热屏蔽环；
所述组合坩埚包括第二坩埚和倒扣在所述第二坩埚上的第一坩埚，所述第一坩埚与所述第二坩埚的开口相对设置，所述第一坩埚与所述第二坩埚之间具有连接部件，所述连接部件配合所述第一坩埚与所述第二坩埚的紧密连接和相对移动，其中，所述第一坩埚与所述第二坩埚之间的空间为半导体晶体生长的生长腔，所述第二坩埚内容纳有原料，所述第一坩埚内的底部具有籽晶；
所述组合加热器设置于所述组合坩埚的外侧，所述组合加热器包括第一加热器和第二加热器，所述第一加热器调控所述籽晶温度，所述第二加热器调控所述原料温度；
所述坩埚传动装置包括第一坩埚传动结构、第二坩埚传动结构；所述第一坩埚传动结构与所述第一坩埚相连，所述第二坩埚传动结构与所述第二坩埚相连，所述坩埚传动装置调节所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料的距离；
所述热屏蔽环设置于所述组合坩埚的外侧且位于所述第一加热器和所述第二加热器之间。
可选的，所述籽晶为碳化硅籽晶，所述原料为碳化硅粉料。
可选的，所述第一坩埚的外径小于所述第二坩埚内径。
可选的，所述第一加热器、所述第二加热器的形状为圆环形，所述第一加热器、所述第二加热器的内外径相等且同轴设置。
可选的，所述热屏蔽环的内径不大于所述第一加热器和所述第二加热器的内径，所述热屏蔽环的外径不小于所述第一加热器和所述第二加热器的外径。
可选的，还包括：组合测温装置；
所述组合测温装置包括第一测温装置、第二测温装置，所述第一测温装置监控所述籽晶的温度，所述第二测温装置监控所述原料的温度。
本发明还提供一种提拉式物理气相传输半导体晶体生长方法，采用上述的一种提拉式半导体晶体生长装置，包括：
将原料填入所述第二坩埚内、将籽晶设置于所述第一坩埚内的底部；
将所述提拉式半导体晶体生长装置进行装配；
调控所述提拉式半导体晶体生长装置达到半导体晶体生长的初始条件，进行半导体晶体初期生长；
所述半导体晶体稳定生长时，坩埚传动装置调节所述第一坩埚内的籽晶和所述第二坩埚内的原料的距离并配合组合加热器，使得所述生长腔内的轴向温度梯度增大，所述籽晶生长面的径向温度梯度减小，其中，所述组合加热器中的第一加热器形成第一加热区，所述组合加热器中的第二加热器形成第二加热区，所述第一加热区的温度小于所述第二加热区的温度，所述第一坩埚内的籽晶位于所述第一加热区，所述第二坩埚内的原料位于所述第二加热区。
可选的，所述籽晶的生长面的初始高度不低于热屏蔽环的下表面高度。
可选的，所述半导体晶体稳定生长时，通过所述坩埚传动装置增大所述第一坩埚与所述第二坩埚的相对位置，增大所述第一坩埚内的籽晶和所述第二坩埚内的原料的距离。
可选的，通过所述第一坩埚传动结构提升所述第一坩埚，增大所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料的距离。
综上所述，本发明的优点及有益效果为：
本发明提供的一种碳化硅晶体生长装置，包括：组合坩埚、组合加热器、坩埚传动装置、热屏蔽环；所述组合坩埚包括第二坩埚和倒扣在所述第二坩埚上的第一坩埚，所述第一坩埚与所述第二坩埚的开口相对设置，所述第一坩埚与所述第二坩埚之间具有连接部件，所述连接部件配合所述第一坩埚与所述第二坩埚的紧密连接和相对移动，其中，所述第一坩埚与所述第二坩埚之间的空间为半导体晶体生长的生长腔，所述第二坩埚内容纳有原料，所述第一坩埚内的底部具有籽晶；所述组合加热器设置于所述组合坩埚的外侧，所述组合加热器包括第一加热器和第二加热器，所述第一加热器调控所述籽晶温度，所述第二加热器调控所述原料温度；所述坩埚传动装置包括第一坩埚传动结构、第二坩埚传动结构；所述第一坩埚传动结构与所述第一坩埚相连，所述第二坩埚传动结构与所述第二坩埚相连，所述坩埚传动装置调节所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料的距离；所述热屏蔽环设置于所述组合坩埚的外侧且位于所述第一加热器和所述第二加热器之间。
在半导体晶体稳定生长时，通过所述坩埚传动装置调控所述组合坩埚，使得所述第一坩埚内的籽晶和第二坩埚的原料之间的轴向距离增大，从而提高生长腔的轴向温度梯度，避免了常规的半导体晶体生长过程中，半导体晶体的生长面与原料之间的距离不够大，导致生长腔的轴向温度梯度小，半导体生长面的温度过高，使得半导体晶体停止生长，限制了半导体晶体的厚度和半导体晶体生长质量；与此同时，配合所述组合加热器中的所述第一加热器、所述第二加热器对所述第一坩埚、所述第二坩埚内的温度进行调控，从而实现对所述生长腔内的轴向温度和半导体晶体生长面的径向温度的进一步调控；与此同时，所述热屏蔽环的配合，隔绝所述第二加热器对所述第一坩埚的热辐射，减少进入所述第一坩埚的热通量，特别是减少进入所述第一坩埚边缘的热通量，使得所述第一坩埚中心的温度相较于所述第一坩埚边缘的温度梯度减小，即减小半导体晶体生长面的径向温度梯度，避免常规提升生长腔轴向温度梯度时，产生过大的径向温度梯度所引入的热应力和位错，对半导体晶体生长质量产生不利影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种提拉式半导体晶体生长装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种提拉式物理气相传输半导体晶体生长方法的示意图；
图3为常规半导体晶体生长的径向温度梯度模拟的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种提拉式半导体晶体生长的径向温度梯度模拟的示意图。
图标：1-第一加热器；2-第二加热器；3-热屏蔽环；4-连接花篮；5-连接件；6-第一坩埚；7-第二坩埚；8-第一连接杆；9-籽晶；10-第二连接杆；11-原料；12-多孔石墨片；13-第一测温装置；14-第二测温装置。
具体实施方式
在PVT法进行半导体晶体生长的过程中，原料被放置在生长坩埚的底部，籽晶固定在坩埚的顶部，这样的设置确保了原料处于高温状态，而籽晶则处于相对较低的温度环境中。当原料受到高温作用时，原料发生升华现象，原料由固态直接转变为气态，气态的原料在温度梯度的驱动下，会向籽晶所在的位置输送，当气态的原料抵达籽晶表面时，会在籽晶表面形核，并逐步累积，从而促使半导体晶体逐渐长大。在PVT法半导体晶体生长过程中，温度梯度的控制对于晶体质量至关重要。径向和轴向温度梯度在晶体的不同生长阶段需要相应的调整，以优化生长条件和最终晶体的质量。
当半导体晶体生长进入稳定生长阶段，需要促进半导体晶体沿轴向生长，以实现更高的生长速率，因此需要调控生长腔内较大的轴向温度梯度，为半导体晶体生长提供足够的驱动力。然而，较大的轴向温度梯度通常会同时带来过大的径向温度梯度，过大的径向温度梯度又会引入热应力和位错，对半导体晶体生长质量产生不利影响。因此，在半导体晶体的稳定生长阶段，需要适当减小籽晶表面的径向温度梯度，以平衡生长速率和晶体质量。当晶体生长完成，半导体晶体生长面过大的径向温度梯度又会引发晶体开裂和位错增殖等问题。
因此，为解决半导体晶体生长过程中的轴向和径向的温度梯度控制问题，提出一种提拉式半导体晶体生长装置及生长方法。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本申请说明书以及权利要求书中使用的术语“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本发明提供一种提拉式半导体晶体生长装置，如图1所示，包括：
组合坩埚、组合加热器、坩埚传动装置、热屏蔽环3；
所述组合坩埚包括第二坩埚7和倒扣在所述第二坩埚7上的第一坩埚6，所述第一坩埚6与所述第二坩埚7的开口相对设置，所述第一坩埚6与所述第二坩埚7之间具有连接部件5，所述连接部件5配合所述第一坩埚6与所述第二坩埚7的紧密连接和相对移动，其中，所述第一坩埚6与所述第二坩埚7之间的空间为半导体晶体生长的生长腔，所述第二坩埚7内容纳有原料11，所述第一坩埚6内的底部具有籽晶9；
所述组合加热器设置于所述组合坩埚的外侧，所述组合加热器包括第一加热器1和第二加热器2，所述第一加热器1调控所述籽晶9温度，所述第二加热器2调控所述原料11温度；
所述坩埚传动装置包括第一坩埚6传动结构、第二坩埚传动结构；所述第一坩埚传动结构与所述第一坩埚6相连，所述第二坩埚传动结构与所述第二坩埚7相连，所述坩埚传动装置调节所述第一坩埚6内的籽晶9与所述第二坩埚7内的原料11的距离；
所述热屏蔽环3设置于所述组合坩埚的外侧且位于所述第一加热器1和所述第二加热器2之间。
具体的，在本发明实施例中，所述籽晶9为碳化硅籽晶9，所述原料11为碳化硅粉料。
在本发明实施例中，所述组合坩埚由所述第二坩埚7和倒扣在所述第二坩埚7上的所述第一坩埚6组成，其中，所述第一坩埚6的底部作为所述组合坩埚的顶部，所述第二坩埚7的底部作为所述组合坩埚的底部。
在本发明实施例中，所述第一坩埚6和所述第二坩埚7为石墨坩埚。
在本发明实施例中，所述第一加热器1和所述第二加热器2均为石墨加热器。
在本发明实施例中，所述第一加热器1、所述第二加热器2的形状为圆环形，所述第一加热器1、所述第二加热器2的内外径相等且同轴设置。
在本发明实施例中，所述第一加热器1的下端与所述第二加热器2的上端相对设置且不接触。
本发明通过设置二个分离的加热器，即所述第一加热器1和所述第二加热器2，实现单独调控所述籽晶9和所述原料11的温度，从而更好的调控所述生长腔内的轴向温度梯度和半导体生长面的径向温度梯度，更加灵活的调控半导体晶体生长过程中的轴向温度和半导体晶体生长面的径向温度，维持一个最为适宜的半导体晶体生长的温度梯度，避免了常规采用单个石墨加热器进行半导体晶体生长时，提高生长腔的轴向温度梯度带来过大的径向温度梯度，导致难以同时调控半导体晶体生长面的径向温度梯度在较低水平。
在本发明实施例中，所述第一坩埚6的外径小于所述第二坩埚7内径。
所述第二坩埚7的内径大于所述第一坩埚6的外径，使得所述第二坩埚7内的容积大于所述第一坩埚6内的容积，使得所述第二坩埚7可容纳更多原料11，为半导体晶体生长提供充分的原料11，有利于半导体晶体的厚度生长。
通过所述连接部件5配合所述第一坩埚6与所述第二坩埚7倒扣连接，并且，利用所述连接部件5在所述第二坩埚7边缘的遮挡，减少了所述第二坩埚7边缘区域的碳聚集体输运至所述第一坩埚6的腔体内，即减少了碳聚集体进入半导体晶体生长区域，提升半导体晶体的生长质量。
当进行碳化硅晶体生长时，由于所述第二坩埚7边缘温度较所述第二坩埚7中心的温度高，所述第二坩埚7边缘区域的原料11优先于所述第二坩埚7中心区域的原料11的升华，也就导致了所述第二坩埚7边缘区域的原料11的碳化较中心区域的原料11的碳化更早也更为严重，导致碳聚集体的产生，因此，利用所述连接部件5在所述第二坩埚7边缘的遮挡，减少了所述第二坩埚7边缘区域的碳聚集体输运至半导体晶体生长区域，避免了所述碳聚集体进入生长的晶体的内部，提升了半导体晶体的生长质量。
在其他实施例中，所述第一坩埚的内外径与所述第二坩埚的内外径相等；或者所述第一坩埚外径与所述第二坩埚的内径相等。
在本发明实施例中，在所述第一坩埚6与所述第二坩埚7之间的所述连接部件5，还可以有效地防止所述第一坩埚6与所述第二坩埚7之间相对位置变化时发生的气体泄漏。
在本发明实施例中，所述第一坩埚传动结构包括第一连接杆8、第一旋转组件、连接花篮4；所述连接花篮4的一端安装于所述组合坩埚的顶部，所述连接花篮4的另一端与所述第一连接杆8的一端相连，所述第一旋转组件安装于所述第一连接杆8的另一端；所述第二坩埚传动结构包括第二连接杆10、第二旋转组件；所述第二连接杆10的一端安装于所述组合坩埚的底部，所述第二旋转组件安装于所述第二连接杆10的另一端。
所述第一坩埚传动结构、所述第二坩埚传动结构用于调节所述第一坩埚6与所述第二坩埚7的位置，使得所述籽晶9与所述原料11之间的距离可调，同时配合所述组合加热器，提升所述生长腔内的轴向温度梯度和半导体晶体生长面的径向温度梯度。
在本发明实施例中，当进行碳化硅晶体生长时，通过所述第一坩埚传动结构提升所述第一坩埚6，使得所述第一坩埚6内的籽晶9与所述第二坩埚7内的原料11之间的距离增大，从而提高生长腔的轴向温度梯度，避免了常规的半导体晶体生长过程中，半导体晶体的生长面与原料11之间的距离不够大，导致生长腔的轴向温度梯度小，半导体生长面的温度过高，使得半导体晶体停止生长，限制了半导体晶体的厚度和半导体晶体的生长质量。
在其他实施例中，通过所述第二坩埚传动结构降低所述第二坩埚，使得所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料之间的距离增大；或者通过所述第一坩埚传动结构提升所述第一坩埚，通过所述第二坩埚传动结构降低所述第二坩埚，使得所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料之间的距离增大。
在本发明实施例中，还包括：多孔石墨片12；
所述多孔石墨片12设置于所述第二坩埚7内的原料11的表面，所述多孔石墨片12的直径不小于所述第一坩埚6的内径。
在本发明实施例中，所述多孔石墨片12镀有TaC涂层，减少半导体晶体生长过程中对所述多孔石墨片12的腐蚀。
在本发明实施例中，所述多孔石墨片12的厚度范围为1 mm~10 mm，所述多孔石墨片12的孔径范围为2 μm~100 μm，所述多孔石墨片12的孔隙率范围为10 %~50 %。
当进行碳化硅晶体生长时，所述第二坩埚7内的原料11为碳化硅粉料，所述碳化硅粉料升华一段时间后，所述第二坩埚7内的碳化硅粉料逐渐形成富碳环境，造成碳颗粒团聚形成碳聚集体，所述多孔石墨片12阻挡所述碳化硅粉料中形成的较大尺寸的碳聚集体被生长气氛带到所述碳化硅晶体的生长区域内，减少生长出的碳化硅晶体中碳包裹的形成，进而提升碳化硅晶体的生长质量。
同时，所述多孔石墨片12直接覆盖于所述碳化硅粉料的表面，进一步的对所述碳化硅粉料的进行保温，提升所述碳化硅粉料的温度，有利于所述碳化硅粉料的升华，促进所述半导体晶体的生长，提升所述碳化硅粉料温度的同时，有利于提升所述生长腔的轴向温度梯度，从而有利于所述碳化硅晶体的生长。
在本发明实施例中，所述热屏蔽环3的上表面位于所述第一加热器1的下方，所述热屏蔽环3的下表面位于所述第二加热器2的上方，所述热屏蔽环3与所述第一加热器1和所述第二加热器2均不接触，所述热屏蔽环3的上表面到所述第一加热器1上端的距离和所述热屏蔽环3的下表面到所述第二加热器2上端的距离相等。
在其他实施例中，所述热屏蔽环距离所述第一加热器和所述第二加热器的距离不相等。
在本发明实施例中，所述热屏蔽环3的形状为圆环形，所述热屏蔽环3与所述第一加热器1、所述第二加热器2同轴设置，所述热屏蔽环3的内径不大于所述第一加热器1和所述第二加热器2的内径，所述热屏蔽环3的外径不小于所述第一加热器1和所述第二加热器2的外径。
利用设置于所述第一加热器1和所述第二加热器2之间的所述热屏蔽环3隔绝所述第二加热器2对所述第一坩埚6的热辐射，减少进入所述第一坩埚6的热通量，特别是减少进入所述第一坩埚边缘的热通量，使得所述第一坩埚中心的温度相较于所述第一坩埚边缘的温度梯度减小，即调控所述半导体晶体生长面的径向温度梯度，使得半导体晶体生长面具有适宜的径向温度梯度。
在本发明实施例中，还包括：组合测温装置；所述组合测温装置包括第一测温装置13、第二测温装置14，所述第一测温装置13监控所述籽晶9的温度；所述第二测温装置14监控所述原料11的温度。
在本发明实施例中，所述第一测温装置13位于所述第一坩埚6的正上方，所述第二测温装置14位于所述第二坩埚7的正下方，所述组合测温装置不影响所述坩埚传动装置的工作。
所述第一测温装置13用于获取所述第一坩埚6的顶部温度，即所述籽晶9的温度，所述第二测温装置14用于获取所述第二坩埚7的底部温度，即所述原料11的温度，根据获取的所述籽晶9的温度、所述原料11的温度并配合所述组合加热器，调控所述第一加热器1和所述第二加热器2的加热温度，进而调控所述生长腔内的轴向温度梯度和半导体晶体生长面的径向温度梯度。
在本发明实施例中，所示组合测温装置包括温度显示结构，实时监控所述组合坩埚顶部的温度和所述组合坩埚底部的温度。
在本发明实施例中，所述组合测温装置为非接触红外测温装置。
本发明还提供一种提拉式物理气相传输半导体晶体生长方法（(PullingPhysical Vapor Transport method, PPVT)），采用上述的一种提拉式半导体晶体生长装置，如图2所示，包括：
步骤S10，将原料填入所述提拉式半导体晶体生长装置的第二坩埚内、将籽晶设置于所述提拉式半导体晶体生长装置的第一坩埚内的底部；
步骤S20，将所述提拉式半导体晶体生长装置进行装配；
步骤S30，调控所述提拉式半导体晶体生长装置达到半导体晶体生长的初始条件，进行半导体晶体初期生长；
步骤S40，所述半导体晶体稳定生长时，坩埚传动装置调节所述第一坩埚内的籽晶和所述第二坩埚内的原料的距离并配合组合加热器，使得所述生长腔内的轴向温度梯度增大，所述籽晶生长面的径向温度梯度减小，其中，所述组合加热器中的第一加热器形成第一加热区，所述组合加热器中的第二加热器形成第二加热区，所述第一加热区的温度小于所述第二加热区的温度，所述第一坩埚内的籽晶位于所述第一加热区，所述第二坩埚内的原料位于所述第二加热区。
具体的，执行步骤S10，将原料11填入所述提拉式半导体晶体生长装置的第二坩埚7内、将籽晶9设置于所述提拉式半导体晶体生长装置的第一坩埚6内的底部。
在本发明实施例中，所述籽晶9粘接于所述第一坩埚6内的底部。
在本发明实施例中，所述籽晶9为碳化硅籽晶9，所述原料11为碳化硅粉料。
执行步骤S20，将所述提拉式半导体晶体生长装置进行装配。
在本发明实施例中，将所述提拉式半导体晶体生长装置进行装配的步骤包括：
步骤201，将多孔石墨片12直接设置于所述碳化硅粉料的表面，利用连接部件5，将所述第一坩埚6于所述第二坩埚7相连接，完成所述组合坩埚的装配。
在本发明实施例中，利用所述连接部件5配合所述第一坩埚6与所述第二坩埚7倒扣连接，并利用所述连接部件5在所述第二坩埚7边缘的遮挡，阻挡碳化硅晶体生长过程中，所述第二坩埚7边缘区域的碳聚集体输运至半导体晶体生长区域，从而提升晶体生长质量。
由于所述第二坩埚7边缘温度较所述第二坩埚7中心的温度高，所述第二坩埚7边缘区域的原料11优先于所述第二坩埚7中心区域的原料11的升华，也就导致了所述第二坩埚7边缘区域的粉料的碳化较中心区域的粉料的碳化更早也更为严重，导致碳化了粉料成为碳聚集体，利用所述连接部件5在所述第二坩埚7边缘的遮挡，阻挡了所述第二坩埚7边缘区域的碳聚集体输运至晶体生长区域，避免了所述碳聚集体进入生长的晶体的内部，从而提升了晶体的生长质量。
在本发明实施例中，在所述第一坩埚6与所述第二坩埚7之间的所述连接部件5，还可以有效地防止调控所述第一坩埚6与所述第二坩埚7之间相对位置变化时发生的气体泄漏。
步骤202，将装配好的所述组合坩埚置于第一加热器1、第二加热器2及热屏蔽环3形成的环形结构的中间完成所述提拉式半导体晶体生长装置的装配。
在本发明实施例中，所述籽晶9的生长面的初始高度不低于热屏蔽环3的下表面高度通过调节所述籽晶9的生长面与所述热屏蔽环3的相对位置，调节半导体晶体生长界面处的初始的径向温度梯度。
执行步骤S30，调控所述提拉式半导体晶体生长装置达到半导体晶体生长的初始条件，进行半导体晶体初期生长。
在本发明实施例中，调控所述提拉式半导体晶体生长装置达到半导体晶体生长的初始条件的步骤包括：
将组合坩埚的生长腔抽真空至第一压强；
利用所述组合加热器为所述组合坩埚加热至第一加热温度；
保持所述组合坩埚内的第一加热温度并向所述组合坩埚内充入保护气体至第二压强；
利用所述组合加热器继续为所述组合坩埚加热至所述第一坩埚6的温度为第二加热温度、所述第二坩埚7的温度的温度为第三加热温度，其中，所述第二加热温度小于所述第三加热温度；
降低所述组合坩埚内压强至第三压强，至此达到所述晶体生长的初始条件。
在本发明实施例中，所述第一压强的压强值低于1×10-5Pa，所述第一加热温度的温度范围为500 ℃～1300 ℃，所述第二压强的压强范围为20000 Pa～50000 Pa，所述第二加热温度的范围为1000 ℃～2200 ℃，所述第二加热温度小于所述第三加热温度的范围为180 ℃~220 ℃，所述第三压强的压强范围为100 Pa～1000 Pa。
在本发明实施例中，所述保护气体包括：氩气、氮气、二氧化碳或者其他适合的混合气体。
达到半导体晶体生长的初始条件时，所述第二加热温度小于所述第三加热温度，即所述第一坩埚6内的温度小于所述第二坩埚7内的温度，在所述第一坩埚6内形成低温区域，在第二坩埚7内形成高温区域，使得位于高温的所述第二坩埚7内的碳化硅原料11升华，通过气相传输至位于低温的所述第一坩埚6内的籽晶9的生长面进行半导体晶生长。
执行步骤S40，所述半导体晶体稳定生长时，坩埚传动装置调节所述第一坩埚6内的籽晶9和所述第二坩埚7内的原料11的距离并配合组合加热器，使得所述生长腔内的轴向温度梯度增大，所述籽晶9生长面的径向温度梯度减小，其中，所述组合加热器中的第一加热器1形成第一加热区，所述组合加热器中的第二加热器2形成第二加热区，所述第一加热区的温度小于所述第二加热区的温度，所述第一坩埚6内的籽晶9位于所述第一加热区，所述第二坩埚7内的原料11位于所述第二加热区。
在本发明实施例中，当进行碳化硅晶体生长时，通过所述第一坩埚传动结构提升所述第一坩埚6，使得所述第一坩埚6内的籽晶9与所述第二坩埚7内的原料11之间的距离增大，从而提高生长腔的轴向温度梯度，减小半导体晶体生长面的径向温度梯度，避免了常规的半导体晶体生长过程中，半导体晶体的生长面与原料11之间的距离不够大，导致生长腔的轴向温度梯度小，半导体生长面的温度过高，使得半导体晶体停止生长，限制了半导体晶体的厚度和半导体晶体的生长质量。
在本发明实施例中，半导体晶体稳定生长时，所述坩埚传动装置调节所述第一坩埚6内的籽晶9和所述第二坩埚7内的原料11的距离的步骤包括：
所述第一坩埚传动结构带动所述第一坩埚6旋转上升，所述第二坩埚传动结构带动所述第二坩埚7旋转，所述第一坩埚6旋转的方向与所述第二坩埚7杆旋转的方向相反，使得所述籽晶9与所述原料11间的距离增大。
所述第一坩埚传动结构、所述第二坩埚传动结构用于调节所述第一坩埚6与所述第二坩埚7的位置，增大所述籽晶9与所述原料11之间的距离，配合所述组合加热器提升所述生长腔内的轴向温度梯度和半导体晶体生长面的径向温度梯度。
在本发明实施例中，所述第一坩埚6上升的速率范围为0.01 mm/h~200 mm/h，所述第一坩埚6旋转的速率范围为0.1 r/min~10 r/min，所述第二坩埚7旋转的速率范围为0.1r/min~10 r/min。
在其他实施例中，通过所述第二坩埚传动结构降低所述第二坩埚，使得所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料之间的距离增大；或者通过所述第以坩埚传动结构提升所述第一坩埚，通过所述第二坩埚传动结构降低所述第二坩埚，使得所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料之间的距离增大。
半导体晶体生长进入稳定生长阶段后，需要促进半导体晶体沿轴向生长，以实现更高的生长速率，因此，需要调控生长腔内较大的轴向温度梯度，为半导体晶体生长提供足够的驱动力。通过所述坩埚传动装置调节所述第一坩埚6内的籽晶9和所述第二坩埚7内的原料11的距离，使得所述半导体晶体的生长面与原料11之间的距离增大，进而制备出更厚的半导体晶体，避免了常规半导体晶体生长过程中，半导体晶的体生长面与原料11之间距离不够大，导致半导体晶体生长面的温度过高，进而导致半导体晶体生长停止，极大地限制了半导体晶体的生长厚度和半导体晶体的品质。
并且，所述坩埚传动装置调节所述第一坩埚6内的籽晶9和所述第二坩埚7内的原料11的距离的同时，配合所述第一加热器1、所述第二加热器2以及所述热屏蔽环3的使用，可以在半导体晶体生长过程中，使得半导体晶体的生长面始终维持在一个较低的径向温度梯度，以平衡半导体晶体的生长速率和半导体晶体的质量，有效地降低了半导体晶体内的应力水平，减少了晶锭开裂的风险，避免了常规晶体生长过程中，提升生长腔轴向温度梯度时，产生过大的径向温度梯度所引入的热应力和位错对半导体晶体生长质量产生不利影响。
如图3~图4所示，本发明半导体晶体生长的径向温度梯度曲线相较于常规半导体晶体生长的径向温度梯度曲线更平缓，其中，本发明半导体晶体生长面的中心与边缘的径向温度的差值为14℃，常规半导体晶体生长面的中心与边缘的径向温度的差值为54℃，可知，本发明提供的一种提拉式半导体晶体生长装置及生长方法，通过调控所述第一坩埚6与所述第二坩埚7的相对位置，配合所述第一加热器1、所述第二加热器2以及所述热屏蔽环3的使用，可以在半导体晶体进入稳定生长阶段，调控半导体晶体的生长面在一个较低的径向温度梯度，降低了半导体晶体内的应力水平，减少了半导体晶体开裂的风险，提升了晶体的生长质量。
最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。
Claims (10)
1.一种提拉式半导体晶体生长装置，其特征在于，包括：
组合坩埚、组合加热器、坩埚传动装置、热屏蔽环；
所述组合坩埚包括第二坩埚和倒扣在所述第二坩埚上的第一坩埚，所述第一坩埚与所述第二坩埚的开口相对设置，所述第一坩埚与所述第二坩埚之间具有连接部件，所述连接部件配合所述第一坩埚与所述第二坩埚的紧密连接和相对移动，其中，所述第一坩埚与所述第二坩埚之间的空间为半导体晶体生长的生长腔，所述第二坩埚内容纳有原料，所述第一坩埚内的底部具有籽晶；
所述组合加热器设置于所述组合坩埚的外侧，所述组合加热器包括第一加热器和第二加热器，所述第一加热器调控所述籽晶温度，所述第二加热器调控所述原料温度；
所述坩埚传动装置包括第一坩埚传动结构、第二坩埚传动结构；所述第一坩埚传动结构与所述第一坩埚相连，所述第二坩埚传动结构与所述第二坩埚相连，所述坩埚传动装置调节所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料的距离；
所述热屏蔽环设置于所述组合坩埚的外侧且位于所述第一加热器和所述第二加热器之间。
2.如权利要求1所述的一种提拉式半导体晶体生长装置，其特征在于，所述籽晶为碳化硅籽晶，所述原料为碳化硅粉料。
3.如权利要求1所述的一种提拉式半导体晶体生长装置，其特征在于，所述第一坩埚的外径小于所述第二坩埚内径。
4.如权利要求1所述的一种提拉式半导体晶体生长装置，其特征在于，所述第一加热器、所述第二加热器的形状为圆环形，所述第一加热器、所述第二加热器的内外径相等且同轴设置。
5.如权利要求1所述的一种提拉式半导体晶体生长装置，其特征在于，所述热屏蔽环的内径不大于所述第一加热器和所述第二加热器的内径，所述热屏蔽环的外径不小于所述第一加热器和所述第二加热器的外径。
6.如权利要求1所述的一种提拉式半导体晶体生长装置，其特征在于，还包括：组合测温装置；
所述组合测温装置包括第一测温装置、第二测温装置，所述第一测温装置监控所述籽晶的温度，所述第二测温装置监控所述原料的温度。
7.一种提拉式物理气相传输半导体晶体生长方法，采用如权利要求1~6任一项所述的一种提拉式半导体晶体生长装置，其特征在于，包括：
将原料填入所述第二坩埚内、将籽晶设置于所述第一坩埚内的底部；
将所述提拉式半导体晶体生长装置进行装配；
调控所述提拉式半导体晶体生长装置达到半导体晶体生长的初始条件，进行半导体晶体初期生长；
所述半导体晶体稳定生长时，坩埚传动装置调节所述第一坩埚内的籽晶和所述第二坩埚内的原料的距离并配合组合加热器，使得所述生长腔内的轴向温度梯度增大，所述籽晶生长面的径向温度梯度减小，其中，所述组合加热器中的第一加热器形成第一加热区，所述组合加热器中的第二加热器形成第二加热区，所述第一加热区的温度小于所述第二加热区的温度，所述第一坩埚内的籽晶位于所述第一加热区，所述第二坩埚内的原料位于所述第二加热区。
8.如权利要求7所述的一种提拉式物理气相传输半导体晶体生长方法，其特征在于，所述籽晶的生长面的初始高度不低于热屏蔽环的下表面高度。
9.如权利要求7所述的一种提拉式物理气相传输半导体晶体生长方法，其特征在于，所述半导体晶体稳定生长时，通过所述坩埚传动装置增大所述第一坩埚与所述第二坩埚的相对位置，增大所述第一坩埚内的籽晶和所述第二坩埚内的原料的距离。
10.如权利要求7所述的一种提拉式物理气相传输半导体晶体生长方法，其特征在于，通过所述第一坩埚传动结构提升所述第一坩埚，增大所述第一坩埚内的籽晶与所述第二坩埚内的原料的距离。
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