具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1所示，一种补充气态碳源和硅源的碳化硅晶体生长设备，包括炉体1、固定在炉体1内的石墨坩埚2和加热器3、设置在石墨坩埚2顶部的生长槽4，所述石墨坩埚2内水平设置有多孔隔板5，多孔隔板5将石墨坩埚2分为晶体生长腔6和气体扩散腔7，定义晶体生长腔6的高度为M，晶体生长腔6用于盛装有碳化硅原料8，气体扩散腔7的上边缘设置在从距多孔隔板5上方1/3M处到多孔隔板5水平中心线的区域内，本实施例中气体扩散腔7一体连接在晶体生长腔6的下方，气体扩散腔7底部固定连接有进气组件；所述加热器3对晶体生长腔6均匀加热。

所述加热器3为石墨加热器。

所述加热器3固定在石墨坩埚2外周，且加热器3在高度方向上覆盖住晶体生长腔6。

所述炉体1内部由上至下包覆有第一保温层10、第二保温层11和第三保温层12，第一保温层10覆盖于生长槽4上方，第二保温层11与炉体1内壁贴合且围绕在石墨坩埚2外周，第三保温层12包围在气体扩散腔7的外侧；所述生长槽4与石墨坩埚2顶部固定连接，生长槽4包括固定部29和生长部30，固定部29上呈环状均匀开设有若干出气口9，出气口9形成炉体1和晶体生长腔6之间的空气流通通道；所述气体扩散腔7设置在晶体生长腔底端。

所述气体扩散腔7的内表面涂覆有碳化钽涂层13。

如图2和图3所示，所述进气组件包括第一进气管道14、固定在第一进气管道14内的第一控制阀门、第二进气管道15、固定在第二进气管道15内的第二控制阀门，第一进气管道14为敞口管道，第二进气管道15顶端为封闭端；所述第一控制阀门包括铰接在第一进气管道14内的连接轴16、固定在连接轴16上的第一挡板17；所述第二控制阀门包括一端固定在第二进气管道15封闭端内的弹性元件18、固定在弹性元件18另一端的第二挡板19，所述第二进气管道15上开设有进气孔20，进气孔20开设在第二挡板19上方且与气体扩散腔7连通；所述第一进气管道14和第二进气管道15上开设有通孔21，所述第一进气管道14上固定有限位块22，限位块22嵌合在通孔21内，限位块22内固定有第一齿条23、齿轮24和第二齿条25，第二挡板19靠近通孔21的侧边开设有限位槽26，第一齿条23和第二齿条25分别与齿轮24相啮合，第一齿条23延伸至限位块22外侧且延伸至限位块22外侧的端部固定有第一抵接块27，第二齿条25延伸至限位块22外侧且延伸至限位块22外侧的端部固定有第二抵接块28，第一齿条23延伸至限位块22外侧且位于第一进气管道14内，第一齿条23的端部固定有包覆弹性橡胶层的第一抵接块27，第一抵接块27的重量为第一齿条23的1-1.5倍，第二齿条25延伸至限位块22外侧且位于第二进气管道15内，第二齿条25的端部固定有包覆弹性橡胶层的第二抵接块28，第二抵接块28与限位槽26配合定位。

本生长设备的工作原理和操作过程：向石墨坩埚2的晶体生长腔6内填装碳化硅原料8，检查炉体1的密封性完好后进行抽真空操作，调节加热器3使炉体1内温度达到500℃以上，向炉体1内充入氮气或其他气体至维持炉体1内压强为10000Pa；调节加热器3使炉体1升温，使碳化硅单晶生长；当生长槽4内的晶体生长至第二阶段即长晶前期阶段时，向第一进气管道14中通入惰性气体和气态碳源的混合气体，进行碳源的补充，该实施例中通入的气态碳源为甲烷，当生长槽4内的晶体生长至第四阶段即长晶后期阶段时，向第二进气管道15中通入惰性气体和气态硅源的混合气体，进行硅源的补充，该实施例中通入的气态硅源为硅烷；首先，使用第一进气管道14和第二进气管道15分别对气态碳源和气态硅源进行补充，减少了使用同一根进气管道补充气态物质时还需排放进气管道内残余气体的步骤，节约了时间成本和材料成本；其次，在碳化硅晶体生长到第二阶段时，碳化硅原料8中挥发的碳元素相对较少且硅元素的挥发量相对较多，但即使硅元素挥发量较多，碳化硅原料8中的硅元素也保持在一个较高的水平，同时，晶体生长腔6的空间内充满由碳化硅原料8挥发出的碳元素和硅元素，因此此阶段补充气态碳源，气态碳源从进气组件中进入到气体扩散腔7内，再从多孔隔板5扩散至晶体生长腔6内，当气态碳源进入到晶体生长腔6内之后，先经过碳化硅原料8，此时由于碳化硅原料8中碳元素的挥发量不高，该气态碳源只会有少部分补充至碳化硅原料8中，剩余大部分气态碳源通过碳化硅原料8继续向上挥发至晶体生长腔6上方，使晶体生长腔6内充斥的碳元素和硅元素保持平衡，提高该阶段的碳化硅晶体的生长效率；其次，在碳化硅晶体生长到第四阶段时，碳化硅原料8中的硅元素挥发量较多，此时补充气态硅源，气态硅源通过多孔隔板5进入到晶体生长腔6内先向碳化硅原料8内补充硅元素，再继续向上挥发补充至晶体生长腔6的空间内，保证碳化硅晶体的生长环境相对稳定；最后，碳化硅晶体生长的第一阶段和第三阶段通入惰性气体用于保证晶体生长腔6内的压强平衡。向第一进气管道14通入混合气体补充碳源时，气流向上的冲力将第一挡板17向上冲开，第一挡板17绕连接轴16向上翻动，当第一挡板17上翻接触到限位块22时，一方面限位块22将第一挡板17挡在限位块22的下方，不使第一挡板17继续上翻，另一方面第一挡板17远离连接轴16一侧的上边缘接触到第一抵接块27，从第一进气管道14进入气体扩散腔7内的气流克服第一抵接块27和第一齿条23的自身重量，将二者向上推动，第一齿条23向上移动且能够进一步带动齿轮24转动，齿轮24带动与之啮合的第二齿条25移动，第二抵接块28延伸至限位槽26中，将第二挡板19卡在相应的位置，防止第一进气管道14和第二进气管道15同时向气体扩散腔7内充气体，一方面使得气态碳源和气态硅源的补充量更加精准可控，另一方面避免了气态碳源和气态硅源相互影响，影响气态碳源和气态硅的浓度，碳源补充完毕后，第一挡板17在连接轴16的带动下向下翻折，恢复到初始位置，且由于第一抵接块27的重量为第一齿条23的1-1.5倍，当第一挡板17翻折回原始位置时第一抵接块27失去作用力，带动第一齿条23向下移动，使得第二抵接块28脱离开限位槽26，当向第二进气管道15中通入混合气体补充硅源时，气流的冲力以及气压使得第二挡板19和弹性元件18受力，第二挡板19向上移动，同时弹性元件18被压缩，硅源从进气孔20进入到气体扩散腔7，完成硅源的补充。

实施例2

如图4所示，不同于实施例1，本实施例和实施例1的气体扩散腔7的上边缘位置设置不同，实施例1中气体扩散腔7一体连接在晶体生长腔6的下方，即气体扩散腔7的上边缘设置在多孔隔板5水平中心线处，而在本实施例中，气体扩散腔7的上边缘位置设置在距多孔隔板5上方1/8M的高度处并包围住多孔隔板5和晶体生长腔6的底部边缘，该气体扩散腔7的上边缘设置高度在多孔隔板5上方1/3M以内的高度内，被包围住的晶体生长腔6的侧壁上开设若干与多孔隔板5孔径相同的通孔，该设置可使气态碳源和气态硅源从碳化硅原料8的中下端补充至碳化硅原料8中，该实施例中通入的气态碳源为乙烷，该设置方式进一步提高了碳化硅原料8与气态碳源和气态硅的接触面积，保证了碳化硅原料的使用率。

实施例3

一种补充气态碳源和硅源的碳化硅晶体生长方法，采用实施例1中的结构，包括如下步骤：

S1.预加热阶段：向石墨坩埚2的晶体生长腔6内填装碳化硅原料8，检查炉体1的密封性，启动设置在炉体1下部的抽真空装置(图中未示出)，抽真空至炉体1内压强在5Pa左右，进一步抽真空至炉体1内压强在10^-2Pa左右，调节加热器3使炉体1内温度达到500℃左右，通过进气组件向炉体1内充入体积比为1:5～1:20的氮气和氦气的混合气体，维持炉体1内压强在10000Pa左右；

S2.第一阶段升温阶段：调节加热器3使炉体1温度升至2000℃左右，调节炉体1内压强到100Pa左右；

S3.第二阶段长晶前期阶段：向第一进气管道14内通入体积比为1:5～1:100的甲烷和氦气的混合气体，甲烷中含有碳元素用于向碳化硅原料8中补充气态碳源，同时惰性气体用于调节气压平衡，维持炉体1内压强在1000Pa左右；

S4.第三阶段长晶中期阶段：向第一进气管道14或第二进气管道15内通入体积比为1:5～1:20的氮气和氦气的混合气体，此时加热器3已工作一段时间，晶体生长腔6内气压缓慢的发生改变，此时通入混合气体用于调节晶体生长腔6内的气压达到平衡状态，此过程维持炉体1内压强在1500Pa左右；

S5.第四阶段长晶后期阶段：向第二进气管道15中通入体积比为1:5～1:100的硅烷和氦气的混合气体，此时碳化硅原料8的消耗较大，混合气体中硅烷中含有的硅元素起到向碳化硅原料8和晶体生长腔6中补充硅元素，此过程维持炉体1内压强在1500Pa左右直至碳化硅晶体生长结束。

碳化硅晶体的生长程度以及最终的生长大小一方面取决于炉体1以及生长槽4的大小，另一方面取决于碳化硅生长过程中碳化硅原料是否发生严重碳化或碳化硅晶体的原子排列出现不良状况，因此根据碳化硅晶体的具体生长状况判断并决定碳化硅晶体何时生长结束。

实施例4

一种补充气态碳源和硅源的碳化硅晶体生长方法，采用实施例1中的结构，包括如下步骤：

S1.预加热阶段：向石墨坩埚2的晶体生长腔6内填装碳化硅原料8，检查炉体1的密封性，一步抽真空至炉体1内压强在10^-3Pa左右，调节加热器3使炉体1内温度达到550℃左右，向炉体1内充入体积比为1:10的氢气和氩气的混合气体，维持炉体1内压强在20000Pa左右；

S2.第一阶段升温阶段：调节加热器3使炉体1温度升至2100℃左右，调节炉体1内压强到1000Pa；

S3.第二阶段长晶前期阶段：向第一进气管道14内通入体积比为1:20的丙烷和氩气的混合气体，丙烷补充碳源，氩气维持晶体生长腔6内气压在1000Pa左右；

S4.第三阶段长晶中期阶段：向第一进气管道14或第二进气管道15内通入体积比为1:10的氢气和氩气的混合气体，维持晶体生长腔6内气压在1000Pa左右平衡；

S5.第四阶段长晶后期阶段：向第二进气管道15中通入体积比为1:20的四氯化硅和氩气的混合气体，四氯化硅向碳化硅原料8和晶体生长腔8内补充硅元素，氩气起到调节气压的作用，使炉体1内气压维持在1000Pa左右。

实施例5

一种补充气态碳源和硅源的碳化硅晶体生长方法，采用实施例1中的结构，包括如下步骤：

S1.预加热阶段：向石墨坩埚2的晶体生长腔6内填装碳化硅原料8，检查炉体1的密封性，抽真空至炉体1内压强在3Pa，进一步抽真空至炉体1内压强在10^-4Pa，调节加热器3使炉体1内温度达到600℃范围内，向炉体1内充入体积比为1：15的氢气与氦气的混合气体，维持炉体1内压强在30000Pa；

S2.第一阶段升温阶段：调节加热器3使炉体1温度升至2000℃范围内，调节炉体1内压强到1000Pa范围内；

S3.第二阶段长晶前期阶段：向第一进气管道14内通入体积比为1：15的丙烷和氦气的混合气体，丙烷补充碳源，氦气维持晶体生长腔6内气压在1500Pa左右；

S4.第三阶段长晶中期阶段：向第一进气管道14或第二进气管道15内通入1：15的氢气和氦气的混合气体，维持晶体生长腔6内气压在1500Pa左右；

S5.第四阶段长晶后期阶段：向第二进气管道15中通入体积比为1：15的硅烷和氦气的混合气体，硅烷向碳化硅原料8和晶体生长腔8内补充硅元素，氦气起到调节气压的作用，使炉体1内气压维持在1500Pa左右。

对比例1

选用普通生长方法制备碳化硅单晶作为对照，观察统计碳化硅原料的使用情况，与本发明中所述生长方法进行对比。

○：碳化硅原料使用率高；□：碳化硅原料使用率一般；×：碳化硅原料浪费严重。

对比例2

选用普通生长方法制备碳化硅单晶作为对照，观察统计制备出的碳化硅单晶的形态，与本发明中所述生长方法进行对比。

○：碳化硅单晶形态完整且表面光亮；□：碳化硅单晶形态完整但表面有麻点；×：碳化硅单晶形态不佳。

上述实施例与对比例1和对比例2的试验结果如表1所示。

表1对比例的试验结果

经过对比实施例3-5中各项试验结果可以看出：经过此生长方法制备出来的碳化硅单晶，相比于目前由现有普通方法生长的碳化硅单晶，具有碳化硅原料使用率高的优点，且碳化硅单晶形态较好。

本发明的基本原理和主要特征和优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。