CN103014867A - 一种氮化铝晶体生长制备炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化铝晶体生长制备炉，包括保温装置和内部的筒状带底加热装置，并且还包括由所述氮化铝晶体生长制备炉底部穿入所述筒状带底加热装置内部的坩埚升降轴，所述坩埚升降轴与所述筒状带底加热装置同轴，并可带动安装在其端部的坩埚下部暴露于筒状带底加热装置之外。由于本发明所提供的氮化铝晶体生长制备炉增加了坩埚升降轴，从而实现了在氮化铝晶体生长之前对氮化铝晶体生长位置的杂质预先清除，进而显著减少了氮化铝晶体的杂质含量，提高了氮化铝晶体的纯度。
Description
技术领域
本发明涉及氮化铝晶体生长技术领域，特别涉及一种氮化铝晶体生长的制备炉。
背景技术
氮化铝晶体本身是一种优良的直接带隙宽禁带化合物半导体材料，具有高击穿场强，高热导率，化学和热稳定性好等优异性能，是非常理想的紫外光电子材料和用于高温，高频和大功率领域的电子材料。同时，氮化铝晶体与氮化镓晶体有非常接近的晶格常数和热膨胀系数，是外延生长氮化镓基光电器件的优选衬底材料，对氮化铝等第三代半导体材料以及器件的研究开发，已经成为半导体领域的一个热点。
目前，PVT（物理气相传输法）法是生长氮化铝单晶最常用的方法，其基本过程是氮化铝物料在高温下分解升华，然后在低温区结晶形成氮化铝晶体。
在使用PVT法生长氮化铝单晶时，一般是使制备炉内形成轴向温度梯度，使放置于制备炉内的钨坩埚底部的温度高于其坩埚盖的温度，使坩埚底部的物料在高温下分解升华为气态铝和氮气，然后在温度较低的坩埚盖上结合形成为氮化铝晶体；但是如果坩埚盖的表面碳和氧含量较高的话，在生长初期时容易产生氧化铝和碳化铝杂质混入到氮化铝晶体当中，对氮化铝晶体的纯度产生影响，由此可见坩埚盖上的杂质含量将对氮化铝晶体的质量产生重要的影响。但是目前的氮化铝晶体制备过程中均未对氮化铝的附着场所进行去除杂质的操作，因此其生成的氮化铝晶体的纯度无法满足更高技术要求的半导体元件的制备。
因此，如何能够降低氮化铝晶体中的杂质含量，以制备纯度更高的氮化铝晶体，是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮化铝晶体生长制备炉，以降低氮化铝晶体中的杂质含量，制备纯度更高的氮化铝晶体。
为解决上述技术问题，本发明提供的微耕机的氮化铝晶体生长制备炉包括保温装置和内部的筒状带底加热装置，并且还包括由所述氮化铝晶体生长制备炉底部穿入所述筒状带底加热装置内部的坩埚升降轴，所述坩埚升降轴与所述筒状带底加热装置同轴，并可带动安装在其端部的坩埚下部暴露于筒状带底加热装置之外。
优选的，所述筒状带底加热装置的侧面由多个电阻式钨棒加热器围成。
优选的，多个所述电阻式钨棒加热器沿周向均匀分布，且相邻两根电阻式钨棒加热器之间的距离不大于5cm。
优选的，所述保温装置包括：
套设在所述筒状带底加热装置外侧的保温筒；
设置于所述筒状带底加热装置的下部，且与所述筒状带底加热装置底部具有间隔的底部保温屏；
设置于所述筒状带底加热装置顶部且深入所述筒状带底加热装置内部的顶部保温屏。
优选的，所述底部保温屏和所述保温筒均与所述筒状带底加热装置同心设置，且所述底部保温屏套设于所述保温筒内部。
优选的，所述保温筒为整体加工成型的钨筒。
优选的，还包括套设于所述保温筒外侧的侧面保温屏。
优选的，还包括设置于所述氮化铝晶体生长制备炉底端的锆盘，所述锆盘上设置有用于所述坩埚升降轴穿过的通孔，且所述侧面保温屏和所述底部保温屏均设置于所述锆盘上。
优选的，所述底部保温屏和顶部保温屏均由多个钼片层和钨片层相间布置而成，并且所述钨片层由多个同心的钨片圆环构成，所述钼片层由多个同心的和钼片圆环构成。
优选的，还包括设置于所述筒状带底加热装置开口端的带水冷的法兰，所述顶部保温屏设置于所述法兰上。
本发明所提供的氮化铝晶体生长制备炉可以提高氮化铝晶体纯度的原理如下：
在坩埚内填装好原料并将坩埚安装在坩埚升降轴的端部，在氮化铝制备之前，首先控制坩埚升降轴下降，使坩埚的下部暴露在筒状带底加热装置之外，然后使筒状带底加热装置对其进行加热，当将坩埚的上半部分加热一段时间后控制坩埚升降轴将坩埚送回筒状带底加热装置内部进行氮化铝晶体生长。
由于坩埚的上半部分连同坩埚盖处于高温的筒状带底加热装置内部，因此附着于坩埚上半部分以及坩埚盖上的碳、氧或者其他杂质将在高温的作用下被去除，而此时由于坩埚的下半部分裸露在筒状带底加热装置之外，因此其内部的原料不会被加热升华，一段时间后，坩埚上半部分以及坩埚盖内的杂质已经在高温下被去除干净，此时坩埚将被送回筒状带底加热装置内开始进行氮化铝晶体生长，生长在坩埚盖或者坩埚上半部分的氮化铝晶体的纯度将显著提高。
由以上技术方案可以看出，由于本发明所提供的氮化铝晶体生长制备炉增加了坩埚升降轴，从而实现了在氮化铝晶体生长之前对氮化铝晶体生长位置的杂质预先清除，从而显著减少了氮化铝晶体的杂质含量，提高了氮化铝晶体的纯度。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的氮化铝晶体生长制备炉的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种氮化铝晶体生长制备炉，该氮化铝晶体生长制备炉通过设置坩埚升降轴，实现在氮化铝晶体生长之前对坩埚上氮化铝晶体的生长部位进行杂质去除，以降低氮化铝晶体中的杂质含量，制备纯度更高的氮化铝晶体。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请同时参考图1，图1为本发明实施例所提供的氮化铝晶体生长制备炉的结构示意图。
本实施例中所提供的氮化铝晶体生长制备炉包括保温装置和设置在保温装置内部的筒状带底加热装置2，由于该筒状加热装置带底，因此其顶部与底部之间自然形成温度梯度，该氮化铝晶体生长制备炉还包括由其底部穿入筒状带底加热装置2内部的坩埚升降轴4，如图1中所示，并且该坩埚升降轴4与筒状带底加热装置2同轴，以使坩埚7安装在其端部之后坩埚7周向的温度均匀，该坩埚升降轴4可带动安装在其端部的坩埚7的下部暴露于筒状带底加热装置2之外。
本实施例中所提供的氮化铝晶体生长制备炉可提高氮化铝晶体纯度的原理如下：
坩埚7内填装好原料并将坩埚7安装在坩埚升降轴4的端部，在氮化铝制备之前，首先控制坩埚升降轴4下降，使坩埚7的下部暴露在筒状带底加热装置2之外，然后使筒状带底加热装置2对其进行加热，当将坩埚7的上半部分加热一段时间后控制坩埚升降轴4将坩埚7送回筒状带底加热装置2内部进行氮化铝晶体生长。
由于坩埚7的上半部分连同坩埚盖处于高温的筒状带底加热装置2内部，因此附着于坩埚7上半部分以及坩埚盖上的碳、氧或者其他杂质将在高温的作用下被去除，而此时由于坩埚7的下半部分裸露在筒状带底加热装置2之外，因此其内部的原料不会被加热升华，一段时间后，坩埚7上半部分以及坩埚盖内的杂质已经在高温下被去除干净，此时坩埚7将被送回筒状带底加热装置2内开始进行氮化铝晶体生长，生长在坩埚盖或者坩埚2上半部分的氮化铝晶体的纯度将显著提高。
由此可见，上述实施例中所提供的氮化铝晶体生长制备炉实现了在氮化铝晶体生长之前对氮化铝晶体生长位置的杂质预先清除，从而显著减少了氮化铝晶体的杂质含量，提高了氮化铝晶体的纯度。
并且坩埚升降轴4还可以在筒状带底加热装置2内精确调整坩埚7的位置，以满足氮化铝晶体生长需求的大区域的温度梯度的要求。
目前氮化铝晶体生长制备炉中普遍采用钨丝网构成筒状带底加热装置2，并且由于钨丝网的造价较高，筒状的钨丝网并非沿周向连续布置，而是在周向上均匀布置三条钨丝网，并且相邻两条钨丝网之间的间距较大，这就造成了目前氮化铝晶体生长制备炉径向温度梯度的不均匀，不利于氮化铝晶体的生长，因此本实施例中的筒状带底加热装置2的侧面由多个成本较低的电阻式钨棒加热器围成，这样可以显著降低筒状带底加热装置2的制造成本，更为优选的方式是多个电阻式钨棒加热器沿周向均匀布置，并且相邻两根电阻式钨棒加热器之间的距离以不大于5cm为宜，以使筒状带底加热装置2内部的径向温度梯度更为均匀。
本实施例中所提供的保温装置具体包括保温筒6、底部保温屏5和顶部保温屏1，其中保温筒6设置在筒状带底加热装置2的外侧；底部保温屏5设置于筒状带底加热装置2的下部，且与筒状带底加热装置2底部具有间隔，以使设置在坩埚升降轴4上的坩埚7下部可以伸出筒状带底加热装置2的底部；顶部保温屏1设置在筒状带底加热装置2顶部且深入筒状带底加热装置2内部，如图1中所示。
该种保温装置可实现对筒状带底加热装置2的圆周侧面、顶部以及底部分别进行保温，提高了保温性能，有利于获取氮化铝晶体长晶要求的轴向温度梯度，进而提高了氮化铝晶体的生长质量。
为了更近一步优化上述实施例中的技术方案，本实施例中的底部保温屏5和保温筒6均与筒状带底加热装置2同心设置，并且底部保温屏5优选的套设在保温筒6的内部，这样可以使筒状带底加热装置2内部的径向温度梯度更为均匀，更适合氮化铝晶体的生长。
上述实施例中的保温筒6优选的采用整体加工成型的钨筒，这样可以使其保温性能更加可靠，为了进一步提高该氮化铝晶体生长制备炉的侧面保温性能，本实施例中还在保温筒6的外侧设置有侧面保温屏3，如图1中所示。
为了避免侧面保温屏3和底部保温屏5的热量直接传给炉底盘，造成大量热量的快速散失，导致轴向温度梯度不均匀的情况出现，本实施例中还在氮化铝晶体生长制备炉的底端设置了绝热性较好并且耐高温的锆盘8，侧面保温屏3和底部保温屏5均设置在该锆盘8上，当然，锆盘8上设置有用于坩埚升降轴4穿过的通孔。
进一步的，本实施例中的底部保温屏5和顶部保温屏1均是由多个钼片层和钨片层相间布置而成，并且钨片层由多个同心的钨片圆环构成，钼片层由多个同心的钼片圆环构成。
为了进一步使筒状带底加热装置2内形成较大幅度的温度梯度，以利于氮化铝晶体的形成，本实施例中优选的在筒状带底加热装置2的开口端设置了水冷的法兰，并且顶部保温屏1设置在该法兰上，从而可以实现筒状带底加热装置2内上部和下部较大幅度的温度梯度，以利于氮化铝晶体的生长。
以上对本发明所提供的氮化铝晶体生长制备炉进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种氮化铝晶体生长制备炉，包括保温装置和内部的筒状带底加热装置（2），其特征在于，还包括由所述氮化铝晶体生长制备炉底部穿入所述筒状带底加热装置（2）内部的坩埚升降轴（4），所述坩埚升降轴（4）与所述筒状带底加热装置（2）同轴，并可带动安装在其端部的坩埚（7）的下部暴露于所述筒状带底加热装置（2）之外。
2.根据权利要求1所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，所述筒状带底加热装置（2）的侧面由多个电阻式钨棒加热器围成。
3.根据权利要求2所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，多个所述电阻式钨棒加热器沿周向均匀分布，且相邻两根电阻式钨棒加热器之间的距离不大于5cm。
4.根据权利要求1所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，所述保温装置包括：
套设在所述筒状带底加热装置（2）外侧的保温筒（6）；
设置于所述筒状带底加热装置（2）的下部，且与所述筒状带底加热装置（2）底部具有间隔的底部保温屏（5）；
设置于所述筒状带底加热装置（2）顶部且深入所述筒状带底加热装置（2）内部的顶部保温屏（1）。
5.根据权利要求4所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，所述底部保温屏（5）和所述保温筒（6）均与所述筒状带底加热装置（2）同心设置，且所述底部保温屏（5）套设于所述保温筒（6）内部。
6.根据权利要求5所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，所述保温筒（6）为整体加工成型的钨筒。
7.根据权利要求4所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，还包括套设于所述保温筒（6）外侧的侧面保温屏（3）。
8.根据权利要求7所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，还包括设置于所述氮化铝晶体生长制备炉底端的锆盘（8），所述锆盘（8）上设置有用于所述坩埚升降轴（4）穿过的通孔，且所述侧面保温屏（3）和所述底部保温屏（5）均设置于所述锆盘（8）上。
9.根据权利要求4所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，所述底部保温屏（5）和顶部保温屏（1）均由多个钼片层和钨片层相间布置而成，并且所述钨片层由多个同心的钨片圆环构成，所述钼片层由多个同心的钼片圆环构成。
10.根据权利要求9所述的氮化铝晶体生长制备炉，其特征在于，还包括设置于所述筒状带底加热装置（2）开口端的带水冷的法兰，所述顶部保温屏（1）设置于所述法兰上。
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