CN103184514B - 晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体生长炉，包括反应室和加热装置，所述的反应室包括第一热壁和第二热壁，所述的第一热壁和第二热壁可拆卸连接，且所述的第一热壁和第二热壁围成晶体的反应空间，所述的第二热壁的材质为石墨，所述的加热装置配合第二热壁设置以对其进行加热；所述第一热壁的材质为高温耐热材料。该装置中的反应室的保温、隔热不采用石墨毡，消除了采用石墨毡来保温和隔热所造成的反应室杂质污染的问题，极大的降低了外延片的背景载流子浓度；并且，采用可拆卸式热壁，易于安装，更换方便。

Description

晶体生长炉

技术领域

本发明涉及晶体生长领域，具体涉及一种用于碳化硅外延生长的晶体生长装置。

背景技术

碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料，具有宽禁带、高击穿电压、高热导率、高电子饱和漂移速率、高电子迁移率、小介电常数、强抗辐射性、高化学稳定性等优点，是制造高温、高频、大功率、抗辐射、非挥发存储器件及光电集成器件的关键材料。碳化硅电力电子器件具有转换效率高、耐高温、抗辐射等特点，已经逐渐在电力转换、太阳能光伏、电动汽车、高效马达等领域取代硅器件，开始崭露头角。

碳化硅电力电子器件的性能，取决于碳化硅外延材料的质量。制备外延材料的碳化硅外延设备，需要在高温1600℃下稳定工作，通常都采用石墨毡来保温和隔热，但石墨毡在高温下会释放出杂质，是反应室内杂质的一个主要来源。因此，采用石墨毡的碳化硅外延设备都存在着反应室不够纯净，导致外延片的背景载流子浓度高的问题（一般在5í10¹⁵cm^-3以上）。外延片中的杂质，对碳化硅器件的漏电等性能，会产生不良影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是设计一种不使用石墨毡的高温碳化硅晶体生长装置，既提高了系统的洁净度，降低外延片的背景载流子浓度，又能够满足碳化硅高温加热的需要，从而获得高质量的碳化硅外延片。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种晶体生长炉，包括反应室和加热装置，所述的反应室包括第一热壁和第二热壁，所述的第一热壁和第二热壁可拆卸连接，且所述的第一热壁和第二热壁围成晶体的反应空间，所述的第二热壁的材质为石墨，所述的加热装置配合第二热壁设置以对其进行加热；所述第一热壁的材质为高温耐热材料，所述高温耐热材料包括石英、刚玉和石墨。

进一步的，所述晶体生长炉还包括进气装置，所述的进气装置位于所述的反应空间内，包括进气通道和喷头，所述喷头的材质为石墨，所述进气通道的材质为石英；所述的加热装置的位置与喷头的位置对应以实现对喷头的加热。

作为一种优选的方案，所述喷头为喷淋头结构。

作为一种优选的方案，所述第一热壁的底端设有卡扣/卡口，所述的第二热壁的顶端配合设有卡口/卡扣。

作为一种优选的方案，所述进气通道和喷头可拆卸连接；具体的，所述的进气通道的底端设有卡扣/卡口，所述的喷头的顶端配合设有卡口/卡扣。

作为一种优选的方案，还包括冷却侧壁，所述的冷却侧壁形成一收容空间，所述的反应室位于该收容空间内，所述的加热装置为绕设于所述冷却侧壁的感应线圈；进一步的，所述的冷却侧壁为双层的水冷侧壁。

相比于现有技术，本发明具有如下的优点：

1）反应室的保温、隔热不采用石墨毡，改用一种可拆卸式连接的第一热壁和第二热壁组合形成的热壁结构，消除了采用石墨毡来保温和隔热所造成的反应室杂质污染的问题，极大的降低了外延片的背景载流子浓度；并且，可拆卸式热壁，易于安装，更换方便；

2）进气装置包括可拆卸连接的进气通道和喷头，其中喷头设计为喷淋头结构，更换方便，并且可以根据实际生长需要，改变喷淋头孔径大小，调节气体到达衬底表面的流速，适用于不同外延生长；喷头采用材质为石墨，由于石墨良好的热导性，气体在扩散到样品表面前被预热，充分裂解，能够均匀扩散到样品表面；

3）所述晶体生长炉同时具有“热壁”和“冷壁”。“热壁”的加热作用，使反应室内温度升温保持在1650度高温，而反应室外壁为双层石英水冷侧壁，石英隔热性好，水冷能够将辐射到石英壁的热量带走，迅速使反应室外壁降温为室温，避免可能发生的高温伤害；

4）位于反应室上部的第一热壁和进气通道采用石英材质，由于石英隔热性好，可以阻挡下部石墨高温加热的热量，抑制生长炉上顶盖温度升高；而且石英的膨胀系数小，可以有效防止升温降温过程中的膨胀导致的开裂问题；石英易于清洁，能够保证高纯度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的晶体生长炉的结构示意图；

图2a为图1中的晶体生长炉中的第二热壁的主视图；

图2b为图2a所示的第二热壁的俯视图；

图3a为图1所示的晶体生长炉中的喷头的主视图；

图3b为图3a所示的喷头的仰视图。

具体实施方式

本发明的目的是设计一种不使用石墨毡的高温碳化硅晶体生长装置，既提高了系统的洁净度，降低外延片的背景载流子浓度，又能够满足碳化硅高温加热的需要，从而获得高质量的碳化硅外延片。

如图1所示，本发明提供的晶体生长炉包括:包括反应室和加热装置，所述的反应室包括第一热壁5和第二热壁4，所述的第一热壁5和第二热壁4可拆卸连接，且所述的第一热壁5和第二热壁4围成晶体的反应空间，所述的第二热壁4的材质为石墨，所述的加热装置3配合第二热壁4设置以对其进行加热；所述第一热壁5的材质为高温耐热材料，所述高温耐热材料包括石英、刚玉和石墨。

在如图1所示的例子中，该晶体生长炉还包括进气装置，所述的进气装置位于所述的反应空间内，包括进气通道7和喷头8，所述喷头8的材质为石墨，所述进气通道7的材质为石英；所述的加热装置3的位置与喷头8的位置对应以实现对喷头8的加热。

该晶体生长装置中，反应室的保温、隔热不采用石墨毡，改用一种可拆卸式连接的第一热壁和第二热壁组合形成的热壁结构，消除了采用石墨毡来保温和隔热所造成的反应室杂质污染的问题，极大的降低了外延片的背景载流子浓度；并且，可拆卸式热壁，易于安装，更换方便；进气装置采用材质为石墨的喷头，由于石墨良好的热导性，气体在扩散到样品表面前被预热，充分裂解，能够均匀扩散到样品表面；并且，位于反应室上部的第一热壁和进气通道采用石英材质，由于石英隔热性好，可以阻挡下部石墨高温加热的热量，抑制生长炉上顶盖温度升高

图1的例子中还标示出了样品托9，其由一支架10支撑放置于所述第二热壁4内，且位于所述进气装置的喷头8的下方。

在如图1所示的例子中，该晶体生长炉还包括冷却侧壁2，所述的冷却侧壁2的两端密封连接有第一法兰6和第二法兰1形成一收容空间，所述的反应室位于该收容空间内，所述的加热装置3为绕设于所述冷却侧壁2的感应线圈。

作为一种优选的方案，所述冷却侧壁2为由两层石英管套装形成的双层的水冷侧壁，该双层侧壁之间设置有冷却水流通通道，并设置有冷却水通入口和输出口（附图中未标示）。

在这一优选方案中，所述晶体生长炉同时具有“热壁”和“冷壁”两种功能。所述的晶体生长炉，由于“热壁”的作用，反应室温度可以升温保持在1650度左右，而反应室的外壁（冷却侧壁2）因为“冷壁”的作用，保持室温。采用双层石英水冷侧壁，水冷将辐射到石英壁的热量带走，可以迅速地将高温降到低温。而且，由于石英的膨胀系数小，使用石英可以有效防止在升温降温过程中的膨胀导致的开裂问题。由于石英内壁易于清洁，能够保证高纯度。热墙在石英里面的设计，既可以达到高温，又可以实现温场的快速下降，还能在反应室内保持高度均匀的温场。

一般的可拆卸连接方式有螺纹连接、螺栓连接。

作为一种优选的方案，所述第一热壁5的底端设有卡扣/卡口，所述的第二热壁4的顶端配合设有卡口/卡扣。如图2所示，在接口处的第二热壁4的圆周边沿设计有两个对称的凹槽卡口，相应的第一热壁5上设计有对应的卡扣，安装时第一热壁5和第二热壁4对接后旋转90°即可固定连接。

第一热壁5和第二热壁4也可以通过螺纹连接的方式进行连接。

作为一种优选的方案，所述进气通道7和喷头8可拆卸连接；具体的，所述的进气通道7的底端设有卡扣/卡口，所述的喷头8的顶端配合设有卡口/卡扣；所述喷头8为喷淋头结构，如图3所示。

进气装置包括可拆卸连接的进气通道和喷头，其中喷头设计为喷淋头结构，更换方便，并且可以根据实际生长需要，改变喷淋头孔径大小，调节气体到达衬底表面的流速，适用于不同外延生长。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶体生长炉，包括反应室和加热装置，其特征在于：所述的反应室包括上下连接设置的第一热壁和第二热壁，所述第一热壁位于所述反应室的上部，所述的第一热壁和第二热壁可拆卸连接，且所述的第一热壁和第二热壁围成晶体的反应空间，所述的第二热壁的材质为石墨，所述的加热装置配合第二热壁设置以对其进行加热。

2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述第一热壁的材质为高温耐热材料，所述高温耐热材料包括石英、刚玉和石墨。

3.根据权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于：所述第一热壁的底端设有卡扣/卡口，所述的第二热壁的顶端配合设有卡口/卡扣。

4.根据权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于：还包括进气装置，所述的进气装置位于所述的反应空间内，包括进气通道和喷头，所述喷头的材质为石墨或刚玉，所述的加热装置的位置与喷头的位置对应以实现对喷头的加热。

5.根据权利要求4所述的晶体生长炉，其特征在于：所述喷头为喷淋头结构。

6.根据权利要求4所述的晶体生长炉，其特征在于：所述进气通道和喷头可拆卸连接。

7.根据权利要求6所述的晶体生长炉，其特征在于：所述的进气通道的底端设有卡扣/卡口，所述的喷头的顶端配合设有卡口/卡扣。

8.根据权利要求4所述的晶体生长炉，其特征在于：所述进气通道的材质为石英、刚玉、陶瓷或石墨。

9.根据权利要求1或4所述的晶体生长炉，其特征在于：还包括冷却侧壁，所述的冷却侧壁形成一收容空间，所述的反应室位于该收容空间内，所述的加热装置为绕设于所述冷却侧壁与所述第二热壁对应部分的感应线圈。

10.根据权利要求9所述的晶体生长炉，其特征在于：所述的冷却侧壁为双层的水冷侧壁。