CN107916454A - 一种用于氮化铝晶体生长炉的热场 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，生长炉包括炉体、穿设于炉体下部的支撑杆，热场包括设于支撑杆上方的坩埚、隔热机构、设于炉体中沿竖直方向依次分布的用于对坩埚加热的多段式加热机构，隔热机构包括设于坩埚上方的第一隔热屏、设于坩埚和支撑杆之间的第二隔热屏、环设于坩埚外侧的第三隔热屏、环设于第三隔热屏和炉体内壁之间的第四隔热屏。本发明一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，采用钨和氮化硼材料，有效的避免石墨热场中氧杂质和碳杂质对晶体生长的杂质影响；通过设置多段式加热机构，可以灵活调控坩埚顶端和底端的温度；通过设置活动的支撑杆，不仅方便调控晶体生长的温度梯度，而且可以方便取出坩埚，进而清理炉腔。

Description

一种用于氮化铝晶体生长炉的热场

技术领域

本发明涉及一种用于氮化铝晶体生长炉的热场。

背景技术

导体材料广泛应用于集成电路、LED领域、军事、通讯等领域，作为第四代新型半导体材料，氮化铝具有宽禁带（6.2ev）、高热导率、高电子饱和迁移率、高击穿场强、抗辐射等性能，目前应用于制造高功率、高频等电子器件，在航空航天、海洋勘探、紫外固化、固体照明等领域具有很大的应用前景。

氮化铝单晶制造工艺难度很大，尤其是大尺寸的高质量单晶片。常用的制备氮化铝单晶方法是采用物理气相传输法（PVT法），其工作环境极为苛刻：低压、高温（可达2400摄氏度）、晶体生长时间长、稳定性要求高等。因此生长出尺寸大、缺陷少、性能好等高质量的单晶衬底材料工艺技术要求非常高。其中影响晶体缺陷的重要因素就是生长炉内温度场分布不均匀造成的，结果可能会造成坩埚内热场分布均、轴向温度梯度不稳定。

氮化铝晶体生长过程中，条件苛刻，热场起着非常关键的作用。当前常采用的石墨热场，由于保温问题及采用石墨材料会引入许多杂质如氧、碳等，杂质会污染晶体，影响晶体质量。且石墨热场系统更换较频繁，增大了成本。因此，研究设计新型热场对于生长高质量、降低能耗、降低成本至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，可以获得合理分布的温度场，且大大降低了引入杂质的可能性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，所述生长炉包括炉体、穿设于所述炉体下部的支撑杆、设于所述炉体中的支撑环，所述热场设于所述炉体中，所述热场包括：

设于所述支撑杆上方的坩埚；

隔热机构，所述隔热机构包括设于所述坩埚上方的第一隔热屏、设于所述坩埚和所述支撑杆之间的第二隔热屏、设于所述支撑环上的第三隔热屏和第四隔热屏，所述第三隔热屏环设于所述坩埚外侧、所述第四隔热屏环设于所述第三隔热屏和所述炉体内壁之间；

设于所述炉体中沿竖直方向依次分布的用于对所述坩埚加热的多段式加热机构。

优选地，所述多段式加热机构为感应加热机构，所述感应加热机构包括设于所述支撑环上的环设于所述坩埚和所述第三隔热屏之间的发热体、上下分布的上段感应加热线圈和下段感应加热线圈，所述上段感应加热线圈和所述下段感应加热线圈均环设于所述第四隔热屏和所述炉体内壁之间。

更优选地，所述坩埚包括呈圆柱形且开口朝上的本体、盖设于所述本体上方的盖体，所述盖体的高度与所述发热体的高度相同。

更进一步优选地，所述盖体为锥形体，所述本体的内径为60mm，所述本体的高度为110mm，所述盖体的锥形角为60°，所述坩埚的厚度为2mm。

更优选地，所述支撑杆上下活动的设于所述炉体中，所述支撑杆顶部设有用于托起所述坩埚和所述发热体的支撑盘。

更优选地，所述发热体、所述坩埚和所述支撑杆均采用金属钨制成。

优选地，所述多段式加热机构为电阻加热机构，所述电阻加热机构包括两段或两段以上上下分布的加热电阻，所述加热电阻设于所述坩埚外侧。

优选地，所述第一隔热屏、所述第二隔热屏、所述第三隔热屏均为钨热屏。

更优选地，所述钨热屏的厚度为0.3mm，所述第二隔热屏有六层，其两两之间的距离为5-7mm；所述第三隔热屏有四层，其两两之间的距离为5-7mm。

优选地，所述第四隔热屏为氮化硼热屏，所述氮化硼热屏的厚度为1.3mm，所述第四隔热屏有四层，其两两之间的距离为5mm。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，采用钨和氮化硼材料，可以有效避免石墨热场中氧杂质和碳杂质对晶体生长的杂质影响；通过设置多段式加热机构，可以灵活调控坩埚顶端和底端的温度；通过设置活动的支撑杆，不仅方便调控晶体生长的温度梯度，而且可以方便取出坩埚，进而清理炉腔。

附图说明

附图1为本发明热场的剖视图；

附图2为炉体中的温度分布图。

其中：1、炉体；2、上段感应加热线圈；3、下段感应加热线圈；4、支撑环；5、第四隔热屏；6、第三隔热屏；7、第一隔热屏；8、第二隔热屏；9、发热体；10、坩埚；11、支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见图1所示，一种PVT法生长氮化铝晶体的生长炉，包括炉体1、上下运动的穿设于该炉体1底面的支撑杆11、设于该炉体1中的支撑环4，上述热场设于该炉体1中。该生长炉还包括炉壁，该炉壁中设有用于循环通入冷却水的管道。通过在炉壁中通入冷却水，可以防止内部热场分布造成炉壁温度过高。

该热场包括设于支撑杆11顶部的坩埚10，该坩埚10包括呈圆柱形且开口朝上的本体、盖设于该本体上方的盖体。在本实施例中，该盖体为锥形体，该本体的内径为60mm，该本体的高度为110mm，该盖体的锥形角为60°，该坩埚10的厚度为2mm。

该热场还包括环设于该坩埚10外侧周部的发热体9、设于该坩埚10上方的第一隔热屏7、设于该坩埚10和该支撑杆11之间的第二隔热屏8，该第一隔热屏7和该第二隔热屏8均为圆形；该第一隔热屏7上设有开口，防止支撑杆11带动坩埚10向上运动时抵触该第一隔热屏7。当第一隔热屏7有多层时，该开口为尖角朝下的锥形。该盖体的顶部与该发热体9的顶部齐平。该发热体9为圆柱形。

该支撑杆11顶部设有用于托起坩埚10和发热体9的支撑盘，发热体9与支撑盘接触方式采用分开脚，其目的是为了减少接触面积，避免发热体9将大量的热量通过支撑盘传给支撑杆11，造成能耗增大。该支撑杆11的升降速度可以在两个范围内调节，分别是0.06-0.6mm/h和0-750mm/h。

该热场还包括设于该炉体1中多段式加热机构，在本实施例中，该多段式加热机构为感应加热机构。该感应加热机构包括上下分布的上段感应加热线圈2和下段感应加热线圈3，上段感应加热线圈2和下段感应加热线圈3均呈螺旋形绕设于发热体9的外侧周部，上段感应加热线圈2和下段感应加热线圈3之间设有磁屏蔽隔离。感应加热机构与发热体9之间间隙分布。上段感应加热线圈2可以加热坩埚10顶端，其感应加热功率为10KW，下段感应加热线圈3可以加热坩埚10底端，其感应加热功率为20KW。上下两段式感应加热机构可根据需要灵活匹配，便于精确控制各种生产温度和工艺条件。

启动升温时，可先加热坩埚10顶端，避免粉源在坩埚10盖处生成大量多晶晶核，然后再加热坩埚10底端。关闭降温时，关闭下段感应加热线圈3电源，保留上段感应加热线圈2电源缓慢降温，可以有效避免由于降温产生的应力集中。

该多段式加热机构也可以为电阻加热机构，在另一个实施例中，该电阻加热机构包括三段上下分布的加热电阻，该加热电阻设于坩埚10外侧，分别用于加热坩埚10上部、中部和下部。

该热场还包括设于感应加热机构和发热体9之间的隔热机构。该隔热机构支撑在支撑环4顶部，该隔热机构包括环设于发热体9外侧周部的第三隔热屏6、环设于第三隔热屏6和感应加热机构之间的第四隔热屏5。该第三隔热屏6和该第四隔热屏5均为圆柱形。感应加热机构通电时，涡流感应发热体9，发热体9辐射传热给坩埚10，通过设置第一隔热屏7、第二隔热屏8、第三隔热屏6和第四隔热屏5能够从一定程度上对坩埚10进行隔热。

由于钨和氮化硼的熔点高达3000摄氏度以上，不易引入杂质，表面反射率高，保温效果好。因此，在本实施例中，第一隔热屏7、第二隔热屏8、第三隔热屏6均为表面抛光的钨热屏；第四隔热屏5为氮化硼热屏。发热体9、坩埚10、支撑杆11和支撑盘均采用金属钨制成。

在本实施例中，钨热屏的厚度为0.3mm。第二隔热屏8有六层，六层第二隔热屏8两两之间的距离为5-7mm；第三隔热屏6有四层，四层第三隔热屏6两两之间的距离为5-7mm，第三隔热屏6采用分开120°角度，错位布局，有效避免磁感应。第一隔热屏7的层数和间隙可以根据需要自行调整。

氮化硼热屏的厚度为1.3mm。第四隔热屏5有四层，四层第四隔热屏5两两之间的距离为5mm。

图2是通过模拟软件对炉体1内的温度场进行模拟仿真，分析整个炉体1内的温度场，以及各个保温材料的温度值。通过该模拟数据可以看出，本热场设计基本满足理想的实验条件状态。提取坩埚10内的轴向温度差，温度差在不同加热温度下，范围可以达到：20-150摄氏度。

以下具体阐述下本实施例的工作过程：

工作时，可以只启动下段感应加热线圈3涡流感应发热体9，发热体9辐射传热给坩埚10。当坩埚10中的粉源升华后，以坩埚10内轴向温度梯度作为驱动力，升华的气粉沉积在盖体顶端，通过锥形盖体的设计，不仅可以自发形核，也可以夹持颗粒小的籽晶置于盖体顶端。

当需要启动上段感应加热线圈2和下段感应加热线圈3升温时，首先开启上段感应加热线圈2，再延时开启下段感应加热线圈3，通过监控测温装置保证坩埚10顶部温度高于坩埚10底部50摄氏度。逐步升温到2200摄氏度，粉源稳定升华，关闭上段感应加热线圈2。长晶结束后降温时，开启上段感应加热线圈2，升温至稳定长晶时坩埚10顶端的温度。紧接着，关闭下段感应加热线圈3。最后缓慢降温，直至关闭上段感应加热线圈2。

当实验进行到稳定长晶阶段，此时温度稳定，压力稳定。则可以调节支撑杆11运动，使得坩埚10系统缓慢上升，此时长晶速度基本与支撑杆11上升速度一致，便于增大长晶厚度。通过设置可升降的支撑杆11，使得坩埚10的位置相对于感应加热机构和发热体9的位置发生变化，可以调节坩埚10轴向的温度差，获得更合适的温度梯度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述生长炉包括炉体、穿设于所述炉体下部的支撑杆、设于所述炉体中的支撑环，所述热场设于所述炉体中，所述热场包括：

设于所述支撑杆上方的坩埚；

隔热机构，所述隔热机构包括设于所述坩埚上方的第一隔热屏、设于所述坩埚和所述支撑杆之间的第二隔热屏、设于所述支撑环上的第三隔热屏和第四隔热屏，所述第三隔热屏环设于所述坩埚外侧、所述第四隔热屏环设于所述第三隔热屏和所述炉体内壁之间；

设于所述炉体中沿竖直方向依次分布的用于对所述坩埚加热的多段式加热机构。

2.根据权利要求1所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述多段式加热机构为感应加热机构，所述感应加热机构包括设于所述支撑环上的环设于所述坩埚和所述第三隔热屏之间的发热体、上下分布的上段感应加热线圈和下段感应加热线圈，所述上段感应加热线圈和所述下段感应加热线圈均环设于所述第四隔热屏和所述炉体内壁之间。

3.根据权利要求2所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述坩埚包括呈圆柱形且开口朝上的本体、盖设于所述本体上方的盖体，所述盖体的高度与所述发热体的高度相同。

4.根据权利要求3所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述盖体为锥形体，所述本体的内径为60mm，所述本体的高度为110mm，所述盖体的锥形角为60°，所述坩埚的厚度为2mm。

5.根据权利要求2所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述支撑杆上下活动的设于所述炉体中，所述支撑杆顶部设有用于托起所述坩埚和所述发热体的支撑盘。

6.根据权利要求2所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述发热体、所述坩埚和所述支撑杆均采用金属钨制成。

7.根据权利要求1所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述多段式加热机构为电阻加热机构，所述电阻加热机构包括两段或两段以上上下分布的加热电阻，所述加热电阻设于所述坩埚外侧。

8.根据权利要求1所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述第一隔热屏、所述第二隔热屏、所述第三隔热屏均为钨热屏。

9.根据权利要求8所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述钨热屏的厚度为0.3mm，所述第二隔热屏有六层，其两两之间的距离为5-7mm；所述第三隔热屏有四层，其两两之间的距离为5-7mm。

10.根据权利要求1所述的一种用于氮化铝晶体生长炉的热场，其特征在于：所述第四隔热屏为氮化硼热屏，所述氮化硼热屏的厚度为1.3mm，所述第四隔热屏有四层，其两两之间的距离为5mm。