CN111411401A - 碳化硅晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅晶体生长装置，包括：生长炉，包括纵向设置的石英管，石英管内形成有用于碳化硅晶体生长的石英腔室，石英管为单层结构；外罩，套设于生长炉外部，外罩的内壁与石英管的外壁之间形成有排风管道，外罩的底端设有进风口，外罩的顶端设有出风口；排风系统，与出风口连接。实现以风冷的形式对石英管进行温度场调节及冷却，并降低设备成本并提高安全性。

Description

碳化硅晶体生长装置

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地，涉及一种碳化硅晶体生长装置。

背景技术

碳化硅(SiC)单晶具有高导热率、高击穿电压、载流子迁移率极高、化学稳定性很高等优良的半导体物理性质；可以制作成在高温、强辐射条件下工作的高频、高功率电子器件和光电子器件，在国防、高科技、工业生产、供电、变电领域有巨大的应用价值，被看作是极具发展前景的第三代宽禁带半导体材料。

SiC单晶材料的生长需要特殊的工艺装备。该工艺装备主要由生长炉、加热组件、气体组件及控制组件等结构，其中晶体生长过程主要在生长炉体内完成。现有的炉体结构主要由不锈钢炉膛组件及双层石英腔室构成，双层石英腔室夹层内通入冷却水，以达到对腔室内温度场进行调节并冷却腔室的目的。

现有技术的主要缺点有：

1、采用双层石英管结构，与之相配合，需要在石英管两端采用不锈钢炉膛结构，对石英管进行密封，成本高；

2、双层石英管夹层内通入冷却水，而腔室处于极高的温度状态，如果内层石英管碎裂，会导致冷却水进行腔室，存在较大的安全隐患。

因此需要提出一种成本低且安全性更高的碳化硅晶体生长装置。

发明内容

本发明的目的是提出一种碳化硅晶体生长装置，实现降低设备成本并提高安全性。

为实现上述目的，本发明提出了一种碳化硅晶体生长装置，包括：

生长炉，所述生长炉包括纵向设置的石英管，所述石英管内形成有用于碳化硅晶体生长的石英腔室，所述石英管为单层结构；

外罩，所述外罩套设于所述生长炉的外部，所述外罩的内壁与所述石英管的外壁之间形成有排风通道，所述外罩的底端为开放端，所述外罩的顶端设有出风口；

排风系统，所述排风系统与所述出风口连通。

可选地，所述排风系统包括排风管道、热交换器和风机，所述排风管道的一端与所述出风口连通，所述排风管道的另一端与所述热交换器连接，所述热交换器与所述风机的进气端连接。

可选地，所述风机的出气端与外部排气管道连接。

可选地，所述外罩的底端开放且所述外罩的底端悬空，以形成所述进风口。

可选地，所述外罩的侧壁外表面设有冷却水管路。

可选地，所述冷却水管路沿所述外罩的周向在所述外罩的侧壁外表面呈脉冲状或螺旋状分布。

可选地，所述排风通道与所述排风管道连通，且所述排风通道的宽度在80mm至120mm之间。

可选地，所述生长炉还包括底座，所述底座与所述石英管的底部固定连接。

可选地，所述石英管的顶部封闭，所述底座设有与所述石英腔室连通的尾气出口。

可选地，所述石英管的外壁设有电磁感应线圈。

可选地，还包括固定架，所述固定架与所述外罩的侧壁固定连接，所述固定架用于支撑所述外罩。

本发明的有益效果在于：

生长炉通过采用单层结构的石英管，在石英管外部设置外罩，外罩的内壁与石英管外壁之间设置间隙，外罩的底端和顶端分别设有进风口和出风口，以此能够在外罩与石英管之间能够形成排风通道，同时外罩的顶部连接排风系统，在排风系统的作用下，外罩外侧底部的空气可以从外罩底部进入通风管道，形成空气的流动，管道内气流能够持续带走石英管散发出的热量，以风冷的形式实现对石英管进行温度场调节及冷却的目的，相较于现有的双层结构的石英管能够有效降低设备的物料成本，并提高设备的安全性。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了现有的一种碳化硅晶体生长装置的整体示意图。

图2示出了现有的一种碳化硅晶体生长装置的剖视图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的一种碳化硅晶体生长装置示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的一种冷却水管在外罩上的分布结构示意图。

图5示出了根据本发明的另一个实施例的一种冷却水管在外罩上的分布结构示意图。

附图标记说明：

图1至图2中：

1、石英管组件；2、上不锈钢炉膛组件；3、下不锈钢炉膛组件；4、电感线圈；5、机架；6、尾气出口；7、内层石英管；8、外层石英管；9、冷却水入口；10、冷却水出口。

图3至图5中：

101、石英管；102、外罩；103、排风系统；104、排风管道；105、热交换器；106、风机；107、底座；108、尾气出口；109、固定架；110、冷却水管路；111、出风口；112、冷却水入口；113、冷却水出口。

具体实施方式

图1和图2分别示出了现有的一种碳化硅晶体生长装置的结构示意图和该装置的剖视图，如图1和图2所示，该碳化硅晶体生长装置的主体为生长炉，生长炉采用石英管组件1构成生长腔室，石英管组件1的外部设有电感线圈4，电感线圈通过机架固定。其中石英管组件1为双层结构，包括内层石英管7和外层石英管8，内层石英管7与外层石英管8之间形成的夹层间能够通入冷却水，冷却水从夹层底端的冷却水入口9自下而上流经整个腔体后经夹层顶端的冷却水出口10流出，以达到对腔室内温度场进行调节并冷却腔室的目的。

该装置采用双层石英管结构，为与之相配合，需要在石英管组件1的顶端采用上不锈钢炉膛组件2，在石英管组件1的底端采用下不锈钢炉膛组件3，并对石英管两端进行密封，采用双层石英管以及上下炉膛组件导致该装置的成本较高。同时双层石英管夹层内通入冷却水，而腔室处于极高的温度状态，如果内层石英管碎裂，会导致冷却水进行腔室，存在较大的安全隐患。

为解决上述问题，本发明采用单层石英管及外罩，以风冷的方式进行冷却，在保证冷却效率的同时，解除了双层水冷石英管结构可能存在的安全隐患，并大大降低设备成本。

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图3示出了根据本发明的一个实施例的一种碳化硅晶体生长装置示意图。

如图3所示，根据本发明的一种碳化硅晶体生长装置，包括：

生长炉，生长炉包括纵向设置的石英管101，石英管101内形成有用于碳化硅晶体生长的石英腔室，石英管101为单层结构；

外罩102，外罩102套设于生长炉的外部，外罩102的内壁与石英管101的外壁之间形成有排风通道，外罩102的底端设有进风口，外罩102的顶端设有出风口111；

排风系统103，排风系统103与出风口111连通。

具体地，生长炉通过采用单层结构的石英管101，在生长炉外部设置外罩102，外罩102的内壁与石英管101外壁之间形成有排风通道，外罩的底端和顶端分别设有进风口和出风口，同时外罩102的底部设有进风口，顶部连接排风系统103，在排风系统103的作用下，外罩102外侧底部的空气可以从外罩102底部进入通风管道，形成空气的流动，管道内气流能够持续带走石英管101散发出的热量，以风冷的形式实现对石英管101进行温度场调节及冷却的目的，相较于现有的双层结构的石英管101能够有效降低设备的物料成本，并提高设备的安全性。

参考图3，本实施例中，排风系统103包括排风管道104、热交换器105和风机106，排风管道104的一端与出风口111连通，排风管道104的另一端与热交换器105连接，热交换器105与风机106的进气端连接，风机106的出气端与外部(厂务)排气管道连接。其中热交换器105用于将排风管道104内的气体进行热交换，降低气体的温度。热交换器105为现有技术，可以根据具体设计选择满足需求的热交换器类型，此处不再赘述。

参考图3和图4，本实施例对于外罩102亦有冷却的设计，外罩102的侧壁外表面沿周向缠绕有冷却水管路110，冷却水管路110设有冷却水入口112和冷却水出口113，向冷却水管中通入冷却水，可以进实现对外罩102进行冷却的目的，也能够进一步加强对石英管101的散热效果。外罩102经冷却后，将完全将腔室与外界隔绝，避免了腔室散热对外部部件的影响，保证了整个装置的安全。本实施例的冷却水管路110沿外罩102的周向在外罩102的侧壁外表面呈脉冲状分布。

进一步地，为便于排风，优选在外罩102的顶部设置锥形变径管，锥形变径管顶部形成的通风口与排风管道104固定对接。

本实施例中，外罩的底端开放且外罩的底端悬空，以形成进风口。

具体地，通过将外罩102的底端悬空，能够形成排风通道的进风口，即外罩102底部均可以进气，有利于冷却气流的大量涌入。在其他实施例中，外罩102的底端也可以不悬空，当不悬空时，可以在外罩102的侧壁底部设置一个或多个进气口。

参考图5，在另一个实施例中，冷却水管路110还可以为沿外罩102的周向在外罩102的侧壁外表面呈螺旋状分布的形式。在本发明的其他实施例中，冷却水管路110也可以采用其他形式分布在外罩102的外表面，此处不再赘述。

本实施例中，外罩102的主体部分为圆筒形且底部为开放端，排风通道与所述排风管道连通，外罩102的内壁与石英管101外壁之间设置间隙，即外罩102的内径大于石英管101的外径，以此能够在外罩102与石英管101之间能够形成排风通道，排风通道的宽度在80mm至120mm之间，即外罩102的内壁与石英管101的外壁之间的间隙为80mm至120mm。优选地，外罩102的内壁与石英管101的外壁之间的间隙为100mm。

进一步地，本实施例的生长炉还包括底座107，石英管101的底部与底座107固定连接，石英管101的顶部封闭，底座107设有与石英腔室连通的尾气出口108。底座107用于对上方的石英管101进行支撑固定，底座107中设置有尾气出口108，用于将石英腔室内的废气排出至厂务尾气处理端。

本实施例中，石英管101的外壁套设有电磁感应线圈。通过电磁感应实现对石英腔室内部的碳化硅源进行高温加热，进而实现碳化硅的晶体生长。

本实施例中，还包括固定架，固定架与外罩的侧壁固定连接，固定架用于支撑所述外罩。

具体地，通过设于地面或墙面的固定架109(钣金)与外罩102的侧壁固定连接，使外罩102悬空并套设在生长炉中石英管101所在区域的外部，以在外罩102与石英管101的底部之间形成进风口。

需要说明的是上述实施例的生长炉除采用单层结构的石英管101以及由排风系统103和外罩102构成的风冷系统外，其余的配套部分(如加热系统、真空系统、运动系统等)均与现有的碳化硅生长炉相同，此处不再赘述。

本实施例的碳化硅晶体生长装置工作原理为：

采用一个单独的外罩102替换原外层石英管101，将内层石英管101完全罩住，与石英管101互不接触，外罩102圆筒两侧固定在固定架109上，其与石英管101间形成的间隙夹层作为排风通道，外罩102顶部与排风管道104固定连通，排风管道104与热交换器105连接，热交换器105最终与风机106相连。炉体进行碳化硅晶体生长工艺时，风机106启动，外罩102外侧底部的空气由外罩102底部进入外罩102与石英管101间形成的排风通道，形成空气的流动，同时管道内空气持续带走石英管101散发出的热量，受热后的空气通过排风管道104后与热交换器105进行热交换并冷却，完成冷却后经由风机106排出至外部厂务排气管道，由此达到对石英管101进行温度场调节及冷却的目的。同时，在生长工艺过程中，还可以向外罩102的外壁上设置的冷却水管路110中通入冷却水，开启冷却水循环，进一步加强对石英管101的冷却效果，同时避免生长炉向外部的热辐射，提高安全性。

综上，本发明的碳化硅晶体生长装置主要通过在外罩102和石英管101之间采用风冷的方式进行温度场调节及冷却，风冷的方式保证了腔室的安全，消除了安全隐患；同时由于减少了石英管及传统不锈钢炉膛组件的使用，大大降低了设备的硬件成本。进一步地，结合对外罩102的水冷方式，隔绝生长炉的热源辐射，有效提高了装置的安全性。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶体生长装置，其特征在于，包括：

生长炉，所述生长炉包括纵向设置的石英管，所述石英管内形成有用于碳化硅晶体生长的石英腔室，所述石英管为单层结构；

外罩，所述外罩套设于所述生长炉的外部，所述外罩的内壁与所述石英管的外壁之间形成有排风通道，所述外罩的底端设有进风口，所述外罩的顶端设有出风口；

排风系统，所述排风系统与所述出风口连通。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述排风系统包括排风管道、热交换器和风机，所述排风管道的一端与所述出风口连通，所述排风管道的另一端与所述热交换器连接，所述热交换器与所述风机的进气端连接，所述风机的出气端与外部排气管道连接。

3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述外罩的底端开放且所述外罩的底端悬空，以形成所述进风口。

4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述外罩的侧壁外表面设有冷却水管路。

5.根据权利要求3所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述冷却水管路沿所述外罩的周向在所述外罩的侧壁外表面呈脉冲状或螺旋状分布。

6.根据权利要求2所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述排风通道与所述排风管道连通，且所述排风通道的宽度在80mm至120mm之间。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述生长炉还包括底座，所述底座与所述石英管的底部固定连接。

8.根据权利要求6所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述石英管的顶部封闭，所述底座设有与所述石英腔室连通的尾气出口。

9.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，所述石英管的外壁设有电磁感应线圈。

10.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长装置，其特征在于，还包括固定架，所述固定架与所述外罩的侧壁固定连接，所述固定架用于支撑所述外罩。

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