CN111534854B - 晶体生长炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶体生长炉，包括腔室、坩埚及通气结构，坩埚设置于腔室内，通气结构包括通气管路和设置在腔室中的汇流室；通气管路的进气口开设于腔室的底壁上，通气管路穿过腔室的底壁，与汇流室相连通；汇流室设置于坩埚的下方，与坩埚的底壁固定连接，用以将通气管路内的工艺气体汇聚至坩埚的底壁。应用本申请，提升了参与反应的工艺气体的均匀性，从而提高了工艺结果的重复性和稳定性，且可以满足通气操作的实时性，提升了设备调试窗口的确定性。

Description

晶体生长炉
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种晶体生长炉。
背景技术
目前，物理气相传输法(PVT)为制备碳化硅(SiC)晶体的主流方法之一。PVT法生长SiC单晶，通常将SiC晶体作为籽晶放置在坩埚的顶部，将SiC粉末作为料源放置在坩埚的底部，然后将坩埚放置在生长炉内，通过环绕生长炉设置的感应线圈将坩埚感应加热，坩埚内部温度达到2300℃左右，并且控制生长温度梯度，通入氩气来控制生长炉内气压。在晶体生长过程中，籽晶温度较低，料源温度较高，两者之间存在一定的温度梯度。晶体生长过程中料源升华并在冷端的籽晶上结晶，就获得了SiC单晶。
SiC的标准PVT生长工艺中，主要生长保护气体为氩气，同时掺入少量氢气。氢气与SiC反应产生氢化硅(SiH)与乙炔(C2H2)，增强了SiC单晶生长界面上C的组分，提高C/Si的比值，有利于4H-SiC晶型稳定。
现有技术中使用的工艺设备是将氢气管路安装到炉体顶端或底端，使用金属管路直接由外界通入炉腔内，氢气在炉腔中产生气流场，通过原子热运动渗透到坩埚中，与坩埚中SiC原料反应。但是，采用该结构通入的氢气常常不能直接有效的作用于SiC原料，导致工艺结果重复性降低，增加调试窗口的不确定性等。原因在于：第一，炉腔空间较大容易导致参与反应的氢气气流分布不均匀，气流不均则会导致与坩埚内部不同位置SiC原料反应的氢气的量不稳定。第二，炉腔空间较大，氢气热运动没有固定的路径，导致氢气由炉腔进气口运动到坩埚外壁所需要的时间较长。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种晶体生长炉，能够将工艺气体直接输送至坩埚的底部，提高了工艺结果的重复性和稳定性。
为实现本发明的目的，提供一种晶体生长炉，包括腔室、坩埚及通气结构，所述坩埚设置于所述腔室内；
所述通气结构包括通气管路和设置在所述腔室中的汇流室；所述通气管路的进气口开设于所述腔室的底壁上，所述通气管路穿过所述腔室的底壁，与所述汇流室相连通；所述汇流室设置于所述坩埚的下方，与所述坩埚的底壁固定连接，用以将所述通气管路内的工艺气体汇聚至所述坩埚的底壁。
可选地，所述汇流室包括底壁和侧壁，所述侧壁固定设置于所述坩埚的底壁上；所述底壁和侧壁与所述坩埚的底壁围合成用于容纳所述工艺气体的空间。
可选地，所述汇流室的底壁上开设有通孔，所述通孔与所述通气管路相连通。
可选地，所述坩埚包括坩埚侧壁和设置于所述坩埚下部、且与所述坩埚侧壁连接的隔挡件，所述隔挡件与所述坩埚的底壁为同一部件。
可选地，所述隔挡件与所述坩埚侧壁之间螺纹连接。
可选地，所述隔挡件的底面上开设有多个凹槽，用于增加所述工艺气体与所述隔挡件的接触面积；所述凹槽的槽口向下，朝向所述汇流室。
可选地，所述隔挡件为圆形挡板，所述凹槽为圆形槽。
可选地，多个所述凹槽均布于所述隔挡件的底面上，且每个所述凹槽的底面圆心与所述隔挡件的圆心之间距离相同。
可选地，所述隔挡件的厚度小于所述坩埚侧壁的厚度。
可选地，所述工艺气体为氢气，所述坩埚为石墨坩埚，且所述隔挡件为石墨材质。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的晶体生长炉，其通气结构包括通气管路和汇流室，且通气管路的进气口开设于腔室的底壁上，并穿过腔室的底壁，可以将工艺气体直接输送至腔室内的汇流室，且汇流室设置于坩埚的下方，其内部与坩埚的底壁相连通，使得汇流室内的工艺气体可以汇聚至坩埚的底壁，工艺气体在坩埚的底壁汇集、缓冲后温度和浓度更加均匀，且工艺气体原子可以直接从坩埚的底壁渗入坩埚内，以便于与坩埚内的进行单晶生长的原料进行反应。本发明解决了现有技术中，由于炉腔空间较大而导致的参与反应的工艺气体气流分布不均匀、参与反应的工艺气体的流量及流向不稳定、工艺气体运动时间较长等问题，提升了参与反应的工艺气体的均匀性，从而提高了工艺结果的重复性和稳定性，且可以满足通气操作的实时性，提升了设备调试窗口的确定性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种晶体生长炉的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的汇流室与通气管路的装配示意图；
图3为本申请实施例提供的隔挡件的主视结构示意图；
图4为本申请实施例提供的隔挡件的仰视结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、操作、元件和/或组件等，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、操作、元件、组件和/或它们的组等。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
在半导体制备过程中，通常采用生长炉进行半导体材料(如硅、二氧化硅及碳化硅等)的单晶生长。而生长炉主要用于为半导体材料提供生长环境。
本实施例主要提供一种晶体生长炉，如图1所示为晶体生长炉的结构示意图，其主要包括腔室10、坩埚20及通气结构。其中，坩埚20可以设置于腔室10内；通气结构可以包括通气管路31和设置在腔室10中的汇流室32；通气管路31的进气口开设于腔室10的底壁上，通气管路31穿过腔室10的底壁，与汇流室32相连通，汇流室32设置于坩埚20的下方，与坩埚20的底壁固定连接，用以将通气管路31内的工艺气体汇聚至坩埚20的底壁。
本申请提供的晶体生长炉，其通气结构包括通气管路31和汇流室32，且通气管路31的进气口开设于腔室10的底壁上，并穿过腔室10的底壁，可以将工艺气体直接输送至腔室10内的汇流室32(如图1中大箭头所示)，且汇流室32设置于坩埚20的下方，其内部与坩埚20的底壁相连通，使得汇流室32内的工艺气体可以汇聚至坩埚20的底壁，工艺气体在坩埚20的底壁汇集、缓冲后温度和浓度更加均匀，且工艺气体原子可以直接从坩埚20的底壁渗入坩埚20内，以便于与坩埚20内的进行单晶生长的原料50进行反应。解决了现有技术中，由于炉腔空间较大而导致的参与反应的工艺气体气流分布不均匀、参与反应的工艺气体的量不稳定、工艺气体运动时间较长等问题，提升了参与反应的工艺气体的均匀性，从而提高了工艺结果的重复性和稳定性，尤其有利于4H-SiC晶型稳定性(工艺气体为氢气时)，且可以满足通气操作的实时性，提升了设备调试窗口(图中未示出)的确定性。
需要说明的是，本实施例并不限定应用该晶体生长炉进行单晶生长的原料50的种类，其可以但不限于是碳化硅、二氧化硅及硅等。本实施例也不限定通气结构通入的气体种类，其可以但不限于是氢气(氢气分子小便于渗透)，只要是在腔室10内能够自下向上运动的气体均可。另外，用于进行单晶生长的坩埚20可以但不限于是石墨坩埚，可以根据具体进行单晶生长的原料50而定。
具体地，腔室10的结构可以如图1所示，包括可以通冷却水的腔室，图1中通示出了内壁11，还示出了外壁12，内壁11和外壁12之间具有间隙，用于输送循环冷却水。更具体地，对于进行碳化硅晶体生长的晶体生长炉，坩埚20可以为石墨材质，内壁11和外壁12可以为二氧化硅材质，且可以在外壁12外环绕设有感应线圈40，通过感应线圈40对石墨材质的坩埚20感应进行加热，使坩埚20内部温度达到原料50的升华温度，并可通过感应线圈40控制碳化硅的生长温度梯度，以使碳化硅原料50在籽晶60上进行生长。
于本申请一具体实施方式中，汇流室32可以包括可以底壁321和侧壁322，侧壁322固定设置于坩埚20的底壁上；底壁321和侧壁322与坩埚20的底壁围合成用于容纳工艺气体的空间。
如图1和图2所示，汇流室32可以为由底壁321和侧壁322组成的圆柱体，该圆柱体为顶部敞口的中空结构，敞口朝向坩埚20底壁，侧壁322顶部抵压在坩埚20底壁边缘，可以令圆柱体的口径尺寸与坩埚20底壁相当，以使工艺气体在坩埚20底壁聚集后，从坩埚20底壁的不同位置均匀渗入坩埚20的内部，从而保证参与反应的工艺气体的均匀性。且不会浪费工艺气体，从而降低了工艺成本。
需要说明的是，上述汇流室32的结构只是本实施例的一较佳实施方式，本实施例并不以此为限，例如，汇流室32也可以直接形成于腔室10，即腔室10包括下部的汇流室32和上部的用于容置坩埚20的腔室。
进一步地，如图2所示，汇流室32的底壁上可以开设有通孔323，通孔323与通气管路31的出气端相连通，从而直接将气体通过通气管路31输送至汇流室32内，进一步保障了工艺气体通入的实时性，进一步提升了设备调试窗口(图中未示出)的准确性。
于本申请一具体实施方式中，如图1所示，坩埚20可以是分体结构，即包括坩埚侧壁21和设置于坩埚20下部、且与坩埚侧壁21连接的隔挡件22，隔挡件22于坩埚20的底壁为同一部件，用于承载进行单晶生长的原料50。设置分体结构的坩埚20，便于单独设置坩埚20底壁结构(如下述的凹槽221)及尺寸(尤其是厚度尺寸)，以更便于工艺气体的渗入，且也更便于加工，可以适当降低加工成本。
进一步地，隔挡件22可以与坩埚侧壁21固定连接，而汇流室32的侧壁322的顶部可与隔挡件22的底部连接，具体地，坩埚侧壁21、隔挡件22及汇流室32之间均可通过紧固件螺纹连接，采用螺纹连接，结构简单可靠，成本较低，且易于实施。
需要说明的是，上述坩埚20的结构只是本实施例的一种实施方式，本实施例并不以此为限。
进一步地，如图1、图3及图4所示，隔挡件22的底面上可以开设有多个凹槽221，用于增加工艺气体与隔挡件22的接触面积；凹槽221的槽口向下，并朝向汇流室32，如此，工艺气体可以从凹槽221进入坩埚20，可以减小工艺气体从坩埚20的底壁外侧到达坩埚20内部的距离，即减小工艺气体与进行单晶生长的原料50之间的距离，继而加快了工艺气体的渗透速率，提升了晶体生长的效率。还可以增加工艺气体与隔挡件22的接触面积，使工艺气体整体更快渗入到坩埚20的内部。可以理解的是，如果是一体结构的坩埚20，也可以直接在坩埚20的底部开设凹槽221。且采用凹槽221，隔挡件22留有一定厚度，一方面可以避免进行单晶生长的原料50从坩埚20内部掉落到腔室中；另一方面在坩埚20和隔挡件22都是石墨材质时，可以不影响整体磁场分布，磁场仍可在该位置产生感应电流，保持原石墨材质的坩埚20(未开设凹槽221之前)底部感应电流的分布状态。
具体地，隔挡件22可以为圆形挡板，凹槽221可以为圆形槽，以便于加工和安装，且隔挡件22为圆形挡板还可以便于进行密封处理。
更具体地，多个凹槽221可以均布于隔挡件22的底面上，且可以令每个凹槽221的底面圆心与隔挡件22的圆心之间距离相同。优选地，多个凹槽221可均位于直径为隔挡件22的半径的同心圆上，凹槽221的直径为隔挡件22的半径的二分之一。如图4所示，假设隔挡件22底部直径为8R，那么圆柱形凹槽221的直径为2R，圆柱形凹槽221的圆心(O1,O2,O3,O4)距离隔挡件22底部圆心O的距离也为2R，各圆柱形凹槽221的圆心(O1,O2,O3,O4)之间的距离为
Figure BDA0002537295550000071
如此，凹槽221的设置更加均匀，使得工艺气体从凹槽221进入坩埚20内部的时间相当，进一步提高了参与反应的工艺气体的均匀性。
于本申请一具体实施方式中，隔挡件22的厚度可以小于坩埚20的侧壁的厚度。通常情况下，坩埚20(石墨材质)的厚度会小于晶体生长的某频率下坩埚20内部产生的电流趋肤深度，隔挡件22的厚度小于坩埚20的侧壁的厚度，则隔挡件22的厚度也小于上述电流趋肤深度，以保证坩埚20底部感应电流的分布状态。
具体地，隔挡件22在凹槽221处的厚度应该满足能够承载坩埚20内的原料50。假设隔挡件22在凹槽221处的厚度为D，D可为一经验值，例如碳化硅在进行晶体生长时，通常采用的频率为9000HZ(赫兹)，该频率下石墨材质的坩埚20内部产生的电流趋肤深度大概为16.7mm(毫米)，而实际应用的石墨材质的坩埚20底壁总厚度在10mm-15mm之间，则经验值D可以小于10mm，可以在能够保证承重坩埚20内的原料50的情况下，选取最小厚度值。
优选地，隔挡件22的材质与坩埚20的材质相同，例如上述的均为石墨材质，以保证工艺气体在自然上升的过程中从隔挡件22进入坩埚20内，避免由于材质不同，工艺从其它方向渗出，保证了工艺气体到达坩埚20内的时间。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，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，包括腔室、坩埚及通气结构，所述坩埚设置于所述腔室内，其特征在于，
所述通气结构包括通气管路和设置在所述腔室中的汇流室；所述通气管路的进气口开设于所述腔室的底壁上，所述通气管路穿过所述腔室的底壁，与所述汇流室相连通；所述汇流室设置于所述坩埚的下方，与所述坩埚的底壁固定连接，用以将所述通气管路内的工艺气体汇聚至所述坩埚的底壁，且所述工艺气体原子可直接从所述坩埚的底壁渗入所述坩埚内。
2.根据权利要求1所述的晶体生长炉，其特征在于，所述汇流室包括底壁和侧壁，所述侧壁固定设置于所述坩埚的底壁上；所述底壁和侧壁与所述坩埚的底壁围合成用于容纳所述工艺气体的空间。
3.根据权利要求2所述的晶体生长炉，其特征在于，所述汇流室的底壁上开设有通孔，所述通孔与所述通气管路相连通。
4.根据权利要求2所述的晶体生长炉，其特征在于，所述坩埚包括坩埚侧壁和设置于所述坩埚下部、且与所述坩埚侧壁连接的隔挡件，所述隔挡件与所述坩埚的底壁为同一部件。
5.根据权利要求4所述的晶体生长炉，其特征在于，所述隔挡件与所述坩埚侧壁之间螺纹连接。
6.根据权利要求4或5所述的晶体生长炉，其特征在于，所述隔挡件的底面上开设有多个凹槽，用于增加所述工艺气体与所述隔挡件的接触面积；所述凹槽的槽口向下，朝向所述汇流室。
7.根据权利要求6所述的晶体生长炉，其特征在于，所述隔挡件为圆形挡板，所述凹槽为圆形槽。
8.根据权利要求7所述的晶体生长炉，其特征在于，多个所述凹槽均布于所述隔挡件的底面上，且每个所述凹槽的底面圆心与所述隔挡件的圆心之间距离相同。
9.根据权利要求4所述的晶体生长炉，其特征在于，所述隔挡件的厚度小于所述坩埚侧壁的厚度。
10.根据权利要求4所述的晶体生长炉，其特征在于，所述工艺气体为氢气，所述坩埚为石墨坩埚，且所述隔挡件为石墨材质。
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