CN111621844A - 一种旋转式双温区pvt法高质量单晶制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置及方法，属于半导体制造装置和工艺技术领域。本发明包括上保温材料、上加热模块、籽晶、坩埚上盖、坩埚体、反应原料、下加热模块和下保温材料，所述上保温材料上开有测温窗，上保温材料的下端面设有上加热模块，下保温材料的端面上开有测温窗，下保温材料的内壁上设有凸起，坩埚上盖放置在下保温材料的凸起上，坩埚上盖与坩埚体连接，坩埚上盖与坩埚体之间具有籽晶，反应原料放置在坩埚体内腔中，下保温材料的内侧具有下加热模块。本发明结构简单，且在制备晶体时对反应原料加热更加充分，对反应原料温度控制更加有效。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置及方法，属于半导体制造 装置和工艺技术领域。
背景技术
以碳化硅和氮化铝为代表的第三代半导体材料被认为在轨道交通、新能源汽车、智能 电网、5G通信等新兴行业有着非常广阔的前景，而物理气相运输法(PVT)则是主流制备工艺。由于晶体的制备需要超过2000℃的高温和数十个小时的时长，现有的物理气相 运输法存在以下几处缺陷：
1.在现有的物理气相运输法中晶体制备方法中，包含坩埚和保温材料的热场在生长 过程中无法调整，受加热模块损耗和变形的影响，极容易影响到坩埚内的长晶条件，导致 生长过程中晶体生长界面沉积条件不均一，严重影响晶体质量和重复生产。
2.现有的物理气相运输的装置和方法，将坩埚置于保温材料中，使得往往只有坩埚 顶部可以被红外测温仪检测测温，无法充分掌握坩埚内热场。
3.现有的物理气相运输的装置和方法，往往将整个坩埚热场放置到加热模块中，无 法独立调节不同区域温度，包括晶体沉积界面和反应原料。
4.现有的物理气相运输的装置，由于加热模块位置的限制，存在反应原料中部和边 缘、籽晶中部和边缘温度相差较大的问题，不利于晶体均匀沉积和原料均匀挥发。
5.现有的物理气相运输的装置，籽晶位置无法固定，在制造一次晶体后需要重新更 换籽晶及附属结构件，更换籽晶及结构件对热场进行组装时对热场的结构会产生影响。
综上所述，亟需一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置及制备方法来解决上 述问题。
发明内容
本发明解决了目前使用物理气相运输法制备单晶体的装置及制备方法存在的缺陷问 题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。 应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或 重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置及方法，包括上保温材料、上加热模块、籽晶、坩埚上盖、坩埚体、反应原料、下加热模块和下保温材料，所述上保温材料上 开有测温窗，上保温材料的下端面设有上加热模块，下保温材料的端面上开有测温窗，下 保温材料的内壁上设有凸起，坩埚上盖放置在下保温材料的凸起上，坩埚上盖与坩埚体连 接，坩埚上盖与坩埚体之间具有籽晶，反应原料放置在坩埚体内腔中，下保温材料的内侧 具有下加热模块。
优选的，所述坩埚上盖的下端面开有凹槽，坩埚上盖的凹槽侧壁上设有外螺纹，坩埚 体的侧壁上设有内螺纹，坩埚上盖与坩埚体通过螺纹连接。
优选的，所述上加热模块包括加热电阻丝和电极，加热电阻丝均匀分布呈圆盘状，电 极在圆盘中间引出连接有内电极筒与外电极筒，内电极筒与外电极筒分别与电极刷连接。
优选的，所述上保温材料的顶部具有耐高温金属片，耐高温金属片的顶部具有炉体上 盖，电机固定在炉体上盖的上端面，电机的输出轴穿过炉体上盖连接有第一齿轮，内电极 筒的外侧安装有第二齿轮，第二齿轮与第一齿轮啮合，内电极筒外侧具有轴承，轴承卡接 在耐高温金属片上。
优选的，所述下加热模块包括侧加热电阻丝和底部加热电阻丝，侧加热电阻丝均匀分 布呈筒状，底部加热电阻丝均匀分布呈圆盘状，底部电极在圆盘中间引出并连接有电极筒。
一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备的方法，分为三个步骤：
步骤一：在坩埚体内加入指定量的反应原料；
步骤二：将放置籽晶的坩埚体旋转到坩埚上盖内，将坩埚上盖放置在下保温材料的内 壁凸起上，在将上加热模块和上保温材料覆盖在下保温材料上。
步骤三：对热场装置进行抽真空后即可开始升温进行晶体的生长。
本发明的有益效果：
1.本发明的热场结构简单，结构设计决定了籽晶位置固定，方便重复性生产，减少了人为组装热场对热场结构的影响因素；
2.采用“悬挂式”坩埚，将整个反应原料部分置于高温热场下，使反应原料加热更充分，大幅减少了反应原料的中部或边缘反应速率不一致的问题，对反应原料温度控制、气化速率控制更加有效、均匀；
3.本发明的加热模块独立控制，实现了双温区控制，顶部加热模块则有利于保证晶 体生长过程中晶体生长界面的温度始终符合要求；
4.实现了双测温装置，较传统方法更准确的检测和掌握晶体生长过程中坩埚内的温 度梯度。
附图说明
图1为一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置的主视图；
图2为一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置的上加热模块俯视图；
图3为坩埚上盖与坩埚体配合方式示意图；
图4为一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置的下加热模块侧加热电阻丝示 意图；
图5为一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置的上加热模块局部示意图；
图6为一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置的下加热模块底部加热电阻丝 俯视图；
图7为上加热模块与电机连接关系示意图；
图8为坩埚体内部结构示意图。
图中1-测温窗，2-上保温材料，3-上加热模块，4-籽晶，5-坩埚上盖，6-坩埚体，7-反应原料，8-下加热模块，9-下保温材料，10-耐高温金属片，11-炉体上盖，12-轴承，13- 第一齿轮，14-第二齿轮，15-高熔点材料上盖，31-电极，32-内电极筒，33-外电极筒，34- 电极刷，35-加热电阻丝，36-电机，81-侧加热电阻丝，82-底部加热电阻丝，83-底部电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施 例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。 此外，在一下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概 念。
具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，包括上保温材料2、上加热模块3、籽晶4、坩埚上盖5、 坩埚体6、反应原料7、下加热模块8和下保温材料9，所述上保温材料2上开有测温窗1， 上保温材料2的下端面设有上加热模块3，下保温材料9的端面上开有测温窗1，下保温 材料9的内壁上设有凸起，坩埚上盖5放置在下保温材料9的凸起上，坩埚上盖5与坩埚 体6连接，坩埚上盖5与坩埚体6之间具有籽晶4，反应原料7放置在坩埚体6内腔中， 下保温材料9的内侧具有下加热模块8。上保温材料2和下保温材料9形成圆柱体空腔， 空腔内放置有上加热模块3、籽晶4、坩埚上盖5、坩埚体6、反应原料7和下加热模块8， 上保温材料2和下保温材料9的中间部分开有测温窗1，测温窗1允许红外测温仪直接测 量坩埚上盖5顶部中央和坩埚体6底部中央位置的温度，籽晶4通过坩埚体6的两侧凸起 支撑，籽晶4还可以通过行业通用的胶水固定在高熔点材料上盖15的下端面上，高熔点 材料上盖15通过坩埚体6两侧凸起支撑(如图8所示)。
具体实施方式二：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，所述坩埚上盖5的下端面开有凹槽，坩埚上盖5的凹槽侧 壁上设有外螺纹，坩埚体6的侧壁上设有内螺纹，坩埚上盖5与坩埚体6通过螺纹连接。 如此设置，坩埚体6可以为“悬挂式”放置，在加热制备晶体时受热均匀，减少了原料中 部和边缘反应速率不一致的问题，坩埚上盖5与坩埚体6通过螺纹连接的方式可以使坩埚 体6的内部具有良好的密闭性。
具体实施方式三：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，所述上加热模块3包括加热电阻丝35和电极31，加热电阻 丝35均匀分布呈圆盘状，电极31在圆盘中间引出连接有内电极筒32与外电极筒33，内 电极筒32与外电极筒33分别与电极刷34连接。如此设置，通过电极筒分别与外侧电极 刷相连，形成闭合回路，使加热电阻丝35升温。
具体实施方式四：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，所述上保温材料2的顶部具有耐高温金属片10，耐高温金 属片10的顶部具有炉体上盖11，电机36固定在炉体上盖11的上端面，电机36的输出 轴穿过炉体上盖11连接有第一齿轮13，内电极筒32的外侧安装有第二齿轮14，第二齿 轮14与第一齿轮13啮合，内电极筒32外侧具有轴承12，轴承12卡接在耐高温金属片 10上；如此设置，电机36工作带动第一齿轮13转动，与第一齿轮13啮合的第二齿轮14 转动，第二齿轮14安装在内电极筒32的外侧，电极筒32通过轴承12安装在高温金属片 10上，所以当电机36工作时，第一齿轮13驱动第二齿轮14转动，第二齿轮14带动电 极筒32转动，最终实现上加热模块3旋转。
具体实施方式五：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，所述下加热模块8包括侧加热电阻丝81和底部加热电阻丝 82，侧加热电阻丝81均匀分布呈筒状，底部加热电阻丝82均匀分布呈圆盘状，底部电极 83在圆盘中间引出并连接有电极筒。如此设置，下加热模块8的侧加热电阻丝81布置在 坩埚体6的外侧，使坩埚体6内部的反应原料7受热更加均匀，底部加热电阻丝82的结 构与上加热模块3的加热电阻丝35结构一致。
具体实施方式六：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备的方法，共分为三个步骤：
步骤一：在坩埚体6内加入指定量的反应原料7；
步骤二：将放置籽晶4的坩埚体6旋接到坩埚上盖5内，将坩埚上盖5放置在下保温材料8的内壁凸起上，再将上加热模块3和上保温材料2覆盖在下保温材料8上；
步骤三：对热场装置进行抽真空后即可开始升温进行晶体的生长。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还 可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (6)
1.一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，其特征在于：包括上保温材料(2)、上加热模块(3)、籽晶(4)、坩埚上盖(5)、坩埚体(6)、反应原料(7)、下加热模块(8)和下保温材料(9)，所述上保温材料(2)上开有测温窗(1)，上保温材料(2)的下端面设有上加热模块(3)，下保温材料(9)的端面上开有测温窗(1)，下保温材料(9)的内壁上设有凸起，坩埚上盖(5)放置在下保温材料(9)的凸起上，坩埚上盖(5)与坩埚体(6)连接，坩埚上盖(5)与坩埚体(6)之间具有籽晶(4)，反应原料(7)放置在坩埚体(6)内腔中，下保温材料(9)的内侧具有下加热模块(8)。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，其特征在于：所述坩埚上盖(5)的下端面开有凹槽，坩埚上盖(5)的凹槽侧壁上设有外螺纹，坩埚体(6)的侧壁上设有内螺纹，坩埚上盖(5)与坩埚体(6)通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，其特征在于：所述上加热模块(3)包括加热电阻丝(35)和电极(31)，加热电阻丝(35)均匀分布呈圆盘状，电极(31)在圆盘中间引出连接有内电极筒(32)与外电极筒(33)，内电极筒(32)与外电极筒(33)分别与电极刷(34)连接。
4.根据权利要求1所述的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，其特征在于：所述上保温材料(2)的顶部具有耐高温金属片(10)，耐高温金属片(10)的顶部具有炉体上盖(11)，电机(36)固定在炉体上盖(11)的上端面，电机(36)的输出轴穿过炉体上盖(11)连接有第一齿轮(13)，内电极筒(32)的外侧安装有第二齿轮(14)，第二齿轮(14)与第一齿轮(13)啮合，内电极筒(32)外侧具有轴承(12)，轴承(12)卡接在耐高温金属片(10)上。
5.根据权利要求1所述的一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备装置，其特征在于：所述下加热模块(8)包括侧加热电阻丝(81)和底部加热电阻丝(82)，侧加热电阻丝(81)均匀分布呈筒状，底部加热电阻丝(82)均匀分布呈圆盘状，底部电极(83)在圆盘中间引出并连接有电极筒。
6.一种旋转式双温区PVT法高质量单晶制备的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在坩埚体(6)内加入指定量的反应原料(7)；
步骤二：将放置籽晶(4)的坩埚体(6)旋接到坩埚上盖(5)内，将坩埚上盖(5)放置在下保温材料(8)的内壁凸起上，再将上加热模块(3)和上保温材料(2)覆盖在下保温材料(8)上。
步骤三：对热场装置进行抽真空后即可开始升温进行晶体的生长。
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