CN112095145A - 一种线圈移动式pvt工艺高质量晶体制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种PVT工艺高质量晶体制备装置及方法，属于晶体制备技术领域。本发明研发解决的是晶体生长过程中，无法满足晶体生长界面对温度和温度梯度等沉积条件的需要，不利于制备高质量单晶的问题。包括反应室、感应线圈、坩埚体、托板和升降电机，反应室的内部放置坩埚体，坩埚体的上盖部分放置有籽晶，坩埚体内装有反应原料，反应室的外部套装有感应线圈和托板，感应线圈安装在托板上，托板的下部与升降电机的驱动端连接，升降电机与框架固定连接。根据晶体不同的生长阶段，线圈可以进行移动，用于保证生长界面处温度及温度梯度相对不变，最大程度保持工艺条件稳定，有利于晶体的稳定生长。

Description

一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置及方法
技术领域
本发明涉及一种PVT工艺高质量晶体制备装置及方法，属于晶体制备技术领域。
背景技术
PVT工艺是制备宽禁带和超宽禁带半导体材料，如碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)等的主流工艺。该工艺要求设备能提供2000-2500℃的温度条件和温度梯度。常规的电阻加热方法具有电耗高、电极及热场材料易损耗等特点，感应加热的方式具有更加节省能耗的特点，且不与被加热体直接接触，但是通常生长工艺下，热场固定，线圈一次成型、位置及线圈间距固定，仅能通过控制功率参数和调节热场控制沉积条件，无法对温场进行灵活调节，特别是无法适应晶体生长过程中，晶体变厚、原料损耗等对热场的影响，也就是晶体生长过程中，无法满足晶体生长界面对温度和温度梯度等沉积条件的需要，不利于制备高质量单晶。
基于上述问题，亟需提出一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置及方法，本发明研发解决的是晶体生长过程中，无法满足晶体生长界面对温度和温度梯度等沉积条件的需要，不利于制备高质量单晶的问题。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：
一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，包括反应室、感应线圈、坩埚体、托板和升降电机，反应室的内部放置坩埚体，坩埚体的上盖部分放置有籽晶，坩埚体内装有反应原料，反应室的外部套装有感应线圈和托板，感应线圈安装在托板上，托板的下部与升降电机的驱动端连接，升降电机与框架固定连接。
优选的：所述托板上安装有绝缘板，绝缘板上加工有竖孔，竖孔内安装有固定螺栓，绝缘板与感应线圈通过固定螺栓连接。
优选的：所述感应线圈的上侧设置测温装置。
优选的：所述测温装置和升降电机与控制端电性连接，控制端与逆变器电性连接，逆变器与感应线圈电性连接，整流器与逆变器电性连接，整流器与供电电源电性连接。
一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备方法：包括以下步骤：
步骤一：根据工艺需求和热场设计，通过竖孔与固定螺栓的紧固位置确定感应线圈的间距；
步骤二：打开供电电源，供电电源通过整流和逆变将供电转换为所需的中频电源，连接到感应线圈并为感应线圈供电，感应线圈对坩埚体进行加热，进行单晶材料制备；
步骤三：反应过程中，晶体生长阶段，根据晶体生长速率，控制端控制升降电机带动托板缓慢向下运动，感应线圈随着托板缓慢向下运动，运动速度与籽晶处晶体生长速率相匹配，实现高温区从反应原料表面附近向下运动，同时保持原料与晶体生长界处的温度梯度。
步骤四：感应线圈下降到指定位置后，反应结束后，断开供电电源。
优选的：测温装置检测感应线圈上方的温度并将信号传递给控制端。
本发明具有以下有益效果：
1.根据晶体不同的生长阶段，线圈可以进行移动，用于保证生长界面处温度及温度梯度相对不变，最大程度保持工艺条件稳定，有利于晶体的稳定生长；
2.高温区从原料表面缓慢移动至底部，有利于原料有效升华，提高原料的利用率，节约成本；原料表面缓慢下降，增大晶体生长空间，有利于增大晶体厚度；
3.提高晶体质量，以碳化硅制备为例，下移过程中，富硅气体在原料内纵向温度梯度作用下向上扩散，与碳微粒反应，有效抑制原料表面碳化程度，减少诸如晶体内碳包裹物形成等质量问题。
附图说明
图1是一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置及方法的主视图；
图2是图1的局部放大图；
图3是一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置及方法的系统图；
图中1-反应室，2-绝缘板，3-感应线圈，4-坩埚体，5-籽晶，6-反应原料，7-托板，8-框架，9-升降电机，10-竖孔，11-固定螺栓，12-测温装置。
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，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接(即为不可拆卸连接)包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，包括反应室1、感应线圈3、坩埚体4、托板7和升降电机9，反应室1的内部放置坩埚体4，坩埚体4的上盖部分放置有籽晶5，坩埚体4内装有反应原料6，反应室1的外部套装有感应线圈3和托板7，感应线圈3安装在托板7上，托板7的下部与升降电机9的驱动端连接，升降电机9与框架8固定连接，感应线圈3通过高频电磁场，磁感线切割导体产生涡流的方式直接将坩埚体4作为加热器，反应过程中，反应原料6生长界面位置会发生变化。
具体实施方式二：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，所述托板7上安装有绝缘板2，绝缘板2上加工有竖孔10，竖孔10内安装有固定螺栓11，绝缘板2与感应线圈3通过固定螺栓11连接，改变感应线圈3与不同竖孔10通过固定螺栓11连接，调整感应线圈3间距。
具体实施方式三：结合图1、图3说明本实施方式，本实施方式的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，所述感应线圈3的上侧设置测温装置12。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，所述测温装置12和升降电机9与控制端电性连接，控制端与逆变器电性连接，逆变器与感应线圈3电性连接，整流器与逆变器电性连接，整流器与供电电源电性连接，通过调节功率和线圈位置动态调整，实现温场可控。
具体实施方式五：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备方法，包括以下步骤：
步骤一：根据工艺需求和热场设计，通过竖孔10与固定螺栓11的紧固位置确定感应线圈3的间距，线圈3宽度20-50mm，厚度10-20mm，间距10-40mm，线圈匝数8-20；
步骤二：打开供电电源，供电电源通过整流和逆变将供电转换为所需的中频电源，连接到感应线圈3并为感应线圈3供电，测温装置12将测温信息反馈给控制端，中频电源提供指定频率、功率，对坩埚体4进加热，反应室1的直径为300-500mm，高度为1000-1500mm，坩埚体4直径为100-300mm，供电频率6-16kHz，功率5-20kWh，进行4-8英寸单晶材料制备；
步骤三：反应过程中，晶体生长阶段，根据晶体生长速率，控制端控制升降电机9带动托板7缓慢向下运动，感应线圈3随着托板7缓慢向下运动，运动速度与籽晶5处晶体生长速率相匹配，实现高温区从反应原料6表面附近向下运动，同时保持原料与晶体生长界处的温度梯度，感应线圈3的下降速度为50-500μm/h。
步骤四：感应线圈3下降到指定位置后，反应结束后，断开供电电源。
具体实施方式六：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的突加不平衡故障模拟装置实现的不平衡故障模拟的方法，测温装置12检测感应线圈3上方的温度并将信号传递给控制端，在本实施例中，应当理解为本领域技术人员通过现有技术手段能够在框架8上安装用于承载测温装置12的支架，例如，采用钢板拼焊形成一个支架，有可实现非接触测温，且测温仪位置固定，不易受影响。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
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)

1.一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，其特征在于：包括反应室(1)、感应线圈(3)、坩埚体(4)、托板(7)和升降电机(9)，反应室(1)的内部放置坩埚体(4)，坩埚体(4)的上盖部分放置有籽晶(5)，坩埚体(4)内装有反应原料(6)，反应室(1)的外部套装有感应线圈(3)和托板(7)，感应线圈(3)安装在托板(7)上，托板(7)的下部与升降电机(9)的驱动端连接，升降电机(9)与框架(8)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，其特征在于：所述托板(7)上安装有绝缘板(2)，绝缘板(2)上加工有竖孔(10)，竖孔(10)内安装有固定螺栓(11)，绝缘板(2)与感应线圈(3)通过固定螺栓(11)连接。
3.根据权利要求2所述的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，其特征在于：所述感应线圈(3)的上侧设置测温装置(12)。
4.根据权利要求3所述的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备装置，其特征在于：所述测温装置(12)和升降电机(9)与控制端电性连接，控制端与逆变器电性连接，逆变器与感应线圈(3)电性连接，整流器与逆变器电性连接，整流器与供电电源电性连接。
5.基于权利要求4所述的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据工艺需求和热场设计，通过竖孔(10)与固定螺栓(11)的紧固位置确定感应线圈(3)的间距；
步骤二：打开供电电源，供电电源通过整流和逆变将供电转换为所需的中频电源，连接到感应线圈(3)并为感应线圈(3)供电，感应线圈(3)对坩埚体(4)进行加热，进行单晶材料制备；
步骤三：反应过程中，晶体生长阶段，根据晶体生长速率，控制端控制升降电机(9)带动托板(7)缓慢向下运动，感应线圈(3)随着托板(7)缓慢向下运动，运动速度与籽晶(5)处晶体生长速率相匹配，实现高温区从反应原料(6)表面附近向下运动，同时保持原料与晶体生长界处的温度梯度。
步骤四：感应线圈(3)下降到指定位置后，反应结束后，断开供电电源。
6.根据权利要求5所述的一种线圈移动式PVT工艺高质量晶体制备方法，其特征在于：测温装置(12)检测感应线圈(3)上方的温度并将信号传递给控制端。
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