CN114371223B - 一种碳化硅晶体生长检测装置、方法及碳化硅晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳化硅领域，公开了一种碳化硅晶体生长检测装置、方法及碳化硅晶体生长炉，所述碳化硅晶体生长检测装置采用兆声发生器产生第一兆声振动信号，利用所述传声棒将所述第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体，使得生长中的碳化硅晶体发生振动，利用激光震动监测器对坩埚盖的振动信号进行检测，就可以获得第二兆声振动信号；根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号就可以对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。本发明不需要打开碳化硅晶体生长炉即可以对晶体生长的厚度和质量进行检测，当发现问题，可以及时中断生长过程或通过调整生长工艺参数来改善后续的晶体生长质量，避免材料和能源的浪费。

Description

一种碳化硅晶体生长检测装置、方法及碳化硅晶体生长炉

技术领域

本发明涉及碳化硅技术领域，具体为一种碳化硅晶体生长检测装置、方法及碳化硅晶体生长炉。

背景技术

SiC晶体作为第三代半导体材料，具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等物理性质，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、高温电子器件理想的半导体材料，其在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、石油勘探、新能源汽车，高铁，5G网络基础设施等方面有着广泛应用，目前碳化硅的制备普遍采用PVT（物理气相传输）法，目前PVT方法生长碳化硅晶体的过程中，由于装料石墨坩埚以及保温系统封闭的原因，导致碳化硅晶体生长质量及厚度无法监测，仅能依靠前期生长经验来判断，这导致生长过程不可控。

并且每次生长碳化硅晶体，需要经过升温、降温的过程，由于生长温度在2000℃以上，又存在保温系统，升温、降温两个过程，需要较多的时间来完成。在生长过程中，若晶体质量不高，无法及时得知，只能靠经验完成整个工艺流程，冷却后开炉查看碳化硅晶体的生长质量和厚度，这期间将产生大量的能耗，且当生长的碳化硅晶体质量不高，不能在制备过程中直接止损，最终造成大量的材料浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有碳化硅晶体生长过程中不能对碳化硅晶体的质量和厚度等进行实时监测的问题，提供了一种碳化硅晶体生长检测装置、方法及碳化硅晶体生长炉。

为了实现上述目的，本发明提供一种碳化硅晶体生长检测装置，包括

兆声发生器、传声棒、激光震动监测器、控制模块，

所述传声棒的一端连接兆声发生器，另一端连接用于碳化硅晶体生长的碳化硅晶体生长炉内的坩埚盖，所述坩埚盖的内侧设置有生长中的碳化硅晶体；

所述兆声发生器用于产生第一兆声振动信号，利用所述传声棒将所述第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体；

所述激光震动监测器利用激光对坩埚盖的振动信号进行检测，获取第二兆声振动信号；

所述控制模块与兆声发生器、激光震动监测器相连，根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。

可选的，所述兆声发生器的频率范围为800千赫兹~5000千赫兹。

可选的，所述兆声发生器设置在碳化硅晶体生长炉内的外侧，且所述兆声发生器与传声棒固定连接，所述传声棒压在所述坩埚盖表面。

可选的，所述激光震动监测器设置在碳化硅晶体生长炉的外侧，所述碳化硅晶体生长炉具有观察窗，所述观察窗与坩埚盖表面相对，所述激光震动监测器的激光透过观察窗照射到坩埚盖表面进行坩埚盖的振动信号检测。

可选的，所述观察窗对应坩埚盖表面的不同位置，通过移动所述激光震动监测器，实现对坩埚盖表面不同位置的坩埚盖的振动信号检测。

可选的，所述激光震动监测器的数量为多个，且多个激光震动监测器的激光照射点对应坩埚盖表面的不同位置。

可选的，传声棒连接在坩埚盖的中间位置，多个激光震动监测器设置在坩埚盖的周边位置。

可选的，对碳化硅晶体生长的质量进行检测包括碳化硅的晶体外形检测和碳化硅晶体内部的缺陷分布检测。

本发明实施例还提供了一种碳化硅晶体生长炉，包括所述的碳化硅晶体生长检测装置。

本发明实施例还提供了一种采用所述的碳化硅晶体生长检测装置的碳化硅晶体生长检测方法，包括以下步骤：

兆声发生器产生第一兆声振动信号，利用传声棒将第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体；

利用激光震动监测器对坩埚盖的振动信号进行检测，获取第二兆声振动信号；

根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种碳化硅晶体生长检测装置，在正在进行碳化硅晶体生长的生长炉中，采用兆声发生器产生第一兆声振动信号，利用所述传声棒将所述第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体，使得生长中的碳化硅晶体发生振动。由于碳化硅晶体是固定在坩埚盖上，而不同的碳化硅晶体的厚度、晶体外形、缺陷分布检测，均会影响振动信号在碳化硅晶体的传导，且碳化硅晶体的振动反过来会影响坩埚盖的振动，使得利用激光震动监测器对坩埚盖的振动信号进行检测，就可以获得第二兆声振动信号；根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号就可以对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。

且由于本发明采用兆声发生器，兆声振动相比与超声振动频率大，振幅小，因此不会对碳化硅晶体的生长造成影响，适合于碳化硅晶体生长过程中实时进行碳化硅晶体生长的厚度和质量检测，当发现问题，可以及时中断生长过程或通过调整生长工艺参数来改善后续的晶体生长质量，避免材料和能源的浪费。

附图说明

图1为本发明实施例的碳化硅晶体生长炉的结构示意图；

图2为本发明实施例的碳化硅晶体生长检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明第一实施例提供一种技术方案：一种包括碳化硅晶体生长检测装置的碳化硅晶体生长炉，具体包括：生长炉本体和碳化硅晶体生长检测装置，

所述生长炉本体包括真空加热腔体11、加热器12、坩埚13、碳化硅晶体14、抽气管路15、碳化硅粉料16、观察窗17和坩埚盖18。

所述加热器12、坩埚13设置在真空加热腔体11内，所述坩埚13内放置有用于形成碳化硅晶体的碳化硅粉料16，所述碳化硅晶体14固定在坩埚盖18朝向碳化硅粉料16的内侧，当加热器12对坩埚内的碳化硅粉料16进行加热，利用PVT（物理气相传输）法在碳化硅晶体14表面形成新的碳化硅晶体。所述真空加热腔体11上还具有抽气管路15和观察窗17，所述抽气管路15用于抽取反应生成的气体，所述观察窗17用于观察碳化硅生长过程中真空加热腔体11内的情况。

所述碳化硅晶体生长检测装置包括兆声发生器21、传声棒22、激光震动监测器23和控制模块（未图示）。

在本实施例中，所述兆声发生器21的频率范围为800千赫兹~5000千赫兹，利用所述兆声发生器生成的第一兆声振动信号，使得碳化硅晶体发生振动。

由于本发明采用兆声发生器，兆声振动相比与超声振动频率大，振幅小，因此不会对碳化硅晶体的生长造成影响，适合于碳化硅晶体生长过程中实时进行碳化硅晶体生长的厚度和质量检测，当发现问题，可以及时中断生长过程或通过调整生长工艺参数来改善后续的晶体生长质量，避免材料和能源的浪费。

在本实施例中，可以在碳化硅生长的某一个阶段或若干阶段开启所述兆声发生器，利用碳化硅晶体生长检测装置进行碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测，此时碳化硅晶体生长炉中仍然进行碳化硅晶体生长。

在其他实施例中，也可以在整个碳化硅生长过程中一直开启兆声发生器，利用所述碳化硅晶体生长检测装置一直检测碳化硅晶体生长的厚度和质量，当检测结果与设定不符合时，及时调整生产工艺参数。

所述传声棒22的一端连接兆声发生器21，另一端连接用于碳化硅晶体生长的碳化硅晶体生长炉内的坩埚盖18，利用所述传声棒22将所述第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体。

在本实施例中，所述兆声发生器21设置在碳化硅晶体生长炉内的外侧，所述兆声发生器21与传声棒22固定连接，所述传声棒22穿过所述真空加热腔体11且与所述传声棒压在所述坩埚盖表面。所述传声棒22与坩埚盖表面相接触的位置可以在坩埚盖的上表面，也可以在坩埚盖的侧面。

所述激光震动监测器23利用激光对坩埚盖的振动信号进行检测，获取第二兆声振动信号。所述激光震动监测器23的激光头发射激光光路24到坩埚盖表面，所述激光震动监测器23的监测头接受反射的监测光路25，获取坩埚盖的振动信号，从而获取第二兆声振动信号。

在本实施例中，所述激光震动监测器23设置在碳化硅晶体生长炉的外侧，所述碳化硅晶体生长炉具有观察窗17，所述观察窗17与坩埚盖18表面相对，所述激光震动监测器23的激光透过观察窗17照射到坩埚盖18表面进行坩埚盖的振动信号检测。

现有的观察窗17一般设置在碳化硅晶体生长炉的顶部，区域较小，仅仅为了观察碳化硅晶体生长炉内的情况，而本发明中，所述观察窗17与坩埚盖18表面相对，且与准备进行激光震动监测的激光照射点的位置相对应。当需要对多个点进行激光震动监测，所述观察窗17的面积可以扩大到覆盖所述坩埚盖的整个上表面。

在本实施例中，所述激光震动监测器23可移动，且所述观察窗17对应坩埚盖18表面的不同位置，通过移动所述激光震动监测器，实现对坩埚盖表面不同位置的坩埚盖的振动信号检测。

在其他实施例中，所述激光震动监测器的数量也可以为多个，且多个激光震动监测器的激光照射点对应坩埚盖表面的不同位置，所述多个激光震动监测器同时获取多个第二兆声振动信号，可以获得更精准和更全面的碳化硅晶体生长的厚度和质量信息。

在其他实施例中，当所述激光震动监测器的数量为多个，传声棒连接在坩埚盖的中间位置，多个激光震动监测器设置在坩埚盖的周边位置，通过对多个第二兆声振动信号进行建模，能够获取碳化硅晶体外形检测信息，例如中间的厚度信息，边缘的厚度信息，是否有额外的隆起等。

所述控制模块与兆声发生器21、激光震动监测器23相连，根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。

其中对碳化硅晶体生长的质量进行检测包括碳化硅的晶体外形检测和碳化硅晶体内部的缺陷分布检测，所述缺陷包括晶体内部的微管、位错、裂纹等缺陷。

由于在晶体生长的过程中，晶体从籽晶到晶锭逐渐变厚，导致坩埚的质心、以及内部形状的变化，由传声棒带来的振动在坩埚盖上产生的谐振会不断变化，通过监测坩埚盖的震动频率与幅度，来实现晶体的生长厚度的判断。

此外，当传声棒连接在坩埚盖的中间位置，多个激光震动监测器设置在坩埚盖的周边位置，通过对多个第二兆声振动信号进行建模，能够获取碳化硅晶体外形检测信息，例如中间厚度信息，边缘厚度信息，对应的中间厚度和边缘厚度差是否在设定范围之内等等。

由于兆声波在不同密度的介质里反射率不同，可以用来检测晶体内部的微管，位错，裂纹等缺陷的分布和数量多少，从而判断晶体的生长质量。

本发明实施例还提供了一种采用上述碳化硅晶体生长检测装置的碳化硅晶体生长检测方法，请参考图2，包括以下步骤：

步骤S100，兆声发生器产生第一兆声振动信号，利用传声棒将第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体；

步骤S200，利用激光震动监测器对坩埚盖的振动信号进行检测，获取第二兆声振动信号；

步骤S300，根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。

在正在进行碳化硅晶体生长的生长炉中，本发明采用兆声发生器产生第一兆声振动信号，利用所述传声棒将所述第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体，使得生长中的碳化硅晶体发生振动。由于碳化硅晶体是固定在坩埚盖上，而不同的碳化硅晶体的厚度、晶体外形、缺陷分布检测，均会影响振动信号在碳化硅晶体的传导，且碳化硅晶体的振动反过来会影响坩埚盖的振动，使得利用激光震动监测器对坩埚盖的振动信号进行检测，就可以获得第二兆声振动信号；根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号就可以对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。本发明不需要打开碳化硅晶体生长炉即可以对晶体生长的厚度和质量进行检测，当发现问题，可以及时中断生长过程或通过调整生长工艺参数来改善后续的晶体生长质量，避免材料和能源的浪费。

且由于本发明采用兆声发生器，兆声振动相比与超声振动频率大，振幅小，因此不会对碳化硅晶体的生长造成影响，适合于碳化硅晶体生长过程中实时进行碳化硅晶体生长的厚度和质量检测。

本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳化硅晶体生长检测装置，其特征在于，包括：

兆声发生器、传声棒、激光震动监测器、控制模块，

所述兆声发生器设置在碳化硅晶体生长炉内的外侧，且所述兆声发生器与传声棒固定连接，所述传声棒的一端连接兆声发生器，另一端压在用于碳化硅晶体生长的碳化硅晶体生长炉内的坩埚盖表面，所述传声棒压在所述坩埚盖表面所述坩埚盖的内侧设置有生长中的碳化硅晶体；

所述兆声发生器用于产生第一兆声振动信号，利用所述传声棒将所述第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体；

所述激光震动监测器利用激光对坩埚盖表面的震动频率与幅度信号进行检测，获取第二兆声振动信号；

所述控制模块与兆声发生器、激光震动监测器相连，根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长检测装置，其特征在于，所述兆声发生器的频率范围为800千赫兹~5000千赫兹。

3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长检测装置，其特征在于，所述激光震动监测器设置在碳化硅晶体生长炉的外侧，所述碳化硅晶体生长炉具有观察窗，所述观察窗与坩埚盖表面相对，所述激光震动监测器的激光透过观察窗照射到坩埚盖表面进行坩埚盖的振动信号检测。

4.根据权利要求3所述的碳化硅晶体生长检测装置，其特征在于，所述观察窗对应坩埚盖表面的不同位置，通过移动所述激光震动监测器，实现对坩埚盖表面不同位置的坩埚盖的振动信号检测。

5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长检测装置，其特征在于，所述激光震动监测器的数量为多个，且多个激光震动监测器的激光照射点对应坩埚盖表面的不同位置。

6.根据权利要求5所述的碳化硅晶体生长检测装置，其特征在于，传声棒连接在坩埚盖的中间位置，多个激光震动监测器设置在坩埚盖的周边位置。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长检测装置，其特征在于，对碳化硅晶体生长的质量进行检测包括碳化硅的晶体外形检测和碳化硅晶体内部的缺陷分布检测。

8.一种碳化硅晶体生长炉，其特征在于，包括如权利要求1~7任意一项所述的碳化硅晶体生长检测装置。

9.一种采用如权利要求1~7任意一项所述的碳化硅晶体生长检测装置的碳化硅晶体生长检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

兆声发生器产生第一兆声振动信号，利用传声棒将第一兆声振动信号传送至坩埚盖，进而传送至生长中的碳化硅晶体；

利用激光震动监测器对坩埚盖的震动频率与幅度信号进行检测，获取第二兆声振动信号；

根据所述第一兆声振动信号和第二兆声振动信号对碳化硅晶体生长的厚度和质量进行检测。

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