CN115233300A - 一种非接触式碳化硅晶体的生长装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，包括：生长坩埚、磁场发生件、籽晶和磁场感应件，生长坩埚限定出生长腔，生长腔内盛放有碳化硅粉体；磁场发生件设在生长坩埚的外侧，用于提供磁场；籽晶设置在生长腔内且与碳化硅粉体间隔布置；磁场感应件与籽晶连接，用于感应磁场发生件提供的磁场，产生感应涡流，使得籽晶适于在感应涡流的作用下悬浮在生长腔内。本发明能够实现对籽晶的非接触式固定，避免了籽晶的粘接问题和机械应力，提高了晶体的生长质量。
Description
技术领域
本发明涉及晶体生长领域，尤其是涉及一种非接触式碳化硅晶体的生长装置。
背景技术
半导体碳化硅单晶材料自上世纪90年代开始商业化以来，经过近30年的发展，已逐步成为功率电子器件和微波射频器件的优选基底材料。目前，最为成熟的碳化硅单晶制备技术为物理气相传输法(简称PVT法)，其基本原理是通过中频感应加热放置于线圈中心的石墨坩埚，石墨坩埚壁感应发热后将热量传输至其内部的碳化硅粉体并致其升华，升华后的气体于固定在石墨坩埚顶盖处的籽晶上进行长晶。
传统固定籽晶的方式主要有粘接法和机械固定法，而这两种方法在实际使用过程中均存在不足：
1、粘接法一般要求工艺复杂，对籽晶粘接的工艺要求严苛，且不可逆，更难以评定粘接面的缺陷，容易发生虚胶和过粘，影响晶体生长；
2、机械固定法易产生较大应力，会导致晶体出现严重的裂纹或多晶等生长缺陷。
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。为此，本发明在于提出一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，能够避免籽晶的粘接问题和机械应力，提高晶体质量。
根据本发明非接触式碳化硅晶体的生长装置，包括：
生长坩埚，所述生长坩埚限定出生长腔，所述生长腔内盛放有碳化硅粉体；
磁场发生件，所述磁场发生件设在所述生长坩埚的外侧，用于提供磁场；
籽晶，所述籽晶设置在所述生长腔内且与所述碳化硅粉体间隔布置；
磁场感应件，所述磁场感应件与所述籽晶连接，用于感应所述磁场发生件提供的磁场，产生感应涡流，使得所述籽晶适于在所述感应涡流的作用下悬浮在所述生长腔内。
根据本发明非接触式碳化硅晶体的生长装置，磁场感应件会在磁场发生件提供的磁场内产生感应涡流，并产生一个与磁场发生件方向相反的磁场，形成一个斥力，以使与磁场感应件连接的籽晶悬浮在生长腔内碳化硅粉体的上方，实现对籽晶的非接触式固定，避免了籽晶的粘接问题和机械应力，提高了晶体的生长质量。
在本发明的一些实施例中，所述籽晶包括连接层和生长层，所述连接层与所述磁场感应件连接，所述生长层靠近所述碳化硅粉体设置。
在本发明的一些实施例中，所述磁场感应件为封闭的环状结构，所述磁场感应件内侧壁上形成有与所述连接层外缘相配合的安装槽，所述磁场感应件通过所述安装槽卡装在所述连接层外缘处。
在本发明的一些实施例中，所述磁场感应件包括：多个子感应件，每个所述子感应件的一端设有限位部，另一端设有与所述限位部相配合的限位槽，多个所述子感应件依次首尾相接呈环状布置，相邻的两个所述子感应件中后一个所述子感应件的所述限位部插装在前一个所述子感应件的所述限位槽内。
在本发明的一些实施例中，所述磁场感应件包括：设置在所述连接层外缘的涂层。
在本发明的一些实施例中，所述磁场发生件包括：第一线圈，所述第一线圈包括：
第一上线圈，所述第一上线圈环绕在所述籽晶的上方，
第一下线圈，所述第一下线圈环绕在所述籽晶的下方，
所述第一上线圈和所述第一下线圈的绕向相同，所述第一下线圈的上端与所述第一上线圈的下端连接。
在本发明的一些实施例中，还包括降温机构，所述降温机构靠近所述磁场发生件设置，用于对所述磁场发生件进行降温。
在本发明的一些实施例中，所述降温机构包括：所述第一线圈内形成的冷却通道，所述冷却通道内通有冷却水。
在本发明的一些实施例中，还包括石英管和设置在石英管外部的加热器，所述石英管限定出真空腔，所述生长坩埚和磁场发生件均设置在所述真空腔内，所述加热器靠近所述碳化硅粉体布置。
在本发明的一些实施例中，所述加热器为石墨电阻加热器或感应加热器，所述感应加热器包括设置于所述石英管外侧的第二线圈。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例非接触式碳化硅晶体的生长装置的立体结构透视示意图；
图2是根据本发明一个实施例非接触式碳化硅晶体的生长装置的示意图；
图3是根据本发明另一个实施例非接触式碳化硅晶体的生长装置的示意图；
图4是根据本发明采用石墨电阻加热器时的示意图；
图5是本发明磁场感应件和籽晶间的结构示意图；
图6是图5的另一视角示意图；
图7是本发明磁场发生件和磁场感应件的原理示意图；
图8是本发明磁场感应件的示意图；
图9是本发明子感应件的示意图。
附图标记：
生长装置100；
生长坩埚10；生长腔11；
内保温毡12；内坩埚13；
磁场发生件20；第一上线圈21；第一下线圈22；
籽晶30；连接层31；生长层32；
磁场感应件40；子感应件42；限位部421；限位槽422；
碳化硅粉体50；
石英管80；真空腔81；外保温毡82；
加热器90；石墨电阻加热器91；感应加热器92；
控制柜200；
炉体300。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述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元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。
下面参考图1-图9描述根据本发明实施例的非接触式碳化硅晶体的生长装置100，包括：生长坩埚10、磁场发生件20、籽晶30和磁场感应件40。
参照图1至4所示，生长坩埚10限定出生长腔11，生长腔11内盛放有碳化硅粉体50；磁场发生件20设在生长坩埚10的外侧，用于提供磁场；籽晶30设置在生长腔11内且与碳化硅粉体50间隔布置；磁场感应件40与籽晶30连接，用于感应磁场发生件20提供的磁场，产生感应涡流，使得籽晶30适于在感应涡流的作用下悬浮在生长腔11内。其中，磁场感应件40可以为铁磁性低的难熔金属或合金，从而使得磁场感应件40具有一定的磁性，可感知磁场发生件20提供的磁场，并产生感应涡流。生长坩埚10可以为石英件，从而使得生长坩埚10具有耐高温性能。
可以理解的是，当磁场发生件20提供第一磁场时，位于第一磁场内的磁场感应件40会产生感应涡流，并产生一个与第一磁场方向相反的第二磁场，从而形成一个斥力，以使与磁场感应件40连接的籽晶30悬浮在生长腔11内碳化硅粉体50的上方，进而实现对籽晶30的非接触式固定，避免了籽晶30的粘接问题和机械应力，提高了晶体的生长质量。
具体的，第一磁场可由磁场发生件20通过的电流形成，例如，可将磁场发生件20与控制柜200连接，通过控制控制柜200中的高频电流参数，以使磁场发生件20产生一个快速变化的高频磁场。生长过程中，由于碳化硅粉体50受热不断升华，升华的碳化硅气体向籽晶30移动，并在籽晶30上实现晶体生长，磁场感应件40和晶体的总重量逐渐增大，可继续对磁场发生件20上通过的电流进行控制，以使生长过程中晶体一直处于悬浮状态，直至晶体生长完成后将其取出。
在本发明的一些实施例中，参照图2、图5和图6所示，籽晶30包括连接层31和生长层32，连接层31与磁场感应件40连接；生长层32靠近碳化硅粉体50设置，用于晶体的生长。其中，连接层31和生长层32可以为一体，整体呈凸字形结构。例如，可根据晶体生长尺寸的需求将碳化硅晶锭处理成一定尺寸和厚度的预处理籽晶，然后再将预处理籽晶加工成凸字形结构，连接层31的尺寸大于生长层32的尺寸，连接层31的厚度大于生长层32的厚度。磁场感应件40与连接层31连接，当其在磁场发生件20提供的磁场内时会产生感应涡流，与磁场发生件20提供的磁场间形成斥力，并通过连接层31带着籽晶30一同悬浮在碳化硅粉体50的上方，实现对籽晶的固定。
在本发明的一些实施例中，参照图5、图6和图8所示，磁场感应件40为封闭的环状结构，磁场感应件40内侧壁上形成有与连接层31外缘相配合的安装槽，磁场感应件40通过安装槽卡装在连接层31外缘处。可以理解的是，由于磁场感应件40为封闭的环状结构，故在磁场发生件20提供的磁场内，磁场感应件40上各处位置的受力均匀。而磁场感应件40通过安装槽卡装在连接层31的外缘处，保证了籽晶30各处的受力也是均匀的，从而可保证籽晶30处于水平状态，更利于籽晶30的生长，避免出现因籽晶30倾斜导致的晶体生长缺陷。
考虑到磁场感应件40安装拆卸的便利性和重复利用性，在本发明的一些实施例中，参照图8和图9所示，磁场感应件40可包括：多个子感应件42，每个子感应件42的一端设有限位部421，另一端设有与限位部421相配合的限位槽422，多个子感应件42依次首尾相接组成环状结构的磁场感应件，相邻的两个子感应件42中后一个子感应件42的限位部421插装在前一个子感应件42的限位槽422内，以使相邻的两个子感应件42连接固定。具体的，限位部421可为T型凸块，限位槽422为T型凹槽，T型凸块滑入T型凹槽实现相邻两个子感应件42的连接固定。
可选的，为了提高子感应件42与连接层31间的连接稳定性，连接层31上设有多个沿其周向均匀分布的凸块，子感应件42侧壁上的安装槽内设有与凸块相配合的导向槽，以使各个子感应件42与凸块一一对应卡装在连接层31上，连接更稳固。
可以理解的是，安装槽设在每个子感应件42靠近连接层31的内侧，安装时，可将子感应件42按顺序依次卡装在连接层31处，并保证在后一个子感应件42的限位部421插在在前一个子感应件42的限位槽422内，所有子感应件42正好围成一个沿连接层31外缘布置、封闭的环状，并通过限位部421和限位槽422的配合实现连接固定。组装后，将磁场感应件40和籽晶30放入生长坩埚10内，在磁场发生件20提供的磁场内，子感应件42产生感应涡流，并产生一个与磁场发生件20提供的磁场方向相反的磁场，从而形成一个斥力，以使与磁场感应件40连接的籽晶30悬浮在生长腔11内碳化硅粉体50的上方。待晶体生长结束后，可将磁场感应件40连同生长在籽晶上的晶体一同取出，然后对其中一个子感应件42施加外力，以使其从两侧的两个子感应件42滑出，待其取出后，再依次将其他的子感应件42从连接层31的边缘处取下即可，取下后的各个子感应件42还可以再次被利用，提高了产品的重复利用率。该种结构的磁场感应件40既方便拆装，又可重复利用，成本低。
在本发明的另一些实施例中，磁场感应件40包括：设置在连接层31外缘的涂层。具体的，可在连接层31的外缘通过镀膜技术获得一定厚度的难熔金属或其合金涂层。该涂层沿籽晶中连接层31的外缘环布，在磁场发生件20提供的磁场内，也会产生感应涡流，并产生一个与磁场发生件20提供的磁场方向相反的磁场，从而形成一个斥力，以使与磁场感应件40连接的籽晶301悬浮在生长腔11内碳化硅粉体50的上方。相较于上述多个子感应件42组成的磁场感应件，该涂层型磁场感应件产生的感应涡流更稳定，受力分配更均匀。
可以理解的是，上述磁场感应件40不管是卡装在连接层31外缘处的封闭环状结构(如多个子感应件42组成的结构)，还是设置在连接层31外缘的涂层，均是以从外部包裹的形式设置在连接层31上，除了以上两种方式外，磁场感应件40还可以以嵌入的方式嵌装在连接层31上，参照图4所示，连接层31内可形成有用于放置磁场感应件40的空腔，磁场感应件40置于空腔内。例如，连接层31上的空腔为开设在连接层31靠近生长层32一侧的圆环状凹槽，磁场感应件40为一体式的圆环状结构，可直接将磁场感应件40嵌装在圆环状凹槽内，磁场感应件40在磁场发生件内产生感应涡流时，可在斥力的作用下，带动籽晶一同悬浮在碳化硅粉体上。
在本发明的一些实施例中，参照图1和图2所示，磁场发生件20包括：第一线圈，第一线圈包括：第一上线圈21和第一下线圈22，第一上线圈21环绕在籽晶30的上方，第一下线圈22环绕在籽晶30的下方，第一上线圈21和第一下线圈22的绕向相同，第一下线圈22的上端与第一上线圈21的下端连接。第一上线圈21和第一下线圈22的绕向相同，可形成方向相同的磁场。而第一上线圈21与第一下线圈22连接，两者形成的磁场叠加的同时，可对内部的磁场感应件40和籽晶30更平稳的悬浮在碳化硅粉体50上。其中，第一上线圈21和第一下线圈22可以为螺旋状结构。第一线圈可以为铜线圈，在通电的情况下可形成较为稳定的磁场。
考虑到生长坩埚10内的碳化硅粉体50需在高温下升华，而温度过高可能会导致磁场发生件20毁坏，例如采用第一线圈作磁场发生件时，若第一线圈的熔点低于碳化硅粉体升华所需的温度，则第一线圈就会被高温损坏。为了避免这种情况的发生，在本发明的一些实施例中，还可包括降温机构(图中未画出)，降温机构靠近磁场发生件20设置，用于对磁场发生件20进行降温。降温机构在对磁场发生件20进行降温的同时，还可降低磁场发生件20附近的温度，以使其附近的温度低于碳化硅粉体50处的温度，以建立长晶所需的温度梯度，为长晶提供条件。
在本发明的一些实施例中，降温机构包括：第一线圈的线圈内形成的冷却通道，冷却通道内通有冷却水。可以理解的是，冷却水的通入可降低第一线圈的温度，延长其使用寿命，避免其受高温损坏。同时，冷却通道贯穿第一线圈布置，即第一线圈为中空结构，其内部的中空腔为冷却通道，冷却水流经整个第一线圈，降温更均匀，更利于形成温度梯度。而且，可设置冷却水通入的方向，例如，从上方通入冷却水，下方排出，这样温度由下至上递减，形成的温度梯度更利于晶体的生长。
在本发明的另一些实施例中，降温机构也可包括：设置在第一线圈内部或外部的降温管道，降温管道内通有冷却水，能够实现对第一线圈的降温。当然，降温机构也可以是缠绕在第一线圈上的降温管道，即缠绕在第一线圈上，沿着第一线圈的绕向从第一线圈的一圈绕制另一端，从第一线圈的外部对其进行降温。
在本发明的一些实施例中，参照图2和图3所示，还可包括石英管80和设置在石英管80外部的加热器90，石英管80限定出真空腔81，生长坩埚10和磁场发生件20均设置在真空腔81内，加热器90靠近碳化硅粉体50布置。其中，加热器90主要用于提供长晶温度，具体是用于向碳化硅粉体50提供热量，以使碳化硅粉体50可在加热器的作用下升华，升华后的碳化硅气体向籽晶30的方向移动，并在籽晶30上实现生长。
在本发明的一些实施例中，参照图2至图4所示，加热器90为石墨电阻加热器91或感应加热器92。例如，参照图2和图3所示，感应加热器92可包括设置于石英管80外侧的第二线圈，第二线圈环布在石英管80外部正对碳化硅粉体50的位置，以实现对碳化硅粉体50的加热。而石墨电阻加热器91可包括多组石墨电阻环布在石英管80的外部，具体见图4所示。可以理解的是，第二线圈在通电加热时，可能会对磁场发生件20提供的磁场产生扰动影响，为了减少或避免这种影响的发生，优先采用石墨电阻加热器91进行加热，提供长晶温度。
可选地，生长坩埚10的外部、磁场感应件20的内部还可设有内保温毡12，以向生长坩埚提供良好的保温效果。相应地，石英管内、磁场感应件的外部也可设有外保温毡82，可进一步营造良好的保温效果。
可选地，生长坩埚10的生长腔11内还可设有用于盛放碳化硅粉体50的内坩埚13。相较于直接将碳化硅粉体50直接放置生长腔11内，内坩埚的增设，更便于碳化硅粉体50的取放。同时，由于内坩埚的尺寸比生长坩埚10的尺寸，也更容易进行清洗。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，包括：
生长坩埚，所述生长坩埚限定出生长腔，所述生长腔内盛放有碳化硅粉体；
磁场发生件，所述磁场发生件设在所述生长坩埚的外侧，用于提供磁场；
籽晶，所述籽晶设置在所述生长腔内且与所述碳化硅粉体间隔布置；
磁场感应件，所述磁场感应件与所述籽晶连接，用于感应所述磁场发生件提供的磁场，产生感应涡流，使得所述籽晶适于在所述感应涡流的作用下悬浮在所述生长腔内。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述籽晶包括连接层和生长层，所述连接层与所述磁场感应件连接，所述生长层靠近所述碳化硅粉体设置。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述磁场感应件为封闭的环状结构，所述磁场感应件内侧壁上形成有与所述连接层外缘相配合的安装槽，所述磁场感应件通过所述安装槽卡装在所述连接层外缘处。
4.根据权利要求3所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述磁场感应件包括：多个子感应件，每个所述子感应件的一端设有限位部，另一端设有与所述限位部相配合的限位槽，多个所述子感应件依次首尾相接呈环状布置，相邻的两个所述子感应件中后一个所述子感应件的所述限位部插装在前一个所述子感应件的所述限位槽内。
5.根据权利要求2所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述磁场感应件包括：设置在所述连接层外缘的涂层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述磁场发生件包括：第一线圈，所述第一线圈包括：
第一上线圈，所述第一上线圈环绕在所述籽晶的上方，
第一下线圈，所述第一下线圈环绕在所述籽晶的下方，
所述第一上线圈和所述第一下线圈的绕向相同，所述第一下线圈的上端与所述第一上线圈的下端连接。
7.根据权利要求6中任一项所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，还包括降温机构，所述降温机构靠近所述磁场发生件设置，用于对所述磁场发生件进行降温。
8.根据权利要求7所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述降温机构包括：所述第一线圈的感应线内形成的冷却通道，所述冷却通道内通有冷却水。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，还包括石英管和设置在石英管外部的加热器，所述石英管限定出真空腔，所述生长坩埚和磁场发生件均设置在所述真空腔内，所述加热器靠近所述碳化硅粉体布置。
10.根据权利要求9所述的一种非接触式碳化硅晶体的生长装置，其特征在于，所述加热器为石墨电阻加热器或感应加热器，所述感应加热器包括设置于所述石英管外侧的第二线圈。
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