CN115386951A - 晶体制备坩埚 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体设备，提供了一种晶体制备坩埚，所述埚体包括原料区及结晶区，所述原料区位于所述结晶区的下方，所述结晶区的侧壁设有测温组件和生长监控组件，所述埚体的侧壁设置有加热线圈，当在进行晶体生长时，所述测温组件用于检测所述结晶区晶体的温度，防止晶体在生长时发生相变，同时可监控坩埚的温场波动情况，以在异常情况发生时可以及时采取措施；所述生长监控组件用于采集所述结晶区晶体的生长数据，如遇多晶或生长厚度不均匀的情况可以及时调整生长配方，以避免资源浪费。

Description

晶体制备坩埚

技术领域

本申请属于半导体设备领域，尤其涉及一种晶体制备坩埚。

背景技术

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，具有高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点。由于4H-SiC在诸多晶型中具有更优异的电学性能，满足如今科技发展对高功率和抗辐射器件等衬底材料的需求，所以如何生长出高质量的4H-SiC晶体便成了首要问题。

目前，工业生产中碳化硅单晶的生长方法主要为物理气相传输法(PVT)。籽晶位于顶部坩埚盖处，利用感应线圈加热，将放入石墨坩埚中的碳化硅粉料升华，再利用温度梯度使上升至坩埚顶部的碳化硅气体在籽晶表面凝华成碳化硅单晶。由于碳化硅有多种晶型，晶型与生长温度密切相关，所以PVT法生长大尺寸的4H-SiC晶体需要严格控制生长温度。

此外，温场的径向温度均匀性也会影响结晶质量，由此可知温度的控制是保证碳化硅晶体质量的重要因素。但是目前PVT工艺只能靠经验把控生长工艺流程，晶体质量和形貌只能等生长完全结束后再开炉查验，这期间将产生大量的损耗，若生长的碳化硅晶体质量不高，不能根据其恶劣程度进行生长工艺调整，会浪费大量生长资源。

发明内容

本申请的目的在于提供一种晶体制备坩埚，旨在解决碳化硅的制备只能靠经验把控生长工艺流程，晶体质量可控性低的问题。

本申请实施例提供了一种晶体制备坩埚，包括埚体和盖合于所述埚体的上盖，所述埚体包括原料区及结晶区，所述原料区位于所述结晶区的下方，所述结晶区的侧壁设有测温组件和生长监控组件，所述埚体的侧壁设置有加热线圈，当在进行晶体生长时，所述测温组件用于检测所述结晶区晶体的温度，所述生长监控组件用于采集所述结晶区晶体的生长数据

在其中一个实施例中，所述结晶区的侧壁开设有两个孔槽，所述两个孔槽相对所述埚体的中轴线对称，所述测温组件为两个，分别设置于所述两个孔槽内。

在其中一个实施例中，所述孔槽设置有透视窗，所述生长监控组件为两个，分别设置于所述透视窗上。

在其中一个实施例中，所述埚盖为H型结构，所述结晶区的晶体附着于所述上盖的底部，所述孔槽设置于靠近所述上盖的底部。

在其中一个实施例中，所述驱动杆与所述上盖的顶部连接，用于驱动所述上盖相对所述埚体径向旋转。

在其中一个实施例中，还包括质量检测组件，设置于所述上盖与所述驱动杆之间，用于实时监测所述晶体的重量。

在其中一个实施例中，所述加热线圈包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈绕设于所述埚体的结晶区，所述第二线圈绕设于所述埚体的原料区，所述第一线圈的发热功率高于所述第二线圈的发热功率。

在其中一个实施例中，所述埚体的横截面为圆形，所述结晶区的侧壁开设有四个孔槽，任相邻两个孔槽与所述埚体中心的连线夹角为90°。

在其中一个实施例中，所述孔槽设置有透视窗，所述生长监控组件为四个，一所述透视窗设置有一所述生长监控组件，所述测温组件为四个，一所述孔槽设置有一所述测温组件。

在其中一个实施例中，所述生长监控组件为图像/视频采集组件。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过设置测温组件和生长监控组件，测温组件可以检测结晶区晶体的温度，防止晶体在生长时发生相变，同时可监控坩埚的温场波动情况，以在异常情况发生时可以及时采取措施；生长监控组件采集结晶区晶体的生长数据，如遇多晶或生长厚度不均匀的情况可以及时调整生长配方，以避免资源浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术申请，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的晶体制备坩埚的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

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。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本申请实施例提供了一种晶体制备坩埚，包括埚体110和盖合于埚体110的上盖120，埚体110包括原料区101及结晶区102，原料区101位于埚体110底部，用于装载原材料，结晶区102位于埚体110的除了原料区101的其它区域，如图1所示，结晶区102位于该原料区101的上部位置，正对上盖120底部。

本申请实施例中，埚体110的侧壁设有测温组件130和生长监控组件140，埚体110的侧壁设置有加热线圈150，当在进行晶体103生长时，测温组件130用于检测结晶区102的晶体103的温度，晶体103在生长时发生相变，同时可监控埚体110的温场波动情况，以在异常情况发生时可以及时采取措施；生长监控组件140用于采集结晶区102的晶体103的生长数据，如遇多晶或生长厚度不均匀的情况可以及时调整生长配方参数，以避免资源浪费。

在一些实施例中，测温组件130包括红外测温探头，红外测温探头的探测方向指向上盖120底部的晶体103，且红外测温探头连接到外部设备，比如上位机，将探测到的温度数据实时输出到外部设备。

可选地，测温组件130具有一在埚体110的纵轴线上变化的探测角度。比如，可以通过驱动器驱动调整摆动角度以偏转探测方向，以根据晶体103厚度变化来移动测温点，增大测温面积，该驱动器可以是驱动电机等。

在一些实施例中，生长监控组件140为图像/视频采集组件，比如成像相机，拍录晶体103生长情况并输出到外部设备，如操作人员或外部设备自动识别到比如多晶或生长厚度不均匀的情况可以及时调整生长配方。

加热线圈150可以缠绕在埚体110的外壁，或者贴附在埚体110的内壁，此处对此不作限制，优选地，该加热线圈150缠绕在埚体110的外壁。在一些示例中，加热线圈150将对埚体110实施分区加热，在结晶区102和原料区101独立控温，增强纵向温度梯度，可优化坩埚内部生长环境。

比如，加热线圈150包括第一线圈152和第二线圈154，第一线圈152绕设于埚体110的原料区101，主要用于对原料区101进行温度控制；第二线圈154绕设于埚体110的结晶区102，主要用于对结晶区102进行温度控制。在一个示例中，第一线圈152和第二线圈154分别连接到外部供电设备，加载电能从而发热；在另一个示例中，第一线圈152和第二线圈154为电磁感应线圈，与外部设备发生谐振而产生感应电流而自发热。

在一些示例中，第一线圈152的发热功率高于第二线圈154的发热功率，从而使得原料区101的发热温度大于结晶区102的发热温度，增强纵向温度梯度，可优化坩埚内部生长环境。

在一些实施例中，晶体制备坩埚还包括驱动杆160，驱动杆160与上盖120的顶部连接，用于驱动上盖120相对埚体110旋转，可以保持径向温场和生长质量均匀。其中，上盖120的顶部指的是上盖120远离埚体110的端部，上盖120的底部指的是上盖120靠近埚体110的端部。

驱动杆160可以连接到驱动电机，通过驱动电机提供动力给驱动杆160驱动上盖120匀速旋转，籽晶粘贴在上盖120的底部，故籽晶在生长过程中会随着上盖120匀速旋转，转速为0.5r/h～25r/h，使热场分布和结晶质量均匀，防止原料中的杂质在晶体103生长中造成聚集性缺陷，有利于大尺寸碳化硅单晶的生长。

同时，上盖120相对埚体110旋转，可以使得测温组件130可以增大测温面积，能够探测到晶体103的沿周温度。

在一些实施例中，晶体制备坩埚还包括质量检测组件170，设置于上盖120与驱动杆160之间，用于实时监测上盖120的晶体103的重量变化。如此，可以实时监控晶体103连续的重量变化构成质量监控曲线，可以从另一种维度来实时监控晶体103生长过程，实时质量曲线的波动反映了晶体103生长环境的不稳定因素，通过此数据有利于实时监控生长质量，并可以及时解决晶体103在生长过程中遇到的问题。

在一些实施例中，晶体制备坩埚的埚体110在结晶区102的侧壁开设有孔槽112。一般情况下，生长的晶体103结晶质量和厚度会受籽晶区域的径向温场均匀性影响，籽晶中心的温度会低于籽晶外围的温度。所以，在埚体110两侧开设孔槽112也可以控制径向温场，加快晶体103径向外围散热，减小径向温度梯度，保证温度的均匀性，从而提高晶体103结晶质量。

在一些实施例中，孔槽112为两个，两个孔槽112开设于结晶区102的侧壁，两个孔槽112相对埚体110的中轴线对称，测温组件130为两个，分别设置于两个112孔槽内。使得埚体110的径向温场可以对称性地控制，同时能加快晶体103径向外围散热。可以一定程度上提高温度控制的均匀性，该孔槽112可以为方形槽或圆形槽，该圆形槽的直径可以为3-5厘米，或者该方形槽的最长边长为3-5厘米，该孔槽112设置于便于结晶区102的适于监控生长情况的位置，例如该孔槽112的中心位置与该晶体103的中心位置位于或者接近位于同一水平面，此处对此不作限制。

在一些实施例中，孔槽112设置有透视窗，生长监控组件140为两个，分别设置于透视窗上。测温组件130和生长监控组件140设置于孔槽112。生长监控组件140可以通过透视窗对埚体110内的晶体103的外形进行监控，孔槽112对测温组件130和生长监控组件140具有防止磕碰和温度过热的保护作用。比如，孔槽112开口长度约为1～3厘米，可供测温组件130调整摆动角度，根据晶体103厚度变化来移动测温点，增大测温面积，优选地，该透视窗设置于该孔槽112的适于监控的区域。

在一些实施例中，上盖120为H型结构，结晶区102的晶体103附着于上盖120的底部，孔槽112设置于靠近上盖120的底部。以便于在对埚体110内的晶体103的外形进行监控，以及使得结晶区102的径向温场可以对称性地控制，同时能加快晶体103径向外围散热。优选地，该晶体103为籽晶，该籽晶300粘附在该上盖120的底部(优选为靠近上盖120的中心位置)。

在一些实施例中，埚体110的横截面为圆形，结晶区102的侧壁开设有四个孔槽112，任相邻两个孔槽112与埚体110中心的连线夹角为90°。相比于两个孔槽112，设有四个孔槽112同样可以使得结晶区102的径向温场可以对称性地控制之外，还能使得晶体103径向外围散热更快。

在一些实施例中，孔槽112设置有透视窗，生长监控组件140为四个，一透视窗设置有一生长监控组件140，测温组件130为四个，一孔槽112设置有一测温组件130。测温组件130和生长监控组件140设置于孔槽112。测温组件130、生长监控组件140可以通过孔槽112对埚体110内的晶体103的温度和外形进行监控，孔槽112对测温组件130和生长监控组件140具有防止磕碰和温度过热的保护作用。

在其他实施例中，孔槽112也可以是埚体110中心对称设置的3个、5个、6个等。

综上述，该装置通过对晶体103温度、晶体103重量、晶体103形貌和温场的监控，用户或外部设备根据反馈结果可以处理部分生长过程中遇到的技术难题，使得晶体103，比如4H-SiC在生长过程中可控性和可调节性大幅增强。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体制备坩埚，包括埚体和盖合于所述埚体的上盖，其特征在于，所述埚体包括原料区及结晶区，所述原料区位于所述结晶区的下方，所述结晶区的侧壁设有测温组件和生长监控组件，所述埚体的侧壁设置有加热线圈，当在进行晶体生长时，所述测温组件用于检测所述结晶区晶体的温度，所述生长监控组件用于采集所述结晶区晶体的生长数据。

2.如权利要求1所述的晶体制备坩埚，其特征在于，所述结晶区的侧壁开设有两个孔槽，所述两个孔槽相对所述埚体的中轴线对称，所述测温组件为两个，分别设置于所述两个孔槽内。

3.如权利要求2所述的晶体制备坩埚，其特征在于，所述孔槽设置有透视窗，所述生长监控组件为两个，分别设置于所述透视窗上。

4.如权利要求3所述的晶体制备坩埚，其特征在于，所述上盖为H型结构，所述结晶区的晶体附着于所述上盖的底部，所述孔槽设置于靠近所述上盖的底部。

5.如权利要求1所述的晶体制备坩埚，其特征在于，还包括驱动杆，所述驱动杆与所述上盖的顶部连接，用于驱动所述上盖相对所述埚体旋转。

6.如权利要求5所述的晶体制备坩埚，其特征在于，还包括质量检测组件，设置于所述上盖与所述驱动杆之间，用于实时监测所述晶体的重量。

7.如权利要求1所述的晶体制备坩埚，其特征在于，所述加热线圈包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈绕设于所述埚体的原料区，所述第二线圈绕设于所述埚体的结晶区，所述第一线圈的发热功率高于所述第二线圈的发热功率。

8.如权利要求1所述的晶体制备坩埚，其特征在于，所述埚体的横截面为圆形，所述结晶区的侧壁开设有四个孔槽，任相邻两个孔槽与所述埚体中心的连线夹角为90°。

9.如权利要求8所述的晶体制备坩埚，其特征在于，所述孔槽设置有透视窗，所述生长监控组件为四个，一所述透视窗设置有一所述生长监控组件，所述测温组件为四个，一所述孔槽设置有一所述测温组件。

10.如权利要求1至9任一项所述的晶体制备坩埚，其特征在于，所述生长监控组件为图像/视频采集组件。

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