CN115595656A - 一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置。该装置包括隔热层、基座隔热层、坩埚部件、辅热部件和线圈。隔热层和基座隔热层构成的隔热装置内含收纳空间。坩埚部件装置在隔热层的收纳空间中。辅热部件包含第一加热部件、第一承接部件、第二加热部件和第二承接部件。在第一坩埚的内含收纳空间中，第一加热部件以上的空间为第一热空间，第一加热部件与第二加热部件之间的空间为第二热空间，第一承接部件以下的空间为第三热空间。线圈布置在隔热层外围。本申请提出的用于升华法生长氮化铝晶体的装置，能有效的提高晶体生长的均匀性。
Description
技术领域
本申请涉及晶体生长设备的技术领域，尤其涉及一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置。
背景技术
氮化铝因其导热率高及介电性能优良等特点而被广泛应用于氮化物电子器件的衬底，氮化铝的潜在应用涵盖了紫外光电器件及高温、高频与高功率电子器件等。随着电子产业地发展对氮化铝单晶衬底地质量要求也会与日俱增。氮化铝的熔点很高，传统的熔体生长或溶液生长方法很难生长氮化铝晶体。升华法(物理气相传输法)可在较高的生长速率下生长出低位错密度的氮化铝晶体，因而被认为是制备大尺寸、高质量氮化铝单晶较有效的方法。
目前应用升华法制备大尺寸(如4英寸)氮化铝晶体的过程中，采用传统装置由于其热量主要来自于坩埚本身的感应生热，而大尺寸坩埚内部感应电流产生的热量分布不均匀，导致晶体生长的均匀性不易控制，增大了氮化铝晶体生长的不均匀性。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置，该装置可应用于生长大尺寸氮化铝晶体，能够在保证相对较高的晶体生长速度的前提下，提高晶体生长的均匀性，实现氮化铝晶体快速稳定生长。
本申请提供一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置，包括隔热层、基座隔热层、坩埚部件、辅热部件和线圈；
所述隔热层和基座隔热层构成的隔热组件内含收纳空间；
所述坩埚部件被配置在所述收纳空间内；
所述坩埚部件内含收纳空间；
所述辅热部件被配置在所述坩埚部件的收纳空间中，且所述承接部件穿过坩埚部件底壁、基座隔热层和隔热层底壁；
所述线圈用以为所述坩埚部件提供热量。
可选地，所述坩埚部件包括第一坩埚和第二坩埚，所述第一坩埚内含收纳空间并且所述收纳空间容纳所述辅热部件，所述第二坩埚包围在所述第一坩埚的外围。
可选地，第二坩埚的顶壁下表面装置有籽晶，第二坩埚的顶壁上表面连接有提拉旋转部件。
可选地，所述辅热部件包含第一加热部件、第一承接部件、第二加热部件和第二承接部件；
所述第一加热部件、第一承接部件和第二加热部件依次相连并且被配置于第一坩埚的收纳空间中；
所述第二承接部件穿过坩埚部件底壁、基座隔热层和隔热层底壁；
可选地，所述第一加热部件俯视方向横截面为圆环且其环内空间连接片状结构；所述第一承接部件和第二加热部件俯视方向横截面为圆环。
可选地，所述第一加热部件以上的空间为第一热空间，所述第一加热部件与第二加热部件之间的空间为第二热空间，第一承接部件以下的空间为第三热空间，所述第一热空间、第二热空间和第三热空间连通，氮化铝原料粉源收纳于第三热空间。
可选地，第一坩埚侧壁外表面和第二坩埚侧壁内表面之间存在空隙。
可选地，第二坩埚顶壁上表面与隔热层顶壁下表面之间存在空腔。
可选地，所述第一加热部件所产生温度低于第二加热部件所产生温度。
以上提供的用于升华法生长氮化铝晶体的装置，在氮化铝长晶的过程中，坩埚部件受线圈感应磁场的作用产生热量，为坩埚装置内含收纳空间提供热量，促使氮化铝粉末升华，同时，第一加热部件和第二加热部件通过电阻加热，调节坩埚装置内含收纳空间的温度分布。第二加热部件为氮化铝粉末提供辅助热源，使得氮化铝原料粉源径向温度分布更加均匀，第一加热部件为第一热空间提供辅助热源，使得第一热空间温度分布更加均匀，特别是提高第一热空间径向温度分布均匀性。
此外，在长晶的过程中，第二坩埚装置上所装置的提拉旋转部件以一定速度缓慢向上提拉，使得第二坩埚在垂直方向上缓慢向上运动，以使得晶体的结晶界面始终处于第一热空间中，维持长晶界面处温度分布的均匀性，与此同时，提拉旋转部件通过外部旋转装置的作用实现自旋以带动第二坩埚缓慢自旋，一方面增加结晶界面附近气氛分布的均匀性，另一方面减小第一加热部件所带有的片状结构对第一坩埚内气氛由下而上传递时的影响，从而提高长晶质量。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例中提供的一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置的结构示意简图。
图2为本申请实施例中提供的一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置中第一坩埚收纳空间的热空间结构划分示意图。
图3为第一加热部件的俯视图。
图4为用于升华法生长氮化铝晶体的传统装置的示意简图。
图5为生长晶体表面径向长晶速率分布曲线，图中横坐标为0的位置表示籽晶中心处，图例a表示传统装置，图例b表示本申请提供的装置。
图中：1、隔热层；2、基座隔热层；3、坩埚部件；31、第一坩埚；32、第二坩埚；321、籽晶；322、提拉旋转部件；4、辅热部件；41、第一加热部件；42、第一承接部件；43、第二加热部件；44、第二承接部件；5、线圈；601、第一热空间；602、第二热空间；603、第三热空间。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，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所述特征。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。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，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申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，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方式和/或设置之间的关系。此外，本申请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应用和/或其他材料的使用。
参考图1-3，本申请实施例中提供了一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置，该装置可以应用于氮化铝单晶的生长，在晶体生长的过程中，将氮化铝原料粉源收纳于坩埚中，粉源在坩埚中受热升华，以使得氮化铝在指定的位置生成晶体。
该装置包括隔热层1、基座隔热层2、坩埚装置，辅热部件4和线圈5。隔热层1和基座隔热层2构成的隔热装置内含收纳空间。坩埚部件分为第一坩埚31和第二坩埚32。第一坩埚31包含侧壁和底壁，第一坩埚31内含收纳空间。第二坩埚32包含侧壁和顶壁，第二坩埚32包围在所述第一坩埚31及其内含收纳空间的外围。第二坩埚32的顶壁下表面装置有籽晶321，第二坩埚32的顶壁上表面连接有提拉旋转部件322。辅热部件4装置在第一坩埚31的收纳空间中且其穿过坩埚部件底壁、基座隔热层2和隔热层1底壁，辅热部件4包含第一加热部件41、第一承接部件42、第二加热部件43和第二承接部件44。所述第一加热部件41俯视方向横截面为圆环且其环内空间连接片状结构，所述第一承接部件42和第二加热部件43俯视方向横截面为圆环。第一坩埚31侧壁外表面和第二坩埚32侧壁内表面之间存在空隙且第二坩埚32顶壁上表面与隔热层1顶壁下表面之间存在空腔，使得第一坩埚31和第二坩埚32之间在垂直方向上能有相对位移。线圈5布置在隔热层1外围。
在所述第一坩埚31的内含收纳空间中，第一加热部件41以上的空间为第一热空间601，所述第一加热部件41与第二加热部件43之间的空间为第二热空间602，第一承接部件42以下的空间为第三热空间603，且所述第一热空间601、第二热空间602和第三热空间603连通。
由以上所述，第一坩埚31和第二坩埚32在线圈5产生的磁场的作用下产生感应热，所产生的热量向第一坩埚31内含收纳空间传递，加热第三热空间603内收纳的氮化铝原料粉源使之升华，升华的气氛由坩埚内温度差驱动由下向上传递至籽晶321处进行结晶。通过感应磁场加热第一坩埚31和第二坩埚32的同时，第一坩埚内装置的第一加热部件41和第二加热部件43通过电阻加热，以调节第一坩埚31内含收纳空间内的热场分布，第一热空间601的热场分布主要受感应热场和第一加热部件41的影响，第二热空间602的热场分布主要受感应热场和第一加热部件41以及第二加热部件43的影响，第三热空间603的热场分布主要受感应热场和第二加热部件43的影响。需要说明的是，晶体生长的过程中，第一加热部件41所产生的温度应低于第二加热部件43所产生的温度。特别说明，晶体生长的过程中，收纳氮化铝原料粉源的最大高度不应超出第三热空间603。
由以上所述，第二坩埚32上装置有提拉旋转部件322，在长晶的过程中，提拉旋转部件322连接外部旋转装置使得提拉旋转部件322自旋，从而使得第二坩埚32及其装置的籽晶321自旋。通过第二坩埚32自旋，一方面可以提高第一热空间601的温度分布均匀性，另一方面可以减小第一加热部件41结构中的片状结构对第一坩埚31内气氛由下而上传递的影响。
由以上所述，在长晶的过程中，第二坩埚32由提拉旋转部件322的作用下逐渐缓慢向上提拉，使得氮化铝的结晶界面在长晶的过程中始终位于第一热空间601的上部，以保证结晶界面附近的温度分布的稳定性，从而提高结晶的均匀性。
本申请提供的一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置，其主要目的是在保证氮化铝晶体的生长速率的前提下提高晶体生长的均匀性。本发明所提供的装置中，坩埚体设计为第一坩埚31和第二坩埚32，第一坩埚31内装置有辅热部件4以调节第一坩埚31内含收纳空间的温度分布，且将第一坩埚31收纳空间由上至下依次分为第一热空间601、第二热空间602和第三热空间603，在感应热场的基础上，通过调节第一加热部件41和第二加热部件43的温度，能有效调节不同热空间内的温度分布，提高晶体生长的均匀性。此外，第二加热部件43能提高氮化铝原料粉源内温度在径向方向分布的均匀性，提高了原料粉源在径向上升华速率的均匀性，进一步提高了长晶的均匀性。
请参考图4，应用现有技术的装置生长氮化铝晶体时，坩埚3在线圈5的感应磁场的作用下产生热量并加热收纳于其底部的氮化铝原料粉源使之升华并在籽晶处结晶。
由以上所述，采用模拟仿真的方法，建立升华法生长氮化铝晶体的仿真模型，应用的主要生长工艺条件为：
针对传统装置，线圈5为单导线线圈组，通入电流为1000A，坩埚内气氛压力为400mbar；
针对本申请提供的装置，线圈5为单导线线圈组，通入电流为1000A，坩埚内气氛压力为400mbar，第一加热部件41处温度为2370K，第二加热部件42处温度为2400K，提拉旋转部件322的自旋速率为0.2rpm，提拉旋转部件322的提拉速率为0.18mm/h。
在径向方向上，籽晶表面处的长晶速率如图5所示，图中横坐标为0处为籽晶中心处，图例a表示传统装置，图例b表示本发明提供的装置。图5展示籽晶表面中心处到其一侧边处的晶体生长速率。对比可以看出，采用本发明提供的装置，籽晶表面处的长晶速率均匀性得到了有效的提高。
本申请的主要目的是优化长晶空间的温度场分布，从而优化长晶过程，与传统装置比较，本发明提供的装置能有效提高氮化铝的生长均匀性。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于升华法生长氮化铝晶体的装置，其特征在于，包括隔热层、基座隔热层、坩埚部件、辅热部件和线圈；
所述隔热层和基座隔热层构成的隔热组件内含收纳空间；
所述坩埚部件被配置在所述收纳空间内；
所述坩埚部件内含收纳空间；
所述辅热部件被配置在所述坩埚部件的收纳空间中，且所述承接部件穿过坩埚部件底壁、基座隔热层和隔热层底壁；
所述线圈用以为所述坩埚部件提供热量。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述坩埚部件包括第一坩埚和第二坩埚，所述第一坩埚内含收纳空间并且所述收纳空间容纳所述辅热部件，所述第二坩埚包围在所述第一坩埚的外围。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，第二坩埚的顶壁下表面装置有籽晶，第二坩埚的顶壁上表面连接有提拉旋转部件。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述辅热部件包含第一加热部件、第一承接部件、第二加热部件和第二承接部件；
所述第一加热部件、第一承接部件和第二加热部件依次相连并且被配置于第一坩埚的收纳空间中；
所述第二承接部件穿过坩埚部件底壁、基座隔热层和隔热层底壁。
5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述第一加热部件俯视方向横截面为圆环且其环内空间连接片状结构；所述第一承接部件和第二加热部件俯视方向横截面为圆环。
6.根据权利要求1述装置，其特征在于，所述第一加热部件以上的空间为第一热空间，所述第一加热部件与第二加热部件之间的空间为第二热空间，第一承接部件以下的空间为第三热空间，所述第一热空间、第二热空间和第三热空间连通，氮化铝原料粉源收纳于第三热空间。
7.根据权利要求1述装置，其特征在于，第一坩埚侧壁外表面和第二坩埚侧壁内表面之间存在空隙。
8.根据权利要求1述装置，其特征在于，第二坩埚顶壁上表面与隔热层顶壁下表面之间存在空腔。
9.根据权利要求1述装置，其特征在于，所述第一加热部件所产生温度低于第二加热部件所产生温度。
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