CN115787076A - 一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于氮化铝晶体生长技术领域，具体涉及一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法。本发明通过温场模拟设计了与坩埚尺寸相匹配的钨锥，所述钨锥由下方的圆柱部件和上方的圆台部件构成，所述圆柱部件底部半径与所述圆台部件的底部半径相同；所述钨锥高度为坩埚高度的2/5‑3/5，所述圆柱部件高度为坩埚高度的1/5‑1/4。将钨锥设置在坩埚底部中心位置，并将AlN原料填充于钨锥与坩埚之间，避免坩埚底部中心温度相对较低的区域与AlN粉料相接触，防止底部原料在坩埚底部中心位置沉积，使得坩埚便于清理，减少了原料浪费；本发明通过上述方法使得AlN原料放置于坩埚内部的高温区内，提高了原料的利用率。

Description

一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法

技术领域

本发明属于氮化铝晶体生长技术领域，具体涉及一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法。

背景技术

AlN晶体因具有超宽的禁带宽度(6.2eV)，高热导率(3.2W·cm^-1K^-1)、高电阻率及高表面声速(5600-6000m/s)等优异的物理性质，目前逐渐在激光器、HEMT、光电子器件和声表面波器件中得到广泛应用。AlN晶体生长方法包括铝金属直接氮化法、溶液法、氢化物气相外延法和物理气相传输法等，经过几十年的研究，物理气相输运(PVT)法被认为是能够制备出高质量大尺寸AlN晶体最有效的方法。

PVT法主要是通过感应加热法或电阻加热法将AlN原料从坩埚底部升华，随后通过控制压力使Al蒸气传输到低温生长区进行AlN晶体的生长。PVT法中原料的升华量决定了升华气体中Al的分压梯度，经长期实验发现，PVT法生长AlN晶体的过程中，低坩埚位置对AlN晶体前期成核极为有利，较小的轴向梯度能够保证AlN晶体呈台阶流进行排列生长，降低了多晶形成的概率，但低埚位由于轴梯较小，坩埚底部温度相对较低，原料极容易在坩埚底部进行大量沉积，结合热场模拟的结果分析得知，由于低埚位时升华界面径向梯度较大的缘故，原料升华的路径主要从坩埚侧壁的高温区开始，坩埚底部中心区域的原料因温度偏低逐渐沉积，造成与坩埚底部的紧密粘连，通过物理方法很难将沉积的AlN原料从坩埚底部分离，给坩埚的清理和再次使用带来不便；同时，由于中心区域温度较低，无法实现Al蒸气的有效传输，这造成了AlN原料的极大浪费，并加大了PVT法生长AlN晶体的成本。

因此，如何减少AlN原料在坩埚底部沉积，提高原料的利用率，成为PVT法生长AlN晶体领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中AlN晶体生长所用原料易沉积在坩埚底部中心区域，造成难以清理以及原料浪费的问题，本发明提供一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法。本发明通过热场模拟设计了与坩埚底部尺寸相适应的钨锥，将所述钨锥置于坩埚底部中心，在高温环境下，钨锥能够将AlN原料与坩埚底部温度相对较低的中心区域隔开，从而起到防止底部原料沉积的作用。所述钨锥中空，由下方的圆柱部分和上方的圆台部分构成，一体成型。上述方法能够保证坩埚底部不再有大面积的原料沉积，坩埚便于清理；同时由于原料处于坩埚中温度较高的区域，极大地提高了AlN原料的利用率，原料升华率从之前的10％提高到了35％，加快了AlN单晶的生长速率。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，具体为：向坩埚中加入AlN原料之前，先在坩埚底部中心设置钨锥，利用钨锥将坩埚底部划分为两部分，一部分为以坩埚底部中心为圆心的圆形空白区，另一部分为坩埚底部除所述圆形空白区外的填料区；

所述钨锥由下方的圆柱部件和上方的圆台部件构成，所述圆柱部件底部半径与所述圆台部件的底部半径相同；所述钨锥高度为坩埚高度的1/5-1/4，所述圆柱部件高度为钨锥高度的1/5-1/4；

设置钨锥之后，在所述填料区与钨锥、坩埚形成的容纳空间内填充AlN原料，AlN原料高度小于或等于钨锥高度。

优选的，所述钨锥圆柱部件底部半径的确定方法包括以下步骤：

S1.将坩埚置于AlN单晶生长炉中，位置设定为在炉体内利于成核的低埚位，利用热场模拟软件comsol对炉体在稳态条件下进行温场模拟计算，温场模拟的温度范围为2000-2300℃，压力控制在1atm以内，得到坩埚内的温场结构图；

所述坩埚内的温场结构图为坩埚沿轴线的纵剖面内的温度分布图，选取所述纵剖面与坩埚底部的交线为底线，选取所述纵剖面的中轴线为高线；

S2.在步骤S1所述坩埚内的温场结构图中选取温度为T的等温线作为分隔线，同时在所述坩埚内的温场结构图中，于坩埚高度的1/5处沿与底线平行的方向作基准线，所述分隔线与所述基准线的交点记作点A，经点A沿与所述高线平行的方向作垂线，所述垂线与所述底线的交点记作点B；所述T为2555-2565K；

S3.在所述坩埚内的温场结构图中，测量得到所述点B到所述高线的距离，记为n，再测量所述图中坩埚底部半径，记为m，n/m与所述坩埚底部半径的乘积即为钨锥圆柱部件底部半径。

进一步优选的，所述AlN生长炉为感应法生长炉或电阻法生长炉。

进一步优选的，步骤S1中，所述低埚位对应的温场中，轴向梯度≤30℃。

进一步优选的，所述T为2557-2558K。

优选的，所述钨锥中空。

优选的，所述圆台部件的顶部半径为底部半径的1/3-1/2。

优选的，所述坩埚内AlN原料的料面面积大于坩埚底部面积的2/3，以保证料面具有足够的面积。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过温场模拟设计了与坩埚尺寸相匹配的钨锥，将钨锥设置在坩埚底部中心位置，并将AlN原料填充于钨锥与坩埚之间，避免坩埚底部中心温度相对较低的区域与AlN粉料相接触，防止底部原料在坩埚底部中心位置沉积，使得坩埚便于清理，减少了原料浪费；

(2)本发明通过上述方法使得AlN原料放置于坩埚内部的高温区内，提高了原料的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例1中钨锥沿中轴线的剖面图；

其中：71.圆台部件；72.圆柱部件。

图2为本发明实施例1中的低埚位坩埚内的温度结构图。

图3为本发明实施例1中AlN单晶生长过程中感应生长炉内示意图；

其中，1.坩埚；3.料面；4.AlN原料；5.籽晶；6.生长域；7.钨锥；8.圆形空白区；9.填料区。

图4为本发明实施例1中AlN晶体生长结束后钨坩埚内部图片。

图5为本发明对比例1中AlN原料在坩埚底部的沉积示意图，坩埚已破损。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例中AlN原料为经过反复烧结之后即可用于AlN晶体生长的结晶型原料。

实施例1

一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，具体为：利用PVT法，在未加AlN原料4进行AlN单晶生长之前，先在底部半径为65mm，高度为100mm的圆柱状空钨坩埚1的底部中心位置设置钨锥7。

如图1所示，钨锥7中空，由下方的圆柱部件72和上方的圆台部件71构成，所述圆柱部件72底部半径与所述圆台部件71的底部半径相同；所述钨锥7高度为45mm，所述圆柱部件72高度为20mm；所述圆柱部件72底部半径为26mm；所述圆台部件71的顶部半径为13mm。

钨锥7将钨坩埚1底部划分为两部分，一部分为以钨坩埚1底部中心为圆心的圆形空白区8，另一部分为钨坩埚1底部除所述圆形空白区8外的填料区9；AlN原料4添加在所述钨坩埚1的填料区9内，AlN原料4添加高度等于钨锥7高度。

所述钨锥7的圆柱部件72底部半径的确定方法包括以下步骤：

S1.将钨坩埚1置于AlN感应生长炉中，设置为低埚位，低埚位能够保证坩埚1内部有较小的轴向梯度，便于籽晶5处形核。利用热场模拟软件comsol对炉体在稳态条件下进行温场模拟计算，温场模拟的温度范围为2000-2300度，压力控制在1atm以内，得到坩埚1内的温场结构图，如图2所示；图2所述坩埚1内的温场结构图为钨坩埚1沿轴线的纵剖面内的温度分布图，选取所述纵剖面中坩埚1底部所在线为底线，选取所述纵剖面的中轴线为高线；

从所述坩埚1内的温场结构图中可知，越靠近坩埚1底部中心位置，温度越低。

S2.在步骤S1的图2中选取温度为2557.7K的等温线作为分隔线，同时在图2中，于钨坩埚1高度的1/5处沿与底线平行的方向作基准线，所述分隔线与所述基准线的交点记作点A，沿与所述高线平行的方向经点A作垂线，所述垂线与所述底线的交点记作点B。

S3.在图2中，测量得到所述点B到所述高线的距离，记为n，n为26mm，再测量所述图中坩埚1底部半径，记为m，m为65mm，钨锥7圆柱部件72底部半径计算公式：n/m×坩埚1底部半径＝26mm。

所述圆台部件71的顶部的半径为13mm。

利用上述方法设计钨锥7，在钨坩埚1底部中心设置钨锥7并添加AlN原料4之后，将钨坩埚1设置为低埚位进行晶体生长，AlN原料4用量为250g。按照现有技术中的方法在钨坩埚1顶部放置AlN籽晶5；并将添加原料的钨坩埚1置于AlN生长炉的炉膛内，升温至2200-2300℃，保温48h，AlN单晶生长过程中感应生长炉内示意图如图3所示；然后降温至室温，最后取出钨坩埚1，得到AlN剩余原料质量为162g，经计算，原料利用率为35.2％。

当本实施例中的钨坩埚1使用150h之后，坩埚1内部如图4所示，从图4中可以明显看出，坩埚1底部仅中心区域有少量原料沉积，其可能由生长域6内的自然对流造成。采用本实施例中的钨锥7将坩埚1底部温度较低的中心区域与原料隔开，能够保证坩埚1底部不再有大面积的原料沉积，使得坩埚1便于清理，同时原料处于坩埚1底部周围的高温区，保证原料具有更高的利用率，加快了AlN单晶的生长速率。

对比例1

一种PVT法生长AlN晶体的方法，在进行晶体生长之前，未在坩埚中设置钨锥，其他条件与实施例1中相同。

本对比例的坩埚使用150h后，如图5所示，AlN原料在坩埚底部逐渐沉积，沉积高度超过10mm。原料沉积的原因主要是温度梯度的影响，由于坩埚底部中心区域温度较低，部分原料会逐渐沉积在低温区，沉积的原料十分坚固，极其难以清除，如图5中所示，即使将坩埚敲碎仍难以将沉积的原料完全取出，不仅对坩埚造成破坏，还使得原料严重浪费，原料升华率仅为10％。

Claims (8)

1.一种AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，具体为：向坩埚(1)中加入AlN原料(4)之前，先在坩埚(1)底部中心设置钨锥(7)，利用钨锥(7)将坩埚(1)底部划分为两部分，一部分为以坩埚(1)底部中心为圆心的圆形空白区(8)，另一部分为坩埚(1)底部除所述圆形空白区(8)外的填料区(9)；

所述钨锥(7)由下方的圆柱部件(72)和上方的圆台部件(71)构成，所述圆柱部件(72)底部半径与所述圆台部件(71)的底部半径相同；所述钨锥(7)高度为坩埚(1)高度的2/5-3/5，所述圆柱部件(72)高度为坩埚(1)高度的1/5-1/4；

设置钨锥(7)之后，在所述填料区(9)与钨锥(7)、坩埚(1)形成的容纳空间内填充AlN原料(4)，AlN原料(4)高度小于或等于钨锥(7)高度。

2.根据权利要求1所述的AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，所述钨锥(7)圆柱部件(72)底部半径的确定方法包括以下步骤：

S1.将坩埚(1)置于AlN单晶生长炉中，位置设定为在炉体内利于晶体成核的低埚位，利用热场模拟软件comsol对炉体在稳态条件下进行温场模拟计算，温场模拟的温度范围为2000-2300℃，压力控制在1atm以内，得到坩埚(1)内的温场结构图；

所述坩埚(1)内的温场结构图为坩埚(1)沿轴线的纵剖面内的温度分布图，选取所述纵剖面与坩埚(1)底部的交线为底线，选取所述纵剖面的中轴线为高线；

S2.在步骤S1所述坩埚(1)内的温场结构图中选取温度为T的等温线作为分隔线，同时在所述坩埚(1)内的温场结构图中，于坩埚(1)高度的1/5处沿与底线平行的方向作基准线，所述分隔线与所述基准线的交点记作点A，经点A沿与所述高线平行的方向作垂线，所述垂线与所述底线的交点记作点B；所述T为2555-2565K；

S3.在所述坩埚(1)内的温场结构图中，测量得到所述点B到所述高线的距离，记为n，再测量所述图中坩埚(1)底部半径，记为m，n/m与所述坩埚(1)底部半径的乘积即为钨锥(7)圆柱部件(72)底部半径。

3.根据权利要求2所述的AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，所述AlN单晶生长炉为感应法生长炉或电阻法生长炉。

4.根据权利要求2所述的AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，步骤S1中，所述低埚位对应的温场中，轴向梯度≤30℃。

5.根据权利要求2所述的AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，所述T为2557-2558K。

6.根据权利要求1所述的AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，所述钨锥(7)中空。

7.根据权利要求1所述的AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，所述圆台部件(71)的顶部半径为底部半径的1/3-1/2。

8.根据权利要求1所述的AlN单晶生长过程中低埚位防沉积的方法，其特征在于，所述坩埚(1)内AlN原料(4)的料面(3)面积大于坩埚(1)底部面积的2/3。

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