CN116536756A - 一种内循环式碳化硅晶体生长炉及晶体内循环生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内循环式碳化硅晶体生长炉，涉及碳化硅晶体生长炉技术领域，包括炉体，炉体内设有石墨坩埚，石墨坩埚由共轴设置的外坩埚和内坩埚组成，内坩埚的内部形成上升通道，外坩埚和内坩埚之间形成回流通道，内坩埚的底部周向上设有多个回流孔；上炉盖的底部固定设有晶体生长台，晶体生长台插接在外坩埚内，晶体生长台的底面设有内凹的，且与内坩埚顶部对应的晶体生长通道；晶体生长通道与上升通道、回流通道和回流孔形成炉体碳化硅晶体内循环生长通道。本发明可提高碳化硅晶锭的生产效率高，可确保碳化硅晶锭生长的品质，同时可降低了碳化硅晶锭生长过程中的能耗。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅晶体生长炉技术领域，具体涉及一种内循环式碳化硅晶体生长炉及晶体内循环生长方法。
背景技术
目前，碳化硅晶体制备通常在碳化硅晶体生长炉内生长得到，在晶体生长过程中，炉体内需要抽真空，通入保护气体(惰性气体)，碳化硅粉料在2000℃以上的高温下升华气态分子，保护气与这些气态分子在温度梯度作用下会传输到石墨坩埚顶部的籽晶面上重新结晶生长出碳化硅晶锭。
传统的碳化硅晶体生长炉受坩埚顶部面积的限制，往往只能生长单块碳化硅晶锭，无法一次性生长多块碳化硅晶锭，导致碳化硅晶锭生产效率低，另外，坩埚顶部上升的惰性气体中混有先后升华的气态分子，易导致生长出来的碳化硅晶锭品质一致性差，另外由于坩埚顶部温度低，上升至顶部，但未生长成为碳化硅晶锭的碳化硅气态分子重新结晶落入到坩埚底部，进行再一次受热升华，如此一来也会造成一定的较高能量损耗，为此，我们提出了一种内循环式碳化硅晶体生长炉及晶体内循环生长方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在无法一次性生长多个碳化硅晶锭，生长出来的碳化硅晶锭品质一致性差和能量损耗高的缺点，而提出的一种内循环式碳化硅晶体生长炉。该内循环式碳化硅晶体生长炉可提高碳化硅晶锭的生产效率高，可确保碳化硅晶锭生长的品质，同时可降低了碳化硅晶锭生长过程中的能耗。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种内循环式碳化硅晶体生长炉，包括炉体，所述炉体固定设置在操作台，所述炉体的底部固定有下炉盖，所述炉体的顶部可拆卸的方式固定有上炉盖，所述炉体的外侧套设有加热单元，所述炉体内设有坩埚支架，所述坩埚支架放置有石墨坩埚，所述石墨坩埚由共轴设置的外坩埚和内坩埚组成，所述内坩埚的内部形成上升通道，所述外坩埚和内坩埚之间形成回流通道，所述内坩埚的底部周向上设有多个回流孔；
所述上炉盖的底部固定设有晶体生长台，所述晶体生长台插接在外坩埚内，所述晶体生长台的底面设有内凹的，且与内坩埚顶部对应的晶体生长通道；
所述晶体生长通道与上升通道、回流通道和回流孔形成炉体碳化硅晶体内循环生长通道；
所述下炉盖上固定有保护气进气管，所述保护气进气管延伸至炉体内，并固定连接有均布盒，所述均布盒固定在坩埚支架的顶部内侧，所述均布盒的顶部周向上均布有多个注气管，所述注气管插入到内坩埚内，所述内坩埚的底部设有与多个所述注气管对应且大小适配的通孔；
所述晶体生长通道的横截面呈三角结构，所述晶体生长通道的外环由多个晶体生长斜面构成的多立面环形结构，内环由多个导流斜面构成的多立面锥形结构，每个所述导流斜面对应一个晶体生长斜面；
每个所述晶体生长斜面上固定设有晶体生长基座，所述晶体生长基座位于晶体生长通道的一端设有籽晶槽。
进一步的，所述炉体的一侧设有固定架，所述固定架固定设置在操作台，并固定在所述炉体的外侧，所述上炉盖的一侧设有升降机构，所述升降机构固定在炉体的顶部上，所述升降机构的升降输出端固定设有悬臂，所述悬臂的另一端固定在上炉盖上，所述升降机构为电动丝杆升降机构。
进一步的，所述加热单元为高频加热线圈，所述加热单元为多个，均布在炉体的外侧，沿炉体高度方向形成温度梯度。
进一步的，所述晶体生长基座的外侧固定设有绝热套。
进一步的，所述晶体生长台的内部为中空结构，内部设有低温管，所述晶体生长基座远离籽晶槽的一端固定在低温管上，所述低温管上设有进液管和出液管，通过进液管和出液管向低温管通入冷媒介质。
进一步的，所述注气管的管口高度低于所述回流孔的最高点。
进一步的，所述回流通道的底部设有导流罩，所述导流罩呈漏斗状。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种碳化硅晶体生长炉晶体内循生长方法，采用所述的内循环式碳化硅晶体生长炉，包括如下步骤：
步骤一、将石墨坩埚放置在坩埚支架上，并向石墨坩埚内添加碳化硅粉料；
步骤二、在每个晶体生长基座的籽晶槽内固定安装籽晶，形成多个碳化硅晶锭生长单元；
步骤三、将上炉盖与炉体对接密封，并对炉体内进行抽真空；
步骤四、向保护气进气管通入惰性保护气体，并对炉体进行加热，使其炉内温度上升至2000℃-2100℃，使石墨坩埚内形成内循环载气气流；
步骤五、形成的内循环载气气流将碳化硅粉料升华的气态分子平稳的运载通过各籽晶面；
步骤六、落入在籽晶面上碳化硅气态分子重新结晶生长出碳化硅晶锭，多个碳化硅晶锭生长单元一次性生长多个碳化硅晶锭，未落入的碳化硅气态分子继续在石墨坩埚内循环；
步骤七、待碳化硅晶锭完成生长后，停止加热，自然冷却后，将上炉盖升起，取下多个生长完成的碳化硅晶锭。
本发明提出的一种内循环式碳化硅晶体生长炉，有益效果在于：
(1)、本发明在石墨坩埚内形成循环气流，内部形成内循环载气气流，可避免石墨坩埚顶部形成涡流，可确保籽晶表面气流的稳定，使载气内的碳化硅升华气态分子均匀落入到籽晶表面，同时可避免先升华的气态分子与后升华的气态分子混流落入籽晶面上，确保了籽晶面上碳化硅气态分子落入的一致性，有利提高碳化硅晶锭生长的品质。
(2)、本发明采用碳化硅晶锭横置生长的方式，环绕的生长布局结构，可增加碳化硅晶锭生长所需空间以及提供更多的生长位置，可实现一次性生长多块碳化硅晶锭，提高碳化硅晶锭的生产效率。
(3)、本发明在石墨坩埚内形成循环气流，可使载气内的碳化硅始终处于气态分子状态，无需对升华后的气态分子进行二次加热升华，降低了碳化硅晶锭生长过程中的能耗。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的内部结构示意图；
图2是图1中关于点A的放大示意图；
图3是本发明中关于炉体外部的加热单元分布结构示意图；
图4是本发明中关于石墨坩埚内形成循环气流的示意图；
图5是本发明中关于石墨坩埚的内部结构示意图；
图6是本发明中关于坩埚支架的结构示意图；
图7是本发明中关于晶体生长台的结构示意图；
图8是本发明中关于晶体生长台的俯视示意图；
图中标记为：1、操作台；2、炉体；21、下炉盖；22、真空泵；24、坩埚支架；3、加热单元；31、固定架；4、上炉盖；41、晶体生长台；42、晶体生长通道；43、晶体生长斜面；44、导流斜面；45、晶体生长基座；46、籽晶槽；47、绝热套；48、升降机构；49、悬臂；5、外坩埚；51、内坩埚；52、上升通道；53、回流通道；54、回流孔；55、导流罩；56、通孔；6、保护气进气管；61、均布盒；62、注气管；7、低温管；71、进液管；72、出液管。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
实施例1
参见图1-8，一种内循环式碳化硅晶体生长炉，包括炉体2，炉体2固定设置在操作台1上，炉体2的底部固定有下炉盖21，炉体2的顶部可拆卸的方式固定有上炉盖4，炉体2的外侧套设有加热单元3，加热单元3为高频加热线圈，为了能够使炉体内形成梯度温度，加热单元3为多个，均布在炉体2的上部外侧，沿炉体2高度方向形成温度梯度。
炉体2内设有坩埚支架24，坩埚支架24放置有石墨坩埚，石墨坩埚由共轴设置的外坩埚5和内坩埚51组成，内坩埚51的内部形成上升通道52，外坩埚5和内坩埚51之间形成回流通道53，内坩埚51的底部周向上设有多个回流孔54。上炉盖4的底部固定设有晶体生长台41，晶体生长台41插接在外坩埚5内，晶体生长台41的底面设有内凹的，且与内坩埚51顶部对应的晶体生长通道42，晶体生长通道42与上升通道52、回流通道53和回流孔54形成炉体碳化硅晶体内循环生长通道。内坩埚51内上升的气流依次通过晶体生长通道42、回流通道53和回流孔54重新回到内坩埚51内，从而形成一个闭环结构的循环气流。为了使回流通道53内部下降的气流更好的穿过回流孔54进入到内坩埚51内部，在回流通道53的底部设有导流罩55，导流罩55呈漏斗状。
下炉盖21上固定有保护气进气管6，保护气进气管6延伸至炉体2内，并固定连接有均布盒61，均布盒61固定在坩埚支架24的顶部内侧，均布盒61的顶部周向上均布有多个注气管62，注气管62插入到内坩埚51内，内坩埚51的底部设有与多个注气管62对应且大小适配的通孔56，保护气进气管6可向内坩埚51的内部提供一个均匀且向上的惰性载气气流，用于运载升华后的碳化硅气态分子。为了使重新进入到内坩埚51内部的气流更好的上升，需要设置注气管62的管口高度低于回流孔54的最高点。
为了能使载气气流单方向流动，且均匀的通过晶体生长通道42，晶体生长通道42的横截面呈三角结构，晶体生长通道42的外环由多个晶体生长斜面43构成的多立面环形结构，内环由多个导流斜面44构成的多立面锥形结构，每个导流斜面44对应一个晶体生长斜面43，上升到顶部的气流在导流斜面44的引到下通过晶体生长通道42并落入到晶体生长斜面43上，在晶体生长斜面43的再次引到下进入到回流通道53，最后通过回流孔54回到上升通道52内。
每个晶体生长斜面43上固定设有晶体生长基座45，晶体生长基座45的外侧固定设有绝热套47，绝热套47起到一定的隔热作用，减少晶体生长基座45与晶体生长台41之间的热量传递，晶体生长基座45位于晶体生长通道42的一端设有籽晶槽46，籽晶槽46用于固定安装籽晶，当通过晶体生长通道42载气落到籽晶面上后，载气内的碳化硅气态分子重新结晶生长出碳化硅晶锭。
本发明的内循环式碳化硅晶体生长炉，在石墨坩埚内形成磁感线结构的闭环、循环气流，可避免石墨坩埚顶部形成涡流，一方面保证了籽晶面上碳化硅气态分子落入的一致性，有利提高碳化硅晶锭生长的品质，另一方面，采用碳化硅晶锭横置生长的方式，环绕的生长布局结构，可提供更多的生长位置，提高了碳化硅晶锭的生产效率，在使用过程中石墨坩埚内形成循环气流，可使载气内的碳化硅始终处于气态分子状态，无需对升华后的气态分子进行二次加热升华，降低了碳化硅晶锭生长过程中的能耗。
实施例2
参见图1，作为本发明的另一优选实施例，与实施例1的区别在于，炉体2的一侧设有固定架31，固定架31固定设置在操作台1上，固定架32固定在炉体2的外侧，上炉盖4的一侧设有升降机构，升降机构48固定在炉体2的顶部一侧，升降机构48的升降输出端固定设有悬臂49，悬臂49的另一端固定在上炉盖4上，升降机构48为电动丝杆升降机构，升降机构48可单独将上炉盖4升起，方便籽晶的安装和碳化硅晶锭取出。
实施例3
参见图1-2，作为本发明的另一优选实施例，与实施例1的区别在于，晶体生长台41的内部为中空结构，内部设有低温管7，晶体生长基座45远离籽晶槽46的一端固定在低温管7上，低温管7上设有进液管71和出液管72，通过进液管71和出液管72向低温管7通入冷媒介质。通过低温管7可降低晶体生长基座45的稳定，从而局域性的降低籽晶槽46内籽晶的温度，有利于碳化硅晶锭的碳化硅的生长，同时，由于是间接降温，也可减少对石墨坩埚内部温度的影响。
实施例4
为了进一步说明，本发明还提供了一种碳化硅晶体生长炉晶体内循生长方法，采用内循环式碳化硅晶体生长炉，包括如下步骤：
步骤1，将石墨坩埚放置在坩埚支架24上，并向石墨坩埚内添加碳化硅粉料。
步骤2，在每个晶体生长基座45的籽晶槽46内固定安装籽晶，形成多个碳化硅晶锭生长单元。
步骤3，将上炉盖4与炉体2对接密封，并对炉体2内进行抽真空，抽真空由真空泵22完成，该真空泵22设置在炉体2的底部一侧。
步骤4、向保护气进气管6通入惰性保护气体，并对炉体2进行加热，使其炉内温度上升至2000℃-2100℃，使石墨坩埚内形成内循环载气气流。
步骤5、形成的内循环载气气流将碳化硅粉料升华的气态分子平稳的运载通过各籽晶面。
步骤6、落入在籽晶面上碳化硅气态分子重新结晶生长出碳化硅晶锭，多个碳化硅晶锭生长单元一次性生长多个碳化硅晶锭，未落入的碳化硅气态分子继续在石墨坩埚内循环。
步骤7、待碳化硅晶锭完成生长后，停止加热，自然冷却后，将上炉盖6升起，取下多个生长完成的碳化硅晶锭。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种内循环式碳化硅晶体生长炉，包括炉体(2)，所述炉体(2)固定设置在操作台(1)，所述炉体(2)的底部固定有下炉盖(21)，所述炉体(2)的顶部可拆卸的方式固定有上炉盖(4)，所述炉体(2)的上部外侧套设有加热单元(3)，所述炉体(2)内设有坩埚支架(24)，所述坩埚支架(24)放置有石墨坩埚，其特征在于，所述石墨坩埚由共轴设置的外坩埚(5)和内坩埚(51)组成，所述内坩埚(51)的内部形成上升通道(52)，所述外坩埚(5)和内坩埚(51)之间形成回流通道(53)，所述内坩埚(51)的底部周向上设有多个回流孔(54)；
所述上炉盖(4)的底部固定设有晶体生长台(41)，所述晶体生长台(41)插接在外坩埚(5)内，所述晶体生长台(41)的底面设有内凹的，且与内坩埚(51)顶部对应的晶体生长通道(42)；
所述晶体生长通道(42)与上升通道(52)、回流通道(53)和回流孔(54)形成炉体碳化硅晶体内循环生长通道；
所述下炉盖(21)上固定有保护气进气管(6)，所述保护气进气管(6)延伸至炉体(2)内，并固定连接有均布盒(61)，所述均布盒(61)固定在坩埚支架(24)的顶部内侧，所述均布盒(61)的顶部周向上均布有多个注气管(62)，所述注气管(62)插入到内坩埚(51)内，所述内坩埚(51)的底部设有与多个所述注气管(62)对应且大小适配的通孔(56)；
所述晶体生长通道(42)的横截面呈三角结构，所述晶体生长通道(42)的外环由多个晶体生长斜面(43)构成的多立面环形结构，内环由多个导流斜面(44)构成的多立面锥形结构，每个所述导流斜面(44)对应一个晶体生长斜面(43)；
每个所述晶体生长斜面(43)上固定设有晶体生长基座(45)，所述晶体生长基座(45)位于晶体生长通道(42)的一端设有籽晶槽(46)。
2.根据权利要求1所述的一种内循环式碳化硅晶体生长炉，其特征在于，所述炉体(2)的一侧设有固定架(31)，所述固定架(31)固定设置在操作台(1)，并固定在所述炉体(2)的外侧，所述上炉盖(4)的一侧设有升降机构(48)，所述升降机构(48)固定在固定架(31)的顶部上，所述升降机构(48)的升降输出端固定设有悬臂(49)，所述悬臂(49)的另一端固定在上炉盖(4)上，所述升降机构(48)为电动丝杆升降机构。
3.根据权利要求1所述的一种内循环式碳化硅晶体生长炉，其特征在于，所述加热单元(3)为高频加热线圈，所述加热单元(3)为多个，均布在炉体(2)的外侧，沿炉体(2)高度方向形成温度梯度。
4.根据权利要求1所述的一种内循环式碳化硅晶体生长炉，其特征在于，所述晶体生长基座(45)的外侧固定设有绝热套(47)。
5.根据权利要求1所述的一种内循环式碳化硅晶体生长炉，其特征在于，所述晶体生长台(41)的内部为中空结构，内部设有低温管(7)，所述晶体生长基座(45)远离籽晶槽(46)的一端固定在低温管(7)上，所述低温管(7)上设有进液管(71)和出液管(72)，通过进液管(71)和出液管(72)向低温管(7)通入冷媒介质。
6.根据权利要求1所述的一种内循环式碳化硅晶体生长炉，其特征在于，所述注气管(62)的管口高度低于所述回流孔(54)的最高点。
7.根据权利要求1所述的一种内循环式碳化硅晶体生长炉，其特征在于，所述回流通道(53)的底部设有导流罩(55)，所述导流罩(55)呈漏斗状。
8.一种碳化硅晶体生长炉晶体内循生长方法，采用如权力要求1-7任一项所述的内循环式碳化硅晶体生长炉，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将石墨坩埚放置在坩埚支架(24)上，并向石墨坩埚内添加碳化硅粉料；
步骤2、在每个晶体生长基座(45)的籽晶槽(46)内固定安装籽晶，形成多个碳化硅晶锭生长单元；
步骤3、将上炉盖(4)与炉体(2)对接密封，并对炉体(2)内进行抽真空；
步骤4、向保护气进气管(6)通入惰性保护气体，并对炉体(2)进行加热，使其炉内温度上升至2000℃-2100℃，使石墨坩埚内形成内循环载气气流；
步骤5、形成的内循环载气气流将碳化硅粉料升华的气态分子平稳的运载通过各籽晶面；
步骤6、落入在籽晶面上碳化硅气态分子重新结晶生长出碳化硅晶锭，多个碳化硅晶锭生长单元一次性生长多个碳化硅晶锭，未落入的碳化硅气态分子继续在石墨坩埚内循环；
步骤7、待碳化硅晶锭完成生长后，停止加热，自然冷却后，将上炉盖(6)升起，取下多个生长完成的碳化硅晶锭。
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| CN117779179A (zh) * | 2024-02-23 | 2024-03-29 | 苏州优晶半导体科技股份有限公司 | 一种单晶生长装置和单晶生长方法 |
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