CN117248274A - 一种晶体生长控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种晶体生长控制系统及其工作方法；本发明提供了一种晶体生长控制系统，包括：发热筒、石墨锅、炉主体、上炉盖和软硬轴结构，所述石墨锅通过石墨杆固定在所述炉主体内；所述发热筒固定在所述石墨锅外部，所述发热筒适于加热石墨锅内的生长溶液；所述上炉盖盖合在所述炉主体上端；所述软硬轴结构可升降的设置在所述上炉盖上，且所述软硬轴结构的下端靠近所述生长溶液；通过软硬结构的设置，避免了石墨硬轴被硅蒸汽和助溶剂腐蚀；缓冲引导件起到了减缓重锤在向下移动过程中产生的晃动，不仅提高了设备的使用寿命，还提高了单晶生长的稳定性。

Description

一种晶体生长控制系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种晶体生长控制系统及其工作方法。

背景技术

液相法生长碳化硅（SiC）晶体时，将硅和金属助溶剂装入石墨坩埚中加热熔化，硅溶液溶解石墨中的碳形成含碳的硅溶液，再使用石墨硬轴将SiC籽晶浸入溶液中，使得籽晶附近过冷获得碳过饱和状态，碳析出在籽晶上外延生长SiC单晶。SiC单晶生长需要稳定的温度环境及重复性较高的热场环境，但在上述过程中，石墨硬轴导热性能极佳，中心大量散热不利于单晶层生长的稳定性，均匀性；且在高温状态下硅蒸汽和助溶剂不可避免的存在挥发的情况，石墨硬轴上会形成挥发物的沉积，造成石墨硬轴被侵蚀有断裂的风险，无法多次使用。因此，研发一种晶体生长控制系统及其工作方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶体生长控制系统及其工作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种晶体生长控制系统，包括：

发热筒、石墨锅、炉主体、上炉盖和软硬轴结构，所述石墨锅通过石墨杆固定在所述炉主体内；

所述发热筒固定在所述石墨锅外部，所述发热筒适于加热石墨锅内的生长溶液；

所述上炉盖盖合在所述炉主体上端；

所述软硬轴结构可升降的设置在所述上炉盖上，且所述软硬轴结构的下端靠近所述生长溶液。

作为优选，所述软硬轴结构包括：石墨硬轴、上软轴、重锤、下软轴和石墨头，所述石墨头设置在所述石墨锅上方，所述下软轴的两端分别固定在所述石墨头和所述重锤上；

所述重锤贯穿所述发热筒，且所述重锤上端凸出所述发热筒；

所述石墨硬轴可升降的设置在所述上炉盖上，所述上软轴固定在所述石墨硬轴和所述重锤之间；

周向转动所述石墨硬轴时，适于带动所述石墨头同步周向转动。

作为优选，所述上软轴为钨丝软轴，所述上软轴的长度为10cm。

作为优选，所述下软轴为钨丝软轴，所述下软轴的长度为4cm。

作为优选，所述发热筒内固定有一导流筒，所述导流筒呈锥形，所述导流筒适于引导气体的流动方向。

作为优选，所述上炉盖内固定有一定位板，所述上软轴适于贯穿所述定位板；

所述定位板下端固定有一缓冲引导件，所述缓冲引导件套设在所述石墨硬轴外壁，且所述缓冲引导件与所述石墨硬轴联动；

其中，所述缓冲引导件适于减缓重锤竖直上下移动过程中产生的晃动；

所述缓冲引导件适于限位生长溶液产生的硅蒸汽向上流动。

作为优选，所述缓冲引导件包括：压缩弹簧、风琴管和联动块，所述压缩弹簧上端固定在所述定位板上，所述风琴管套设在所述压缩弹簧外壁，且所述风琴管内侧适于与重锤外壁抵接；

所述联动块一端垂直固定在所述重锤外壁，且所述联动块另一端与所述压缩弹簧抵接。

作为优选，所述石墨头的直径大于所述重锤的外径。

作为优选，所述发热筒上端开设有一卡槽，所述卡槽内固定有一上护板，所述上护板适于盖合所述发热筒。

作为优选，所述上护板上开设有一通孔，所述通孔的内径大于所述重锤的外径，所述重锤贯穿所述通孔。

作为优选，所述上炉盖上固定有一CCD图像传感器；

所述上护板上还开设有一观测孔，所述观测孔与所述CCD图像传感器相对应，所述CCD图像传感器适于实施监测生长溶液。

另一方面，本发明还提供了一种晶体生长控制系统的工作方法，具体步骤如下：

发热筒适于加热石墨锅内的生长溶液；

石墨硬轴竖直向下移动，以使石墨头靠近生长溶液，压缩弹簧、风琴管和联动块的配合，适于减缓重锤在下降过程中的摆动；

而下软轴的设置，进一步减小了石墨头的摆动幅度；

气体沿重锤外壁向石墨锅的方向流动，所述重锤适于将气体分散至四周，同时，导流筒能够引导气体吹到石墨头的背部；能够加快晶体的生长速度；

重锤和导流筒的配合，还能够避免气体直径吹到生长溶液上引起波动；

风琴管适于限位阻挡生长溶液内硅蒸汽和助溶剂的挥发物与石墨硬轴接触，提高了石墨硬轴的使用寿命。

本发明的有益效果是，本发明的一种晶体生长控制系统，通过软硬结构的设置，避免了石墨硬轴被硅蒸汽和助溶剂腐蚀，避免了不均匀散热，提高了设备的使用寿命；缓冲引导件起到了减缓重锤的晃动，缓冲引导件结构简单，安全系数高，同时，重锤能够圆周分散气体，导流筒再将气体均匀打到石墨头区域，能够均匀散热，有利于晶体的生长。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明的一种晶体生长控制系统的优选实施例的立体图；

图2是本发明的图1中的A的局部放大图；

图3是本发明的缓冲引导件的立体图；

图4是本发明的风琴管内部立体图。

图中：

1、发热筒；10、导流筒；11、上护板；12、观测孔；

2、石墨锅；21、石墨杆；

3、炉主体；

4、上炉盖；40、定位板；41、压缩弹簧；42、风琴管；43、联动块；45、CCD图像传感器；

5、软硬轴结构；51、石墨硬轴；52、上软轴；53、重锤；54、下软轴；55、石墨头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

实施例一，如图1至图4所示，本发明提供了一种晶体生长控制系统，包括：发热筒1、石墨锅2、炉主体3、上炉盖4和软硬轴结构5，所述石墨锅2通过石墨杆21固定在所述炉主体3内；所述石墨锅2适于盛放硅和金属助溶剂，发热筒1对石墨锅2进行加热，使得石墨锅2内形成生长溶液。所述发热筒1固定在所述石墨锅2外部，所述发热筒1适于加热石墨锅2内的生长溶液；所述上炉盖4盖合在所述炉主体3上端；所述上盖炉适于盖合所述发热筒1，避免了石墨锅2内的稳定向外发散的同时，还能够使得石墨锅2内的生长溶液能够保持一个相对稳定的工作环境；所述软硬轴结构5可升降的设置在所述上炉盖4上，且所述软硬轴结构5的下端靠近所述生长溶液。软硬轴结构5的设置，相比较传统的石墨硬轴51结构，不仅能够避免石墨硬轴51结构散热不佳的问题，还能够避免了高温状态下硅蒸汽和助溶剂的挥发物腐蚀石墨硬轴51；同时，重锤53与气流的配合，提高了晶体生长温度更加稳定，提高了工作效率。

优选的，所述软硬轴结构5包括：石墨硬轴51、上软轴52、重锤53、下软轴54和石墨头55，所述石墨头55设置在所述石墨锅2上方，所述下软轴54的两端分别固定在所述石墨头55和所述重锤53上；所述下软轴54为钨丝软轴，所述下软轴54的长度为4cm。重锤53下方设置的下软轴54，长度小于上软轴52的长度，更大程度的减小了石墨头55的摆动幅度，下软轴54同样通过钼螺丝与重锤53固定，同样可以根据实际需要更改下软轴54的长度。所述重锤53贯穿所述发热筒1，且所述重锤53上端凸出所述发热筒1；所述石墨硬轴51可升降的设置在所述上炉盖4上，所述上软轴52固定在所述石墨硬轴51和所述重锤53之间；所述上软轴52为钨丝软轴，所述上软轴52的长度为10cm。所述上软轴52通过钼螺丝固定在石墨硬轴51上，不仅结构简单，拆卸方便，而且还容易保证对中性，同时，可以根据实际的需求，更改上软轴52的长度。周向转动所述石墨硬轴51时，适于带动所述石墨头55同步周向转动。石墨硬轴51设置在所述上护板11的上方，避免了高温状态下硅蒸汽和助溶剂挥发凝结侵蚀石墨硬轴51外壁，通过石墨硬轴51能够参与石墨头55的旋转和提拉，相对比传统的软轴结构，结构更加简单和快捷，且响应速度更快。而石墨头55没有直接与石墨硬轴51直接连接，极大的避免了热传导带来的热损失，能够使得石墨锅2内的生长区域温场更加的均匀。

参考附图2，为了提高生长溶液处的稳定性，所述发热筒1内固定有一导流筒10，所述导流筒10呈锥形，所述导流筒10适于引导气体的流动方向。所述重锤53下端适于插入导流筒10内圈，本发明所述的气体，优选为惰性气体，惰性气体自定位板40自上向下流向石墨锅2时，惰性气体适于沿重锤53外壁向四周分散，此时，导流筒10能够引导惰性气体吹向石墨头55背面，能够使得单晶区域整体上下梯度拉大，加快晶体生长速度，另一方面，重锤53和导流筒10的配合，避免了惰性气体直接吹到生长溶液上引起波动，造成晃动影响生长。

参考附图3，为了降低石墨头55的晃动幅度，所述上炉盖4内固定有一定位板40，所述上软轴52适于贯穿所述定位板40；所述定位板40下端固定有一缓冲引导件，所述缓冲引导件套设在所述石墨硬轴51外壁，且所述缓冲引导件与所述石墨硬轴51联动；其中，所述缓冲引导件适于减缓重锤53竖直上下移动过程中产生的晃动；所述缓冲引导件适于限位生长溶液产生的硅蒸汽向上流动。缓冲引导件位于定位板40和上炉盖4之间，此处的温度远远小于发热筒1内的温度，上护板11适于盖合并锁紧发热筒1内的温度。缓冲引导件处的温度不高于80°。

参考附图4，所述缓冲引导件包括：压缩弹簧41、风琴管42和联动块43，所述压缩弹簧41上端固定在所述定位板40上，所述风琴管42套设在所述压缩弹簧41外壁，且所述风琴管42内侧适于与重锤53外壁抵接；所述联动块43一端垂直固定在所述重锤53外壁，且所述联动块43另一端与所述压缩弹簧41抵接。联动块43的设置，在重锤53周向转动并竖直向下移动时，联动块43另一端沿压缩弹簧41底壁滑动，降低了重锤53在移动过程中产生的晃动，从而降低了石墨头55的晃动幅度；在石墨锅2内的硅蒸汽和助溶剂挥发并向上流动时，所述风琴管42适于限位该上升的气流，避免其继续向上流动腐蚀石墨硬轴51；在重锤53向上移动时，联动块43适于挤压所述压缩弹簧41，使其收缩形变，风琴管42同步被压缩，风琴管42内壁适于与重锤53外壁抵接，风琴管42内壁适于清理重锤53外壁的吸附物。

为了提高石墨头55的稳定性，所述石墨头55的直径大于所述重锤53的外径。石墨头55的直径大于重锤53，一方面能够提高与生长溶液的接触面积，另一方面，也能够拉大温度梯度，加快晶体生长速度。

所述发热筒1上端开设有一卡槽，所述卡槽内固定有一上护板11，所述上护板11适于盖合所述发热筒1。所述上护板11上开设有一通孔，所述通孔的内径大于所述重锤53的外径，所述重锤53贯穿所述通孔。所述上炉盖4上固定有一CCD图像传感器45；所述上护板11上还开设有一观测孔12，所述观测孔12与所述CCD图像传感器45相对应，所述CCD图像传感器45适于实施监测生长溶液。CCD图像传感器45的设置，适于实时监测晶体全程的生长和提断的状态。

实施例二，本实施例在实施例一的基础上，还提供了一种晶体生长控制系统的工作方法，包括如实施例一所述的一种晶体生长控制系统，具体结构与实施例一相同，此处不再赘述，具体的一种晶体生长控制系统的工作方法如下：

发热筒1适于加热石墨锅2内的生长溶液；

石墨硬轴51竖直向下移动，以使石墨头55靠近生长溶液，压缩弹簧41、风琴管42和联动块43的配合，适于减缓重锤53在下降过程中的摆动；

而下软轴54的设置，进一步减小了石墨头55的摆动幅度；

气体沿重锤53外壁向石墨锅2的方向流动，所述重锤53适于将气体分散至四周，同时，导流筒10能够引导气体吹到石墨头55的背部；能够加快晶体的生长速度；

重锤53和导流筒10的配合，还能够避免气体直径吹到生长溶液上引起波动；

风琴管42适于限位阻挡生长溶液内硅蒸汽和助溶剂的挥发物与石墨硬轴51接触，提高了石墨硬轴51的使用寿命。

本申请中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。并且，本申请所涉及的软件程序均为现有技术，本申请不涉及对软件程序作出任何改进。

在本发明实施例的描述中，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；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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (12)

1.一种晶体生长控制系统，其特征在于，包括：

发热筒（1）、石墨锅（2）、炉主体（3）、上炉盖（4）和软硬轴结构（5），所述石墨锅（2）通过石墨杆（21）固定在所述炉主体（3）内；

所述发热筒（1）固定在所述石墨锅（2）外部，所述发热筒（1）适于加热石墨锅（2）内的生长溶液；

所述上炉盖（4）盖合在所述炉主体（3）上端；

所述软硬轴结构（5）可升降的设置在所述上炉盖（4）上，且所述软硬轴结构（5）的下端靠近所述生长溶液。

2.如权利要求1所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述软硬轴结构（5）包括：石墨硬轴（51）、上软轴（52）、重锤（53）、下软轴（54）和石墨头（55），所述石墨头（55）设置在所述石墨锅（2）上方，所述下软轴（54）的两端分别固定在所述石墨头（55）和所述重锤（53）上；

所述重锤（53）贯穿所述发热筒（1），且所述重锤（53）上端凸出所述发热筒（1）；

所述石墨硬轴（51）可升降的设置在所述上炉盖（4）上，所述上软轴（52）固定在所述石墨硬轴（51）和所述重锤（53）之间；

周向转动所述石墨硬轴（51）时，适于带动所述石墨头（55）同步周向转动。

3.如权利要求2所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述上软轴（52）为钨丝软轴，所述上软轴（52）的长度为10cm。

4.如权利要求3所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述下软轴（54）为钨丝软轴，所述下软轴（54）的长度为4cm。

5.如权利要求4所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述发热筒（1）内固定有一导流筒（10），所述导流筒（10）呈锥形，所述导流筒（10）适于引导气体的流动方向。

6.如权利要求5所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述上炉盖（4）内固定有一定位板（40），所述上软轴（52）适于贯穿所述定位板（40）；

所述定位板（40）下端固定有一缓冲引导件，所述缓冲引导件套设在所述石墨硬轴（51）外壁，且所述缓冲引导件与所述石墨硬轴（51）联动；

其中，所述缓冲引导件适于减缓重锤（53）竖直上下移动过程中产生的晃动；

所述缓冲引导件适于限位生长溶液产生的硅蒸汽向上流动。

7.如权利要求6所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述缓冲引导件包括：压缩弹簧（41）、风琴管（42）和联动块（43），所述压缩弹簧（41）上端固定在所述定位板（40）上，所述风琴管（42）套设在所述压缩弹簧（41）外壁，且所述风琴管（42）内侧适于与重锤（53）外壁抵接；

所述联动块（43）一端垂直固定在所述重锤（53）外壁，且所述联动块（43）另一端与所述压缩弹簧（41）抵接。

8.如权利要求7所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述石墨头（55）的直径大于所述重锤（53）的外径。

9.如权利要求8所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述发热筒（1）上端开设有一卡槽，所述卡槽内固定有一上护板（11），所述上护板（11）适于盖合所述发热筒（1）。

10.如权利要求9所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述上护板（11）上开设有一通孔，所述通孔的内径大于所述重锤（53）的外径，所述重锤（53）贯穿所述通孔。

11.如权利要求10所述的一种晶体生长控制系统，其特征在于：

所述上炉盖（4）上固定有一CCD图像传感器（45）；

所述上护板（11）上还开设有一观测孔（12），所述观测孔（12）与所述CCD图像传感器（45）相对应，所述CCD图像传感器（45）适于实施监测生长溶液。

12.一种晶体生长控制系统的工作方法，其特征在于，使用如权利要求1-11任一项所述的一种晶体生长控制系统，具体步骤如下：

发热筒（1）适于加热石墨锅（2）内的生长溶液；

石墨硬轴（51）竖直向下移动，以使石墨头（55）靠近生长溶液，压缩弹簧（41）、风琴管（42）和联动块（43）的配合，适于减缓重锤（53）在下降过程中的摆动；

而下软轴（54）的设置，进一步减小了石墨头（55）的摆动幅度；

气体沿重锤（53）外壁向石墨锅（2）的方向流动，所述重锤（53）适于将气体分散至四周，同时，导流筒（10）能够引导气体吹到石墨头（55）的背部；能够加快晶体的生长速度；

重锤（53）和导流筒（10）的配合，还能够避免气体直径吹到生长溶液上引起波动；

风琴管（42）适于限位阻挡生长溶液内硅蒸汽和助溶剂的挥发物与石墨硬轴（51）接触，提高了石墨硬轴（51）的使用寿命。