CN202359230U - 氮化铝单晶的制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氮化铝单晶的制备装置，包括升降托盘、升降托盘上的坩埚和套在坩埚外的多孔的保温层，以及石英玻璃套管、感应加热线圈和第一密封连接件、第二密封连接件，所述石英玻璃套管套在所述保温层和坩埚外，所述感应加热线圈套在石英玻璃套管的外壁上，第一密封连接件位于石英玻璃套管下端与升降托盘之间，第二密封连接件位于石英玻璃套管上端之上，所述石英玻璃套管的下端口和上端口分别由第一密封连接件和第二密封连接件实现密封。该装置便于对氮化铝生长过程中的晶体形态进行实时监测，从而更好地控制氮化铝生长形态，以生产出低位错、高质量的单晶。

Description

氮化铝单晶的制备装置

技术领域

本实用新型涉及半导体制造装置，更具体地说，涉及一种氮化铝单晶的制备装置。

背景技术

第三代半导体材料由于能量禁带一般大于3.0电子伏，又被称为宽禁带半导体。相比于传统的硅基和砷化镓基半导体材料，宽禁带半导体，例如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及氮化铟(InN)等，由于其特有的禁带范围、优良的光、电学性质和优异的材料性能，能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，在汽车及航空工业、医疗、军事和普通照明方面具有十分广泛的应用前景。

氮化铝是一种优异的宽禁带半导体材料，是制作可以发射蓝绿光和紫外光的发光二极管和激光器、太阳目眩探测器、高能量凝聚态开关和整流器以及高能量密度微波晶体管的理想材料，对氮化铝等第三代半导体材料及器件的研究和开发，已成为半导体领域的一个热点。

目前，主要采用升华法制备氮化铝单晶，其制备装置主要包括：坩埚、套在坩埚外的多孔的保温层、套在保温层上的感应加热线圈以及最外层的外壳(不锈钢或金属铜外壳等)，通过感应加热线圈加热坩埚产生高温，使坩埚中的氮化铝物料再结晶，从而形成氮化铝单晶。

在氮化铝的生长结晶过程中，需要控制其生长形态，以生产出低位错、高质量的单晶，然而，上述制备装置的问题在于，很难对氮化铝生长过程中的形态进行实时监测，不利于氮化铝生长形态的控制。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是提供氮化铝单晶的制备装置，便于对氮化铝生长过程中的形态进行实时监测。

为解决上述问题，本实用新型提供一种氮化铝单晶的制备装置，包括：

升降托盘、升降托盘上的坩埚和套在坩埚外的多孔的保温层，以及石英玻璃套管、感应加热线圈和第一密封连接件、第二密封连接件，所述石英玻璃套管套在所述保温层和坩埚外，所述感应加热线圈套在石英玻璃套管的外壁上，第一密封连接件位于石英玻璃套管下端与升降托盘之间，第二密封连接件位于石英玻璃套管上端之上，所述石英玻璃套管的下端口和上端口分别由第一密封连接件和第二密封连接件实现密封，所述石英玻璃套管由中空的石英内管和石英外管以及石英内管和石英外管间的冷却水组成。

可选地，所述第一密封连接件包括：第一法兰、第一O型密封圈、第二O型密封圈和第三O型密封圈，所述第一法兰位于升降托盘与石英玻璃套管下端之间且位于石英玻璃套管的外侧，所述第一法兰的下表面通过第一O型密封圈与所述升降托盘密封连接，第二O型密封圈位于所述第一法兰的内壁与石英内管下端的外壁之间，第三O型密封圈位于所述第一法兰内壁与石英外管下端的外壁之间，石英玻璃套管下端具有轴向伸展的空间。

可选地，所述第一O型密封圈为双O型密封圈，双O型密封圈之间为真空。

可选地，所述第二密封连接件包括：第二法兰、盖板、第四O型密封圈、第五O型密封圈和第六O型密封圈，所述第二法兰位于石英玻璃套管上端之上且位于石英玻璃套管的外侧，所述盖板密封通过第六O型密封圈连接所述第二法兰，第四O型密封圈位于所述第二法兰的内壁与石英内管上端的外壁之间，第五O型密封圈位于所述第二法兰内壁与石英外管上端的外壁之间，石英玻璃套管上端具有轴向伸展的空间。

可选地，所述第二O型密封圈和所述第四O型密封圈为双O型密封圈，双O型密封圈之间为真空。

可选地，所述感应加热线圈套在所述石英玻璃套管的外壁上可移动。

可选地，所述多孔的保温层的材料为石墨多孔型材，所述多孔的保温层由中空圆柱体和中空圆柱体两端的实心圆盘组成，所述实心圆盘的正中央有冷却通道。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本实用新型实施例的氮化铝单晶的制备装置，采用石英玻璃套管作为外壳并套有感应加热线圈，由于石英玻璃具有磁场穿透、耐高温以及透明的特点，在实现对内部坩埚加热的同时，还便于通过X射线等手段对氮化铝生长过程中的晶体形态进行实时监测，从而更好地控制氮化铝生长形态，以生产出低位错、高质量的单晶。

附图说明

通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1为根据本实用新型实施例的氮化铝单晶的制备装置的剖面示意图；

图2为根据本实用新型实施例的第一密封连接件的剖面结构示意图；

图3为根据本实用新型实施例的保温层的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术部分所述，在氮化铝的生长结晶过程中，需要控制其生长形态，以生产出低位错、高质量的单晶。

基于此，本实用新型提供了氮化铝单晶的制备装置，采用石英玻璃套管作为外壳并套有感应加热线圈，由于石英玻璃具有磁场穿透、耐高温以及透明的特点，在实现对内部坩埚加热的同时，还便于通过X射线等手段对氮化铝生长过程中的晶体形态进行实时监测，从而更好地控制氮化铝生长形态，以生产出低位错、高质量的单晶。

参考图1所示，该氮化铝单晶的制备装置包括：升降托盘100、升降托盘100上的坩埚和套在坩埚外的多孔的保温层110，以及石英玻璃套管300、感应加热线圈400和第一密封连接件200、第二密封连接件500，所述石英玻璃套管套300在所述保温层110和坩埚外，所述感应加热线圈套400在石英玻璃套管300的外壁上，第一密封连接件200位于石英玻璃套管300下端与升降托盘100之间，第二密封连接件500位于石英玻璃套管300上端之上，所述石英玻璃套管300的下端口和上端口分别由第一密封连接件200和第二密封连接件500实现密封，所述石英玻璃套管由中空的石英内管和石英外管以及石英内管和石英外管间的冷却水组成。

通过由中空的石英内管和石英外管以及石英内管和石英外管间的冷却水组成的石英玻璃套管作为外壳，该石英玻璃套管具有磁场穿透和耐高温的特点，可以将感应加热线圈的热量传入到内部，此外，该石英玻璃套管还具有透明的特点，在实现对内部坩埚加热的同时，还便于对氮化铝生长过程中的形态进行实时监测，提高氮化铝的质量，而且石英玻璃套管中的冷却水还可以将多余的热量带走，起到更好地控制加热温度的作用。

以下将结合本实用新型的优选实施例进行详细的描述。所述石英玻璃套管可以采用合适的方式进行密封，在本实用新型的优选实施例中，参考图2所示，所述第一密封连接件由第一法兰200-4、第一O型密封圈200-1、第二O型密封圈200-2和第三O型密封圈200-3组成，所述第一法兰200-4位于升降托盘100与石英玻璃套300-1、300-2管下端之间且位于石英玻璃套管300-1、300-2的外侧，所述第一法兰200-4的下表面通过第一O型密封圈200-1与所述升降托盘100密封连接，第二O型密封圈200-2位于所述第一法兰200-4的内壁与石英内管300-1下端的外壁之间，第三O型密封圈200-3位于所述第一法兰200-4内壁与石英外管300-2下端的外壁之间，石英玻璃套管下端具有轴向伸展的空间。

其中，所述第一法兰200-4可以由多个部件组成，在一个实施例中，如图2所示，第一法兰由三部分组成，通过第一法兰实现石英玻璃套管下端与升降托盘的密封和连接。

所述第二密封连接件可以由第二法兰、盖板、第四O型密封圈、第五O型密封圈和第六O型密封圈组成，所述第二法兰位于石英玻璃套管上端之上且位于石英玻璃套管的外侧，参考图1，所述盖板500-1通过第六O型密封圈密封连接所述第二法兰500-2，第四O型密封圈位于所述第二法兰的内壁与石英内管上端的外壁之间，第五O型密封圈位于所述第二法兰内壁与石英外管上端的外壁之间，石英玻璃套管上端具有轴向伸展的空间。其中第二法兰通过O型密封圈与石英玻璃套管密封的方式(图未示出)同第一法兰与O型密封圈的方式，所述盖板通过第六O型密封圈密封连接第二法兰的方式同所述第一法兰的下表面通过第一O型密封圈与所述升降托盘密封连接，在此不再赘述。

其中，盖板将第二法兰密封成密封盖，第二法兰和第四、第五O型密封圈实现石英玻璃套管上端的密封。

其中，所述第二和第四O型密封圈可以为双O型密封圈，双O型密封圈间具有可以抽真空的装置，以使双O型密封圈之间为真空，使密封面增加为6个，使密封性能更好。

在氮化铝单晶的制备过程中，石英玻璃套管的中部温度高于两端，其热膨胀也大于两端，在石英玻璃套管的轴向有热膨胀，如果采用传统的密封胶固定两端的密封方式，会导致石英玻璃套管的破裂。

采用上述的密封连接件进行密封时，在进行加热时，石英玻璃套管受热轴向膨胀，由于在石英内管和石英外管与第一法兰内壁间有O型密封圈只要轴向膨胀的力克服了石英套管与O型密封圈之间的摩擦力，O型密封圈就可以为石英玻璃套管的物理支撑，同时由于石英玻璃套管具有轴向伸展的空间，石英玻璃套管还可以在轴向空间伸展，从而，在保证密封的同时满足热膨胀的需求。

此外，所述第一法兰的下表面通过第一O型密封圈与所述升降托盘密封连接，所述盖板通过第六O型密封圈与第二法兰密封，第一和第六O型密封圈可以为双O型密封圈，双O型密封圈之间为真空。由于下法兰和升降托盘之间需要经常拆卸，采用双O型密封圈并抽真空的方式，以更好地确保反应腔体的密封性。此外，所述感应加热线圈置于石英玻璃套管之外，也就是制备装置的外壳外，可以将感应加热线圈设置为可移动的模式，这样可以根据具体的制造工艺，调节感应加热线圈相对于坩埚的位置，以控制梯度，得到更好的温度场。

所述多孔的保温层的材料可以为石墨多孔型材，可以制成各种形状以更好地调节温度的分布，在本实施例中，如图3所示，所述多孔的保温层由中空圆柱体110-1和中空圆柱体两端的实心圆盘110-2组成，所述实心圆盘110-2的正中央有冷却通道110-3，冷却通道的尺寸会影响坩埚表面及坩埚内部的温度，当冷却通道尺寸增大，而要达到相同的坩埚内的温度，需要更高的坩埚表面温度。

本实用新型的氮化铝单晶的制备装置，具有玻璃石英套管的外壳并在其外壁上安装感应加热线圈，这样感应加热线圈的热量透过玻璃石英套管和多孔的保温层将内部的坩埚加热，玻璃石英套管的结构更易于实时监测氮化铝单晶的生长形态，利于提高单晶的质量，而且感应加热线圈安装玻璃石英套管外，更容易精确地控制加热的温度场。

另外，在优选的实施例中，采用法兰与O型圈的密封方式将玻璃石英套管内部密封，具有更高的密封性。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。

虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种氮化铝单晶的制备装置，包括升降托盘、升降托盘上的坩埚和套在坩埚外的多孔的保温层，其特征在于，还包括石英玻璃套管、感应加热线圈和第一密封连接件、第二密封连接件，所述石英玻璃套管套在所述保温层和坩埚外，所述感应加热线圈套在石英玻璃套管的外壁上，第一密封连接件位于石英玻璃套管下端与升降托盘之间，第二密封连接件位于石英玻璃套管上端之上，所述石英玻璃套管的下端口和上端口分别由第一密封连接件和第二密封连接件实现密封，所述石英玻璃套管由中空的石英内管和石英外管以及石英内管和石英外管间的冷却水组成。

2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述第一密封连接件包括：第一法兰、第一O型密封圈、第二O型密封圈和第三O型密封圈，所述第一法兰位于升降托盘与石英玻璃套管下端之间且位于石英玻璃套管的外侧，所述第一法兰的下表面通过第一O型密封圈与所述升降托盘密封连接，第二O型密封圈位于所述第一法兰的内壁与石英内管下端的外壁之间，第三O型密封圈位于所述第一法兰内壁与石英外管下端的外壁之间，石英玻璃套管下端具有轴向伸展的空间。

3.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，所述第一O型密封圈为双O型密封圈，双O型密封圈之间为真空。

4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述第二密封连接件包括：第二法兰、盖板、第四O型密封圈、第五O型密封圈和第六O型密封圈，所述第二法兰位于石英玻璃套管上端之上且位于石英玻璃套管的外侧，所述盖板通过第六O型密封圈密封连接所述第二法兰，第四O型密封圈位于所述第二法兰的内壁与石英内管上端的外壁之间，第五O型密封圈位于所述第二法兰内壁与石英外管上端的外壁之间，石英玻璃套管上端具有轴向伸展的空间。

5.根据权利要求2或4所述的制备装置，其特征在于，所述第二O型密封圈和所述第四O型密封圈为双O型密封圈，双O型密封圈之间为真空。

6.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述感应加热线圈套在所述石英玻璃套管的外壁上可移动。

7.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述多孔的保温层的材料为石墨多孔型材，所述多孔的保温层由中空圆柱体和中空圆柱体两端的实心圆盘组成，所述实心圆盘的正中央有冷却通道。

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