CN209584423U - 晶体生长的加热装置及生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种晶体生长的加热装置，涉及晶体生长技术领域；包括从上到下依次设置的多个独立的加热单元；每个加热单元均包括壳体、保温层及加热炉丝；所述壳体为空心柱体；每个加热单元的壳体表面分别螺旋缠绕有所述加热炉丝；所述保温层设在所述壳体与加热炉丝外；上下相邻的两个加热单元可拆卸连接；多个加热单元的壳体围成一空腔；各加热单元自由组合、单独更换，在使用过程中若出现局部加热丝断裂后直接更换损坏的加热单元即可，不用报废整个加热炉，可大幅度提高加热炉的利用率及降低使用成本。

Description

晶体生长的加热装置及生长装置

技术领域

本实用新型涉及晶体生长技术领域，特别是涉及一种晶体生长的加热装置及生长装置。

背景技术

磷化铟是极具战略性的重要半导体材料之一，在光通信、毫米波高频、低噪声、宽带微电子集成等领域具有重要的应用。

随着InP材料被广泛应用在固态发光、微波通信、光纤通信、微波、毫米波器件、抗辐射太阳能电池等高技术领域。InP单晶已成为一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光纤通信用的激光器、探测器、网络光通信用的集成电路以及高频微波器件。随着InP基器件的广泛应用，磷化铟单晶制备工艺就显得尤为重要，现在普遍使用的磷化铟单晶生长方法是VGF法(垂直温度梯度法)，也称为温度梯度凝固发，这种生长方法可以抑制在单晶生长中位错缺陷的产生，从而得到低位错密度缺陷的磷化铟衬底。

虽然VGF技术已广泛用于生长低位错密度的GaAs、InP等单晶材料。但是常规的VGF加热炉大都采用炉体的内径相同、长度按设计确定的一个整体，然后在炉体上用相同直径的加热炉丝连续绕制，通过改变加热炉丝的缠绕密度达到不同温区的温度的差异，在加热炉丝两端引出抽头作为电极的形式来加工成多温区加热炉，并用于晶体生长。由于VGF加热炉的温区数量多，绕制的加热炉长度大，导致这种加热炉容易变形，同心度差，同心度又会影响晶体生长温场的对称性，进而影响晶体的掺杂均匀性和位错分布的均匀性。此外，在使用过程中若出现局部炉丝断裂后会造成整个加热炉报废，增加了晶体生长的成本。

实用新型内容

本实用新型的第一目的是，在使用VGF法进行InP单体生长过程中提供一种拼装组合式加热装置，能大幅度提高加热装置的利用率及降低生产成本。本实用新型的第一目的由以下技术方案实现：

一种晶体生长的加热装置，其特征在于，包括从上到下依次设置的多个独立的加热单元；每个加热单元均包括壳体、保温层及加热炉丝；所述壳体为空心柱体；每个加热单元的壳体表面分别螺旋缠绕有所述加热炉丝；所述保温层设在所述壳体与加热炉丝外；上下相邻的两个加热单元可拆卸连接；多个加热单元的壳体围成一空腔。

进一步地，还包括炉体上口、炉体下口；所述炉体上口与所述炉体下口均为空心柱体；所述加热装置中，位于顶部的加热单元的顶端与所述炉体上口可拆卸连接，位于底部的加热单元的底端与所述炉体下口可拆卸连接，所述炉体上口、多个加热单元以及所述炉体下口连接后同轴。

进一步地，每个加热单元的所述壳体及炉体上口、炉体下口均为空心圆柱体，所述可拆卸连接的连接方式为使用金属卡环卡扣连接。

进一步地，还包括加热控制器，所述加热控制器用于控制加热所述加热炉丝。

进一步地，，所述加热控制器的数量为一个，每个加热单元分别连接所述加热控制器、或所述多个加热单元的加热炉丝串联后连接所述加热控制器。

进一步地，所述加热控制器的数量与加热单元的数量相同，每个加热单元分别连接一个加热控制器。

本实用新型的第二目的是，基于上述提供晶体生长的加热装置提供了一种晶体生长装置。本实用新型的第二目的由以下技术方案实现：

一种晶体生长装置，其特征在于，包括加热装置、内部支撑结构及生长管，所述加热装置为第一目的的技术方案所述的加热装置，所述内部支撑结构放置在所述加热装置的所述空腔内，所述内部支撑结构为具有一个生长管容纳腔的圆柱体，所述生长管放置于所述生长管容纳腔内。

进一步地，还包括同心度调整单元，所述同心度调整单元设置于每个加热单元的所述壳体内壁，用于调整每个加热单元与所述内部支撑结构的同心度。

进一步地，每个加热单元对应的同心度调整单元均为两组，分别位于所述加热单元的壳体内壁的顶端与底端，沿壳体内壁的圆周方向设置。

进一步地，每组同心度调整单元包括多个调整模块，所述多个调整模块沿所述壳体内壁的圆周方向等间距设置。

进一步地，每组同心度调整单元的调整模块的数量为3个或者4个。

进一步地，所述调整模块由可塑性材料制成。

进一步地，所述可塑性材料为耐火砖材料。

本实用新型所产生的有益的技术效果是：本实用新型的所公开的技术方案可以很好地控制每一个加热单元的加热温度，每个加热单元之间不会出现冷点，在1000摄氏度条件下，其控制温度可以满足正负0.3摄氏度；对同心度的精确调整可显著改善晶体的均匀性和位错分布的均匀性；同时在大规模生产晶体的过程中，每段加热单元可以作为标准件，可以互换使用、便于更换，在使用过程中若出现局部加热炉丝断裂后直接更换损坏的加热单元即可，不用报废整个加热装置，可大幅度提高加热装置的利用率及降低使用成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例二提供的生长装置的纵剖面构造图。

图2是本实用新型提供的一个加热单元的纵剖面构造图。

图3是分实用新型提供的调整模块的布置示意图一。

图4是分实用新型提供的调整模块的布置示意图二。

图5是使用本实用新型公开的生长装置所生长的磷化铟单晶体切片的测试点设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

实施例1

如图1、2所示，一种晶体生长的加热装置，炉体上口1与炉体下口2，以及炉体上口1与炉体下口2之间、从上向下依次设置的多个独立的加热单元；本实施中包括四个独立的加热单元，从上到下依次为：第一加热单元3、第二加热单元4、第三加热单元5及第四加热单元6。

每一个加热单元均包括壳体11、保温层13；壳体11为空心圆柱体；每个加热单元的壳体11表面分别螺旋缠绕有加热炉丝12；保温层13包裹在在壳体11与加热炉丝12外；炉体上口1、炉体下口2为空心圆柱体；炉体上口1与第一加热单元3的顶端、四个加热单元之间、第四加热单元6的底端与炉体下口2 可拆卸的连接，炉体上口1、四个加热单元及炉体下口2连接后同轴。本实施例中，可拆卸的连接方式为使用金属卡环卡扣连接(图中未示)；四个加热单元的壳体围成一空腔，一内部支撑结构8放置在所述空腔内。

加热炉丝12两端向外延伸有两个电极接线端子：上端子14、下端子15，上端子14位于加热单元的上端，下端子15位于加热单元的下端；每个加热单元通过上端子14与下端子15分别连接同一个加热控制器、或者四个加热单元通过上端子14与下端子15分别连接四个加热控制器、或者四个加热单元的加热炉丝串联(第一加热单元3的下端子连接第二加热单元4的上端子、第二加热单元4的下端子连接第三加热单元5的上端子、第三加热单元5的下端子连接第四加热单元6的上端子)后共同连接一个加热控制器(通过第一加热单元3 的上端子与第四加热单元6的下端子连接一加热控制器)；所述加热控制器用于控制加热所述加热炉丝(加热单元同加热控制器的连接方式图中未示)。

在实际使用中，可以根据晶体生长的长度来确定加热单元的数量，也可以根据整个温度热场的梯度分布要求，来确定加热单元的数量、每个加热单元的长度、内径、保温层厚度、加热炉丝的直径与缠绕密度等。

如图1所示，在本实施例提供的加热装置的有四个独立的加热单元；这四个独立的加热单元有效温区长度也不尽相同，加热炉丝的缠绕密度不同，技术人员会根据不同的工艺要求来拼装组合，使得整个温度热场满足工艺要求。

实施例2

一种晶体生长装置，包括加热装置、内部支撑结构8及生长管7，所述加热装置为实施例1所公开的加热装置，内部支撑结构8放置在所述加热装置的所述空腔内，内部支撑结构8为具有一个生长管容纳腔的圆柱体，生长管7放置于所述生长管容纳腔内。

所述晶体生长装置还包括还包括同心度调整单元；如图1、3、4所示，每个加热单元对应的同心度调整单元均为两组，分别为第一同心度调整单元16a、第二同心度调整单元16b，其中第一同心度调整单元16a位于壳体11内壁的顶端，第二同心度调整单元16b位于壳体11内壁的底端，每一组同心度调整单元均包括多个调整模块18，多个调整模块18在壳体11内壁侧沿壳体圆周方向等间距设置，调整模块18可以是3个也可以是4个，调整模块18由可塑性材料制成，比如耐火砖材料；所述同心度调整单元用于调整每个加热单元与内部支撑结构8的同心度，内部支撑结构8用于支撑生长管7，同心度的一致能够保证生长管7在该加热单元内的部分各向受热均匀一致，从而保证了晶体位错分布的均匀性。

本实施例提供的晶体生长装置的安装方法与使用方法如下：

S1：加热装置的机械连接

将炉体下口2、加热单元6、加热单元5、加热单元4、加热单元3、炉体上口1下到上依次拼装后固定，炉体下口2与加热单元6、相邻的两个加热单元之间、加热单元3与炉体上口1之间可拆卸的连接，本实施例中使用金属卡环卡扣连接，也可采用其他可拆卸的连接方式进行连接，这里没有一一列举；拼装好的加热装置带有空腔；

S2：同心度调整

内部支撑结构8放入拼装好的加热装置的空腔内，调整每一个加热单元对应的第一同心度调整单元16a、第二同心度调整单元16b的多个调整模块18的厚度以调整内部支撑结构8与加热装置的同心度，其同心度的偏差为±0.5mm 以内；

S3：与加热控制器的连接

每个加热单元分别连接一个加热控制器、或者四个加热单元分别连接四个加热控制器、或者四个加热单元的加热炉丝串联后共同连接一个加热控制器；

S4：将生长管7放入内部支撑结构8，生长管7与内部支撑结构8之间的空隙处用保温棉填充；

S5：晶体生长过程中，按照工艺要求调节各个加热单元的温度，达到建立合理的温度热场的目的。

使用本实用新型所公开的加热装置及晶体生长装置进行磷化铟单晶生长，对生长出的晶体棒进行切片测试，对头片跟尾片的测试部位如图5所示，各点的载流子浓度测试结果见表一：

表一：头片与尾片各点的载流子浓度(单位x10¹⁸/cm³)

其中径向均匀性的计算公式为：

(五个测试点的最大值-五个测试点的最小值)/五个测试点的平均值。

由表一的数据可知，使用本实用新型所公开的加热装置生长出来的磷化铟单晶体，头片尾片的平均载流子浓度控制在了(3-5)x10¹⁸/cm³，表明晶体纵向载流子浓度均匀性处在较理想范围；并且单片径向载流子浓度均匀性控制在5％以内，有效的改善了晶体的电学参数，提高了晶体位错密度缺陷均匀性。

本实用新型所公开的晶体生长的加热装置，来实现不同数量的温区组合，获得晶体生长所需合理的温度分布。可以很好地控制每一段单元加热的温度，并且每个加热单元之间不会出现冷点，在1000摄氏度条件下，其控制温度可以满足正负0.3摄氏度，可根据所需晶体生长的长度来确定加热单元的数量。也可以根据整个温度热场的梯度分布要求，来确定加热单元的内径、保温层厚度、加热温区长度等。实现各加热单元自由组合、单独更换、同心度精确调整等功能；可显著改善晶体的均匀性和位错分布的均匀性。同时在大批量晶体炉规模生产晶体的过程中，每段炉可以作为标准件可以互换使用、便于更换；在使用过程中若出现局部加热炉丝断裂后直接更换损坏的加热单元即可，不用报废整个加热装置，可大幅度提高加热装置的利用率，生产成本也降低了10％左右。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，不经创造性所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体生长的加热装置，其特征在于，包括从上到下依次设置的多个独立的加热单元；每个加热单元均包括壳体、保温层及加热炉丝；所述壳体为空心柱体；每个加热单元的壳体表面分别螺旋缠绕有所述加热炉丝；所述保温层设在所述壳体与加热炉丝外；上下相邻的两个加热单元可拆卸连接；多个加热单元的壳体围成一空腔。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，还包括炉体上口、炉体下口；所述炉体上口与所述炉体下口均为空心柱体；所述加热装置中，位于顶部的加热单元的顶端与所述炉体上口可拆卸连接，位于底部的加热单元的底端与所述炉体下口可拆卸连接，所述炉体上口、多个加热单元以及所述炉体下口连接后同轴。

3.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于，每个加热单元的所述壳体及炉体上口、炉体下口均为空心圆柱体，所述可拆卸连接的连接方式为使用金属卡环卡扣连接。

4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，还包括加热控制器，所述加热控制器用于控制加热所述加热炉丝。

5.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述加热控制器的数量为一个，每个加热单元分别连接所述加热控制器、或所述多个加热单元的加热炉丝串联后连接所述加热控制器。

6.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述加热控制器的数量与加热单元的数量相同，每个加热单元分别连接一个加热控制器。

7.一种晶体生长装置，其特征在于，包括加热装置、内部支撑结构及生长管，所述加热装置为权利要求3～6任意一项所述的加热装置，所述内部支撑结构放置在所述加热装置的所述空腔内，所述内部支撑结构为具有一个生长管容纳腔的圆柱体，所述生长管放置于所述生长管容纳腔内。

8.根据权利要求7所述的晶体生长装置，其特征在于，还包括同心度调整单元，所述同心度调整单元设置于每个加热单元的所述壳体内壁，用于调整每个加热单元与所述内部支撑结构的同心度。

9.根据权利要求8所述的晶体生长装置，其特征在于，每个加热单元对应的同心度调整单元均为两组，分别位于所述加热单元的壳体内壁的顶端与底端，沿壳体内壁的圆周方向设置。

10.根据权利要求9所述的晶体生长装置，其特征在于，每组同心度调整单元包括多个调整模块，所述多个调整模块沿所述壳体内壁的圆周方向等间距设置。