CN216786307U - 晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种晶体生长装置，涉及半导体材料技术领域，通过将坩埚设置于外套体的空腔内，从而在对坩埚加热，且坩埚内放置有碳化硅粉体的情况下，碳化硅粉体能够升华以在坩埚顶壁朝向坩埚底壁的表面结晶，而坩埚顶壁具有相连的至少两调温部分，喷气组件能够对至少两调温部分中的至少一者吹气，从而相应改变被气体所吹调温部分的温度，以此相应改变坩埚内结晶处的温度梯度，相对于现有技术而言，不再需要改变其对坩埚进行加热的热场分布，进而不会影响坩埚内部的碳化硅的升华过程以及传输过程，以保证制得的碳化硅晶体的品质。

Description

晶体生长装置

技术领域

本实用新型涉及半导体材料技术领域，尤其是涉及一种晶体生长装置。

背景技术

碳化硅是继第一代半导体Si、第二代半导体GaAs之后发展起来的重要的第三代半导体材料，具有宽带隙、高临界电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度及化学稳定性好等特点，因此其作为制备高频率、大功率、高温、高频耐腐蚀和抗辐照半导体器件的理想衬底材料，并在混合动力汽车、高压输电、LED照明和航天航空等领域崭露头角，而碳化硅晶体需要通过合成的方式获得，制得高质量的碳化硅晶体则是实现这些碳化硅器件的优异性能的基础。

目前碳化硅晶体普遍采用物理气相传输法(PVT)进行生长，其主要原理为：在一个坩埚中放入碳化硅粉体，然后将碳化硅粉体加热到2300℃升华，碳化硅粉体在氩气等惰性气体气氛的下，升华的碳化硅由坩埚轴向的高温区沿温度梯度到低温区结晶成为块状晶体。而要生长高质量的碳化硅晶体需要对结晶处附近的温度进行控制。

现有技术中通常采用调节加热器的热场分布等方式来对碳化硅结晶处的温度进行控制。然而，这种调控方式会对坩埚内部的碳化硅的升华过程以及传输过程造成影响，最终影响制得的碳化硅晶体的品质。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种晶体生长装置，不会影响坩埚内部的碳化硅的升华过程以及传输过程，保证制得的碳化硅晶体的品质。

本实用新型实施例提供了一种晶体生长装置，包括：

外套体，具有空腔；

坩埚，设置于所述空腔内，所述坩埚包括在竖直方向相对的坩埚顶壁和坩埚底壁，所述坩埚顶壁朝向所述坩埚底壁的表面用于供晶体生长，其中，所述坩埚顶壁具有相连的至少两调温部分；

喷气组件，连通于所述空腔，且所述喷气组件和所述空腔的连通处对应于所述坩埚顶壁，所述喷气组件用于向所述至少两调温部分中的至少一者吹气。

本实用新型实施例的晶体生长装置，通过将坩埚设置于外套体的空腔内，从而在对坩埚加热，且坩埚内放置有碳化硅粉体的情况下，碳化硅粉体能够升华以在坩埚顶壁朝向坩埚底壁的表面结晶，而坩埚顶壁具有相连的至少两调温部分，喷气组件能够对至少两调温部分中的至少一者吹气，从而相应改变被气体所吹的调温部分的温度，以此相应改变坩埚内结晶处的温度梯度，相对于现有技术而言，不再需要改变其对坩埚进行加热的热场分布，进而不会影响坩埚内部的碳化硅的升华过程以及传输过程，以保证制得的碳化硅晶体的品质。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例晶体生长装置的示意图；

图2为本实用新型实施例坩埚的坩埚顶壁的示意图；

图3为图1的A-A剖视图；

图4为本实用新型实施例的功能模块框图。

图标：1-外套体；10-空腔；12-第一孔；14-第二孔；16-凹槽；18-出气孔；3-坩埚；30-坩埚顶壁；301-第一调温部分；303-第二调温部分；32-坩埚底壁；5-籽晶；70-气源；72-第一气管；74-第二气管；741-主道管；743-分支管；76-第三气管；78-三通阀；81-第一阀门；83-第二阀门；90-真空泵； 92-流量检测元件；94-控制器；96-气压检测元件；98-抽气管。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参考图1至图3，本实用新型实施例提供了一种晶体生长装置，该晶体生长装置包括外套体1、坩埚3和喷气组件，外套体1具有封闭的空腔 10；坩埚3设置于空腔10内，坩埚3包括坩埚顶壁30和坩埚底壁32，坩埚顶壁30朝向坩埚底壁32的表面用于供晶体生长，其中，坩埚顶壁30具有相连的至少两调温部分。喷气组件连通于空腔10，且喷气组件与空腔的连通处对应于坩埚顶壁30，喷气组件用于向至少两调温部分中的至少一者吹气。

由此，通过将坩埚3设置于外套体1的空腔10内，从而在对坩埚3加热，且坩埚3内放置有碳化硅粉体的情况下，碳化硅粉体能够升华以在坩埚顶壁30朝向坩埚底壁32的表面结晶，而坩埚顶壁具有相连的至少两调温部分，喷气组件能够对至少两调温部分中的至少一者吹气，从而相应改变被气体所吹的调温部分的温度，以此相应改变坩埚3内结晶处的温度梯度，相对于现有技术而言，不再需要改变对坩埚3进行加热的热场分布，进而不会影响坩埚3内部的碳化硅的升华过程以及传输过程，以保证制得的碳化硅晶体的品质。

其中，喷气组件通入空腔10内的气体为氦气、氖气、氩气等惰性气体，以及掺杂用的氮气，吹气可以是吹温度较高的热气，从而提高坩埚顶壁30 被气体所吹的相应调温部分的温度，当然也可以是吹温度较低的冷气，从而降低坩埚顶壁30被气体所吹的相应调温部分的温度。

另外，坩埚顶壁30朝向坩埚底壁32的表面用于设置籽晶5，从而升华的碳化硅气体在籽晶5上沉积结晶。

坩埚顶壁30具有第一调温部分301以及围绕于第一调温部分301外的第二调温部分303，第一调温部分301朝向坩埚3的坩埚底壁32的表面用于设置籽晶5，以供升华的碳化硅气体在籽晶5处结晶生长，其中，籽晶5 设置于第一调温部分301时籽晶5与第一调温部分301同轴，从而保证生长晶体的质量。

喷气组件则用于向第一调温部分301和第二调温部分303中的至少一者吹气，进而改变第一调温部分301和第二调温部分303的温度，以改变温度梯度。

进一步的，喷气组件包括第一气管72和第二气管74，第一气管72和第二气管74均连接于外套体1的顶壁，且均与空腔10连通，其中，第一气管72与空腔10的连通处对应于第一调温部分301，用于向第一调温部分 301吹气，以改变第一调温部分301的温度，第二气管74与空腔10的连通处对应于第二调温部分303，用于向第二调温部分303吹气，以改变第二调温部分303的温度。

更为具体的，喷气组件还包括气源70，气源70位于外套体1外，能够提供温度较高的热气或温度较低的冷气。外套体1对应于坩埚顶壁30的区域设有第一孔12和多个第二孔14，各第二孔14周向间隔围绕于第一孔12 的外周缘，即外套体1的顶壁设有第一孔12和多个第二孔14，第一孔12 对应于第一调温部分301，各第二孔14以第一孔12的轴线为中心轴呈环形等间隔分布，对应于第二调温部分303。第一气管72的一端连通于第一孔 12，第一气管72的另一端连通于气源70，从而气源70提供的冷气或热气能够依次经过第一气管72和进气孔吹向第一调温部分301。第二气管74包括主道管741以及连通于主道管741的一端的多个分支管743，主道管741 的另一端连通于气源70，分支管743与第二孔14数量相等，每个分支管 743远离主道管741的一端与一个第二孔14连通，从而气源70提供的冷气或热气能够依次经过第二气管74和第二孔14吹向第二调温部分303。其中，第一气管72和第一孔12密封，分支管743与第二孔14密封。

其中，第一调温部分301、第二调温部分303和坩埚3同轴，从而保证温度控制的均匀。而且第一孔12与第一调温部分301同轴，以精准均匀地提升或降低第一调温部分301的温度。

另外，每个第二孔14的轴线可以是与第一孔12的轴线平行；当然也可以是第二孔14的轴线与第一孔12的轴线相对倾斜，以使由第二孔14吹出的气体接触第二调温部分303时向第二孔14的倾斜方向扩散，增大气体和第二调温部分303的接触面积。具体而言，沿坩埚3的坩埚顶壁30至坩埚底壁32，即沿坩埚3的顶端至底端，第二孔14的轴线与第一孔12的轴线之间的间距逐渐增大，即第二孔14靠近第二调温部分303的一端与第一孔12之间的距离大于第二孔14远离第二调温部分303的一端与第一孔12 之间的距离，以尽量避免经第二孔14喷出的气体吹向第一调温部分301。

需要说明的是，第二孔14的数量在本实施例中并不进行限定，虽然图 3中示出了八个第二孔14环形阵列分布，但是并不意味着第二孔14的数量只能是八个，根据实际需求，第二孔14的数量可以灵活选择，只要在两个以上即可。

在本实施例中，外套体1顶壁上对应于第二调温部分的区域还设有环状的凹槽16，凹槽16围绕于第一孔12的外周缘，凹槽16的开口朝向第二调温部分303，每个第二孔14与凹槽16连通，从而保证向第二调温部分 303吹出的气体的均匀性。其中，沿坩埚顶壁30至坩埚底壁32的方向，凹槽16的槽宽尺寸逐渐增大，以使凹槽16的开口端的宽度大于凹槽16的底部宽度，从而使由多个第二孔14经凹槽16吹向第二调温部分303的气流范围覆盖面积更大。

需要说明的是，在其他实施例中，第一气管72的一端还可以直接从第一孔12伸入空腔10内，并与第一孔12密封，即第一气管72的一端穿设于第一孔12，并伸入空腔10内，第一气管72与进气孔之间密封，从而第一气管72的一端直接对准第一调温部分301，以向第一调温部分301吹气。同理，每个分支管743也可以是穿设于一个第二孔14，并伸入空腔10内，分支管743与第二孔14之间密封，从而分支管743的端口直接向第二调温部分303吹气。

在本实施例中，晶体生长装置还包括流量调节件，流量调节件包括第一阀门81和第二阀门83。第一阀门81设置于第一气管72，且第一阀门81的开度可调，以改变第一气管72内的气流量。第二阀门83设置于主道管741，且第二阀门83的开度可调，以改变第二气管74内的气流量。

由此，通过第一阀门81改变第一气管72的气流量，能够精准地控制籽晶5处的温度大小，例如，若气源70提供冷气，调大第一阀门81的开度，吹向第一调温部分301的冷气增加，进而第一调温部分301的温度能够降低，若调小第一阀门81的开度，吹向第一调温部分301的冷气减少，进而第一调温部分301的温度能够升高；同理，若气源70提供的是热气，调大第一阀门81的开度，进而第一调温部分301的温度能够升高，若调小第一阀门81的开度，进而第一调温部分301的温度能够降低。其中，第一阀门81的开度能够调至零，以封堵第一气管72，不再向第一调温部分301 吹气，温度控制更加灵活精准。

通过第二阀门83改变第二气管74的气流量，能够精准地控制籽晶5 附近区域的温度大小，例如，若气源70提供热气，调大第二阀门83的开度，吹向第二调温部分303的热气增加，进而第二调温部分303的温度能够升高，若调小第二阀门83的开度，吹向第二调温部分303的热气减少，进而第二调温部分303的温度能够降低；同理，若气源70提供冷气，调大第二阀门83的开度，进而第二调温部分303的温度能够降低，若调小第二阀门83的开度，进而第二调温部分303的温度能够升高。其中，第二阀门 83的开度能够调至零，以封堵第二气管74，不再向第二调温部分303吹气，温度控制更加灵活精准。

喷气组件还包括第三气管76，第一气管72和主道管741均连通于第三气管76的一端，第三气管76的另一端与气源70连通。具体的，第一气管 72和第二气管74可以通过三通阀78与第三气管76连通，以连通至同一个气源70。

当然，需要说明的是，在其他实施例中，气源70也可以为两个，每个气源70均能够独立地供给冷气或热气，第一气管72连通域一个气源70，第二气管74连通于另一个气源70，由此能够更加灵活地向坩埚顶壁30吹起，例如，第一喷气口向第一调温部分301吹冷气时，第二喷气口能够向第二调温部分303吹热气，或者第一喷气口向第一调温部分301吹热气时，第二喷气口能够向第二调温部分303吹冷气。

请参考图1和图4，在本实施例中，晶体生长装置还包括气压调节件，该气压调节件用于将空腔10内的气体排出，以使空腔内的实际气压维持在预设范围内。

进一步的，气压调节件包括真空泵90、流量检测元件92以及控制器 94。真空泵90位于外套体1外，并连通于空腔10，具体而言外套体1在对应于坩埚3的坩埚底壁32的位置设有出气孔18，气压调节件还包括抽气管 98，抽气管98的一端连通于出气孔18，抽气管98的另一端连通于真空泵 90，因此当真空泵90工作时，空腔10内的气体就会依次经过出气孔18、抽气管98，并由真空泵90排出，以避免喷气组件向空腔10内通入的气体过多导致空腔10内的气压过大，影响空腔10内的气压稳定性。

流量检测元件92与控制器94电连接，该流量检测元件92用于检测喷气组件吹向坩埚顶壁30的实际气流量，即检测喷气组件通入空腔10内的实际气流量。具体来说，该流量检测元件92可以是流量计，直接设置在第三气管76，从而检测到的第三气管76的气流量即为喷气组件通入空腔10 内的实际流量。

控制器94用于根据实际气流量控制真空泵90的工作效率，以使空腔 10内的实际气压维持在预设范围内，保证空腔10内气压的稳定性。例如，当喷气组件的实际气流量增大时，若真空泵90还保持原有的工作效率，则空腔10内的气体总量会逐渐增多，相应气压会逐渐增大，因此，为了避免空腔10内的气压增大，导致实际气压大于预设范围的最大值，控制器94就会根据实际气流量的增大量同步控制真空泵90的工作效率增大，进而真空泵90能够抽走更多的空腔10内的气体；当喷气组件的实际气流量减小时，若真空泵90还保持原有的工作效率，则空腔10内的气体总量会逐渐减小，相应气压会逐渐减小，因此，为了避免空腔10内的气压减小，导致实际气压小于预设范围的最小值，控制器94就会根据实际气流量的减小量同步控制真空泵90的工作效率减小，继而真空泵90抽走的空腔10内的气体也会减少，由此保证空腔10内的气体的总量维持在一定范围内，进而保证空腔 10内的气压稳定性。其中，气压的预设范围为通常实际生长碳化硅晶体时，外套体1的空腔10设置气压的常用范围。

在本实施例中，气压调节件还包括与控制器94电连接的气压检测元件 96，控制器94还与第一阀门81和第二阀门83电连接，气压检测元件96用于检测空腔10的实际气压，控制器94还用于根据实际气压控制第一阀门 81的开度、第二阀门83的开度和真空泵90的工作效率，以使实际气压维持在预设范围内，从而更为精准地保证空腔10内的气压稳定性，同时还能防止真空泵90出现过载导致损坏的现象，节约成本。

具体来说，控制器94能够用于：

当实际气压大于预设范围的最大值时，控制真空泵90的工作效率增大，进而真空泵90抽出的空腔10内的气体更多，以使空腔10的实际气压降低；当实际气压小于预设范围的最大值时，控制真空泵90的工作效率减小，进而真空泵90抽出的空腔10内的气体更少，以使实际气压升高，进而保证实际气压维持在预设范围内。和/或，

当实际气压大于预设范围的最大值时，控制第一阀门81的开度减小和 /或第二阀门83的开度减小，从而通入空腔10内的气流量降低，空腔10内的实际气压就会增大；当实际气压小于预设范围的最大值时，控制控制第一阀门81的开度减小和/或第二阀门83的开度增大，从而通入空腔10内的气流量增大，空腔10内的实际气压就会升高，进而保证实际气压维持在预设范围内。

上述控制器94通常为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，可以配置相应的操作系统，以及控制接口等，具体地，可以是单片机、 DSP(Digital SignalProcessing，数字信号处理)、ARM(Advanced RISC Machines，ARM处理器)等能够用于自动化控制的数字逻辑控制单元，可以将控制指令随时加载到内存进行储存与执行，同时，可以内置CPU指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元，具体可以根据实际使用情况进行设置，本实用新型实施例对此不进行限制。

综上，本实用新型实施例的晶体生长装置，不会影响坩埚3内部的碳化硅的升华过程以及传输过程，能够保证制得的碳化硅晶体的品质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：

外套体，具有空腔；

坩埚，设置于所述空腔内，所述坩埚包括在竖直方向相对的坩埚顶壁和坩埚底壁，所述坩埚顶壁朝向所述坩埚底壁的表面用于供晶体生长，其中，所述坩埚顶壁具有相连的至少两调温部分；

喷气组件，连通于所述空腔，且所述喷气组件和所述空腔的连通处对应于所述坩埚顶壁，所述喷气组件用于向所述至少两调温部分中的至少一者吹气。

2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述至少两调温部分包括第一调温部分以及围绕于所述第一调温部分的外周缘的第二调温部分，所述第一调温部分朝向所述坩埚底壁的表面用于供晶体生长，所述喷气组件用于向所述第一调温部分和所述第二调温部分中的至少一者吹气。

3.根据权利要求2所述的晶体生长装置，其特征在于，所述喷气组件包括第一气管和第二气管，所述第一气管和所述第二气管均连接于所述外套体的顶壁，且均与所述空腔连通，其中，所述第一气管与所述空腔的连通处对应于所述第一调温部分，所述第一气管用于向所述第一调温部分吹气，所述第二气管与所述空腔的连通处对应于所述第二调温部分，所述第二气管用于向所述第二调温部分吹气。

4.根据权利要求3所述的晶体生长装置，其特征在于，所述外套体的顶壁设有第一孔和多个第二孔，各所述第二孔以所述第一孔的轴线为中心轴呈环形等间隔分布；

所述第一气管的一端连通于所述第一孔，所述第一气管的另一端用于连通气源，所述第二气管包括主道管以及连通于所述主道管的一端的多个分支管，所述主道管的另一端连通于所述气源，所述分支管与所述第二孔数量相等，每个所述分支管远离所述主道管的一端与一个所述第二孔连通。

5.根据权利要求4所述的晶体生长装置，其特征在于，所述第一孔和所述第一调温部分同轴设置；

和/或，

所述第二孔的轴线相对于所述第一孔的轴线倾斜，且所述第二孔靠近所述第二调温部分的一端与所述第一孔之间的距离大于所述第二孔远离所述第二调温部分的一端与所述第一孔之间的距离。

6.根据权利要求4所述的晶体生长装置，其特征在于，所述外套体对应于所述第二调温部分的区域还设有环状的凹槽，所述凹槽围绕于所述第一孔的外周缘，所述凹槽的开口朝向所述第二调温部分，每个所述第二孔与所述凹槽连通。

7.根据权利要求6所述的晶体生长装置，其特征在于，沿所述坩埚顶壁至坩埚底壁的方向，所述凹槽的槽宽尺寸逐渐增大。

8.根据权利要求4所述的晶体生长装置，其特征在于，所述晶体生长装置还包括流量调节件，所述流量调节件包括第一阀门和第二阀门；

所述第一阀门设置于所述第一气管，且所述第一阀门的开度可调，以改变所述第一气管内的气流量；

所述第二阀门设置于所述主道管，且所述第二阀门的开度可调，以改变所述第二气管内的气流量。

9.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述晶体生长装置还包括气压调节件，所述气压调节件用于将所述空腔内的气体排出，以使所述空腔内的实际气压维持在预设范围内。

10.根据权利要求9所述的晶体生长装置，其特征在于，所述气压调节件包括真空泵、流量检测元件以及控制器；

所述真空泵位于所述外套体外，并连通于所述空腔，所述真空泵和所述空腔的连通处对应于所述坩埚底壁；

所述流量检测元件与所述控制器电连接，用于检测所述喷气组件吹向所述坩埚顶壁的实际气流量；

所述控制器用于根据所述实际气流量控制所述真空泵的工作效率，以使所述空腔内的实际气压维持在预设范围内。

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