CN217077866U - 一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，涉及碳化硅单晶的制备及晶体生长技术领域。该带径向调温环的碳化硅单晶生长装置包括密封腔、保温结构、加热结构、坩埚和均温环等；坩埚用于放置源料，籽晶安装于坩埚顶部。多组加热机构和保温结构用于调节籽晶处径向温度梯度。该带径向调温环的碳化硅单晶生长装置能够实时动态调整籽晶处径向温度梯度，且调节方法简单，效应速度快，可有效控制碳化硅单晶晶锭的生长面凹凸程度，有利于大尺寸碳化硅单晶晶锭的生长。

Description

一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅单晶的制备及晶体生长技术领域，特别是涉及一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置。

背景技术

碳化硅是一种优质的宽带隙半导体材料，具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高饱和电子漂移速率等优点，可以满足高温、大功率、低损耗大直径器件的需求。碳化硅单晶无法经过熔融法形成，基于改进型Lely法的升华生长技术——物理气相传输法(PVT法)是获得碳化硅单晶的常用方法。PVT法制备碳化硅单晶的生长原理是：高纯碳化硅粉源在高温下分解形成气态物质(主要为Si、SiC₂、Si₂C等)，这些气态物质在过饱和度的驱动下，升华至冷端的籽晶处进行生长。过饱和度是由籽晶与粉源之间的温度梯度引起的。

目前常用的感应加热法，在晶体生长过程中，通过调整感应线圈的功率和感应线圈与坩埚的轴向相对位置来进行温度的控制，使坩埚中碳化硅粉源处和籽晶处产生适当的温度梯度，使晶体能持续生长，感应加热法温度调节的灵活性非常局限，当感应线圈进行轴向移动时，一方面可以调整轴向温度，但同时径向的温度梯度也会随之改变，无法单独控制籽晶径向温度梯度。而目前市面上出现的电阻加热晶体生长炉，虽然径向温度和轴向温度耦合度低，但是径向温度无法实现动态区域可调。

有鉴于此，研发设计出一种能够解决上述技术问题的可径向调节温度梯度的碳化硅单晶生长装置显得尤为重要。

发明内容

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，可实时动态调整籽晶径向温度，并且调节简单，动态响应迅速，从而减小碳化硅单晶生长过程中晶体的径向温度梯度，可有效降低晶体生长的缺陷，保证了晶体的质量。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，包括密封腔、加热结构、保温结构和测温机构；所述保温结构设置于所述密封腔内；所述加热结构设置于所述保温结构内，所述测温机构设置于所述密封腔上；坩埚设置于所述保温结构内，籽晶设置于所述坩埚内；所述加热结构与所述坩埚之间有均温环。

可选的，所述密封腔包括腔体、腔体上法兰和腔体下法兰，所述腔体上法兰可开启的设置于所述腔体顶部，所述腔体下法兰设置于所述腔体底部；所述腔体上设置有腔体抽气口。

可选的，所述加热结构包括上副加热电阻、下主加热电阻和径向调温电阻；所述上副加热电阻、所述下主加热电阻和所述径向调温电阻独立运行；所述上副加热电阻设置于所述保温结构内上部；所述下主加热电阻设置于所述保温结构内中下部；所述径向调温电阻的上端面与所述籽晶的上表面相平齐，所述上副加热电阻、所述下主加热电阻和所述径向调温电阻分别配置一组引出电极。

可选的，所述保温结构包括外部保温结构和内部保温结构，外部保温结构包括外部保温结构上盖、外部保温结构筒体和外部保温结构下盖，内部保温结构分为第一内部保温结构、第二内部保温结构、第三内部保温结构和第四内部保温结构；所述外部保温结构上盖设置于所述外部保温结构筒体顶部，所述外部保温结构下盖设置于所述外部保温结构筒体底部，所述第一内部保温结构及第二内部保温结构设置于所述坩埚上部，所述第三内部保温结构设置于所述坩埚侧面，所述第四内部保温结构设置于所述坩埚下部。

可选的，所述测温机构包括上测温设备、下测温设备和侧面测温设备，所述上测温设备、所述下测温设备和所述侧面测温设备分别设置于所述密封腔顶部、底部和侧面。

可选的，所述上测温设备、所述侧面测温设备和所述下测温设备均为红外测温仪或热电偶。

可选的，所述密封腔上设置有充气口。

可选的，所述均温环采用石墨材料或碳碳复合材料或高温陶瓷或二硼化钛或碳化钛材料制作。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型中的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，主要结构包括密封腔、加热结构、保温结构、测温机构；加热结构能够实现对坩埚的底部、四周和顶部的加热，上副加热电阻可控制坩埚顶部温度、下主加热电阻可控制坩埚底部温度，径向调温电阻可控制籽晶径向温度，在加热结构和坩埚之间设置一层采用石墨材料或碳碳复合材料或高温陶瓷或二硼化钛或碳化钛材料制作的均温环，能有效保证温度变化的均匀性，结合测温机构对坩埚顶部、坩埚顶部侧面和坩埚底部分别进行温度测量，实现籽晶处径向温度的实时动态可调，从而减小碳化硅单晶生长过程中晶体的径向温度梯度和应力，可有效降低晶体生长的缺陷，保证晶体的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型带径向调温环的碳化硅单晶生长装置的结构示意图。

图2为本实用新型带径向调温环的碳化硅单晶生长装置的保温结构示意图。

图3为本实用新型带径向调温环的碳化硅单晶生长装置的加热结构示意图。

附图标记说明：1、上测温设备；2、上充气口；3、腔体上法兰；4、腔体抽气口；5、腔体；6、腔体下法兰；7、下充气口；8、下测温设备；9、引出电极；10、保温结构；101、外部保温结构上盖；102、外部保温结构筒体；103、外部保温结构下盖；104、第一内部保温结构；105、第二内部保温结构；106、第三内部保温结构；107、第四内部保温结构；11、加热结构；111、上副加热电阻；112、径向调温电阻；113、下主加热电阻；12、坩埚；13、均温环；14、侧面测温设备；15、籽晶。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，包括密封腔、加热结构、保温结构、测温机构；所述保温结构设置于所述密封腔内；所述加热结构设置于所述保温结构内，所述测温机构设置于所述密封腔上；坩埚12设置于所述保温结构内，籽晶15设置于所述坩埚12内；所述加热结构与所述坩埚12之间有均温环13。

于本具体实施例中，所述密封腔包括腔体5、腔体上法兰3和腔体下法兰6，所述腔体上法兰3可开启的设置于所述腔体5顶部，所述腔体下法兰6设置于所述腔体5底部；所述腔体5上设置有腔体抽气口4。腔体上法兰3和腔体下法兰6与腔体5之间可以通过螺栓连接，腔体下法兰6也可以与腔体5进行焊接连接，能够保证腔体上法兰3和下法兰6与腔体5的连接强度并保证连接处的密封性能即可。腔体抽气口4用于对密封腔内部抽真空，使晶体生长达到必要的压力环境。

所述加热结构11包括上副加热电阻111、下主加热电阻113和径向调温电阻112；所述上副加热电阻111、所述下主加热电阻113和所述径向调温电阻112独立运行；所述上副加热电阻111设置于所述保温结构内上部；所述下主加热电阻113设置于保温结构内中下部；所述径向调温电阻112的上端面与籽晶15的上表面相平齐(径向调温电阻112与籽晶15的相对位置根据工艺需求进行调整)；通过调节径向调温电阻112的功率，可单独控制籽晶径向方向的温度梯度；三组电阻分别有一组引出电极，分别是对应上副加热电阻111、下主加热电阻113和径向调温电阻112的上引出电极、下引出电极和中引出电极；其中中引出电极的布置方式优先考虑穿过腔体下法兰，与下法兰采用法兰和O型圈结合的方式进行密封连接。由于径向调温电阻112位于密封腔内的部分温度超过2000摄氏度，中引出电极在密封腔外的部分接近于室内温度(20摄氏度左右)，两者温差较大，所以，较长的中引出电极可以让中引出电极的温度变化有一个较为缓慢的过渡过程，降低能耗。也可选择中引出电极布置方式为径向引出，穿过腔体，从腔体侧面引出。

所述保温结构10包括外部保温结构和内部保温结构，外部保温结构包括外部保温结构上盖101、外部保温结构筒体102和外部保温结构下盖103，内部保温结构分为第一内部保温结构104、第二内部保温结构105、第三内部保温结构106和第四内部保温结构107；所述外部保温结构上盖101设置于所述外部保温结构筒体102顶部，所述外部保温结构下盖103设置于所述外部保温结构筒体102底部，所述第一内部保温结构104及第二内部保温结构105设置于所述坩埚12上部，所述第三内部保温结构106设置于所述坩埚12侧面，所述第四内部保温结构107设置于所述坩埚12下部。

所述保温结构10对整个坩埚12提供适当的温度环境，减少整个生长环境的热散失。

所述测温机构包括上测温设备1、侧面测温设备14和下测温设备8，所述上测温设备1和所述下测温设备8分别设置于所述密封腔顶部和底部，侧面测温设备14位于坩埚12顶部平面方向。具体的，腔体上法兰3和腔体下法兰6的中部分别设置有一测温管道，上测温设备1和下测温设备8分别设置于腔体上法兰3和腔体下法兰6上的测温管道上，侧面测温设备14用于测量坩埚12顶部侧面的温度。

腔体上法兰3上的测温管道一侧设置有上充气口2，腔体下法兰6的测温管道一侧设置有下充气口7。上充气口2和下充气口7用于输入工艺气体；更多的，可以将工艺气体当做吹扫气体吹扫测温管道，避免杂质沾染在测温管道或者测温玻璃上，影响测温准确性。

所述均温环13位于加热结构与坩埚之间，材料为石墨材料或碳碳复合材料或高温陶瓷或二硼化钛或碳化钛材料，厚度需保证整个均温环的强度，厚度可为5～10mm。由于加热结构一般为格栅状或者柱状，格栅或者柱之间会有间隙，对坩埚的加热并不均匀，会导致温度局部突变，温度变化梯度不够均匀，不利于晶体高质量的生长，增加一层均温环13，有利于轴向温度更加均匀的变化。

所述上测温设备1、所述侧面测温设备14和所述下测温设备8均为红外测温仪或者热电偶。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，包括密封腔、加热结构、保温结构和测温机构；所述保温结构设置于所述密封腔内；所述加热结构设置于所述保温结构内，所述测温机构设置于所述密封腔上；坩埚设置于所述保温结构内，籽晶设置于所述坩埚内；所述加热结构与所述坩埚之间有均温环。

2.根据权利要求1所述的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述密封腔包括腔体、腔体上法兰和腔体下法兰，所述腔体上法兰可开启的设置于所述腔体顶部，所述腔体下法兰设置于所述腔体底部；所述腔体上设置有腔体抽气口。

3.根据权利要求1所述的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述加热结构包括上副加热电阻、下主加热电阻和径向调温电阻；所述上副加热电阻、所述下主加热电阻和所述径向调温电阻独立运行；所述上副加热电阻设置于所述保温结构内上部；所述下主加热电阻设置于所述保温结构内中下部；所述径向调温电阻的上端面与所述籽晶的上表面相平齐，所述上副加热电阻、所述下主加热电阻和所述径向调温电阻分别配置一组引出电极。

4.根据权利要求1所述的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述保温结构包括外部保温结构和内部保温结构，外部保温结构包括外部保温结构上盖、外部保温结构筒体和外部保温结构下盖，内部保温结构分为第一内部保温结构、第二内部保温结构、第三内部保温结构和第四内部保温结构；所述外部保温结构上盖设置于所述外部保温结构筒体顶部，所述外部保温结构下盖设置于所述外部保温结构筒体底部，所述第一内部保温结构及第二内部保温结构设置于所述坩埚上部，所述第三内部保温结构设置于所述坩埚侧面，所述第四内部保温结构设置于所述坩埚下部。

5.根据权利要求1所述的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述测温机构包括上测温设备、下测温设备和侧面测温设备，所述上测温设备、所述下测温设备和所述侧面测温设备分别设置于所述密封腔顶部、底部和侧面。

6.根据权利要求5所述的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述上测温设备、所述侧面测温设备和所述下测温设备均为红外测温仪或热电偶。

7.根据权利要求1所述的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述密封腔上设置有充气口。

8.根据权利要求1所述的带径向调温环的碳化硅单晶生长装置，其特征在于，所述均温环采用石墨材料或碳碳复合材料或高温陶瓷或二硼化钛或碳化钛材料制作。

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