CN218404490U - 一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置 - Google Patents

Abstract

一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置，属于半导体材料的制备领域，所述装置包括形成密封炉体的炉体外壳、穿过炉体外壳的真空管路、穿过炉体外壳的水冷管路、设置在炉体内下端的晶体支撑、设置在炉体内上端的多晶夹持、设置在炉体外壳上的红外测温仪、设置在炉体内的下电阻加热器、上电阻加热器、交变磁场发生器、电磁约束器、辅助加热器。使用本实用新型提出的装置生长晶体，无需坩埚，生长界面稳定且不受半导体晶体的尺寸的影响，本装置还适用于氧化镓等熔点高且易于与坩埚反应的晶体制备。

Description

一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置

技术领域

本实用新型属于半导体材料的制备领域，涉及大尺寸半导体单晶的制备，尤其是无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置。

背景技术

大尺寸单晶能够制备出更多的大尺寸半导体单晶衬底，这样会大幅降低后续器件的成本；单晶的纯度越高，衬底的物理性能就越高。目前几乎所有的半导体单晶都在向着大尺寸、高纯度的方向发展。

传统的垂直布里奇曼法、垂直温度梯度凝固法、直拉法均需要在坩埚内生长，单晶尺寸越大，坩埚尺寸越大，坩埚边缘的温度就越高，热场尺寸就越大，制造难度相应的大幅增加。另外，制作坩埚对原料也有要求，如制备氧化镓等高温活性熔体的大尺寸半导体单晶，需要铱坩埚，但是铱价格极为昂贵，并且大尺寸的坩埚制备难度极大。

晶体尺寸的增加也将带来晶体生长过程中应力的增加，甚至导致晶体出炉后直接断裂，如碳化硅、硅、锗、氧化镓等半导体。同时，生长大尺寸单晶需要较高的温度梯度，也会带来位错密度的大幅增加。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本实用新型提出了一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置。

为实现发明目的，本实用新型采用以下技术方案：一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置，一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置，包括形成密封炉体的炉体外壳、穿过炉体外壳的真空管路、穿过炉体外壳的水冷管路，关键在于，所述装置还包括设置在炉体内下端的晶体支撑、设置在炉体内上端的多晶夹持、设置在炉体外壳上的红外测温仪、设置在炉体内的下电阻加热器、上电阻加热器、交变磁场发生器、电磁约束器、辅助加热器。

进一步地，所述交变磁场发生器分上下两部分，上面部分固定在炉体外壳顶部，下面部分固定在晶体支撑底部。

进一步地，所述多晶夹持经多晶夹持驱动机构设置在炉体外壳上，多晶夹持驱动机构带动多晶夹持沿炉体外壳上下移动；所述电磁约束器经电磁约束器驱动机构设置在炉体外壳上，电磁约束器驱动机构带动电磁约束器沿炉体外壳上下移动；所述辅助加热器经辅助加热器机构设置在炉体外壳上，辅助加热器机构带动辅助加热器沿炉体外壳上下移动。

进一步地，所述装置还包括上冷却系统和下冷却系统，所述上冷却系统设置在多晶夹持上，随多晶夹持上下移动，所述下冷却系统设置在晶体支撑顶部周围。

进一步地，所述上电阻加热器设置在多晶夹持上，随多晶夹持上下移动。

进一步地，所述电磁约束器在炉体内的竖直位置处于在多晶夹持和辅助加热器之间。

进一步地，所述红外测温仪在炉体外壳设置两个，上红外测温仪的水平位置接近多晶夹持，下红外测温仪的水平位置接近晶体支撑顶部。

有益效果：使用本实用新型提出的装置，籽晶的上端面、多晶的下端面使用传统的电阻加热器加热，生长部分使用交变磁场加热，无需坩埚、生长界面稳定且不受半导体晶体的尺寸的影响；利用半导体的特性，使用交变磁场对熔区进行加热，保持熔区温度，同时不影响整体的温度梯度。本实用新型适用高纯大尺寸单晶的制备，制备单晶尺寸越大，该方法越具有优势，只要满足磁场要求，就可以生长任意尺寸的单晶。本实用新型还适用于氧化镓等熔点高且易于与坩埚反应的晶体制备。

附图说明

图1为装置的装配示意图及温度梯度示意；

图2为初始熔区形成后装置的状态及温度梯度示意；

图3为单晶生长过程中装置的状态及温度梯度示意。

其中，1：半导体单晶籽晶；2：半导体单晶；3：半导体多晶块；4：横向熔区；5：交变磁场发生器；6：下电阻加热器；7：上电阻加热器； 8-1：上冷却系统；8-2：下冷却系统；9：晶体支撑；10：多晶夹持；10-1：多晶夹持驱动机构；11：交变磁场；12：感应电场；13：涡流；14：电磁约束器；14-1：电磁约束器驱动机构；15：辅助加热器；15-1：辅助加热器机构；16：初始熔区；17-1：上红外测温仪；17-2：下红外测温仪，18：炉体外壳；19：真空管路；20：水冷管路。

具体实施方式

参看图1，一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置，包括形成密封炉体的炉体外壳18、穿过炉体外壳18的真空管路19、穿过炉体外壳18的水冷管路20，所述装置还包括设置在炉体内下端的晶体支撑9、设置在炉体内上端的多晶夹持10、设置在炉体外壳18上的红外测温仪、设置在炉体内的下电阻加热器6、上电阻加热器7、交变磁场发生器5、电磁约束器14、辅助加热器15。

交变磁场发生器5分上下两部分，上面部分固定在炉体外壳18顶部，下面部分固定在晶体支撑9底部，工作时，为炉体内部的材料施加交变磁场。

多晶夹持10经多晶夹持驱动机构10-1设置在炉体外壳18上，多晶夹持驱动机构10-1带动多晶夹持10沿炉体外壳18上下移动。

电磁约束器14经电磁约束器驱动机构14-1设置在炉体外壳18上，电磁约束器驱动机构14-1带动电磁约束器14沿炉体外壳18上下移动。

辅助加热器15经辅助加热器机构15-1设置在炉体外壳18上，辅助加热器机构15-1带动辅助加热器15沿炉体外壳18上下移动。

上述驱动装置为驱动电机，通过滑块设置在炉体外壳18内侧的轨道中，是成熟的现有技术，图中未标明。

上冷却系统8-1和下冷却系统8-2为冷水管路，水冷管路20一端连接外部水箱，另一端连接上冷却系统8-1和下冷却系统8-2。水冷管路连接为现有技术，图中没有标明。

上冷却系统8-1设置在多晶夹持10上，随多晶夹持10上下移动，下冷却系统8-2设置在晶体支撑9顶部周围。

上电阻加热器7设置在多晶夹持10上，随多晶夹持10上下移动。

电磁约束器14在炉体内的竖直位置处于在多晶夹持10和辅助加热器15之间，由于都是上下移动部件，位置设定避免彼此干扰。

红外测温仪在炉体外壳18设置两个，上红外测温仪17-1的水平位置接近多晶夹持10，下红外测温仪17-2的水平位置接近晶体支撑9顶部，测量不同位置的温度。

下面通过一个生长单晶的实施例对本实用新型各部分的结构和作用做进一步说明。

首先，通过多晶夹持10夹持半导体多晶块3，将半导体籽晶1置于晶体支撑9上，籽晶1和半导体多晶块3分离设置。

然后，上电阻加热器7对准半导体多晶块3上表面，通过上电阻加热器7加热半导体多晶块3上表面至T1；下电阻加热器6对准加热籽晶1下表面，通过下电阻加热器6加热籽晶1下表面至T2，800℃<T1<T2<Tm，在半导体多晶块3上表面和半导体单晶籽晶1下表面形成温度梯度，如图1所示。

下电阻加热器6位置固定，上电阻加热器7设置在多晶夹持10上，随半导体多晶块3移动，保持相对位置不变。

通过辅助加热器15给籽晶1上表面加热，温度大于Tm，在籽晶1上表面中心形成初始熔区16。

由于没有坩埚约束，籽晶1外围散热快，中心先熔化，形成中间凹陷形状的初始熔区16。

由于籽晶1下表面的温度T1<Tm，籽晶1上下表面存在温度梯度，热量从籽晶1上表面传导到籽晶1下表面，初始熔区16不会迅速扩大。

辅助加热器15的作用是在开始阶段加热籽晶1，使其部分融化，形成初始熔区16，在后续过程中，由于熔区的存在，熔体的加热由交变磁场发生器5实现，不再需要辅助加热器15。

移走辅助加热器15至炉体底部，如图2所示。

在垂直于晶籽的方向，通过交变磁场发生器5给半导体多晶块3和籽晶1所在区域整体施加交变磁场11，在初始熔区16的熔体中形成涡流13，持续给熔体加热，保持熔体状态。

由于半导体的特性，交变磁场11在半导体多晶块3和籽晶1中产生微弱的感应电流，不会熔化远离初始熔区16的部分。

将电磁约束器14移动至初始熔区16外侧施加约束磁场，参看图2。

下移多晶夹持10，使半导体多晶块3和籽晶1接触，覆盖初始熔区16；上电阻加热器7随半导体多晶块3移动。

调节交变磁场11，持续给初始熔区16中的熔体加热，在籽晶1与半导体多晶块3界面之间的初始熔区16形成稳定的横向熔区4，由于电磁约束器14施加了约束磁场，横向熔区4中的熔体不会发生侧流。

熔区4的温度大于等于Tm，在横向熔区4和半导体多晶块3上表面之间、横向熔区4和籽晶1下表面之间形成了两个温度梯度空间。由于T1<T2<Tm，半导体多晶块3散热慢，籽晶1散热快，单晶2开始生长。

逐步升高半导体多晶块3上表面的温度，同时逐步降低籽晶1下表面的温度，使熔区4上部的散热减弱，下部的散热增强，半导体单晶2生长，靠近横向熔区4的半导体多晶块3，由于熔池中熔体的温度高于半导体的熔点Tm，被熔体熔化，横向熔区4向高温侧即半导体多晶块3方向移动。

电磁约束器14随横向熔区4同步运动，防止侧面熔体流出，如图3所示。

随着半导体多晶块3上表面的温度的逐步提高和籽晶1下表面的温度的逐步降低，实现半导体单晶2的制备。

完成单晶制备时，上电阻加热器7的温度达到T4，T4<Tm，籽晶1下表面的温度达到T3。

图1-图3中，右侧的坐标系横轴是温度，纵轴是距离；坐标系纵轴的起始点为籽晶1的下表面，坐标系中上面的直线对应的是半导体多晶块3的上表面；图2中，右侧坐标系中的矩形框对应的是初始熔区16的宽度；图3中，右侧坐标系中的矩形框对应的是横向熔区4的宽度。

本实施例中，晶籽1为圆柱形或长方体，半导体多晶块3的外形与晶籽1相似，半导体多晶块3的截面尺寸小于等于晶籽1的截面尺寸，可以覆盖、完全浸入初始熔区16。

本实施例中，电磁约束器14的约束范围为10-50mm。

根据晶体尺寸控制交变磁场发生器5的功率，功率控制满足以下要求：横向熔区4的宽度不能超过电磁约束器14的约束范围，横向熔区4的移动速度满足晶体生长的需求。

横向熔区4在竖直方向的移动速度等于单晶的生长速度，根据生长的单晶不同，生长速度控制在0.1-5mm/h之间，即横向熔区4的最大移动速度为每小时5毫米。

通过观测或检测设备得到上述参数，通过控制交变磁场发生器5的功率满足要求。

单晶的生长速度与多晶测和单晶测的导热、散热有关，并且影响单晶质量，通过控制晶块3上表面的温度和降低籽晶1下表面的温度变化控制单晶的生长速度，再通过控制交变磁场发生器5的功率调节交变磁场11，使横向熔区4的移动速度与单晶的生长速度一致。

上述过程中，通过上红外测温仪和下红外测温仪17-2获取晶块3上表面的温度和降低籽晶1下表面的温度，通过上冷却系统8-1、下冷却系统8-2和上电阻加热器7、下电阻加热器6控制晶块3上表面的温度和降低籽晶1下表面的温度。

上冷却系统8-1设置在多晶块3上表面附近，上冷却系统8-1设置在多晶夹持10上，随半导体多晶块3移动，保持相对位置不变；下冷却系统8-2设置在籽晶1下表面附近。

Claims (9)

1.一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置，包括形成密封炉体的炉体外壳（18）、穿过炉体外壳（18）的真空管路（19）、穿过炉体外壳（18）的水冷管路（20），其特征在于，所述装置还包括设置在炉体内下端的晶体支撑（9）、设置在炉体内上端的多晶夹持（10）、设置在炉体外壳（18）上的红外测温仪、设置在炉体内的下电阻加热器（6）、上电阻加热器（7）、交变磁场发生器（5）、电磁约束器（14）、辅助加热器（15）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述交变磁场发生器（5）分上下两部分，上面部分固定在炉体外壳（18）顶部，下面部分固定在晶体支撑（9）底部。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多晶夹持（10）经多晶夹持驱动机构（10-1）设置在炉体外壳（18）上，多晶夹持驱动机构（10-1）带动多晶夹持（10）沿炉体外壳（18）上下移动。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁约束器（14）经电磁约束器驱动机构（14-1）设置在炉体外壳（18）上，电磁约束器驱动机构（14-1）带动电磁约束器（14）沿炉体外壳（18）上下移动。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助加热器（15）经辅助加热器机构（15-1）设置在炉体外壳（18）上，辅助加热器机构（18-1）带动辅助加热器（15）沿炉体外壳（18）上下移动。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括上冷却系统（8-1）和下冷却系统（8-2），所述上冷却系统（8-1）设置在多晶夹持（10）上，随多晶夹持（10）上下移动，所述下冷却系统（8-2）设置在晶体支撑（9）顶部周围。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述上电阻加热器（7）设置在多晶夹持（10）上，随多晶夹持（10）上下移动。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁约束器（14）在炉体内的竖直位置处于在多晶夹持（10）和辅助加热器（15）之间。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红外测温仪在炉体外壳（18）设置两个，分别为上红外测温仪（17-1）和下红外测温仪（17-2），上红外测温仪（17-1）的水平位置接近多晶夹持（10），下红外测温仪（17-2）的水平位置接近晶体支撑（9）顶部。

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