CN220433083U - 一种碳化硅单晶生长炉 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种碳化硅单晶生长炉，涉及生长炉技术领域，包括炉体，炉体内设有保温层，保温层内设有侧部加热器和底部加热器，侧部加热器和底部加热器之间设有托盘，托盘上用于放置坩埚，托盘的下端连接有升降旋转装置，侧部加热器位于坩埚的外侧，底部加热器位于坩埚的下方，侧部加热器的上端侧壁厚度要小于侧部加热器的下端侧壁厚度，炉体的外壁上连接有真空装置和充气装置，真空装置和充气装置均与控制器电连接。本实用新型在坩埚的下方设置底部加热器，距离籽晶的距离较远，从而使得籽晶径向温度梯度分布更加均匀。并且侧部加热器的上端侧壁厚度和下端侧壁厚度不同，从而形成轴向的温度梯度，保证合理的晶体生长温度梯度。
Description
技术领域
本实用新型涉及生长炉技术领域，特别是涉及一种碳化硅单晶生长炉。
背景技术
碳化硅作为第三代半导体材料，与第一代和第二代半导体材料相比，碳化硅等第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的热导率、更高的电子饱和率和更高的抗辐射能力，更适合制造高温、高频、大频率和抗辐射器件，可广泛应用于高压、高频、高温、高可靠性等领域，包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。
碳化硅的制备方法主要为物理气相传输法(PVT)、液相法(LPE)、高温化学气相沉积(HPCVD)等，其中最成熟、最常用的方法为PVT，在典型的PVT制备碳化硅工艺中，坩埚由石墨制成，通过感应或电阻加热，放置适当的线圈和保温材料来建立和控制所需的温度梯度。原料粉末是碳化硅，籽晶也是碳化硅。坩埚垂直放置在籽晶下部，随着温度的升高，碳化硅粉料升华，气相组分在籽晶处凝结，最终长成碳化硅晶体。
中国专利CN214782260U公布了一种用于制备碳化硅晶体的石墨热场单晶生长装置，其中包含上副加热电阻和下主加热电阻，其目的是实现温度的调节。但是由于其上副加热电阻中需要安装上电极，然而一旦安装上电极，就会增加多余的孔洞，从而使得上副加热电阻的散热不均匀，导致径向温度的不均匀，也就不能保证籽晶上部温度场的均匀性。此外，下主加热电阻的侧壁厚度一致，这也就无法形成轴向的温度梯度，没有合理的轴向温度梯度并不利于单晶的生长。
因此，本领域亟需一种碳化硅单晶生长炉，用于解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种碳化硅单晶生长炉，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，在坩埚的下方设置底部加热器，使得籽晶处的径向温度均匀分布，并且由于侧部加热器上下侧壁厚度不一致，从而能够形成一个合理的轴向温度梯度，有利于单晶的生长。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
本实用新型公开了一种碳化硅单晶生长炉，包括炉体，所述炉体内设有保温层，所述保温层内设有侧部加热器和底部加热器，所述侧部加热器和所述底部加热器之间设有托盘，所述托盘上用于放置坩埚，所述托盘的下端连接有升降旋转装置，所述侧部加热器位于所述坩埚的外侧，所述底部加热器位于所述坩埚的下方，所述侧部加热器的上端侧壁厚度要小于所述侧部加热器的下端侧壁厚度，所述炉体的外壁上连接有真空装置和充气装置，所述真空装置和所述充气装置均与控制器电连接。
优选的，所述侧部加热器和所述底部加热器均为石墨发热体，所述石墨发热体的材质为等静压石墨，所述侧部加热器的下端连接有侧部电极，所述底部加热器连接有底部电极。
优选的，所述侧部加热器为螺旋结构或蛇形结构，所述底部加热器为环形结构或蛇形结构；
或者，所述侧部加热器和所述底部加热器形成一个笼状结构。
优选的，所述侧部加热器的上端侧壁厚度与所述侧部加热器的下端侧壁厚度的比值为1：2.5。
优选的，所述保温层的材质为碳毡。
优选的，所述底部加热器的下方安装有石墨板。
优选的，所述真空装置包括真空管，所述真空管的一端与所述炉体的内部相连通，所述真空管上设有真空泵和真空控制阀；
所述充气装置包括充气管，所述充气管的一端与所述炉体的内部相连通，所述充气管上设有充气泵和充气控制阀。
优选的，所述升降旋转装置包括升降旋转轴，所述升降旋转轴的上端固定于所述托盘的下表面，所述升降旋转轴的下端转动连接有升降支座，所述升降支座连接有丝杆，所述丝杆与所述升降支座螺纹连接，所述丝杆的一端固定有升降驱动电机，所述升降支座上固定有转动驱动电机，所述转动驱动电机的输出轴与所述升降旋转轴传动连接。
优选的，所述炉体包括上炉盖、炉主体和下炉盖，所述上炉盖和所述下炉盖分别设置于所述炉主体的上下两端，所述上炉盖、所述炉主体和所述下炉盖均为不锈钢材质。
优选的，还包括红外测温仪和/或热电偶，所述红外测温仪设置于所述炉体的外侧，所述热电偶设置于所述保温层的内部。
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
本实用新型在坩埚的下方设置底部加热器，使得底部加热器释放的热量需要先经过碳化硅粉料，然后再传递给籽晶位置处，由于距离以及中间介质的增加，就能够提高温度的传递的均匀性，从而使得籽晶处的径向温度分布均匀；
进一步的，由于侧部加热器的上端侧壁厚度与下端侧壁厚度不一致，从而就能够在籽晶处的轴向方向上形成一个利于晶体生长的温度梯度；
通过底部加热器和侧部加热器的共同作用，从而形成一个合理的径向温度梯度分布和轴向温度梯度分布，保证了单晶的生长质量及生长速度，并且降低了整体的制造成本。
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为实施例一碳化硅单晶生长炉的结构示意图；
图中：1-炉体；2-保温层；3-侧部加热器；4-底部加热器；5-侧部电极；6-升降旋转装置；7-坩埚；8-石墨板；9-真空装置；10-充气装置。
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。
本实用新型的目的是提供一种碳化硅单晶生长炉，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，在坩埚的下方设置底部加热器，使得籽晶处的径向温度均匀分布，并且由于侧部加热器上下侧壁厚度不一致，从而能够形成一个合理的轴向温度梯度，有利于单晶的生长。
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，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例一、
如图1所示，本实施例提供了一种碳化硅单晶生长炉，包括炉体1，炉体1内设有保温层2，保温层2主要起到保温的作用。保温层2内设有侧部加热器3和底部加热器4，侧部加热器3和底部加热器4之间设有托盘，托盘上用于放置坩埚7，坩埚7中用于放置碳化硅粉料和籽晶，其中籽晶位于碳化硅粉料的上方。托盘的下端连接有升降旋转装置6，升降旋转装置6能够带动托盘做升降以及旋转运动，并且在旋转的过程中也可以提高籽晶处径向温度的均匀性。侧部加热器3位于坩埚7的外侧，具体的，侧部加热器3为一筒状结构且能够套设在坩埚7外侧。底部加热器4位于坩埚7的下方，侧部加热器3的上端侧壁厚度要小于侧部加热器3的下端侧壁厚度，从而使得侧部加热器3的上端热量释放量与下端热量释放量不同。炉体1的外壁上连接有真空装置9和充气装置10，可以根据工艺需求进行抽气和充气。真空装置9和充气装置10均与控制器电连接，此处的控制器采用PID控制器。
在实际使用时，先将碳化硅粉料和籽晶放入到坩埚7中，利用真空装置9抽真空，然后充气装置10向炉体1内通入氩气和氮气的混合气。利用侧部加热器3和底部加热器4进行升温加热，在这一过程中，由于底部加热器4是设置在坩埚7的下方(使之与籽晶之间具有一段距离)，并且还有升降旋转装置6的旋转作用，从而能够有效的提高籽晶处径向受热的均匀性；此外，由于侧部加热器3的上下两端的侧壁厚度不同，使得其热量释放量也有所不同，从而能够对籽晶形成轴向的温度梯度。当加热结束后，调整充气装置10和真空装置9，保证炉体1内压力保持在预计压强中，开始长晶。晶体生长结束后，将坩埚7内压力和炉体1内压力慢慢提升至大气压，同时将温度降低，缓慢冷却至室温，最终得到21mm厚的碳化硅晶锭。
于本实施例中，侧部加热器3和底部加热器4均为石墨发热体，并且石墨发热体的材质为等静压石墨，所以侧部加热器3和底部加热器4均为现有的等静压石墨加热器。侧部加热器3的下端连接有侧部电极5，底部加热器4连接有底部电极，其中需要说明的是，侧部电极5和底部电极均属于现有的水冷电缆中的一部分，可以理解为，侧部加热器3和底部加热器4均连接有一个水冷电缆(中的电极)，并且水冷电缆通过注水可以对侧部电极5和底部电极进行一个降温的作用，从而增长侧部电极5和底部电极的使用寿命。
于本实施例中，侧部加热器3为螺旋结构或蛇形结构中的一种，且这二者均为现有的石墨发热体中的不同款式，本实施例中采用的是的蛇形结构，正如专利为CN214782260U中公开的图3的下主加热电阻所示，但与之不同的是，侧部加热器3的上端侧壁厚度小于下端侧壁厚度，从而能够形成轴向温度梯度。底部加热器4为环形结构或蛇形结构，而此处的蛇形结构正如专利为CN214782260U中公开的图2的上副加热电阻所示，而本实施例中的底部加热器4则采用的是环形结构。
或者，侧部加热器3和底部加热器4形成一个笼状结构，即将侧部加热器3和底部加热器4制造成一体式结构，其实质与侧部加热器3和底部加热器4分别为分体式结构原理相同，故在此不多做赘述。
于本实施例中，侧部加热器3的上端侧壁厚度与侧部加热器3的下端侧壁厚度的比值为1：2.5。从图1中可以看出，侧部加热器3分为上下两部分，其中前述的上端侧壁厚度也就等于上半部分的侧壁厚度，下端侧壁厚度也就等于下半部分的侧壁厚度，而侧部加热器3的上半部分和下半部分的分界线位于粉料上表面上方的0-20mm位置处。
于本实施例中，保温层2的材质为碳毡。具体的，保温层2采用超高纯硬质的碳毡制作，硬质碳毡表面通过超高纯高密度的等静压石墨固定，石墨体积密度为1.84-1.95g/cm3，平均粒径为2-5μm。
于本实施例中，底部加热器4的下方安装有石墨板8，具体的，石墨板8位于底部加热器4和侧部电极5之间，其作用是减少侧部电极5对底部加热器4散热的影响，使粉料径向温度梯度更小，有利于粉料升华，降低粉料石墨化程度。
于本实施例中，真空装置9包括真空管，真空管的一端与炉体1的内部相连通，真空管上设有真空泵和真空控制阀，其中，真空控制阀可以为蝶阀或针阀，并且真空泵和真空控制阀均与控制器电连接。真空装置9能够使炉体1内部本底压力小于9×10-5pa。
同理的，充气装置10包括充气管，充气管的一端与炉体1的内部相连通，充气管上设有充气泵和充气控制阀，其中，充气控制阀可以为蝶阀或针阀，并且充气泵和充气控制阀均与控制器电连接。
通过充气装置10和真空装置9可以组成一个压力控制系统，并且压力控制系统的控制精度为：当炉体1内部压力为10-1000pa时，其精度为±0.5pa至±1pa；当炉体1内部压力为1000～4500pa时，其精度为±5pa至±10pa；当当炉体1内部压力为4500pa～100000pa时，其精度为±20pa至±50pa。
于本实施例中，升降旋转装置6包括升降旋转轴，升降旋转轴的上端固定于托盘的下表面，升降旋转轴的下端通过轴承转动连接有升降支座，升降支座连接有丝杆，丝杆与升降支座螺纹连接。具体的，升降支座可以螺纹连接有一个、两个或更多的丝杆，丝杆的一端固定有升降驱动电机。使用时，仅需开启升降驱动电机，升降驱动电机转动即可带动丝杆转动，丝杆转动从而带动升降支座沿丝杆的轴向方向上做升降移动。
需要注意的是，当丝杆为一个时，还需要额外增加一个竖直限位轨道，以此来防止升降支座在上升下降的过程中随丝杆同步转动。而当丝杆为两个丝杆或以上时，则不需要增设竖直限位轨道，若干个丝杆互相之间就能够形成相互限位的作用，从而避免升降支座发生转动。
此外，升降支座上固定有转动驱动电机，转动驱动电机的输出轴与升降旋转轴传动连接，具体的，可以在转动驱动电机的输出轴上设有主动轮，在升降旋转轴的外侧套设固定一个从动轮，主动轮和从动轮之间通过传动带实现传动连接。当需要托板转动时，仅需启动转动驱动电机，转动驱动电机通过传动带来带动升降旋转轴转动，最终带动托盘转动。
于本实施例中，炉体1包括上炉盖、炉主体和下炉盖，上炉盖和下炉盖分别设置于炉主体的上下两端，具体可以通过螺钉固定或其他的连接方式均可。上炉盖、炉主体和下炉盖均为不锈钢材质，结构坚固，并且制造成本低。
于本实施例中，还包括红外测温仪和/或热电偶，具体的，可以单独使用红外测温仪，也可以单独使用热电偶，还可以将二者组合使用，其中红外测温仪设置于炉体1的外侧，热电偶设置于保温层2的内部，用于实时监测坩埚7内的温度。此外，热电偶的材料为钨、铼或铼钨合金均可。
实施例二、
本实施例提供了一种碳化硅单晶生长炉，包含以下步骤：
步骤一、装炉：实施例一提供的碳化硅单晶生长炉采用上装料的方式，将装配好的籽晶、坩埚7、碳化硅粉料等放入升降旋转装置6上的托盘上，关闭上炉盖。
步骤二、抽真空：利用真空装置9将炉体1内抽至1×10-4pa。
步骤三、充气：利用充气装置10向炉体1内通入氩气和氮气的混合气体，氩气氮气流量比为10：1。
步骤四、加热：利用侧部加热器3和底部加热器4将温度升高至2000℃，侧部加热器3与底部加热器4功率比值设定为3：2。
步骤五、长晶：控制充气装置10和真空装置9，保证炉体1内压力保持在200pa，开始长晶100h；
步骤六、降温：晶体生长结束后，将坩埚7内压力和炉体1内压力慢慢提升至大气压，同时将温度降低，缓慢冷却至室温，最终得到21mm厚的碳化硅晶锭，平均生长速率为210mm/h。
正面观察无碳包裹物和多晶型等缺陷，利用率可达98％以上。将所得到的晶锭进行退火处理60h。退火温度为2200℃，退火后晶锭经切、磨、抛及清洗处理。利用实施例一中的碳化硅单晶生长炉制备的4H碳化硅晶片微管密度可达到＜0.1/cm2，无多型，六方空洞缺陷，碳包裹物≤0.05％。
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 (10)
1.一种碳化硅单晶生长炉，其特征在于：包括炉体，所述炉体内设有保温层，所述保温层内设有侧部加热器和底部加热器，所述侧部加热器和所述底部加热器之间设有托盘，所述托盘上用于放置坩埚，所述托盘的下端连接有升降旋转装置，所述侧部加热器位于所述坩埚的外侧，所述底部加热器位于所述坩埚的下方，所述侧部加热器的上端侧壁厚度要小于所述侧部加热器的下端侧壁厚度，所述炉体的外壁上连接有真空装置和充气装置，所述真空装置和所述充气装置均与控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述侧部加热器和所述底部加热器均为石墨发热体，所述石墨发热体的材质为等静压石墨，所述侧部加热器的下端连接有侧部电极，所述底部加热器连接有底部电极。
3.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述侧部加热器为螺旋结构或蛇形结构，所述底部加热器为环形结构或蛇形结构；
或者，所述侧部加热器和所述底部加热器形成一个笼状结构。
4.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述侧部加热器的上端侧壁厚度与所述侧部加热器的下端侧壁厚度的比值为1：2.5。
5.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述保温层的材质为碳毡。
6.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述底部加热器的下方安装有石墨板。
7.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述真空装置包括真空管，所述真空管的一端与所述炉体的内部相连通，所述真空管上设有真空泵和真空控制阀；
所述充气装置包括充气管，所述充气管的一端与所述炉体的内部相连通，所述充气管上设有充气泵和充气控制阀。
8.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述升降旋转装置包括升降旋转轴，所述升降旋转轴的上端固定于所述托盘的下表面，所述升降旋转轴的下端转动连接有升降支座，所述升降支座连接有丝杆，所述丝杆与所述升降支座螺纹连接，所述丝杆的一端固定有升降驱动电机，所述升降支座上固定有转动驱动电机，所述转动驱动电机的输出轴与所述升降旋转轴传动连接。
9.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：所述炉体包括上炉盖、炉主体和下炉盖，所述上炉盖和所述下炉盖分别设置于所述炉主体的上下两端，所述上炉盖、所述炉主体和所述下炉盖均为不锈钢材质。
10.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉，其特征在于：还包括红外测温仪和/或热电偶，所述红外测温仪设置于所述炉体的外侧，所述热电偶设置于所述保温层的内部。
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