一种单晶生长装置的制作方法

1.本技术涉及晶体制备技术领域，尤其涉及一种单晶生长装置。

背景技术：

2.氮化铝(aln)、碳化硅(sic)具有高导热率、高击穿电压、饱和电子迁移率高、化学稳定性高等优良的半导体性质；可以制作成在高温、强辐射条件下工作的高频、高功率电子器件和光电子器件，在国防、高科技、工业生产、供电、变电领域有巨大的应用价值，被看作是极具发展前景的第三代宽禁带半导体材料。目前，通常采用物理气相传输法生长氮化铝、碳化硅晶体。采用物理气相传输法生长氮化铝、碳化硅晶体，需要在坩埚内形成适合氮化铝、碳化硅晶体生长的温度分布。坩埚内的温度分布对晶体的质量有着至关重要的影响，相关技术中，单晶生长装置中坩埚内的温度分布仍有不足之处。
3.因此，亟需提供一种单晶生长装置，能够优化单晶生长装置中坩埚内的温度分布。

技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种单晶生长装置，优化单晶生长装置中坩埚内的温度分布，从而提高生长出的晶体的质量。具体技术方案如下：
5.本技术实施例提供一种单晶生长装置，包括炉体；保温结构，位于所述炉体内部，所述保温结构内部具有密闭的腔体，所述腔体用于盛放坩埚，沿所述炉体的高度方向，所述保温结构包括位于所述坩埚上方的第一保温层、位于所述坩埚下方的第二保温层以及环绕所述坩埚外周的第三保温层；所述第一保温层包括中心部和围绕所述中心部外侧的外围部，所述中心部能够相对于所述外围部上下运动，以使所述保温结构密封或者具有一定的开口，所述外围部靠近所述坩埚的一端设有第一控温件，所述第一控温件和所述中心部之间设有第一加热件，所述第一加热件与所述第一控温件和所述中心部之间具有预设距离。
6.根据本技术实施例的单晶生长装置，位于炉体内部的保温结构用于保证位于其腔体内的坩埚温场的适宜性和稳定性。坩埚包括坩埚本体和盖合于坩埚本体的坩埚盖。第一保温层的中心部能够相对于外围部上下运动，以使保温结构密封或者具有一定的开口，从而控制坩埚内温场的变化。具体的，在原料升华过程中，即升温阶段，中心部与外围部完全配合，使得保温结构为密封状态，在晶体生长过程中，中心部向远离坩埚盖的方向运动，使得保温结构的中心区域具有一定的开口。该开口为热量提供散热通道，使得靠近该开口的坩埚盖处的温度最先降低，形成从坩埚盖至坩埚本体底部的正向温场，使得籽晶自坩埚盖的内壁向下生长。中心部沿远离坩埚盖的方向拔出的距离能够调控开口的大小，从而调控散热的速度。当需要温差大时，中心部拔出的距离较大；当需要温差小时，中心部拔出的距离较小，通过中心部的拔出的距离进行温差的调控，从而调整出适宜晶体生长的温场，该操作简单易行。
7.设于外围部的第一控温件，能够减小靠近坩埚盖处的散热通道的面积，从而减弱轴向温度梯度的剧烈波动，且能够减弱中心部边缘的过渡散热，避免生长界面凹凸不平，提
高中心散热，达到微凸界面生长的效果，降低晶体生长过程中出现缺陷的概率。第一控温件和中心部之间的第一加热件，用于对坩埚顶部进行热量补偿，在原料升华过程中，使得坩埚盖的温度高于坩埚其他位置的温度，在坩埚内形成自坩埚盖至坩埚本体底部的逆向温场，降低原料升华过程中挥发出来的物质附着在籽晶上的几率，从而减少对籽晶的污染，另外对籽晶表面热腐蚀，减少表面杂质污染提高晶体生长的质量。
8.另外，根据本技术实施例的单晶生长装置，还可以具有如下附加的技术特征：
9.根据本技术的一些实施例，所述外围部靠近坩埚的一端还设有第二控温件，沿朝向所述坩埚的方向，所述第一控温件和所述第二控温件依次设置；所述第一控温件的中心设有第一通孔，所述第二控温件的中心设有第二通孔，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直径。
10.根据本技术的一些实施例，所述第一通孔的直径为70mm-120mm，所述第二通孔的直径为10mm-50mm。
11.根据本技术的一些实施例，所述第一控温件和所述第二控温件沿所述炉体高度方向的尺寸为20mm-40mm。
12.根据本技术的一些实施例，所述预设距离为15mm-30mm。
13.根据本技术的一些实施例，所述第一加热件为螺旋形或波浪形发热体。
14.根据本技术的一些实施例，所述中心部沿所述炉体高度方向的截面为圆形，且所述截面的面积自上而下逐渐减小。
15.根据本技术的一些实施例，所述中心部与所述外围部配合后，所述中心部的下表面沿所述炉体高度方向的高于所述外围部的下表面。
16.根据本技术的一些实施例，所述单晶生长装置还包括第二加热件，所述第二加热件位于所述第三保温层和所述坩埚的侧壁之间。
17.根据本技术的一些实施例，所述单晶生长装置包括第一测温仪和第二测温仪、第一封闭式测温管和第二封闭式测温管，所述第一封闭式保温管穿过所述第一保温层与所述坩埚的顶部接触，所述第二封闭式保温管穿过所述第二保温层与所述坩埚的底部接触；
18.所述第一测温仪通过所述第一封闭式测温测量所述坩埚顶部的温度，所述第二测温仪通过所述第二封闭式测温测量所述坩埚底部的温度。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
20.图1为本技术实施例所提供的单晶生长装置的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员基于本技术所获得的所有其他实施例，都属于本
申请保护的范围。
22.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
23.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
24.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在
……
下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向，例如旋转90度或者在其它方向，并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
25.本技术实施例提供一种单晶生长装置，该单晶生长装置适用于物理气相传输法生长单晶，例如可以是但不限于碳化硅、氮化铝、氧化锌、硫化锌、硒化锌或碲化锌等。具体的如图1所示，该单晶生长装置包括：炉体1和位于炉体1内部的保温结构2；保温结构2内部具有密闭的腔体，腔体用于盛放坩埚8，沿炉体1的高度方向h，保温结构2包括位于坩埚8上方的第一保温层21、位于坩埚8下方的第二保温层22以及环绕坩埚8外周的第三保温层23；第一保温层21包括中心部211和围绕中心部211外侧的外围部212，中心部211能够相对于外围部212上下运动，以使保温结构2密封或者具有一定的开口s，外围部212靠近坩埚8的一端设有第一控温件3，第一控温件3和中心部211之间设有第一加热件5，第一加热件5与第一控温件3和中心部211之间均具有预设距离。
26.根据本技术实施例的单晶生长装置，如图1所示，位于炉体1内部的保温结构2用于保证位于其腔体内的坩埚8温场的适宜性和稳定性。坩埚8包括坩埚本体81和盖合于坩埚本体81的坩埚盖82。第一保温层21的中心部211能够相对于外围部212上下运动，以使保温结构2密封或者具有一定的开口s，从而控制坩埚8内温场的变化。具体的，在原料升华过程中，即升温阶段，中心部211与外围部212完全配合，使得保温结构2为密封状态，在晶体生长过程中，中心部211向远离坩埚盖82的方向运动，使得保温结构2的中心区域具有一定的开口s。该开口s为热量提供散热通道，使得靠近该开口s的坩埚盖82处的温度最先降低，形成从坩埚盖82至坩埚本体81底部的正向温场(正向温场即温度由坩埚盖82向坩埚本体81底部逐
渐升高)，使得籽晶821a自坩埚盖82的内壁向下生长。中心部211沿远离坩埚盖82的方向拔出的距离能够调控开口s的大小，从而调控散热的速度。当需要温差大时，中心部211拔出的距离较大；当需要温差小时，中心部211拔出的距离较小，通过中心部211的拔出的距离进行温差的调控，从而调整出适宜晶体生长的温场，该操作简单易行。
27.如图1所示，设于外围部212的第一控温件3，能够减小靠近坩埚盖82处的散热通道的面积，从而减弱轴向温度梯度的剧烈波动，且能够减弱中心部211边缘的过渡散热，避免生长界面凹凸不平，提高中心散热，达到微凸界面生长的效果，降低晶体生长过程中出现缺陷的概率。第一控温件3和中心部211之间的第一加热件5，用于对坩埚8顶部进行热量补偿，在原料升华过程中，使得坩埚盖82的温度高于坩埚8其他位置的温度，在坩埚8内形成自坩埚盖82至坩埚本体81底部的逆向温场(逆向温场即温度由坩埚盖82向坩埚本体81底部逐渐降低)，降低原料升华过程中挥发出来的物质附着在籽晶821a上的几率，从而减少对籽晶821a的污染。另外，逆向温场有利于籽晶821a表面的热腐蚀，以去除表面杂质污染，提高晶体生长的质量。
28.其中，炉体1可以为圆筒形炉体1，保温结构2与炉体1形状相同，第三保温层23围绕炉体1内壁设置一圈，第一保温层21盖合于第三保温层23的顶部，第二保温层22盖合于第三保温层23的底部，第一保温层21、第二保温层22和第三保温层23共同形成一个密封的腔体，坩埚8位于腔体内部。坩埚本体81内中下部装有单晶生长所需的原料，坩埚盖82内表面上固定有籽晶托821，籽晶托821上固定有籽晶821a，在坩埚8内原料开始大量升华后，通过向远离坩埚盖82的方向移动中心部211，使得坩埚8内形成自坩埚盖82向坩埚本体81底部的正向温场，籽晶821a由坩埚盖82向坩埚本体81内部生长。
29.本技术实施例中对于坩埚8的材质不做限制，具体材质可根据生长的晶体进行选择，比如生长碳化硅晶体，可以选用石墨坩埚，生长氮化铝晶体可以选用石墨坩埚，也可以选用纯钨坩埚。此外，对于保温结构2的材质也不做具体限制，只要能实现本技术的目的即可。
30.根据本技术的一些实施例，预设距离为15mm-30mm。第一加热件5与中心部211之间的预设距离、第一加热件5与和第一控温件3之间的预设距离越大，中心部211、第一控温件3在高温下热膨胀时，与第一加热件5接触并造成短路的风险越低。此外，第一加热件5与中心部211之间的预设距离、第一加热件5与和第一控温件3之间的预设距离越大，造成第一加热件5与中心部211或第一加热件5与第一控温件3误接触而短路的风险越低。但是第一加热件5与中心部211之间的预设距离、第一加热件5与和第一控温件3之间的预设距离太大，比如大于30mm，使得第一加热件5与坩埚盖82之间的热量传输距离变大，影响对坩埚盖82进行热量补偿的效果。第一加热件5与中心部211之间的预设距离、第一加热件5与第一控温件3之间的预设距离越小对坩埚盖82进行热量补偿的效果越好，但是距离太小，比如小于15mm，第一加热件5与中心部211和第一控温件3之间短路的风险较高。因此当预设距离为15mm-30mm，能够降低第一加热件5与中心部211或第一加热件5与第一控温件3发生短路的风险，且能够保证对坩埚盖82的热量补偿效果。
31.根据本技术的一些实施例，如图1所示，外围部212靠近坩埚8的一端还设有第二控温件4，沿朝向坩埚8的方向，第一控温件3和第二控温件4依次设置；第一控温件3的中心设有第一通孔31，第二控温件4的中心设有第二通孔41，第一通孔31的直径大于第二通孔41的
直径。
32.如图1所示，第一通孔31和第二通孔41的设置，使得第一控温件3和第二控温件4围成的散热通道为圆形，降低热量通过第一控温件3和第二控温件4时出现死角的现象，避免局部热量聚集，造成温度场均匀性不佳的现象。第一通孔31的直径大于第二通孔41的直径，热量由第一控温件3和第二控温件4形成的散热通道向外散出时，具有一定的缓冲效果，避免热量散失过快。且由第一控温件3和第二控温件4形成的阶梯型结构，能够起到调控籽晶821a径向温度梯度的效果。
33.具体的，第一通孔31的直径为70mm-120mm，第二通孔41的直径为10mm-50mm。当然该范围与坩埚8的实际尺寸有关，第一通孔31的尺寸小于坩埚盖82的尺寸。当坩埚8尺寸较大时，可以适当增加第一通孔31和第二通孔41的尺寸，当坩埚8尺寸较小时，可以适当减小第一通孔31和第二通孔41的尺寸。第一通孔31和第二通孔41正对坩埚盖82的中心位置设置。
34.根据本技术的一些实施例，第一控温件3和第二控温件4沿炉体1高度方向h的尺寸为20mm-40mm。第一控温件3和第二控温件4的高度决定了由其形成的缓冲区域的范围大小，当缓冲范围过大时，使得中心部211开启的开口s的变小，影响整体的散热效果，因此，当第一控温件3和第二控温件4沿炉体1高度方向h的尺寸为20mm-40mm时，既具有较好的缓冲效果，又具有较好的散热效果。
35.根据本技术的一些实施例，第一加热件5为螺旋形或波浪形发热体。
36.具体的，螺旋形或波浪形发热体对于长度一定的发热体，能够减小发热体所占的空间。且螺旋形或波浪形的发热体相比于发热盘来说，对热量经过发热体向上传输时的阻碍更小，能够保证中心部211远离坩埚盖82时的散热效果。
37.可以理解的，第一加热件5的具体形状可以为螺旋形或波浪形，但是不限于螺旋形或波浪形，第一加热件5还可以为其他对散热影响较小的形状，或者说第一加热件5不是实心的发热盘即可。
38.如图1所示，第一加热件5还包括用于电连接的电极杆51，电极杆51伸出外围部212。
39.根据本技术的一些实施例，如图1所示，中心部211沿炉体1高度方向h的截面为圆形，且截面的面积自上而下逐渐减小。
40.中心部211沿炉体1高度方向h的截面为圆形，且截面积自上而下逐渐减小，使得中心部211为圆台形结构，中心部211与外围部212配合后不易向下滑动，保证每次配合时的位置统一性。中心部211向远离坩埚盖82的方向拔出之后，形成的散热通道的截面为圆形，能够降低热量在散热通道的局部发生聚集的现象，保证内部温场的均匀性。且沿热量传输方向，散热通道的直径越来越大，能够减小热量向外传输的阻力，提高散热速率，从而提高散热效果。
41.根据本技术的一些实施例，如图1所示，中心部211与外围部212配合后，中心部211的上表面与外围部212的上表面齐平，中心部211的下表面沿炉体1高度方向h的高于外围部212的下表面。
42.中心部211与外围部212配合后，中心部211的下表面低于外围部212的下表面，使得外围部212距离刚锅盖之间留有空间，方便在该空间内设置第一加热件5以及第一控温件
3和第二控温件4，能够提高坩埚盖82与中心部211下表面之间的空间利用率。
43.其中，中心部211与外围部212配合后，中心部211的上表面与外围部212的上表面可以齐平，减小对炉体1内部空间的占用。此外，通过观察两者齐平可方便判断两者的配合状态。
44.根据本技术的一些实施例，如图1所示，单晶生长装置还包括第二加热件9，第二加热件9位于第三保温层23和坩埚8的侧壁之间。
45.第二加热件9围绕坩埚8的侧壁设置一圈，第二加热件9能够对坩埚8内原料从上到下同时进行加热，其中高温区集中在原料区，加快原料升华的速度，低温区在坩埚盖82附近，提供籽晶821a生长必须的能量，用于晶体的生长。
46.根据本技术的一些实施例，如图1所示，单晶生长装置包括第一测温仪6和第二测温仪7、第一封闭式测温管61和第二封闭式测温管71，第一封闭式测温管61穿过第一保温层21与坩埚8的顶部接触，第二封闭式测温管71穿过第二保温层22与坩埚8的底部接触；第一测温仪6通过第一封闭式测温管61测量坩埚8顶部的温度，第二测温仪7通过第二封闭式测温管71测量坩埚8底部的温度。第一测温仪6和第二测温仪7均通过封闭式测温管进行测温，能够避免生长晶体期间污染物堵塞测温光路，从而保证第一测温仪6和第二测温仪7的正常工作，提高测温准确性。根据第一测温仪6和第二测温仪7的测温数据，实时并适当的调控坩埚8内的温场分布，进一步提高晶体的生长质量。
47.如图1所示，第一封闭式测温管61依次穿过中心部211的中心、第一加热件5、第一控温件3和第二控温件4直到坩埚盖82的顶部，单晶生长装置还包括支架10，支架10包括相连接的托起部101和支撑杆102，托起部101用于支撑坩埚本体81的底部，支撑杆102用于支撑托盘101，并由第二保温层22伸出，支撑杆102的内部为中空管，该中空管即为第二封闭式测温管71。
48.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
49.本技术的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
50.以上仅为本技术的较佳实施例，并非用于限定本技术的保护范围。凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本技术的保护范围内。

技术特征：

1.一种单晶生长装置，其特征在于，包括：炉体；保温结构，位于所述炉体内部，所述保温结构内部具有密闭的腔体，所述腔体用于盛放坩埚，沿所述炉体的高度方向，所述保温结构包括位于所述坩埚上方的第一保温层、位于所述坩埚下方的第二保温层以及环绕所述坩埚外周的第三保温层；所述第一保温层包括中心部和围绕所述中心部外侧的外围部，所述中心部能够相对于所述外围部上下运动，以使所述保温结构密封或者具有一定的开口，所述外围部靠近所述坩埚的一端设有第一控温件，所述第一控温件和所述中心部之间设有第一加热件，所述第一加热件与所述第一控温件和所述中心部之间均具有预设距离。2.根据权利要求1所述的单晶生长装置，其特征在于，所述外围部靠近所述坩埚的一端还设有第二控温件，沿朝向所述坩埚的方向，所述第一控温件和所述第二控温件依次设置；所述第一控温件的中心设有第一通孔，所述第二控温件的中心设有第二通孔，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直径。3.根据权利要求2所述的单晶生长装置，其特征在于，所述第一通孔的直径为70mm-120mm，所述第二通孔的直径为10mm-50mm。4.根据权利要求2所述的单晶生长装置，其特征在于，所述第一控温件和所述第二控温件沿所述炉体高度方向的尺寸为20mm-40mm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的单晶生长装置，其特征在于，所述预设距离为15mm-30mm。6.根据权利要求1-4中任一项所述的单晶生长装置，其特征在于，所述第一加热件为螺旋形或波浪形发热体。7.根据权利要求1-4中任一项所述的单晶生长装置，其特征在于，所述中心部沿所述炉体高度方向的截面为圆形，且所述截面的面积自上而下逐渐减小。8.根据权利要求1-4中任一项所述的单晶生长装置，其特征在于，所述中心部与所述外围部配合后，所述中心部的下表面沿所述炉体高度方向的高于所述外围部的下表面。9.根据权利要求1-4中任一项所述的单晶生长装置，其特征在于，所述单晶生长装置还包括第二加热件，所述第二加热件位于所述第三保温层和所述坩埚的侧壁之间。10.根据权利要求1-4中任一项所述的单晶生长装置，其特征在于，所述单晶生长装置包括第一测温仪和第二测温仪、第一封闭式测温管和第二封闭式测温管，所述第一封闭式保温管穿过所述第一保温层与所述坩埚的顶部接触，所述第二封闭式保温管穿过所述第二保温层与所述坩埚的底部接触；所述第一测温仪通过所述第一封闭式测温测量所述坩埚顶部的温度，所述第二测温仪通过所述第二封闭式测温测量所述坩埚底部的温度。

技术总结

本申请实施例提供单晶生长装置，包括：炉体和位于炉体内部的保温结构；保温结构内部具有密闭的腔体，腔体用于盛放坩埚，沿炉体的高度方向，保温结构包括位于坩埚上方的第一保温层、位于坩埚下方的第二保温层以及环绕坩埚外周的第三保温层；第一保温层包括中心部和围绕中心部外侧的外围部，中心部能够相对于外围部上下运动，以使保温结构密封或者具有一定的开口，外围部靠近坩埚的一端设有第一控温件，第一控温件和中心部之间设有第一加热件，第一加热件与第一控温件和中心部之间均具有预设距离。该单晶生长装置，能够优化单晶生长装置中坩埚内的温度分布，提高晶体生长质量。提高晶体生长质量。提高晶体生长质量。