CN216864377U - 晶体生长设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种晶体生长设备，该晶体生长设备包括：炉体；托盘，该托盘设置在炉体内，在托盘上设置有多个可转动的置放盘；多个坩埚，多个坩埚用于分别设置在多个置放盘上；加热装置，设置在炉体内，且该加热装置围绕托盘设置。本实用新型的晶体生长设备，在使用时通过多个置放盘的转动带动放置在其上面的坩埚随之一起转动，可以使每一个坩埚的热场均匀，减小坩埚内的径向温度梯度，提高坩埚内物料的受热均匀性，从而提高产品的品质；并且可以选择在一个或者多个坩埚内放置物料，或者同时采用不同尺寸大小的坩埚，提高了该晶体生长设备的生产灵活性。该晶体生长设备结构简单、加工难度小，易于维护。

Description

晶体生长设备

技术领域

本实用新型涉及半导体长晶技术领域，特别涉及一种晶体生长设备。

背景技术

碳化硅(SiC)是第三代宽带隙半导体材料，具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，与以硅为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料相比，有着明显的优越性，加之其具有与GaN相似的晶格结构，因此其被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、高温电子器件等的理想半导体材料。

碳化硅在白光照明、屏幕显示、光存储、高压输电、石油勘探、自动化、雷达与通信、电动汽车、高铁动车等方面有广泛应用。因此，生产高质量、大尺寸的碳化硅晶体是迫在眉睫的任务。

目前，碳化硅生长的方法主要有气相传输法(PVT)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积法(CVD)等。其中，PVT法是应用最成熟的方法，也是目前唯一的一种可以满足商用碳化硅衬底需求的生长方法。

但是，PVT法生长碳化硅晶体所用的传统的生长设备，尤其是大直径的晶体生长设备存在径向温度梯度较大并且温度难以精确控制的问题，影响产品品质。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的PVT法晶体生长设备存在的径向温度梯度较大的问题，提供一种晶体生长设备。

一种晶体生长设备，包括：

炉体；

托盘，所述托盘设于所述炉体内，所述托盘上设有多个可转动的置放盘；

多个坩埚，多个所述坩埚用于分别设置在多个所述置放盘上；及

加热装置，设于所述炉体内，所述加热装置围绕所述托盘设置。

在其中一些实施例中，所述置放盘能够绕垂直于所述托盘平面方向的轴线旋转。

在其中一些实施例中，多个所述置放盘沿所述托盘的周向均布设置。

在其中一些实施例中，所述加热装置为电阻加热器，所述电阻加热器呈环形并围绕设置在所述托盘的外侧。

在其中一些实施例中，所述坩埚设置在所述置放盘上时，所述坩埚在高度方向的上下沿均不突出于所述加热装置。

在其中一些实施例中，所述托盘可相对所述炉体转动；和/或

所述晶体生长设备还包括托盘升降机构，所述托盘升降机构与所述托盘连接，用于驱动所述托盘上升或下降。

在其中一些实施例中，所述晶体生长设备还包括保温装置，所述保温装置具有一保温腔室，所述保温腔室中设置所述坩埚和所述加热装置。

在其中一些实施例中，所述保温装置包括多块保温层，多块所述保温层分别设于所述加热装置的底部、顶部及侧面，多块所述保温层连接形成所述保温腔室。

在其中一些实施例中，所述保温层为碳纤维保温毡，位于所述加热装置底部和顶部的所述保温层为碳纤维硬毡，位于所述加热装置侧面的所述保温层为碳纤维软毡。

在其中一些实施例中，炉体的炉壁为双层不锈钢水冷套。

本实用新型的晶体生长设备，通过在托盘上设置多个可旋转的置放盘，并在炉体内设置多个坩埚，将多个坩埚分别放置在多个置放盘上；在该晶体生长设备使用时，通过置放盘的转动带动放置在其上面的坩埚随之一起转动，可以使每一个坩埚的热场均匀，减小坩埚内的径向温度梯度，提高了坩埚内物料的受热均匀性，从而可以提高产品品质；并且可以选择在一个或者多个坩埚内放置物料，或者同时采用不同尺寸大小的坩埚，提高了该晶体生长设备的生产灵活性。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的晶体生长设备的结构示意图；

图2为沿图1中A-A面的剖视示意图。

上述附图中，包括以下附图标记：

10、炉体；20、托盘；30、坩埚；40、加热装置；50、保温装置。

具体实施方式

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，下面对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本实用新型的描述中，所使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。所使用的“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本实用新型说明书以及权利要求书中，所使用的上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本实用新型一实施方式的晶体生长设备，该晶体生长设备主要包括炉体10、托盘20、多个坩埚30和加热装置40。其中，加热装置40设置在炉体10的内腔中，用于对坩埚30内的物料进行加热；托盘20设置在炉体10的内腔中且位于加热装置40的内侧，在托盘20上设置有多个可旋转的置放盘(图中未标出)，加热装置40围绕设置在托盘20的外侧；多个坩埚30分别放置在托盘20上的多个置放盘上。

上述的晶体生长设备，通过在托盘20上设置多个可旋转的置放盘，并在炉体10内设置多个坩埚30，将多个坩埚30分别放置在多个置放盘上；在该晶体生长设备使用时，通过置放盘的转动带动放置在其上面的坩埚30随之转动，可以使每个坩埚30的热场均匀，减小坩埚30内的径向温度梯度，提高坩埚30内物料的受热均匀性，从而提高产品品质。而且，该晶体生长设备可以增加单炉产量，可以选择在一个坩埚30或者多个坩埚30内放置物料，减少或者增加坩埚30的数量，或者采用不同尺寸大小的坩埚30，提高了该晶体生长设备的生产灵活性。采用该晶体生长设备还可以进行实验粉料的合成，可作为粉料合成炉和长晶炉使用。

具体来说，在其中一个实施例中，置放盘能够绕垂直于托盘20平面方向的轴线旋转。这样，使得坩埚30能够在托盘20上绕垂直于托盘20的轴线旋转，与围绕设置在托盘20外侧的加热装置40相配合，能够更好地提高坩埚30的受热均匀性。

进一步地，在其中一个实施例中，每一个置放盘均采用独立控制。也就是说，每一个置放盘均可以独立地控制其是否转动以及独立地调节每一个置放盘的转速的快慢。这样设置，可以针对不同的坩埚30分别进行控制，根据需要调节相应地坩埚30的转速。

可以理解，托盘20上的每一个置放盘可以分别连接一个旋转驱动机构(图中未标出)，通过多个旋转驱动机构分别独立控制每一个置放盘的转动。该旋转驱动机构可以采用电机等现有的驱动机构。

在其中一个实施例中，多个置放盘沿托盘20的周向均布设置。也就是说，多个置放盘与加热装置40之间的距离相等，且多个置放盘之间的间距相等。这样，可以使得每一个坩埚30的热场一致，使得多个坩埚30内的物料受热一致。如图2所示，在本实施例中，在托盘20上沿托盘20的周向均布设置有4个置放盘，在托盘20上同时放置有四个坩埚30。

可以理解，在托盘20上设置多个可旋转的置放盘，多个坩埚30分别放置在托盘20上的多个置放盘上。具体是指将多个坩埚30一一对应地放置在多个置放盘，每个置放盘上放置对应放置一个坩埚30，可以单独地带动每一个坩埚30的旋转。本实用新型采用多个坩埚30的形式，打破了传统长晶设备单一坩埚30的特征；而且可以根据实际使用需求，在托盘20上增加或减少坩埚30的数量，坩埚30的尺寸大小也可以根据需要进行选择，使用更加灵活。例如，可在4寸和6寸的坩埚30之间进行灵活切换。

传统的PVT长晶设备，采用感应加热的方式对准密闭的坩埚30进行加热，将作为生长源的SiC粉料源置于坩埚30的底部，籽晶固定在坩埚30的顶部，生长源在低压高温下升华分解产生气态物质，在料源与籽晶之间的温度梯度形成的压强梯度的驱动下，这些气态物质被输运到低温的籽晶处，在过饱和的气氛中结晶生长。

这种传统的PVT长晶设备，由于感应加热存在趋肤效应，发热区仅位于生长室的表面，加热不够均匀；当生长室尺寸扩大时，由于发热区与生长室中心距离较远，将产生过大的径向的温度梯度。而且感应加热的磁场受电源波动、线圈安装精度等因素的影响较大，较难实现精确的控制和稳定的输出，也使得加热的温度的稳定性不高，影响产品质量。

在本实用新型其中一个实施例中，加热装置40采用环形石墨电阻加热器，该电阻加热器呈环形并且围绕设置在托盘20的外侧。相比于传统的感应加热式长晶设备，本实用新型的电阻加热器能够实现晶体生长设备内部温场的均匀性，保证坩埚30的受热均匀，减小径向温度梯度，能够实现温度精准的控制和稳定的输出，提高产品品质。此外，电阻加热装置的结构更加简单、加工难度更小，有利于生产和日常维护保养。

进一步地，在本实施例中，当坩埚30放置在置放盘上时，坩埚30在高度方向上的上沿和下沿均不突出于加热装置40。也就是说，坩埚30的上沿和下沿均位于加热装置40的加热范围之内。这样设置，能够确保整个坩埚30都能够均匀受热，进一步提高了坩埚30的温场的均匀性。

在其中一个实施例中，该晶体生长设备中的托盘20可以相对炉体10转动。具体地，可以设置一个托盘旋转机构(图中未标出)与托盘20相连接，通过该托盘旋转机构驱动托盘20旋转，进而带动托盘20上的坩埚30随之一起旋转。托盘旋转机构可采用现有的结构。

在其中一个实施例中，该晶体生长设备还包括一个托盘升降机构(图中未标出)，该托盘升降机构与托盘20相连接，用于驱动托盘20整体在炉体10的内腔中上升或下降。这样设置，可以通过托盘升降机构驱动托盘20连同坩埚30一起上升或下降，从而调节坩埚30相对于加热装置40的位置，使得坩埚30的上下沿均位于加热装置40的加热范围之内，以获得需要的温场。该托盘升降机构可以采用现有的升降驱动机构。升降驱动机构可为例如气缸、油缸以及电机加传动机构(如齿轮齿条)等机构。

在其中一个实施例中，在炉体10与加热装置40之间还设置有一个保温装置50。通过设置该保温装置50，可以起到对坩埚30的保温作用，可以避免加热装置40产生的热量过多地向外耗散损失，从而有利于降低能耗，并且有利于保持坩埚30的热场的一致性，提高产品品质。

具体来说，该保温装置50包括多块保温层(图中未标出)，多块保温层分别设置在加热装置40的底部、顶部及侧面，多块保温层相连接形成一个相对封闭的保温腔室。托盘20、坩埚30和加热装置40均设置在该保温腔室之内，通过多块保温层连接形成保温腔室，从而可以对坩埚30起到很好的保温作用。

具体地，保温层可以采用碳纤维保温毡；并且，位于加热装置40底部和顶部的保温层均可采用碳纤维硬毡，而位于加热装置40侧面的保温层则采用碳纤维软毡。这样，可以起到良好的保温作用。保温层也可以采用现有的其他类似的保温材料。托盘20可采用石墨材质的托盘20，也可采用本领域中通常采用的其他材质的托盘20。

在传统的感应加热式的晶体生长设备中，一般采用双层石英管作为真空腔体。但是，大直径的石英管的制作难度较大。因此，传统的生长设备在制作大直径的碳化硅生产设备时存在较大的难度。

本实用新型的晶体生长设备，采用电阻加热器作为加热装置40，炉体10的炉壁采用双层不锈钢水冷套。相对于传统的采用双层石英管作为炉体10的感应加热式生长设备，本实用新型的晶体生长设备采用不锈钢材质，采用水冷的方式对炉体10进行降温，不仅可维持晶体生长设备外部温场的稳定，而且大大降低了炉体10的制作难度，易于生产加工和维护，可制作大直径的炉体10，适用于大直径晶体生长设备的制作需求。

具体来说，在采用该晶体生长设备时，可向炉体10的双层不锈钢水冷套内通入循环冷凝水，以降低炉体10的炉壁温度，维持晶体生长设备外部温场的稳定。

请参见图1，在本实用新型的晶体生长设备中，在炉体10、保温装置50、加热装置40、托盘20之间均留有一定的间隙。可以理解，也就是在炉体10与保温装置50之间，保温装置50与加热装置40之间以及加热装置40与托盘20之间均不采用紧贴设置，而是互相间隔形成一定的间隙。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种晶体生长设备，其特征在于，包括：

炉体；

托盘，所述托盘设于所述炉体内，所述托盘上设有多个可转动的置放盘；

多个坩埚，多个所述坩埚用于分别设置在多个所述置放盘上；及

加热装置，设于所述炉体内，所述加热装置围绕所述托盘设置。

2.根据权利要求1所述的晶体生长设备，其特征在于，所述置放盘能够绕垂直于所述托盘所在平面方向的轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的晶体生长设备，其特征在于，多个所述置放盘沿所述托盘的周向均布设置。

4.根据权利要求1所述的晶体生长设备，其特征在于，所述加热装置为电阻加热器，所述电阻加热器呈环形并围绕设置在所述托盘的外侧。

5.根据权利要求1所述的晶体生长设备，其特征在于，所述坩埚设置在所述置放盘上时，所述坩埚在高度方向的上沿和下沿均不突出于所述加热装置。

6.根据权利要求1所述的晶体生长设备，其特征在于，所述托盘可相对所述炉体转动；和/或

所述晶体生长设备还包括托盘升降机构，所述托盘升降机构与所述托盘连接，用于驱动所述托盘上升或下降。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的晶体生长设备，其特征在于，所述晶体生长设备还包括保温装置，所述保温装置具有一保温腔室，所述坩埚和所述加热装置设于所述保温腔室中。

8.根据权利要求7所述的晶体生长设备，其特征在于，所述保温装置包括多块保温层，多块所述保温层分别设于所述加热装置的底部、顶部及侧面，多块所述保温层连接形成所述保温腔室。

9.根据权利要求8所述的晶体生长设备，其特征在于，所述保温层为碳纤维保温毡，位于所述加热装置底部和顶部的所述保温层为碳纤维硬毡，位于所述加热装置侧面的所述保温层为碳纤维软毡。

10.根据权利要求1～6中任意一项所述的晶体生长设备，其特征在于，所述炉体的炉壁为双层不锈钢水冷套。

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