单晶生长加热装置的制作方法

本实用新型涉及半导体制造设备领域，特别是涉及一种单晶生长加热装置。

背景技术：

一般介质在超临界状态下，粘度低、比液体更容易扩散，但具有和液体同样的溶剂化能力，而亚临界状态是指在临界温度附近，具有和临界密度基本相同的密度的液体状态。氨热法是在超临界环境中生长gan单晶的一种方法，在氨热法生长gan单晶的装置中，设有原料区和结晶区，通过加热，使原料区处于超临界状态下，将原料溶解；使结晶区处于亚临界状态，利用超临界状态和亚临界状态的溶解度差进行结晶生长。现有氨热法生长gan单晶的装置技术中，周围温度的变化对于装置内温度有一定影响，不利于温度准确控制。

技术实现要素：

基于此，针对上述问题，本实用新型提供一种单晶生长加热装置。

本实用新型提供一种单晶生长加热装置，包括：容器，所述容器包括第一区和位于所述第一区下方的第二区；加热部件，位于所述容器外侧，所述加热部件包括彼此温度能独立控制的第一加热单元和第二加热单元，所述第一加热单元位于第一区外围，所述第二加热单元位于第二区外围，所述第一加热单元和所述第二加热单元之间具有间距；恒温层，位于所述容器外侧且通过所述加热部件和绝热层与所述容器相隔离。

上述单晶生长加热装置中包括恒温层，使得容器外侧的温度恒定，减少环境温度变化对容器内温度的影响，还能有利于精确控制容器内的轴向温度差，减少成本。

在其中一个实施例中，所述容器包括高压釜，所述高压釜是用于氨热法生长氮化镓单晶的容器。

在其中一个实施例中，所述加热部件和所述绝热层一起包覆所述容器，所述绝热层包括顶部绝热层、上部绝热层、中部绝热层、下部绝热层、底部绝热层，所述顶部绝热层位于所述容器的顶部，所述上部绝热层位于所述第一区处外侧，所述中部绝热层位于所述第一加热单元和所述第二加热单元之间，所述下部绝热层位于所述第二区外侧，所述底部绝热层位于所述容器底部。

在其中一个实施例中，所述第一加热单元和所述第二加热单元之间的间距大于等于50mm。

在其中一个实施例中，所述加热部件包括加热丝和支撑所述加热丝的支撑体。

在其中一个实施例中，所述恒温层包覆所述容器且通过所述加热部件和绝热层与所述容器相隔离，所述恒温层包括顶部恒温层、中部恒温层、底部恒温层，所述顶部恒温层位于所述容器顶部、所述中部恒温层位于所述容器外围，所述底部恒温层位于所述容器底部。

在其中一个实施例中，所述恒温层内通有冷却液或冷却气体。

在其中一个实施例中，所述恒温层的温度低于100℃。

在其中一个实施例中，所述恒温层包括夹套结构。

在其中一个实施例中，所述恒温层包括绕管结构。

附图说明

图1为本实用新型的单晶生长加热装置所呈现的截面图。

图2为本实用新型的加热方法的流程图。

图中：10、容器；1011、第一区；1012、第二区；1021、容器上端盖；1022、容器壁；1023、容器下端盖；20、加热部件；2011、第一加热单元；2012、第二加热单元；2021、加热丝；2022、支撑体；30、绝热层；301、顶部绝热层；302、上部绝热层；303、中部绝热层；304、下部绝热层；305、底部绝热层；40、恒温层；404、冷却液管道；50、隔板。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

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“及/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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

一个实施例，如图1所示，提供一种单晶生长加热装置，包括：容器10；加热部件20，位于容器10外侧，用于对容器10加热；恒温层40，位于容器10外侧且通过加热部件20和绝热层30与容器10相隔离。

在本实施例中，上述单晶生长加热装置中包括恒温层40，使得容器10外侧的温度恒定，减少周围温度变化对容器10内温度的影响，还能有利于精确控制容器10内的轴向温度差，保证生长工艺的稳定性、一致性，从而提升产量、良率和性能，减少产品成本。

在一个实施例中，容器10包括容器壁1022、容器上端盖1021和容器下端盖1023。其中，容器壁1022可以是筒状。

在一个实施例中，加热部件20包括加热炉，优选的，加热炉为电阻炉。

在一个实施例中，容器包括高压釜，高压釜是用于氨热法生长氮化镓单晶的容器。

在一个具体的实施例中，单晶生长加热装置是用于氨热法生长氮化镓单晶，其中容器10是高压釜，容器10包括第一区1011和位于第一区1011下方的第二区1012，其中第一区1011是结晶区，第二区1012是原料区，加热部件20使高压釜内填充的氨处于超临界状态，加热部件20包括彼此温度能独立控制的第一加热单元2011和第二加热单元2012，第一加热单元2011位于第一区1011外围，第二加热单元2012位于第二区1012外围，使得第一区1011和第二区1012能够形成温度差，从而更有利于氮化镓单晶的生长。

其中，结晶区可以在原料区下方，也可以在原料区上方。当使用酸性矿化剂时，原料区的温度要高于结晶区的温度；当使用碱性矿化剂时，结晶区的温度要高于原料区的温度。

在本实施例中，在氮化镓单晶生长过程中，容器10内压力为100mpa～300mpa，容器10内温度为450℃～650℃。

在一个实施例中，容器10包括第一区1011和第二区1012，加热部件20包括彼此温度能独立控制的第一加热单元2011和第二加热单元2012，第一加热单元2011用于对第一区1011加热，第二加热单元2012用于对第二区1012加热。

在一个实施例中，第一加热单元2011和第二加热单元2012之间具有间距，优选的，第一加热单元2011和第二加热单元2012之间的间距大于等于50mm，例如，第一加热单元2011和第二加热单元2012之间的间距可以是50mm、55mm、60mm、70mm、80mm。

在一个实施例中，第一加热单元2011和第二加热单元2012都是由至少1个加热元件拼接而成，例如，第一加热单元2011和第二加热单元2012都是由3个加热元件拼接而成。每个加热元件包括若干个加热丝2021，优选的，加热丝2021为加热电阻丝。

在一个实施例中，容器10内还包括带有通孔的隔板50，用于把第一区1011和第二区1012隔开。隔板50既有利于容器10内形成阶跃温差，又能使第一区1011和第二区1012各自环境相对稳定，有效控制晶体生长速度。

在一个实施例中，加热部件20和绝热层30一起包覆容器10，第一加热单元2011和第二加热单元2012之间具有间距，绝热层30包括顶部绝热层301、上部绝热层302、中部绝热层303、下部绝热层304、底部绝热层305，顶部绝热层301位于容器10的顶部，上部绝热层302位于第一区1011外侧，中部绝热层303位于第一加热单元2011和第二加热单元2012之间，下部绝热层304位于第二区1012外侧，底部绝热层305位于容器10底部。

在一个实施例中，加热部件20包括加热丝2021和支撑加热丝2021的支撑体2022，支撑体2022的材质包括硅酸铝、氧化锆、氮化铝、氧化铝中的一种或几种组合，使得支撑体2022的绝热性能好，减少成本。

在本实施例中，加热部件20是筒状的，加热丝2021位于加热部件20的内侧并沿圆周均匀分布，而支撑体2022用于支撑加热丝2021，也能起到一定的绝热效果。

在其中一个实施例中，加热丝2021是垂直设置的。

在其中另一个实施例中，加热丝2021还可以是水平设置的。

在一个实施例中，绝热层30的材质包括硅酸铝、氧化锆、氮化铝、氧化铝中的一种或几种组合，提高了绝热层30的绝热性能，还能减少成本。

在一个实施例中，恒温层40包覆容器10且通过加热部件20和绝热层30与容器10相隔离，恒温层40包括顶部恒温层、中部恒温层、底部恒温层，顶部恒温层位于容器10顶部、中部恒温层位于容器10外围，底部恒温层位于容器10底部。

在本实施例中，中部恒温层是筒状的。

在一个实施例中，恒温层40内通有冷却液或冷却气体。

在其中一个实施例中，冷却液可以是常温的水。

在一个实施例中，恒温层40的温度低于100℃，例如，恒温层40的温度可以是60℃或更低。

在一个实施例中，恒温层40包括夹套结构或绕管结构。

夹套是指在容器壁(或管壁)外面加上的一个外套。

在一个具体的实施例中，恒温层40包括绕管结构，恒温层40内分布有冷却液管道404，恒温层40包括顶部恒温层、中部恒温层、底部恒温层，其中中部恒温层是筒状，恒温层40都有冷却液入口和冷却液出口，在本实施例中，中部恒温层的冷却液入口位于中部恒温层的下部，而冷却液出口位于中部恒温层的上部。

在一个实施例中，还包括2个以上的热电偶，用于测量容器10内第一区1011和第二区1012的温度。

在一个实施例中，容器10上设置有与热电偶相匹配的测温孔，热电偶穿过加热部件20中加热丝2021之间的间隙并穿过测温孔，以测量容器10内的温度。

在一个实施例中，还包括压力传感器，用于测容器10内压力。

在一个实施例中，还包括管路系统，其中包括向容器10内充氨的管路、用于清洗容器10的管路以及连接压力机的管路。

一个实施例，如图2所示，提供一种加热方法，包括：提供上述的单晶生长加热装置，采用单晶生长加热装置对容器10内进行加热；其中，当容器10内最低温度低于第一温度时，对容器10内以第一加热速度加热至第一温度并控制容器10内压力低于第一压力；当容器10内最低温度高于第一温度且低于第二温度时，对容器10内以第二加热速度加热至第二温度并控制容器10内压力低于第二压力，第一加热速度大于第二加热速度；当容器10内最低温度等于第二温度时，精确控制容器10内温度的变化，以控制容器10内氮化镓单晶的生长。

在本实施例中，上述加热方法采用的单晶生长加热装置包括恒温层40，使得容器10外侧的温度恒定，减少周围温度变化对容器10内温度的影响，还能有利于精确控制容器10内的轴向温度差，减少成本；而且在上述加热方法中，分时间段以第一加热速度和第二加热速度加热，使得容器10内升温过程更安全，还能更准确的控制温度和压力。

在一个具体的实施例中，上述加热方法用于氨热法生长氮化镓单晶。

s10：提供上述的单晶生长加热装置，采用单晶生长加热装置对容器10内进行加热；其中，当容器10内最低温度低于第一温度时，对容器10内以第一加热速度加热至第一温度并控制容器10内压力低于第一压力。

在一个实施例中，在步骤s10之后，还包括：

s11：当容器10内温度等于第一温度时，维持容器10内的温度并进行容器10内温度和压力的标定。

其中进行容器10内温度和压力的标定能够更准确的控制容器10内氨的含量，使制程更加安全。

s20：当容器10内最低温度高于第一温度且低于第二温度时，对容器10内以第二加热速度加热至第二温度并控制容器10内压力低于第二压力，第一加热速度大于第二加热速度。

在一个实施例中，第二温度为氮化镓单晶生长的初始温度。

在其中一个实施例中，第二温度大于等于450℃，例如，第二温度可以是450℃、500℃、600℃、650℃。

在一个实施例中，第二压力为容器10的设计压力。

s30：当容器10内最低温度等于第二温度时，精确控制容器10内温度的变化，以控制容器10内氮化镓单晶的生长。

在一个实施例中，当第一区温度或第二区温度小于第一温度时，对容器10内第一区以第一区第一加热速度加热，第二区以第二区第一加热速度加热；当第一区温度且第二区温度大于第一温度，而且第一区温度或第二区温度小于第二温度时，对容器10内第一区以第一区第二加热速度加热，第二区以第二区第二加热速度加热。

在一个实施例中，容器10包括第一区1011和第二区1012，在以第一加热速度加热过程中，控制第一区温度和第二区温度之间的温度差小于等于第一温度差，在以第二加热速度加热过程中，控制第一区温度和第二区温度之间的温度差小于等于第二温度差，在精确控制容器10内温度的变化时，控制第一区温度和第二区温度之间的温度差小于等于第二温度差，且大于等于第三温度差，第一温度差和第二温度差用于保证容器10的安全，第三温度差用于控制容器10内氮化镓单晶的生长。

在一个实施例中，在氮化镓单晶生长过程中，控制第一区温度和第二区温度的温度波动范围小于等于5℃，第一区温度和第二区温度之间的温度差，即第三温度差大于0℃。

在一个实施例中，在以第一加热速度加热过程中，控制第一区温度和第二区温度之间的温度差小于等于第一温度差，优选的，第一温度差为80℃。

在一个实施例中，第二温度差为50℃以下，优选的，第二温度差为25℃。

在一个具体的实施例中，加热方法是用于氨热法生长氮化镓单晶，其中第一区1011是结晶区，第二区1012是原料区。

在一个实施例中，在氮化镓单晶生长完成后，关闭加热部件20，通过恒温层40冷却容器10。

以上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。