导模法生长对称放肩氧化镓晶体的热场结构

1.本发明涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种导模法生长对称放肩氧化镓晶体的热场结构。


背景技术：

2.氧化镓作为新一代半导体材料是继第三代半导体碳化硅(sic)和氮化镓(gan)之后最具市场潜力的材料。与碳化硅、氮化镓相比，氧化镓基功率器件具备高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特点，例如:同等耐压情况下，比碳化硅基器件损耗降低86％，尺寸仅为碳化硅基的1/5左右。2022年8月12日，美国宣布对氧化镓相关技术实施出口管制，国内迫切需要研制出全部自主知识产权的氧化镓晶体。
3.导模法是目前氧化镓单晶的主流生长方法，通过将一个带有狭缝的特制模具放入β-ga2o3单晶熔体中，熔体由于虹吸效应自狭缝的底部上升到顶部，通过控制顶部的温度梯度完成结晶过程，模具表面的形状决定了晶体的形状。由于结晶过程发生在模具的顶端，而模具在温场中的位置是固定不变的。因此固液界面处的温度梯度不受坩埚中液面的影响，可以保持相对恒定的状态。另外，熔体在狭缝中的对流非常弱，因此固液界面较为稳定。
4.在氧化镓单晶生长过程中一个较为常见的问题是晶体放肩过程不对称，尽管晶体生长的热场结构都是对称的，但是由于气流的原因使得保温腔内左右两侧温度不对称，从而导致晶体两侧的温度不同，引起放肩速度的不同。反映到晶体外形上就是两侧放肩不对称，或者两侧放肩的角度不同，或者一侧放完肩另一侧才开始放肩。这就使得放肩过程的工艺控制更加困难，增大了晶体生长的难度，延长了放肩过程所需的时间，导致了更多不稳定因素出现，也减少了晶圆的产出率。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种导模法生长氧化镓单晶放肩对称性的控制方法，该装置可以实现导模法生长氧化镓单晶对称放肩，减少生长时间，提高晶圆产率。
6.本发明的技术解决方案如下：
7.一种导模法生长对称放肩氧化镓晶体的热场结构，包括铱金坩埚，在所述的铱金坩埚外部采用中轴对称的多层保温结构统称为下热场，该下热场从内而外依次是保温砂、保温桶和铜线圈构成中轴对称的炉膛和保温腔，所述的铱金坩埚的上部采用中轴对称的多层保温结构统称为上热场，该上热场从内而外依次是上保温体、石英筒，在所述的上保温体和石英筒的顶上由顶部盖板覆盖，该顶部盖板的中心开有一个开孔；所述的铱金坩埚的底部置于在由上而下的上隔热垫板、垫块和下隔热垫板构成的组合结构上，在所述的铱金坩埚内是模具，所述的铜线圈通电后感应中心的铱金坩埚发热，使氧化镓熔体熔化，熔体沿着所述的模具中间的缝隙上升到顶部结晶生长，其特征是，气体的输入管道对称地设置如下：
8.在所述的保温桶上端的两侧对称地各设有一条第一气流通道；
9.或依次经所述的石英筒、上保温体与所述的观察口两相对的位置处对称地各开设一条第二气流通道；
10.或在所述的保温桶的底部埋一根管道称为第三气流通道，该第三气流通道依次经所述的保温桶、保温砂、下隔热垫板的中轴线进入所述的组合结构，连接所述的炉膛和保温腔；
11.气体由所述的气流通道流入并由所述的顶部盖板的开孔处流出保温腔形成对称流场。
12.所述的保温砂和上保温体的材质为氧化锆，所述的保温桶的材质为氧化锆、氧化铝。
13.所述的气流通道的形状可为圆形、方形或椭圆等形状。
14.本发明的有益效果是：
15.通过气流通道的设置实现气体流动路径的有效控制，获得左右对称的温度分布。可实现放肩过程的对称性控制，降低左右不对称引起的应力分布不均等问题，提升晶体生长效率及稳定性，为规模化高质量氧化镓单晶制备提供重要依据。
附图说明
16.图1为本发明氧化镓生长所用热场的结构示意图；
17.图2为本发明坩埚底部垫板及垫块组合结构示意图；
18.图3为本发明晶体放肩形态示意图，其中，a为对称放肩示意图，b为非对称放肩示意图。
19.图4为氧化镓晶体放肩外形照片，其中，a为对称放肩的晶体照片，b为非对称放肩的晶体照片。
20.图中：1-铜线圈、2-保温砂、3-保温桶、4-铱金坩埚、5-模具、6-上保温体、7-石英筒、8-顶部盖板、9-第一气流通道、10-观察口、11-第二气流通道、12-第三气流通道、13-下隔热垫板、14-垫块、15-上隔热垫板。
具体实施方式
21.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
22.以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
23.实施例1
24.参照图1，图1是本发明氧化镓生长所用热场的结构示意图。由图可见，本发明导模法生长对称放肩氧化镓晶体的热场结构，包括铱金坩埚4，在所述的铱金坩埚4外部采用中轴对称的多层保温结构统称为下热场，该下热场从内而外依次是保温砂2、保温桶3和铜线圈1构成中轴对称的炉膛和保温腔，所述的铱金坩埚4的上部采用中轴对称的多层保温结构统称为上热场，该上热场从内而外依次是上保温体6、石英筒7，在所述的上保温体6和石英筒7的顶上由顶部盖板8覆盖，该顶部盖板8的中心开有一个开孔；所述的铱金坩埚4的底部
置于在由上而下的上隔热垫板15、垫块14和下隔热垫板13构成的组合结构上，在所述的铱金坩埚4内是模具5，所述的铜线圈1通电后感应中心的铱金坩埚4发热，使氧化镓熔体熔化，熔体沿着所述的模具5中间的缝隙上升到顶部结晶生长，其特点是，气体的输入管道对称地设置如下：在所述的保温桶3上端的两侧对称地各设有一条圆形的第一气流通道9；
25.气体由所述的第一气流通道9流入并由所述的顶部盖板8的开孔处流出保温腔形成对称流场。
26.铜线圈1感应中心的铱金坩埚4发热，使熔体熔化，熔体沿着模具5中间的缝隙上升到顶部并结晶生长。所述的铱金坩埚4的外部采用多层保温结构，统称为下热场。下热场的结构具体从内而外分别是氧化锆保温砂2、保温桶3(材质包含氧化锆、氧化铝等保温材料)。所述的铱金坩埚4上部的多层保温结构统称为上热场。从内而外依次是上保温体6(材质为氧化锆)，石英筒7。在所述的模具5的左右两侧的热场上对称地设置两个进风的第一气流通道9，使得气体可以由第一气流通道9流入并由顶部的盖板9的开孔流出。这样晶体肩膀两侧的气体都是向上流动的，不会出现旋涡。第一气流通道9的形状可为圆形，直径3-18mm。也可以设置成方形、椭圆等形状。
27.利用该实施例热场进行晶体生长时，晶体放肩过程稳定可控，放肩形态对称，如图3a所示。这一热场结构有效提高了氧化镓单晶生长过程的稳定性。
28.实施例2
29.参照图1，图1是本发明氧化镓生长所用热场的结构示意图。本实施例导模法生长对称放肩氧化镓晶体的热场结构，包括铱金坩埚4，在所述的铱金坩埚4外部采用中轴对称的多层保温结构统称为下热场，该下热场从内而外依次是保温砂2、保温桶3和铜线圈1构成中轴对称的炉膛和保温腔，所述的铱金坩埚4的上部采用中轴对称的多层保温结构统称为上热场，该上热场从内而外依次是上保温体6、石英筒7)在所述的上保温体6和石英筒7的顶上由顶部盖板8覆盖，该顶部盖板8的中心开有一个开孔；所述的铱金坩埚4的底部置于在由上而下的上隔热垫板15、垫块14和下隔热垫板13构成的组合结构上，在所述的铱金坩埚4内是模具5，所述的铜线圈1通电后感应中心的铱金坩埚4发热，使氧化镓熔体熔化，熔体沿着所述的模具5中间的缝隙上升到顶部结晶生长，气体的输入管道对称地设置如下：
30.经所述的石英筒7、上保温体6与所述的观察口10两相对的位置处对称地各开设一条第二气流通道11；
31.气体由所述的第二气流通道11流入并由所述的顶部盖板8的开孔处流出保温腔形成对称流场。
32.铜线圈1感应中心的铱金坩埚4发热，使熔体熔化，熔体沿着模具5中间的缝隙上升到顶部并结晶生长。该下热场具体从内而外依次是保温砂2(材质为氧化锆)、保温桶3(材质包含氧化锆、氧化铝等保温材料)。所述的上热场从内而外依次是上保温体6(材质为氧化锆)，石英筒7。在所述的保温体6和石英筒7上与观察口10相对的位置处对称开两个第二气流通道11，使得气体可以由第二气流通道11流入并由顶部盖板8的开孔处流出。这样晶体肩膀两侧的气体都是向上流动的，不会出现旋涡。第一气流通道9的形状为圆形，直径3-15mm。
33.利用该实施例的热场进行晶体生长时，晶体放肩过程稳定可控，放肩形态对称。这一热场结构有效提高了氧化镓单晶生长过程的稳定性。
34.实施例3
35.参照图1，图1是本发明氧化镓生长所用热场的结构示意图。由图可见，本实施例导模法生长对称放肩氧化镓晶体的热场结构，包括铱金坩埚4，在所述的铱金坩埚4外部采用中轴对称的多层保温结构统称为下热场，该下热场从内而外依次是保温砂2、保温桶3和铜线圈1构成中轴对称的炉膛和保温腔，所述的铱金坩埚4的上部采用中轴对称的多层保温结构统称为上热场，该上热场从内而外依次是上保温体6、石英筒7，在所述的上保温体6和石英筒7的顶上由顶部盖板8覆盖，该顶部盖板8的中心开有一个开孔；所述的铱金坩埚4的底部置于在由上而下的上隔热垫板15、垫块14和下隔热垫板13构成的组合结构上，在所述的铱金坩埚4内是模具5，所述的铜线圈1通电后感应中心的铱金坩埚4发热，使氧化镓熔体熔化，熔体沿着所述的模具5中间的缝隙上升到顶部结晶生长，气体的输入管道对称地设置如下：在所述的保温桶3的底部埋一根管道12称为第三气流通道12，该第三气流通道12依次经所述的保温桶3、保温砂2、下隔热垫板13的中轴线进入所述的组合结构，连接所述的炉膛和保温腔；
36.气体由所述的第三气流通道12流入并由所述的顶部盖板8的开孔处流出保温腔形成对称流场。
37.铜线圈1感应中心的铱金坩埚4发热，使熔体熔化，熔体沿着模具5中间的缝隙上升到顶部并结晶生长。坩埚外部采用多层保温结构，统称为下热场。具体从内而外分别是保温砂2(材质为氧化锆)，保温桶3(材质包含氧化锆、氧化铝等保温材料)。坩埚上部的多层保温结构统称为上热场。从内而外依次是上保温体6(材质为氧化锆)，石英筒7。在热场底部埋一根管道，穿过下保温桶以及保温砂，使得气体可以由第三气流通道12流入腔内，通过在坩埚底不放置一块上隔热垫板15(材质为氧化锆)，使得冷气流不会直吹埚底形成局部冷区。利用上隔热垫板15的遮挡，使得气体由坩埚外侧空隙向上经由顶部盖板8的开孔处流出。这样晶体肩膀两侧的气体都是向上流动的，不会出现旋涡。第三气流通道12的形状为圆形管道，材质为氧化锆、氧化铝等，直径3-20mm，长度为5-30mm。
38.利用该实施例热场进行晶体生长时，晶体放肩过程稳定可控，放肩形态对称。这一热场结构有效提高了氧化镓单晶生长过程的稳定性。
39.对比实施例
40.对比实施例热场结构与本发明实施例的区别如下：不具有特意设计的气流通道。只有顶部一个开孔完成进气和出气。
41.利用该对比实施例的热场进行晶体生长时发现生长过程晶体左右两侧放肩速度明显不同，温场一侧冷一侧热，冷的一侧放肩速度快，另一侧放肩速度慢，导致两侧对功率控制要求相悖，且冷的一侧容易出现平放肩。生长出的晶体如图4b所示。
42.以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。