晶体厚度均匀生长的碳化硅长晶炉的制作方法

1.本实用新型涉及碳化硅长晶技术领域，具体涉及一种晶体厚度均匀生长的碳化硅长晶炉。


背景技术：

2.目前在使用感应线圈法进行碳化硅长晶时，随着晶体尺寸的要求越来越大，籽晶直径增大的同时，籽晶各区域的温度差异也随之增大，而随着晶体厚度变厚，伴随着晶体生长时内部温度差异也随之增大。在碳化硅晶体生长时，若不能稳定控制各区域的生长温度，则在碳化硅晶体生长时，中心厚度以及边缘厚度差异会增大，造成晶体应力变大，在后续的晶碇整形时容易造成破裂，晶舔缺陷方面亦容易产生微管、异晶型、晶界等缺陷，籽晶的扩径也难以进行。
3.因此在晶体生长时，生长初期籽晶各区域温度的不一致，生长中期晶体中心区域以及外圈区域温度的不稳定，限制了碳化硅晶体的尺寸以及质量。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种晶体厚度均匀生长的碳化硅长晶炉，可稳定控制晶体生长时籽晶各区域的温度，籽晶尺寸因扩径变大时亦可调整长晶所需温度，且随着碳化硅晶体变厚，通过调整不同区域冷却环的温度及流量来配合晶体各阶段的生长温度，从而得到高质量及更大尺寸的碳化硅晶体。
5.本实用新型的技术方案为：
6.晶体厚度均匀生长的碳化硅长晶炉，包括长晶炉，长晶炉内设置有石墨坩埚，石墨坩埚的顶部设置有石墨坩埚台座，石墨坩埚台座上黏合有籽晶，石墨坩埚内填充有碳化硅粉料；所述长晶炉的顶部和侧面分别设置有感应加热线圈，长晶炉的顶部和底部分别安装有红外线测温器；长晶炉内部位于石墨坩埚的上方设置有冷却机构，冷却机构连接有升降机构；冷却机构包括若干个同心连接的冷却环，每个冷却环分别连接有冷却系统。
7.优选地，最外侧冷却环的外径不小于石墨坩埚的直径。
8.优选地，相邻的冷却环之间通过连接柱连接，可维持同心冷却环的稳定。
9.优选地，所述冷却环设置有2-9个。
10.优选地，每个冷却环的环宽相同。
11.优选地，所述冷却环的圆心位于石墨坩埚的中轴线上。
12.优选地，所述长晶炉顶部的感应加热线圈呈螺旋结构或绕线结构设置，长晶炉侧面的感应加热线圈呈螺旋结构设置。
13.本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：
14.本实用新型的碳化硅长晶炉用于大尺寸碳化硅长晶，可稳定控制晶体生长时籽晶各区域的温度，籽晶尺寸因扩径变大时亦可调整长晶所需温度，且随着碳化硅晶体变厚，通过调整不同区域冷却环的温度及流量来配合晶体各阶段的生长温度，从而得到高质量及更
大尺寸的碳化硅晶体，碳化硅晶碇厚度内外圈均匀，晶碇应力小，可提升整形及切磨抛的加工良率。
附图说明
15.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，对于本领域普通技术人员而言，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。
16.图1是本实用新型的结构示意图。
17.图2是本实用新型的冷却环的结构示意图。
18.图3是本实用新型长晶炉顶部的绕线型结构设置的感应加热线圈的俯视图。
19.图中，1-长晶炉、2-石墨坩埚、3-石墨坩埚台座、4-籽晶、5-碳化硅粉料、6-感应加热线圈、7-红外线测温器、8-冷却机构、801-冷却环、802-连接柱、9-升降机构。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
21.如图1所示，本实用新型提供了一种晶体厚度均匀生长的碳化硅长晶炉，包括长晶炉1，长晶炉1内设置有石墨坩埚2，石墨坩埚2的顶部设置有石墨坩埚台座3，石墨坩埚台座3上黏合有籽晶4，石墨坩埚2内填充有碳化硅粉料5；所述长晶炉1的顶部和侧面分别设置有感应加热线圈6，各自有独立的电源控制系统，可分别进行功率及温度的调节；顶部的感应加热线圈6呈螺旋结构或绕线结构设置(如图3所示)，具有相同的环宽或线宽且覆盖面积不小于石墨坩锅2的直径，侧面的感应加热线圈6呈螺旋结构设置，可分别对长晶炉1的顶部和侧面加热。长晶炉1的顶部和底部分别安装有红外线测温器7，顶部红外线测温器7用于测石墨坩埚台座3的温度而底部的红外线测温器7用于测长晶炉1腔体内的温度。并且顶部感应加热线圈6不遮挡顶部红外线测温器7测量温度。红外线测温器7可采用现有市购设备，如东莞市塘厦精工仪器厂提供的rf-4a25感应加热红外测温仪，其在长晶炉1上的安装方式属于本领域常规技术手段，在此不再赘述。
22.长晶炉1内部位于石墨坩埚2的上方设置有冷却机构8，冷却机构8连接有升降机构9。其中升降机构9的作用是带动与之连接的冷却机构8上下移动，以调节冷却机构8与石墨坩锅台座3的距离在5～50mm之间；升降机构9可采用现有结构设计，比如由驱动电机驱动的丝杠，冷却机构8连接在丝杠的滑块上等方式。如图2所示，冷却机构8包括若干个通过连接柱802同心连接的冷却环801，冷却环801的圆心位于石墨坩埚2的中轴线上，冷却环801上设有冷却介质进口和冷却介质出口，每个冷却环801通过冷却介质进口和冷却介质出口分别连接有独立的冷却系统，可分别对每个冷却环801进行流量及温度的控制。冷却环801设置有2-9个，下面以设置有四个冷却环801为例进行说明，每个冷却环801的环宽相同且最外侧冷却环801的外径不小于石墨坩埚2的直径，以使冷却面积覆盖整个石墨坩埚2，确保能冷却
并控制籽晶4各区域的温度。
23.使用上述碳化硅长晶炉进行晶体生长的具体操作步骤如下：
24.步骤一：将碳化硅籽晶4与石墨坩锅台座3进行黏合；
25.步骤二：取粒径为350μm的碳化硅粉料5共5kg放置于石墨坩锅2内，并将黏合好的石墨坩锅台座3与石墨坩锅2进行结合，放置于长晶炉1内；
26.步骤三：将冷却机构8与石墨坩锅台座3的距离通过升降机构9设置为15mm，通过四个同心冷却环801各自的冷却系统调节通入冷却环801中的冷却介质的温度为20℃(冷却介质可采用冷却水)，流量压力为2.0bar；
27.步骤四：将长晶炉1内的真空抽至5.0
×
10-4
pa，同时向顶部和底部的感应加热线圈6通电以对长晶炉1进行加热，使长晶炉1腔体的温度升至2200℃，石墨坩锅台座3的温度升至2150℃，保温12h；
28.步骤五：将长晶炉1内的压力调整至5mbar，温度维持不变，开始进行碳化硅晶体生长，此阶段生长时间为60h；
29.步骤六：通过升降机构9将长晶炉1内的同心冷却环801下降，逐渐向石墨坩锅台座3靠近，下降速度为0.1mm/h，随着冷却环801靠近石墨坩锅台座3，石墨坩锅台座3的温度会逐渐下降，使得晶体生长效率会随之匀速增长，此阶段生长时间为60h；
30.步骤七：停止冷却环下降，由于晶体生长过程中籽晶4中心区域温度相对较低而外圈区域温度相对较高，因此通过各自的冷却系统将四个冷却环801分别进行温度变更，由内至外四个冷却环801的温度分别维持为20℃、19.5℃、19.0℃、18.5℃，分别控制晶体生长的中心区域以及外圈区域的温度，来保持晶体生长厚度的均一性，此阶段生长时间为60h；
31.步骤八：长晶结束，进行炉内降温，待降温至150℃可打开长晶炉1腔体进行室内降温，降至室温后可获得高质量大尺寸的碳化硅单晶。
32.最终获得的碳化硅单晶的内圈厚度达到48.0mm，外圈厚度达到47.8mm，内外圈厚度差异小，碳化硅单晶未见微管缺陷以及包裹体缺陷，晶体外圈未出现多型，说明采用本实用新型的长晶炉可以解决晶体生长初期籽晶各区域温度的不一致、生长中期晶体中心区域以及外圈区域温度不稳定导致的碳化硅晶体尺寸及质量问题。
33.以上所提供的一种碳化硅感应线圈法的长晶稳定加热装置进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对原理及实施方式进行了阐述，以上实施的说明只是用于帮助理解本的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对的限制。