一种晶体生长气氛的控制装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及晶体的生产技术领域，尤其涉及一种晶体生长气氛的控制装置及其控制方法。


背景技术：

2.晶体的生长气氛一般通过以下方法设置：对反应腔抽真空，使得反应腔内的气压下降至设定的第一气压值，然后充入工艺气体使得反应腔内的气压上升至设定的第二气压值附近，工艺气体的流量是可控的。现有的方法存在如下问题：工艺气体的流量会影响反应腔内的气压，在指定的工艺气体流量下，反应腔内的气压不断上升，无法精确的稳定在预设气压范围内，不利于晶体的生长。


技术实现要素：

3.基于以上所述，本发明的目的在于提供一种晶体生长气氛的控制装置及其控制方法，解决了现有的反应腔内的气压无法稳定在预设气压范围内的问题，提高了晶体的生长质量。
4.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种晶体生长气氛的控制装置，包括：晶体生长组件，其内限定出反应腔；气压测量件，用于检测所述反应腔内的气压；气体控制组件，与所述反应腔连通，所述气体控制组件包括用于设定通入所述反应腔的工艺气体的气体流量的气体流量限定件；抽气组件，与所述反应腔连通，所述抽气组件能够将所述反应腔内的气体向外抽出，以使所述反应腔内的气压位于预设气压范围内。
6.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述抽气组件包括流量调节组件和抽气泵，所述流量调节组件分别与所述抽气泵的进口和所述反应腔连通，所述流量调节组件上设有流通面积可调节的流通口。
7.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述晶体生长气氛的控制装置还包括控制模块，所述控制模块分别与所述气压测量件、所述流量调节组件、所述抽气泵及每个所述气体流量限定件电连接。
8.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述流量调节组件包括节流阀和电机，所述节流阀上设有所述流通口，所述电机用于调节所述流通口的流通面积。
9.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述气体控制组件的个数为至少一个，每个所述气体控制组件均用于向所述反应腔通入一种所述工艺气体，所述工艺气体为氩气、氦气及氮气中的一种或者至少两种，每种所述工艺气体进入所述反应腔的流量均低于1000ml/min。
10.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述预设气压范围为p-α至p α，其中p位于0.02mpa-0.2mpa之间，α小于或者等于100pa。
11.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述晶体生长组件包括：反应箱，
其内限定出所述反应腔；坩埚，设置在所述反应腔内且用于容纳助溶剂；承托座，用于承托所述坩埚，所述承托座能够带动所述坩埚在水平面内旋转和沿竖直方向移动；感应加热线圈，用于加热所述反应腔以熔化所述助溶剂；连接组件，其一端能够伸入所述坩埚内，所述连接组件能够在水平面内旋转和沿竖直方向移动。
12.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述晶体生长组件还包括套设在所述坩埚外部的隔热件，所述感应加热线圈位于所述隔热件的外部。
13.作为一种晶体生长气氛的控制装置的优选方案，所述连接组件包括：连接杆，其一端伸出所述反应箱，另一端能够伸入所述坩埚内；石墨托，设置在所述连接杆的另一端且所述石墨托的底部设有籽晶。
14.一种适用于以上任一方案所述的晶体生长气氛的控制装置的控制方法，包括：
15.通过所述气体流量限定件设定所述工艺气体进入所述反应腔的气体流量；
16.所述抽气组件将所述反应腔内的气体向外抽出，所述气压测量件实时检测所述反应腔内的实时气压；
17.若所述实时气压偏离所述预设气压范围，则所述抽气组件改变抽吸所述反应腔内气体的流量，直至所述实时气压位于所述预设气压范围内；若所述实时气压位于所述预设气压范围内，则所述抽气组件维持抽吸所述反应腔内气体的流量。
18.本发明的有益效果为：本发明公开的晶体生长气氛的控制装置的气体流量限定件能够限定工艺气体进入反应腔内的流量，抽气组件能够将反应腔内的气体向外抽出，使得气压测量件检测的反应腔内的气压位于预设气压范围内，增加了晶体的生长环境的稳定性，解决了现有的反应腔内的气压无法稳定在预设气压范围内的问题，提升了晶体的生长质量。
19.本发明公开的晶体生长气氛的控制装置的控制方法，一旦气压测量件实时检测的反应腔内气体的实时气压偏离预设气压范围，抽气组件能够改变抽取反应腔内的气体的流量，使得实时气压位于预设气压范围内，保证晶体的生长质量。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明具体实施例提供的晶体生长气氛的控制装置的示意图。
22.图中：
23.10、反应腔；11、反应箱；12、坩埚；13、承托座；14、感应加热线圈；15、连接组件；151、连接杆；152、石墨托；16、隔热件；
24.2、气压测量件；
25.3、气体控制组件；31、气体流量限定件；
26.41、流量调节组件；411、节流阀；412、电机；42、抽气泵；
27.5、控制模块；
28.100、助溶剂；200、籽晶。
具体实施方式
29.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。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。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.本实施例提供一种晶体生长气氛的控制装置，如图1所示，包括晶体生长组件、气压测量件2、三个气体控制组件3及抽气组件，晶体生长组件内限定出反应腔10，气压测量件2用于检测反应腔10内的气压，每个气体控制组件3均与反应腔10连通且每个气体控制组件3均用于向反应腔10通入一种工艺气体，每个气体控制组件3均包括用于设定通入反应腔10的工艺气体的气体流量的气体流量限定件31，抽气组件与反应腔10连通，抽气组件能够将反应腔10内的气体向外抽出，以使反应腔10内的气压位于预设气压范围内。
33.具体地，本实施例的气体流量限定件31用于限定进入反应腔10内工艺气体的流量，气体流量限定件31为气体流量计，三个气体控制组件3分别用于通入氩气、氦气及氮气，每种工艺气体进入反应腔10的流量均低于1000ml/min。在其他实施例中，气体控制组件3还可以通入惰性气体或者其他气体，具体根据实际需要设置。在本发明的其他实施例中，气体控制组件3还可以为一个、两个或者多于三个，每个气体控制组件3均用于通入一种工艺气体，工艺气体为氩气、氦气、氮气、空气、乙烯、丙烷、惰性气体或者其他气体，每种工艺气体进入反应腔10的流量均低于1000ml/min，气体控制组件3的个数具体根据实际需要设置。
34.需要说明的是，本实施例的晶体生长气氛的控制装置用于制备碳化硅晶体，碳化硅是一种半导体材料，以碳化硅衬底制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射、效率高等特点，在射频、新能源汽车等领域具有重要的应用价值。上述氩气、氦气及氮气中的氮气可以对碳化硅晶体进行掺杂，三种工艺气体的总流量为定值，通过改变三种工艺气体的流量比来调节各种工艺气体的流量，使得碳化硅晶体的生长气氛满足需求，保证生成的碳化硅晶体的成品率。
35.本实施例的预设气压范围为p-α至p α，其中p位于0.02mpa-0.2mpa之间，α不大于100pa。比如，在一个实施例中，p为0.08mpa，α为50pa，该预设气压范围为0.08
±
0.00005mpa，也就是说，当反应腔10内气体的压力位于0.08
±
0.00005mpa的范围内时，有利于碳化硅晶体的生长，保证碳化硅晶体的成品率。在其他实施例中，预设气压范围可根据晶
体生长工艺的需要进行设定。
36.本实施例提供的晶体生长气氛的控制装置的气体流量限定件31能够限定每种工艺气体进入反应腔10内的流量，抽气组件能够将反应腔10内的气体向外抽出，使得气压测量件2检测的反应腔10内的气压位于预设气压范围内，增加了晶体的生长环境的稳定性，解决了现有的反应腔10内的气压无法稳定在预设气压范围内的问题，提升了晶体的生长质量。
37.如图1所示，本实施例的抽气组件包括流量调节组件41和抽气泵42，流量调节组件41分别与抽气泵42的进口和反应腔10连通，流量调节组件41上设有流通面积可调节的流通口。具体地，该流量调节组件41包括节流阀411和电机412，节流阀411上设有流通口，电机412用于调节流通口的流通面积。进一步地，该电机412为步进电机或伺服电机，若气压测量件2检测的反应腔10内的气压高于预设气压范围，则电机412调大节流阀411的流通口的流通面积，使得抽气组件抽吸反应腔10内的气体的流量增大，从而使得反应腔10内的气压达到预设气压范围内；若气压测量件2检测的反应腔10内的气压低于预设气压范围，则电机412调小节流阀411的流通口的流通面积，使得抽气组件抽吸反应腔10内的气体的流量减小，从而使得反应腔10内的气压达到预设气压范围内；若气压测量件2检测的反应腔10内的气压位于预设气压范围内，则保持节流阀411的流通口的流通面积不变。
38.如图1所示，本实施例的晶体生长气氛的控制装置还包括控制模块5，控制模块5分别与气压测量件2、流量调节组件41的电机412、抽气泵42及每个气体流量限定件31电连接，如图1中的虚线所示。具体地，控制模块5为控制器，控制器能够接收气压测量件2检测的反应腔10内的实时气压，并将该实时气压与预设气压范围进行对比，从而调节流量调节组件41的流通口的流通面积的大小，并控制抽气泵42的转速，使得反应腔10内的气压维持在预设气压范围内。进一步地，该控制器可以是集中式或分布式的控制器，比如，控制器可以是一个单独的单片机，也可以是分布的多块单片机构成，单片机中可以运行控制程序，进而控制气压测量件2、电机412、抽气泵42及每个气体流量限定件31实现其功能。
39.如图1所示，本实施例的晶体生长组件包括反应箱11、坩埚12、承托座13、感应加热线圈14、连接组件15及隔热件16，反应箱11内限定出反应腔10，坩埚12为石墨坩埚，坩埚12设置在反应腔10内且用于容纳助溶剂100，隔热件16套设在坩埚12的外部，承托座13用于承托坩埚12。具体地，承托座13的一端伸出反应箱11，承托座13的另一端与坩埚12固定连接，承托座13能够带动坩埚12在水平面内旋转和沿竖直方向移动，感应加热线圈14为螺旋状感应加热线圈，匝数为八，八匝感应加热线圈14沿隔热件16的外部均匀分布。感应加热线圈14用于加热反应腔10以熔化助溶剂100。连接组件15的一端能够伸入坩埚12内，连接组件15能够在水平面内旋转和沿竖直方向移动。在其他实施例中，感应加热线圈14的匝数还可以为其他数量，具体根据实际需要设置。
40.如图1所示，本实施例的连接组件15包括连接杆151和石墨托152，连接杆151的一端伸出反应箱11，连接杆151另一端能够伸入坩埚12内，石墨托152设置在连接杆151的另一端且石墨托152的底部粘贴有籽晶200，设置的籽晶200能够使得碳化硅晶体的晶型和籽晶200一致。在其他实施例中，石墨托152的底部还可以不设置籽晶200，碳化硅晶体直接形成在石墨托152的底部，具体根据实际需要设置。需要说明的是，图1中的连接杆151、石墨托152及承托座13等结构仅为示意图。
41.本实施例的反应箱11上具有至少一个与反应腔10连通的真空抽气口(图中未示出)，该晶体生长气氛的控制装置还包括真空获得装置(图中未示出)，真空获得装置与真空抽气口连通，在制备碳化硅晶体之前，真空获得装置可将反应腔10内的气体抽出，使得反应腔10内的压力不高于设定压力，设定压力为10-4
pa。抽真空之后，充入至少一种工艺气体，使得反应腔10内气压升高至预设气压范围。
42.本实施例还提供一种晶体生长气氛的控制装置的控制方法，包括：
43.通过每个气体流量限定件31设定每种工艺气体进入反应腔10的气体流量；
44.抽气组件将反应腔10内的气体向外抽出，气压测量件2实时检测反应腔10内的实时气压；
45.若实时气压偏离预设气压范围，则抽气组件改变抽吸反应腔10内气体的流量，直至实时气压位于预设气压范围内；若实时气压位于预设气压范围内，则抽气组件维持抽吸反应腔10内气体的流量。
46.具体地，若气压测量件2检测的反应腔10内的实时气压高于预设气压范围，则抽气组件抽吸反应腔10内的气体的流量增大，最终使得反应腔10内的气压达到预设气压范围内；若气压测量件2检测的反应腔10内的气压低于预设气压范围，则抽气组件抽吸反应腔10内的气体的流量减小，最终使得反应腔10内的气压达到预设气压范围内；若气压测量件2检测的反应腔10内的气压位于预设气压范围内，则抽气组件抽吸反应腔10内的气体的流量不变。
47.本实施例提供的晶体生长气氛的控制装置的控制方法，一旦气压测量件2实时检测的反应腔10内气体的实时气压偏离预设气压范围，抽气组件能够改变抽取反应腔10内的气体的流量，使得实时气压位于预设气压范围内，保证晶体的生长质量。
48.反应腔10内气压升高至预设气压范围后，采用上述晶体生长气氛的控制装置的控制方法使反应腔10内的气压一直维持在预设气压范围，同时启动晶体生长步骤。晶体生长步骤包括：首先向感应加热线圈14通交变电流，使得助溶剂100熔化并达到所需要的生长温度；接着，降低连接杆151，使得石墨托152下表面的籽晶200接触助溶剂100的液面，或浸入液面一定深度；然后，旋转并同时向上提拉连接杆151，同时通过承托座13旋转坩埚12。
49.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。