晶体生长装置的制作方法

1.本发明涉及晶体生长技术领域，尤其是涉及一种晶体生长装置。


背景技术：

2.相关技术中，在pvt生长系统中，籽晶被水平固定或粘贴在生长室内，这就导致在生长过程中，籽晶表面的宏观缺陷或籽晶中的位错、微管等缺陷会沿着轴向温度梯度的方向穿透晶体，从而在生长的晶体中产生严重的缺陷。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出晶体生长装置，通过设置籽晶基座并将籽晶基座上的安装面构造为在与竖直方向的夹角小于90
°
，并且安装面的导热率在由上至下的方向上导热率逐渐降低，改善了晶体生长过程中出现的缺陷，提高了生长晶型的稳定性。
4.根据本发明实施例的晶体生长装置，包括：生长机构，所述生长机构内形成有加热腔，所述加热腔内设有粉源；连接杆，所述连接杆的至少部分从所述生长机构的顶壁伸入至所述加热腔内；籽晶基座，所述籽晶基座设置于所述连接杆且所述籽晶基座上形成有安装面，所述安装面与竖直方向的夹角小于90
°
，所述籽晶基座在由上至下的方向上导热率逐渐降低，籽晶适于安装在所述籽晶基座上，且所述籽晶的生长面与所述安装面平行。
5.根据本发明实施例的晶体生长装置，通过将籽晶基座上所设置的安装面构造为与竖直方向的夹角小于90
°
，粉源挥发后在流动方向与安装面平行，与传统的粉源升华方向垂直于籽晶表面的生长机制相比，平行籽晶的生长面具有单位面积上具有更高密度的表面台阶，这些表面台阶可作为螺型位错台阶形核的起始点，同时，结合平流生长面较小的过饱和度，因而在籽晶生长面会出现多个成核位置的螺型位错台阶生长中心；从结晶动力学上看，由于在生长过程中，所调控的生长组分流方向(平流层)一直与螺型位错台阶的方向是相向的，从而保证了原子台阶的有序推进。因此，沿着平流型籽晶表面，螺型台阶-平行流动生长成为可能，故，螺型位错台阶形核机制是其主要的生长机制，因此，这种设计将有利于避免微管等缺陷在晶体中的延深，有效降低晶体生长过程中出现的位错等晶体缺陷，提高晶体质量。此外，设置籽晶基座在由上至下的方向上导热率逐渐降低，由于籽晶基座上层位置的导热率较高，与下层相比，籽晶上层位置的热量可以快速向外耗散，从而减小上层籽晶的温度，增大了上层籽晶与气体之间的温差，根据温差越大生长速率越快的原理，从而加快了籽晶上层位置晶体生长速度，使得晶体生长面维持一个微凸界面，。
6.根据本发明的一个实施例，所述籽晶基座包括：石墨基座，所述石墨基座与所述连接杆相连；支撑件，所述支撑件构造为多个且设置于所述石墨基座的外周，多个所述支撑件背离所述石墨基座的表面构造为所述安装面；其中多个所述支撑件在由上到下的方向上依次布置且导热率逐渐减小。
7.根据本发明的一个实施例，多个所述支撑件构造为孔隙率互不相同的石墨片。
8.根据本发明的一个实施例，所述加热腔内部设置有内坩埚，所述内坩埚限定出顶部敞开的并用于盛放所述粉源的盛放腔。
9.根据本发明的一个实施例，晶体生长装置还包括：导流件，所述导流件设置于所述籽晶基座与所述内坩埚之间，所述导流件的外周壁的至少部分形成为导流表面，在由下至上的方向上，所述导流表面朝向背离所述导流件的中心轴线的方向倾斜延伸，且所述导流表面的上边沿与所述安装面的下边沿正对。
10.根据本发明的一个实施例，所述生长机构包括：坩埚组件，所述坩埚组件内形成有朝向外部敞开的所述加热腔；坩埚盖，所述坩埚盖适于封闭所述加热腔且所述坩埚盖上设置有用于将所述加热腔与外部导通的排气孔，每组排气孔与所述生长面正对。
11.根据本发明的一个实施例，所述安装面与所述水平面的夹角为θ，且满足：75
°
≤θ≤90
°
12.根据本发明的一个实施例，所述连接杆可转动设置以带动所述籽晶基座在所述加热腔内旋转。
13.根据本发明的一个实施例，所述籽晶基座的外周设置有多个安装面，多个所述安装面沿所述籽晶基座的周向方向排布。
14.根据本发明的一个实施例，所述籽晶形成为中空的环形，所述籽晶套设在所述籽晶基座上，所述籽晶基座的所述安装面上设置有第一安装孔，所述籽晶的配合面上设置有与所述第一安装孔对应的第二安装孔，所述晶体生长装置还包括：安装销，所述安装销适于穿设在所述第一安装孔与所述第二安装孔内以将所述籽晶固定于所述籽晶基座。
15.根据本发明的一个实施例，所述籽晶基座还设置有第三安装孔，所述第三安装孔沿所述籽晶基座的轴向方向延伸，所述第三安装孔与多个所述第一安装孔连通，所述安装销可移动地设置于所述第一安装孔内，所述晶体生长装置还包括：配合销，所述配合销适于与所述第三安装孔配合并适于驱动位于所述第三安装孔内的所述安装销沿着所述第一安装孔移动，以使所述安装销的背离所述配合销的一端插设在所述第二安装孔内。
16.根据本发明的一个实施例，所述配合销的上端面形成为锥形面，所述安装销朝向所述第三安装孔的一端设置有与所述锥形面配合的斜面。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1是根据本发明的一个实施例的晶体生长装置的结构示意图；
20.图2是根据本发明的另一个实施例的晶体生长装置的结构示意图；
21.图3是根据本发明的一个实施例的晶体生长装置的俯视图；
22.图4是根据本发明的一个实施例的籽晶的结构示意图；
23.图5是根据本发明的一个实施例的内坩埚和连接杆俯视图；
24.图6是根据本发明实施例中碳化硅气体的流动示意图；
25.图7是根据本发明实施例的籽晶生长过程中多螺型台阶形核位点示意图；
26.图8是根据本发明实施例的籽晶生长过程中多个稳定的螺型台阶-平行流动生长机制形核示意图；
27.图9是根据本发明实施例的籽晶生长过程中多个稳定的螺型台阶形核中心逐渐融合形成单晶面示意图；
28.图10是根据本发明的一个实施例的籽晶生长初期示意图；
29.图11是根据本发明的一个实施例的籽晶生长末期示意图；
30.图12是根据本发明的另一个实施例的籽晶基座的示意图；
31.图13是根据本发明的一个实施例的籽晶基座与安装销的配合示意图；
32.图14是根据本发明的一个实施例的配合销的结构示意图；
33.图15是根据本发明的一个实施例的石墨基座与安装销的连接示意图；
34.图16是根据本发明的一个实施例的籽晶的结构示意图；
35.图17是根据本发明的一个实施例的籽晶与籽晶基座的配合示意图。
36.附图标记：
37.晶体生长装置1；
38.生长机构11，坩埚组件111，石墨坩埚1111，石英坩埚1112，坩埚盖112，排气孔113；
39.连接杆12；
40.籽晶基座13，安装面131，石墨基座132，支撑件133，第一安装孔134，第三安装孔135，
41.内坩埚14，导流件15，导流表面151，安装销16，配合销17，
42.籽晶2，第二安装孔21，生长面22。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.下面参考图1-图17描述根据本发明实施例的晶体生长装置1。
45.根据本技术的晶体生长装置1，包括：生长机构11、连接杆12、籽晶基座13，籽晶基座13可以用于固定籽晶2，生长机构11内部形成有加热腔，加热腔内设有粉源，连接杆12的至少部分从生长机构11的顶壁伸入至加热腔内，籽晶基座13设置于连接杆12，籽晶基座13上形成有安装面131，安装面131与竖直方向的夹角小于90
°
，籽晶基座13在由上至下的方向上导热率逐渐降低，籽晶2适于安装在籽晶基座13上，且籽晶2的生长面22与安装面131平行。
46.粉源挥发后在流动方向与安装面131平行，与传统的粉源升华方向垂直于籽晶表面的生长机制相比，平行籽晶2的生长面具有单位面积上具有更高密度的表面台阶，这些表面台阶可作为螺型位错台阶形核的起始点，同时，结合平流生长面较小的过饱和度，因而在籽晶生长面会出现多个成核位置的螺型位错台阶生长中心；从结晶动力学上看，由于在生长过程中，所调控的生长组分流方向(平流层)一直与螺型位错台阶的方向是相向的，从而保证了原子台阶的有序推进。因此，沿着平流型籽晶2表面，螺型台阶-平行流动生长成为可能，故，螺型位错台阶形核机制是其主要的生长机制，这种设计将有利于避免微管等缺陷在
晶体中的延深，有效降低晶体生长过程中出现的位错等晶体缺陷，提高晶体质量。
47.具体地，如图6所示，籽晶2可固定于安装面131上，相比较于传统的籽晶生长方式，本技术设置安装面131在竖直方向延伸，保持安装面131与竖直方向的夹角小于90
°
，使得碳化硅气体在流动方向与安装面131的延伸方向一致，通过在籽晶2表面平行引流这种类似非对称流场的设计，在生长过程中能够调控气体生长组分的流向和组分流密度，从而在籽晶2底部和顶部之间建立显著地浓度差，即，粉源升华的气体优先流经籽晶2底部，并进一步在籽晶2底面表面到达过饱和态，此时，流经籽晶2顶部的气体较少，籽晶2顶部表面生长前沿的过饱和度较低，对于籽晶2顶部而言，由于升华气体的浓度有限，过饱和较小，生长速度较慢。
48.如图7所示，垂直固定的籽晶2通过促进晶体表面径向温度梯度的降低，以及与宏观上碳化硅源粉升华方向垂直于或近似垂直于籽晶2表面的生长机制相比，平行籽晶2表面具有单位面积上具有更高密度的表面台阶，这些表面台阶可作为螺型位错台阶形核的起始点，同时，结合平流生长表面较小过饱和度，因而在籽晶2表面会出现多个成核位置的螺型位错台阶生长中心。
49.如图8所示，从结晶动力学上看，由于在生长过程中，所调控的生长组分流方向(平流层)一直与螺型位错台阶的方向是相向的，从而保证了原子台阶的有序推进；因此，沿着平流型籽晶2表面，螺型台阶-平行流动生长成为可能，螺型位错台阶形核机制是其主要的生长机制，因此，这种垂直粘贴籽晶2的方式将有利于避免微管等缺陷在晶体中的延深，同时，有利于晶型的稳定。
50.随后，如图9所示，在籽晶表面，由不同气体饱和度导致的螺型位错台阶引发生长，开始出现多个生长中心，并缓慢扩展，形成“小山”状凸起，形成各自的生长面，最后，这些生长平台向纵向拓展，并慢慢的融合在一起，形成一个完整的单晶面。
51.此外，通过设置籽晶基座13在由上至下的方向上导热率逐渐降低，形成了表面温度梯度变化的安装面131，由于籽晶基座13上层位置的导热率较高，与下层相比，籽晶2上层位置的热量可以快速向外耗散，从而减小上层籽晶2的温度，增大了上层籽晶2与气体之间的温差，根据温差越大生长速率越快的原理，加快了籽晶上层位置晶体生长速度，使得晶体生长面维持一个微凸界面，有效降低晶体生长过程中出现的位错等晶体缺陷，提高晶体质量。
52.根据本发明实施例的晶体生长装置1，通过将籽晶基座13的安装面131构造为与竖直方向的夹角小于90
°
，使得粉源挥发后在流动方向与安装面131平行，与传统的粉源升华方向垂直于籽晶表面的生长机制相比，平行籽晶2的生长面具有单位面积上具有更高密度的表面台阶，这些表面台阶可作为螺型位错台阶形核的起始点，同时，结合平流生长面较小的过饱和度，因而在籽晶生长面会出现多个成核位置的螺型位错台阶生长中心；从结晶动力学上看，由于在生长过程中，所调控的生长组分流方向(平流层)一直与螺型位错台阶的方向是相向的，从而保证了原子台阶的有序推进。因此，沿着平流型籽晶2表面，螺型台阶-平行流动生长成为可能，故，螺型位错台阶形核机制是其主要的生长机制，这种设计将有利于避免微管等缺陷在晶体中的延深，有效降低晶体生长过程中出现的位错等晶体缺陷，提高晶体质量。
53.根据本发明的一个实施例，籽晶基座13包括石墨基座132和支撑件133，石墨基座
132与连接杆12相连，支撑件133构造为多个且设置于所述石墨基座132的外周，多个支撑件133背离所述石墨基座132的表面构造为所述安装面131，多个支撑件133在由上到下的方向上依次布置且导热率逐渐减小，使籽晶基座13构造为在由上到下的方向上呈导热率逐渐降低。
54.如图12所示，根据本发明的一个实施例，支撑件133构造为石墨片，多个石墨片在由低到高的方向上依次布置于所述石墨基座132且导热率依次提高。每个支撑件133可以构造为孔隙率互不相同的石墨片，自上而下依次逐渐降低热导率，当将上述支撑材料设置在籽晶2与石墨基座132之间时，籽晶2的顶端散热较快，温度降低，温差变大，故晶体的生长速率较快；相反，籽晶2底端的散热较慢，温度较高，温差相对较小，晶体的生长速率减缓。由此实现多螺型位错台阶形核，有效降低晶体生长过程中出现的位错等晶体缺陷，提高晶体质量。
55.如图1和图2所示，根据本发明的一个实施例，加热腔内部设置有顶部敞开的内坩埚14，内坩埚14限定出顶部敞开的并用于盛放粉源的盛放腔。例如，在本发明的一个示例中，内坩埚14位于所述籽晶2的正下方且内部适于盛放碳化硅粉末。在生长机构11工作后，内坩埚14内的碳化硅粉末形成碳化硅气体，并逐渐向上方流动，在碳化硅气体沿籽晶2的生长面平行流动，实现碳化硅晶体的生长。
56.根据本发明的一个实施例，晶体生长装置1还包括导流件15，导流件15设置于籽晶基座13与内坩埚14之间，导流件15的外周壁的至少部分形成为导流表面151，导流表面151，在由下至上的方向上，导流表面151朝向背离所述导流件15的中心轴线的方向倾斜延伸，且导流表面151的上边沿与安装面131的下边沿正对。
57.籽晶基座13的截面可以构造为矩形或多边形结构，以便于在籽晶基座13上设置有多个安装面131，多个安装面131沿籽晶基座的周向方向排布，从而提高晶体生长装置1的生产效率，而内坩埚14的结构与籽晶基座13的截面之间并不匹配，并且碳化硅气体的流量并不能很好得集中。为此，通过设置导流件15并利用导流表面151使粉源气体流向安装面131处，使安装面131的底部的粉源气体浓度以及流量提高。
58.在本发明的一个实施例中，内坩埚14可以构造为圆形槽，且内坩埚14的圆心位于籽晶基座13截面几何中心的正下方，连接杆12可转动设置，连接杆12的旋转轴线穿过内坩埚14的圆心，以使连接杆12在转动后，籽晶基座13的各个安装面131上所设置的籽晶2生长速度一致，减少由于加热腔中粉源气体浓度不同导致的籽晶2生长速度的差异，提高晶体生长装置1生成晶体的品质。
59.如图1和图2所示，根据本发明的一个实施例，石墨基座132的下方设置有导流件15，促进升华的粉源沿籽晶2表面的传输，与传统的籽晶表面垂直于(或近似垂直于)生长方向的粘结方式相比，本发明的籽晶2表面下部具有单位上更高密度的气体流量，因此，晶体的宏观生长表面相对于籽晶2中上部表现的更加突出。
60.根据本发明的一个实施例，生长机构11包括：坩埚组件111和坩埚盖112，坩埚组件111内形成有朝向外部敞开的加热腔；坩埚盖112适于封闭加热腔且坩埚盖112上设置有用于将加热腔与外部导通的排气孔113，每组排气孔113与籽晶生长面正对。排气孔113可以促进粉源气体的流动，提高气体的流量，从而提高了晶体的生长速度，有助于同时实现升华的气相沿籽晶2表面平行流动。
61.进一步地，坩埚组件111包括：石墨坩埚1111和石英坩埚1112，石墨坩埚1111限定出上述加热腔，石英坩埚1112间隔在石墨坩埚1111和外部空间之间，石英坩埚1112用于对石墨坩埚1111保温隔热。
62.如图12所示，根据本发明的一个实施例，安装面131与水平面的夹角为θ，且满足：75
°
≤θ≤90
°
。可以理解的是，通过将安装面131与水平面的夹角设置在75
°‑
90
°
之间，可以进一步提升生长品质，此外还可以一定程度上减少晶体生长过程中对粉源的消耗。具体地，在本发明的一些示例中，安装面131与水平面的夹角可以为76
°
、78
°
、80
°
、82
°
、84
°
、86
°
、88
°
或90
°
。
63.根据本发明的一个实施例，连接杆12可转动设置以带动籽晶基座13在加热腔内旋转。连接杆12用于驱动籽晶2的旋转，保证籽晶2在生长的过程中各个生长面所经过的粉源气体更加均衡，提高了籽晶2生长的稳定性以及最终产品的质量。在本发明的一个示例中，连接杆12可以构造为石墨轴。
64.如图13-17所示，根据本发明的一个实施例，籽晶2形成为中空的环形，籽晶2套设在籽晶基座13上，籽晶基座13的安装面131上设置有第一安装孔134，籽晶2的配合面上设置有与第一安装孔134对应的第二安装孔21，晶体生长装置1还包括：安装销16，安装销16适于穿设在所述第一安装孔134与所述第二安装孔21内以将籽晶2固定于籽晶基座13。
65.传统的籽晶安装方式采用粘接的形式固定于籽晶基座上，传统的胶粘方式导致籽晶安装不方便，在晶体生长的过程中，传统胶粘的方式籽晶与籽晶基座之间的连接不可靠，存在籽晶脱落的风险。本技术利用安装销16将籽晶2固定于籽晶基座13上提高了籽晶2安装的可靠性，减少了籽晶2脱落的风险。
66.在一些实施例中，籽晶2分为四部分，而籽晶基座13构造为立方体，籽晶基座13的周向上的四个安装面131，分别与对应部分的籽晶2相连，四个部分籽晶2可以构造为分体式分别与对应的安装面131配合，四个部分籽晶2可以构造为一体结构，每四个部分的籽晶2首尾相连以环绕设置于籽晶基座13上。
67.如图4所示，根据本发明的一个实施例，籽晶2构造为中间空心的立方体结构，立方体的四个棱边朝向内部凹陷以形成弧形倒槽，弧形导槽可以避免粉源气体于立方体的倒角处堆积。
68.根据本发明的一个实施例，第二安装孔21构造为盲孔，并且籽晶基座13还设置有第三安装孔135，第三安装孔135沿所述籽晶基座13的轴向方向延伸，第三安装孔135与多个第一安装孔134连通，安装销16可移动地设置于第一安装孔134内，晶体生长装置1还包括：配合销17，配合销17适于与第三安装孔135配合并适于驱动位于第三安装孔135内的安装销16在第一安装孔134内移动以与第二安装孔21配合。
69.在装配过程中，可以将安装销16预先设置于第一安装孔134内，并且安装销16的部分可以伸入至第三安装孔135中，在配合销17进一步插入至第三安装孔135后，配合销17与进入第三安装孔135内的部分安装销16接触，并驱动安装销16朝向外部凸出，以使安装销16背离第三安装孔135的一端进入至籽晶2的第二安装孔21内，以实现籽晶2的固定。采用上述配合方式，籽晶2的安装简单方便，提高了籽晶2的安装效率，并且籽晶2在生长完成后的取出更加容易。
70.如图14所示，根据本发明的一个实施例，配合销17的上端面部形成为锥形面，安装
销16朝向第三安装孔135的一端设置有与所述配合销17的锥形端部配合的斜面。配合销17的端部可以构造为锥形，在端部的外周形成有前述锥形面，配合销17的锥形面在与安装销16的斜面接触时，锥形面与斜面的配合下，可以将配合销17在沿第三安装孔135方向的驱动力转化为安装销16在第一安装孔134延伸方向的驱动力。
71.进一步地，第一安装孔134构造为多个且垂直于相应的安装面131设置，第一安装孔134可以构造为多个且间隔分布于相应的安装面131。
72.根据本发明的一个实施例，第三安装孔135可以在竖直方向延伸，并且与第一安装孔134的延伸方向垂直，第三安装孔135可以设置于籽晶基座13的底部，以便于用户操作，使配合销17在传入第三安装孔135的过程更加容易。
73.在本发明的另一个实施例中，在生长机构11的外周还设置有保温件，保温件可以构造为石墨毡，而在石墨毡的外周设置有用于加热的感应线圈，以实现对加热腔内的籽晶2以及粉源进行加热，使加热腔内产生粉源气体。
74.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
75.在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。
76.在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
77.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
78.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
79.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
80.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。