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首页 / 专利分类库 / 晶体生长 / 一种四英寸锑化镓单晶生长炉

一种四英寸锑化镓单晶生长炉

申请号 CN202311839311.2 申请日 2023-12-29 公开(公告)号 CN117737825A 公开(公告)日 2024-03-22
申请人 大庆溢泰半导体材料有限公司; 发明人 袁韶阳; 于会永; 冯佳峰; 赵春锋; 赵中阳;
摘要 一种四英寸锑化镓单晶生长炉,涉及单晶生长技术领域,包括生长区和化料区,两个区域使用不同的温场、不同的 坩埚 ,多晶料先在化料区融化,融化的多晶料及 覆盖 剂会缓慢的流入下部生长区的坩埚内,通过测温点能够了解物料是否全部流入生长区,待纵向温梯和生长区坩埚调整合适后,进行单晶生长。单晶生长结束以后,可以打开生长区,化料区无需打开,避免高温 热损失 ,直接向化料区加热多晶物料和覆盖剂即可进入下一个化料 进程 中去。在生长区的下 石墨 保温套筒和多温区石墨加热器下端设置旋转装置,在多晶生长过程中,通过旋转装置驱动下石墨保温套筒和多温区石墨加热器转动,确保横向温场均匀。
权利要求

1.一种四英寸锑化镓单晶生长炉,其特征在于:包括化料区、生长区和底座(22),化料区位于生长区的上方,底座(22)位于生长区的下方;
化料区包括上外壳(2)、上石墨保温套筒(3)、上石墨加热器(4)、石英坩埚(5)和上升降旋转器(1),上石墨保温套筒(3)位于上水套外壳(2)内,上石墨加热器(4)位于上石墨保温套筒(3)内,石英坩埚(5)位于上石墨加热器(4)内,石英坩埚(5)的下端带有出料口,上升降旋转器(1)的下端固接有用于封闭石英坩埚(5)的出料口的封板(7);
生长区包括下水套外壳(15)、下石墨保温套筒(16)、多温区石墨加热器(17)、石英料管(18)、氮化坩埚(19)、石墨料托(20)和下升降旋转器(21),下石墨保温套筒(16)位于下水套外壳(15)内,多温区石墨加热器(17)位于下石墨保温套筒(16)内,石英料管(18)位于多温区石墨加热器(17)内,氮化硼坩埚(19)位于石英料管(18)内,石墨料托(20)位于石英料管(18)的下方用于承托石英料管(18),石墨料托(20)坐放于下升降旋转器(21)的上端并跟随下升降旋转器(21)发生轴向移动和周向转动;石英料管(18)的上方带有封帽(29),封帽(29)的上端面为凹面,封帽(29)的中央带有漏料口,所述的封板(7)可以封堵封帽(29)的漏料口;
石英坩埚(5)的出料口位于氮化硼坩埚(19)的上方;
所述的多温区石墨加热器(17)和下石墨保温套筒(16)的下方设置有同时驱动多温区石墨加热器(17)和下石墨保温套筒(16)转动的旋转装置。
2.根据权利要求1所述的一种四英寸锑化镓单晶生长炉,其特征在于:所述的旋转装置位于底座(22)内,旋转装置包括转盘(30),所述的多温区石墨加热器(17)坐放于转盘(30)上,多温区石墨加热器(17)跟随转盘(30)转动,所述的下石墨保温套筒(16)通过推轴承(25)坐放于转盘(30)上,下石墨保温套筒(16)可相对转盘(30)转动,转盘(30)的外缘啮合设置有齿轮A(24),下石墨保温套筒(16)的外缘设置有齿轮B(23),齿轮A(24)与齿轮B(23)同轴同步转动,所述的底座(22)内还设置有齿轮C(28),齿轮C(28)与齿轮A(24)或齿轮B(23)其中的一个啮合。
3.根据权利要求2所述的一种四英寸锑化镓单晶生长炉,其特征在于:所述的多温区石墨加热器(17)下端带有两个电极(8),所述的转盘(30)内带有两个环形的导电环(26),两个电极(8)插入到转盘(30)内以后,每个电极(8)分别与一个导电环(26)连接。
4.根据权利要求1所述的一种四英寸锑化镓单晶生长炉,其特征在于:所述的生长区至少设置4个测温点,分别位于氮化硼坩埚(19)的籽晶区、氮化硼坩埚(19)的下部、氮化硼坩埚(19)的中部以及氮化硼坩埚(19)的上部;所述的化料区至少设置2个测温点,分别位于石英坩埚(5)的下部和石英坩埚(5)的上部。
5.根据权利要求1所述的一种四英寸锑化镓单晶生长炉,其特征在于:还包括分隔区,所述的分隔区位于化料区和生长区之间,将化料区与生长区隔离成为两个可拆卸的部分,分隔区包括分隔外壳(14)和保温板(9),所述的分隔外壳(14)的中央带有用于连通化料区和生长区的通道,保温板(9)放置于中央通道处,以切断温度在化料区和生长区之间的传递,保温板(9)的中央带有圆孔,分隔外壳(14)上铰接有一个用于封堵保温板(9)的中央圆孔的保温芯板(10)。

说明书全文

一种四英寸锑化镓单晶生长炉

技术领域

[0001] 本发明属于单晶生长技术领域,尤其涉及一种四英寸锑化镓单晶生长炉。

背景技术

[0002]  GaSbⅡ类超晶格具有量子效率高、暗电流小、探测率高、大尺寸成本低并具有较好的光谱调节能等优势,被认为是继 HgCdTe 材料、量子阱探测器(QWIP)材料之后的第三代红外焦平面探测器的理想材料。4英寸的锑化镓晶体目前属于空白。
[0003] 4英寸的锑化镓晶体由于尺寸过大,纵向和横向温场控制精度是其中的关键,4英寸单晶生长难度较大,现有的单晶生长炉的结构仍然较为简单,不能为4英寸的锑化镓晶体的生长提供更优越的纵向和横向温场条件。

发明内容

[0004] 为了能够给4英寸锑化镓晶体的生长提供更加卓越的纵向和横向温场条件,本发明提供一种四英寸锑化镓单晶生长炉,由于化料过程与生长过程对坩埚的要求不同,为了降低坩埚的适应性,本发明有化料区、生长区和分隔区,化料和生长分坩埚进行,一方面降低同一坩埚完成两道工序的高要求,另一方面打开生长区取出晶棒时不会造成热能的全部损失;本发明在纵向上设置多个测温点,多个测温点不仅能判断落料是否完全,还能精确的检测纵向温梯,对单晶生长起到积极作用;另外,本发明的生长区的下石墨保温套筒和多温区石墨加热器都可以相对晶棒不同速的转动,保证横向温度一致。
[0005] 本发明提供的技术方案是:一种四英寸锑化镓单晶生长炉,包括化料区、生长区和底座,化料区位于生长区的上方,底座位于生长区的下方;化料区包括上水套外壳、上石墨保温套筒、上石墨加热器、石英坩埚和上升降旋转器,上石墨保温套筒位于上水套外壳内,上石墨加热器位于上石墨保温套筒内,石英坩埚位于上石墨加热器内,石英坩埚的下端带有出料口,上升降旋转器的下端固接有用于封闭石英坩埚的出料口的封板;
生长区包括下水套外壳、下石墨保温套筒、多温区石墨加热器、石英料管、氮化坩埚、石墨料托和下升降旋转器,下石墨保温套筒位于下水套外壳内,多温区石墨加热器位于下石墨保温套筒内,石英料管位于多温区石墨加热器内,氮化硼坩埚位于石英料管内,石墨料托位于石英料管的下方用于承托石英料管,石墨料托坐放于下升降旋转器的上端并跟随下升降旋转器发生轴向移动和周向转动;石英料管的上方带有封帽,封帽的上端面为凹面,封帽的中央带有漏料口,所述的封板可以封堵漏料口;
石英坩埚的出料口位于氮化硼坩埚的上方;
所述的多温区石墨加热器和下石墨保温套筒的下方设置有同时驱动多温区石墨
加热器和下石墨保温套筒转动的旋转装置。
[0006] 进一步的技术方案是:所述的旋转装置位于底座内,旋转装置包括转盘,所述的多温区石墨加热器坐放于转盘上,多温区石墨加热器跟随转盘转动,所述的下石墨保温套筒通过推力轴承坐放于转盘上,下石墨保温套筒可相对转盘转动,转盘的外缘啮合设置有齿轮A,下石墨保温套筒的外缘设置有齿轮B,齿轮A与齿轮B同轴同步转动,所述的底座内还设置有齿轮C,齿轮C与齿轮A或齿轮B其中的一个啮合。
[0007] 进一步的技术方案是:所述的多温区石墨加热器下端带有两个电极,所述的转盘内带有两个环形的导电环,两个电极插入到转盘内以后,每个电极分别与一个导电环连接。
[0008] 进一步的技术方案是:所述的生长区至少设置4个测温点,分别位于氮化硼坩埚的籽晶区、氮化硼坩埚的下部、氮化硼坩埚的中部以及氮化硼坩埚的上部;所述的化料区至少设置2个测温点,分别位于石英坩埚的下部和石英坩埚的上部。
[0009] 进一步的技术方案是:所述的四英寸锑化镓单晶生长炉还包括分隔区,所述的分隔区位于化料区和生长区之间,将化料区与生长区隔离成为两个可拆卸的部分,分隔区包括分隔外壳和保温板,所述的分隔外壳的中央带有用于连通化料区和生长区的通道,保温板放置于中央通道处,以切断温度在化料区和生长区之间的传递,保温板的中央带有圆孔,分隔外壳上铰接有一个用于封堵保温板中央圆孔的保温芯板。
[0010] 与现有技术相比较,本发明的有益效果在于:1.采用熔液加料,便于分别控制原料熔化和熔液结晶的温度;可以根据结晶需要
的最佳条件在很大的范围内自由调整,有利于提高单晶生长速度、改善单晶质量并精确控制单晶成分,还有利于节能。
[0011] 2.本发明生长区的多温区石墨加热器和下石墨保温套筒可以转动,提供更加均匀的横向温场,横向温场的温差更小,有利于固液界面的稳定。
[0012] 3.本发明的3温区的生长区设置和下旋转升降装置的加入使生长温场的温度梯度更加容易精确的控制。
[0013] 4.本发明的化料区和生长区中间设置分隔区,从而使得取出晶棒时只需要打开位于下部的生长区即可,位于上部的化料区无需打开,从而避免高热能的损失。附图说明
[0014] 图1是本发明的立面结构示意图。
[0015] 图2是本发明测温点位置示意图。
[0016] 图3是本发明中转盘的俯视图。
[0017] 图4是本发明中保温芯板封盖保温板中央圆孔的俯视图。
[0018] 图5是本发明中保温芯板移开保温板中央圆孔的俯视图。
[0019] 图中:1、上升降旋转器;2、上水套外壳;3、上石墨保温套筒;4、上石墨加热器;5、石英坩埚;6、升降拉杆;7、封板;8、电极;9、保温板;10、保温芯板;11、齿轮E;12、驱动装置B;13、齿轮D;14、分隔外壳;15、下水套外壳;16、下石墨保温套筒;17、多温区石墨加热器;18、石英料管;19、氮化硼坩埚;20、石墨料托;21、下升降旋转器;22、底座;23、齿轮B;24、齿轮A;
25、推力轴承;26、导电环;27、驱动装置A;28、齿轮C;29、封帽;30、转盘。

具体实施方式

[0020] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0021] 由于晶体生长和晶体融化对坩埚的要求不同,所述的要求既包括坩埚成分的要求又包括温度的要求,本实施例中将晶体化料和晶体生长分开进行,化料使用石英坩埚5,生长使用氮化硼坩埚19,使用不同的坩埚的原因有两个,一是防止坩埚材料和晶体材料支架发生化学反应,二是不同坩埚的造价不同,在不必要时,尽量选用价格更低的坩埚;石英坩埚5与多晶材料之间发生化学反应生成的杂质会留在石英坩埚5壁,不会流入到氮化硼坩埚19中。
[0022] 化料区位于生长区的上方,生长区的下方为底座22。
[0023] 化料区包括上水套外壳2、上石墨保温套筒3、上石墨加热器4、石英坩埚5和上升降旋转器1。上水套外壳2起到降低外界温度对化料区产生不利影响的作用,进水25度冷却水循环,出水温度不高于45度。上石墨保温套筒3位于上水套外壳2内,上石墨保温套筒3在化料阶段起到保温的作用。上石墨加热器4位于上石墨保温套筒3内,选用石墨加热器进行加热,温度更加均匀,性能更加稳定,且无污染。石英坩埚5位于上石墨加热器4内,化料时将锑化镓多晶料,掺杂剂覆盖剂放入化料区石英坩埚5内,石英坩埚5的下端为向下的锥面,锥面的中央带有出料口,上升降旋转器1的升降拉杆6下端固接有用于封堵石英坩埚5的出料口的封板7,在化料阶段,封板7将出料口封堵,待化料结束以后,缓慢开启上升降旋转器1,融化的多晶料及覆盖剂会缓慢的流入下部生长区的氮化硼坩埚19内。
[0024] 生长区包括下水套外壳15、下石墨保温套筒16、多温区石墨加热器17、石英料管18、氮化硼坩埚19、石墨料托20和下升降旋转器21。下水套外壳15在长晶阶段起到提供一个稳定的外界温场的作用,避免外界温度对炉内温度产生不利影响,下水套外壳15在长晶结束以后,起到冷却炉温的作用。下石墨保温套筒16位于下水套外壳15内,多温区石墨加热器
17位于下石墨保温套筒16内,石英料管18位于多温区石墨加热器17内,氮化硼坩埚19位于石英料管18内,石墨料托20位于石英料管18的下方用于承托石英料管18,石墨料托20坐放于下升降旋转器21的上端并跟随下升降旋转器21发生轴向移动和周向转动;
石英坩埚5的出料口位于氮化硼坩埚19的上方;
所述的多温区石墨加热器17和下石墨保温套筒16的下方设置有同时驱动多温区
石墨加热器17和下石墨保温套筒16转动的旋转装置,旋转装置转动带动这多温区石墨加热器17和下石墨保温套筒16转动,其中多温区石墨加热器17和下石墨保温套筒16的转速可以是一致的也可以是不一致的,主要是由于下石墨保温套筒16经过多次反复使用后,会发生高温变形、变质、变性,保温筒的均匀性受到影响,本发明能够在保温筒自身均匀性不良的情况下通过转动的方式提升温场的均匀性。
[0025] 所述的旋转装置位于底座22内,旋转装置包括转盘30,转盘30直接或者间接的坐放在底座22内,转盘30可通过推力轴承25相对底座22转动。所述的多温区石墨加热器17坐放于转盘30上,多温区石墨加热器17跟随转盘30转动,所述的下石墨保温套筒16通过推力轴承25坐放于转盘30上,下石墨保温套筒16可相对转盘30转动,转盘30的外缘啮合设置有齿轮A24,下石墨保温套筒16的外缘设置有齿轮B23,齿轮A24与齿轮B23同轴同速度转动,齿轮轴固定安装在底座22上,所述的底座22内还设置有齿轮C28和驱动装置A27,齿轮C28与齿轮A24或齿轮B23其中的一个啮合,从而齿轮C28驱动齿轮A24和齿轮B23转动,两个齿轮转动着转盘30、多温区石墨加热器17及下石墨保温套筒16转动,从而形成多温区石墨加热器17和下石墨保温套筒16相对氮化硼坩埚19的转动,保证横向水平温度一致,提升单晶生长的品质。
[0026] 所述的多温区石墨加热器17的下端带有两个电极8,电极8的下端需要连接导电线,在多温区石墨加热器17转动的情况下,导电线会缠绕,为了避免导电线缠绕,在转盘30内设置有两个环形的导电环26,如图1和图3所示,导电环26的下端伸出于转盘30的下端面,两个电极8插入到转盘30内以后,每个电极8分别与一个导电环26连接。将导电线固定不动,两个导电环26转动过程中始终保持与导电线不分开,始终保持滑动配合关系,从而解决了通电的同时导电线不缠绕。
[0027] 本发明在生长区至少设置4个测温点,分别位于氮化硼坩埚19的籽晶区、氮化硼坩埚19的下部、氮化硼坩埚19的中部以及氮化硼坩埚19的上部,在本实施例中设置了6个测温点,以便更精确的检测生长区的纵向温梯;所述的化料区至少设置2个测温点,分别位于石英坩埚5的下部和石英坩埚5的上部。本实施例在生长区设置了6个测温点。本实施例中生长区的温区有三个,三个温区能够分别调温。化料区的温区的温度为760℃,生长区的三个温区由下至上温度分别为500℃、700℃、725℃,均高于生长区,因此在落料时,可根据下方各个温测点的温度来判断多晶融料否全部流入生长区。多晶融料全部流入生长区以后,调节上升降旋转器1,使封板7封堵在封帽29中央的漏料口。
[0028] 现有的生长炉中,长晶结束后,需要打开生长炉取出单晶棒,那么整个生长炉的温度就会全部的散发到自然界中,造成了极大的高温损失,而本发明在化料区与生长区之间设置一个分隔区,分隔区将化料区与生长区隔离成为两个可拆卸的部分,在打开生长区时,通过分隔区将化料区封堵,大幅降低化料区温度损失。分隔区包括分隔外壳14和保温板9,所述的分隔外壳14的中央带有用于连通化料区和生长区的通道,保温板9放置于中央通道处,以切断温度在化料区和生长区之间的传递,保温板9的中央带有圆孔,分隔外壳14上铰接有一个用于封堵保温板9中央圆孔的保温芯板10,保温芯板10的铰接轴上连接有齿轮D13,分隔外壳14连接有齿轮外壳,齿轮外壳内设置有齿轮E11,齿轮D13与齿轮E11直接或者间接的啮合,从而通过齿轮E11的转动驱动齿轮D13及保温新报转动,使保温芯板10离开或者覆盖保温板9中央圆孔,在打开生长区时,需要使保温芯板10覆盖保温板9的中央圆孔上,以减少化料区的温度损失。在化料阶段及生长阶段,需要使保温芯板10离开保温板9的中央圆孔。齿轮E11通过驱动装置B12驱动。
[0029] 综上所述,本发明有化料区、生长区和分隔区,化料和生长分坩埚进行,一方面降低同一坩埚完成两道工序的高要求,另一方面打开生长区取出晶棒时不会造成热能的全部损失;本发明在纵向上设置多个测温点,多个测温点不仅能判断落料是否完全,还能精确的检测纵向温梯,对单晶生长起到积极作用;另外,本发明的生长区的下石墨保温套筒16和多温区石墨加热器17都可以相对晶棒不同速的转动,保证横向水平温度一致,有利于固液界面的稳定。