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一种碳化硅单晶生长装置
申请号	CN202311836993.1	申请日	2023-12-28	公开(公告)号	CN117737836A	公开(公告)日	2024-03-22
申请人	郑州鬃晶科技有限公司;			发明人	左雷杰; 庞宇; 黄义; 梁赫; 霍翱翔; 赵银龙; 李少卿;
摘要	本发明涉及碳化硅晶体制备技术领域，公开了一种碳化硅单晶生长装置，包括坩埚、加热坩埚的炉体、管体、驱动组件、至少两个倾斜度不同的透孔、反射体、遮挡过滤组件、测温仪；管体支撑坩埚；驱动组件驱动管体升降和旋转；透孔输导炉体不同高度的红外辐射；反射体将透孔输导的红外辐射反射；遮挡过滤组件依次使各处红外辐射单独穿过；测温仪安接收红外辐射、并输出温度信号；本发明通过反射件反射多个炉体高度的红外辐射，通过遮挡过滤组件和测温仪依次单独检测炉体不同高度的温度，检测相互干扰小，检测准确性高，并通过控制器对检测温度进行对比处理，继而使驱动组件及时动作带动坩埚智能升降，保证坩埚及碳化硅受热均匀充分，促进单晶生长。
权利要求	1.一种碳化硅单晶生长装置，包括坩埚（8）和加热坩埚（8）的炉体（9）；其特征在于，还包括：管体（1），所述管体（1）竖向穿过炉体（9）底壁、其上端支撑于坩埚（8）下侧；驱动组件（2），所述驱动组件（2）连接于管体（1）下部、并驱动管体（1）升降和旋转；至少两个倾斜度不同的透孔（13），所述透孔（13）设置在所述管体（1）上端侧壁、用于输导炉体（9）不同高度的红外辐射；反射体（3），所述反射体（3）设置在管体（1）上端内侧，用于将透孔（13）输导的红外辐射反射向管体（1）下端；遮挡过滤组件（5），所述遮挡过滤组件（5）设置在管体（1）下部内侧、依次使各处红外辐射单独穿过；测温仪（4），所述测温仪（4）安装在管体（1）下端、用于接收红外辐射、并输出温度信号；控制器，所述控制器根据测温仪（4）的温度信号，控制驱动组件（2）动作、使坩埚（8）向炉体（9）温度较高处升或降。 2.根据权利要求1所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述驱动组件（2）包括从上向下依次设置的上固定板（201）、活动板（203）和下固定板（202），上固定板（201）和下固定板（202）之间设有导向杆（204）和丝杠（205），导向杆（204）穿过活动板（203）、并与活动板（203）滑动连接；丝杠（205）与活动板（203）通过螺纹连接、与上固定板（201）和下固定板（202）均转动连接，丝杠（205）旋转使活动板（203）升降，所述管体（1）穿过活动板（203）并通过旋转支撑（208）与活动板（203）连接。 3.根据权利要求2所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述下固定板（202）上安装有第一电机（207），第一电机（207）与丝杠（205）通过第一带传动机构（206）连接；活动板（203）上安装有第二电机（210），第二电机（210）与管体（1）通过第二带传动机构（209）连接。 4.根据权利要求2所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述活动板（203）上安装有分别与上固定板（201）和下固定板（202）对应的第一行程开关（211）和第二行程开关（212）。 5.根据权利要求2所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述上固定板（201）一侧连接有标尺（213），活动板（203）一侧设有与标尺（213）对应的指针（214）。 6.根据权利要求2所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述旋转支撑（208）与炉体（9）之间的管体（1）外侧套设有波纹管（7）。 7.根据权利要求1所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述反射体（3）呈倒锥形，反射体（3）圆锥面上设有若干与透孔（13）一一对应的反射面（31）；反射体（3）上设有一个竖向孔（32），竖向孔（32）输导坩埚（8）底部红外辐射。 8.根据权利要求7所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述遮挡过滤组件（5）包括固定片（51）、旋转片（52）和驱动旋转片（52）旋转的第三电机（53），固定片（51）固定在管体（1）内侧，固定片（51）上设有若干与反射面（31）一一对应的第一固定孔（511）和与竖向孔（32）对应第二固定孔（512），第一固定孔（511）和第二固定孔（512）到固定片（51）中心距离相同；旋转片（52）位于固定片（51）一侧，旋转片（52）上设有一个活动孔（521），活动孔（521）随旋转片（52）转动分别与各第一固定孔（511）和第二固定孔（512）对应。 9.根据权利要求8所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述透孔（13）输导炉体（9）不同高度的红外辐射中，相邻透孔（13）对应炉体（9）不同高度的高度差为定值。 10.根据权利要求9所述的一种碳化硅单晶生长装置，其特征在于：所述控制器包括定时模块和对比模块；控制器根据定时模块的计时信息，定期控制第三电机（53）带动旋转片（52）转动一周；旋转片（52）的活动孔（521）分别与各第一固定孔（511）对应，使炉体（9）不同高度的红外辐射被测温仪（4）采集，测温仪（4）输出对应炉体（9）不同高度的温度信息；对比模块比较炉体（9）不同高度的温度大小，输出温度最高的炉体（9）高度位置信息；控制器根据坩埚（8）高度与温度最高的炉体（9）高度位置的高度差，控制驱动组件（2）动作。
说明书全文	一种碳化硅单晶生长装置技术领域 [0001] 本发明涉及碳化硅晶体制备技术领域，具体涉及一种碳化硅单晶生长装置。背景技术 [0002] 碳化硅是一种无机物，化学式为SiC。碳化硅有宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高载流子饱等优点，随着半导体行业的发展，碳化硅在高压、高频等电子领域发挥着重要作用。 [0003] 物理气相输运法（PVT）是工业生产碳化硅单晶的主要方法，可使碳化硅原料升华和分解产生的气体输运到籽晶表面重新结晶，得到面积较大的碳化硅单晶。PVT法生长一次碳化硅晶体的周期在一周左右，满足生长的环境温度在2300度左右，由于加热坩埚的炉体内不同高度的具有一定的温差，坩埚10mm的高度差能产生几十度甚至上百度的温差，较低温度的环境温度会导致坩埚内碳化硅结晶速率低、还限制晶体进一步长厚能力。 [0004] 公开号为CN217231017U的专利一种碳化硅单晶生长炉；公开号为CN219099383U的专利一种碳化硅单晶炉坩埚升降控制装置，均能够使坩埚在炉体内升降旋转，使得坩埚加热均匀充分，促进单晶生长；然而，不能实时准确地检测炉体各高度的温度，并根据炉体温度及时自动调整坩埚位置，限制了晶体生长效率。发明内容 [0005] 本发明之目的在于为了解决上述现有技术中的问题，提供一种碳化硅单晶生长装置。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳化硅单晶生长装置，包括坩埚和加热坩埚的炉体；还包括：管体，所述管体竖向穿过炉体底壁、其上端支撑于坩埚下侧；驱动组件，所述驱动组件连接于管体下部、并驱动管体升降和旋转；至少两个倾斜度不同的透孔，所述透孔设置在所述管体上端侧壁、用于输导炉体不同高度的红外辐射；反射体，所述反射体设置在管体上端内侧，用于将透孔输导的红外辐射反射向管体下端；遮挡过滤组件，所述遮挡过滤组件设置在管体下部内侧、依次使各处红外辐射单独穿过；测温仪，所述测温仪安装在管体下端、用于接收红外辐射、并输出温度信号；控制器，所述控制器根据测温仪的温度信号，控制驱动组件动作、使坩埚向炉体温度较高处升或降。 [0007] 进一步地，所述驱动组件包括从上向下依次设置的上固定板、活动板和下固定板，上固定板和下固定板之间设有导向杆和丝杠，导向杆穿过活动板、并与活动板滑动连接；丝杠与活动板通过螺纹连接、与上固定板和下固定板均转动连接，丝杠旋转使活动板升降，所述管体穿过活动板并通过旋转支撑与活动板连接。 [0008] 进一步地，所述下固定板上安装有第一电机，第一电机与丝杠通过第一带传动机构连接；活动板上安装有第二电机，第二电机与管体通过第二带传动机构连接。 [0009] 进一步地，所述活动板上安装有分别与上固定板和下固定板对应的第一行程开关和第二行程开关。 [0010] 进一步地，所述上固定板一侧连接有标尺，活动板一侧设有与标尺对应的指针。 [0011] 进一步地，所述旋转支撑与炉体之间的管体外侧套设有波纹管。 [0012] 进一步地，所述反射体呈倒锥形，反射体圆锥面上设有若干与透孔一一对应的反射面；反射体上设有一个竖向孔，竖向孔输导坩埚底部红外辐射。 [0013] 进一步地，所述遮挡过滤组件包括固定片、旋转片和驱动旋转片旋转的第三电机，固定片固定在管体内侧，固定片上设有若干与反射面一一对应的第一固定孔和与竖向孔对应第二固定孔，第一固定孔和第二固定孔到固定片中心距离相同；旋转片位于固定片一侧，旋转片上设有一个活动孔，活动孔随旋转片转动分别与各第一固定孔和第二固定孔对应。 [0014] 进一步地，所述透孔输导炉体不同高度的红外辐射中，相邻透孔对应炉体不同高度的高度差为定值。 [0015] 进一步地，所述控制器包括定时模块和对比模块；控制器根据定时模块的计时信息，定期控制第三电机带动旋转片转动一周；旋转片的活动孔分别与各第一固定孔对应，使炉体不同高度的红外辐射被测温仪采集，测温仪输出对应炉体不同高度的温度信息；对比模块比较炉体不同高度的温度大小，输出温度最高的炉体高度位置信息；控制器根据坩埚高度与温度最高的炉体高度位置的高度差，控制驱动组件动作。 [0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过反射件反射多个炉体高度的红外辐射，通过遮挡过滤组件和测温仪依次单独检测炉体不同高度的温度，检测相互干扰小，检测准确性高，并通过控制器对检测温度进行对比处理，继而使驱动组件及时动作带动坩埚智能升降，保证坩埚及碳化硅受热均匀充分；本发明驱动组件可实现对坩埚的旋转驱动，使坩埚及碳化硅在加热过程中受热均匀；本发明通过反射件反射红外辐射，并通过红外测温仪实现温度检测；本发明设有具有活动孔的旋转片、依次与固定片上的各固定孔对应，对各个炉体各个高度的温度依次单独检测，提高温度检测的抗干扰性，保证温度监测的准确性；本发明通过发射件上的竖向孔可实现对坩埚底部温度的实时监测；本发明可实现定时对温度进行检测，通过对比模块获取合适温度的炉体高度位置，进而使驱动组件带动坩埚移动至高温位置，实现智能控制，促进单晶生长效率的提高。附图说明 [0017] 图1为本发明的第一视角立体结构示意图。 [0018] 图2为本发明的第二视角立体结构示意图。 [0019] 图3为本发明的侧视示意图。 [0020] 图4为本发明的剖面结构立体示意图。 [0021] 图5为本发明的反射件下侧视角立体结构示意图。 [0022] 图6为本发明的反射件仰视示意图。 [0023] 图7为本发明的反射件上侧视角立体结构示意图。 [0024] 图8为本发明的遮挡过滤组件下侧视角立体结构示意图。 [0025] 图9为本发明的遮挡过滤组件仰视示意图。 [0026] 图10为本发明的遮挡过滤组件上侧视角立体结构示意图。 [0027] 图11为本发明的平面投影原理图。 [0028] 图12为本发明的控制部分框图。 [0029] 图中：1、管体；2、驱动组件；3、反射体；4、测温仪；5、遮挡过滤组件；6、石英玻璃；7、波纹管；8、坩埚；9、炉体；11、钢管；12、石墨管；13、透孔； 201、上固定板；202、下固定板；203、活动板；204、导向杆；205、丝杠；206、第一带传动机构；207、第一电机；208、旋转支撑；209、第二带传动机构；210、第二电机；211、第一行程开关；212、第二行程开关；213、标尺；214、指针； 31、反射面；32、竖向孔； 51、固定片；52、旋转片；53、第三电机；54、电机架；511、第一固定孔；512、第二固定孔；521、活动孔。具体实施方式 [0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。 [0031] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。 [0032] 需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。 [0033] 在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0034] 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，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0035] 本发明所提供的一种碳化硅单晶生长装置的具体实施例：请参阅图1‑12，碳化硅单晶生长装置，包括坩埚8、炉体9、管体1、驱动组件2、三个透孔13、反射体3、遮挡过滤组件5、测温仪4和控制器；坩埚8置于炉体9内侧，炉体9内具有加热坩埚8的石墨加热板（炉体9结构为现有技术，因此石墨加热板在图中未示出），石墨加热板通电产生热量，使炉体9内部升温，为坩埚8提供高温环境，促进坩埚8内碳化硅晶体生长。 [0036] 管体1包括内外径分别相同且对应的钢管11和石墨管12，石墨管12连接于钢管11的上端，钢管11竖向穿过炉体9底壁、且钢管11可升降旋转；石墨管12上端支撑于坩埚8下侧；管体1旋转和升降时带动坩埚8分别旋转和升降，旋转使坩埚8各处受热均匀，升降使坩埚8的高度改变，从而使坩埚8位于炉体9不同高度的温度环境中。 [0037] 驱动组件2用于驱动管体1的升降和旋转；驱动组件2位于炉体9的下方，驱动组件2包括从上向下依次间隔设置的上固定板201、活动板203和下固定板202，上固定板201和下固定板202之间设有若干导向杆204和一个丝杠205，导向杆204均穿过活动板203、并与活动板203滑动连接，导向杆204上下端分别与上固定板201和下固定板202固定连接；丝杠205穿过活动板203、并与活动板203通过螺纹连接、丝杠205与上固定板201和下固定板202均转动连接。 [0038] 管体1穿过活动板203并通过旋转支撑208与活动板203连接；活动板203升降时通过旋转支撑208带动管体1升降，同时不影响管体1的旋转。 [0039] 下固定板202上安装有第一电机207，第一电机207与丝杠205通过第一带传动机构206连接；第一电机207工作时带动丝杠205转动，丝杠205的转动使活动板203升降。活动板 203上安装有第二电机210，第二电机210与管体1通过第二带传动机构209连接；第二电机 210带动管体1旋转，使管体1带动坩埚8在炉体9内转动。本实施例中，第一电机207和第二电机210均采用伺服电机，保证动作的精确性；第一带传动机构206和第二带传动机构209，采用同步带和同步带轮，避免打滑，保证传动的准确性。 [0040] 活动板203上安装有分别与上固定板201和下固定板202对应的第一行程开关211和第二行程开关212；当活动板203移至上位时、第一行程开关211触碰上固定板201；当活动板203移至下位时、如图1所示、第二行程开关212可触碰下固定板202侧角码；活动板203的上下位与坩埚8在炉体9内的上下位对应，当行程开关触碰产生后，向控制器发出信号，控制器控制活动板203复位，本实施例中，活动板203的初始位置位于上固定板201和下固定板202之间的中点位置，对应的坩埚8位于炉体9高度的中部。 [0041] 上固定板201一侧连接有标尺213，活动板203一侧设有与标尺213对应的指针214；活动板203移动时，带动指针214沿标尺213移动，便于直观的观察活动板203位移量。 [0042] 旋转支撑208与炉体9之间的管体1外侧套设有波纹管7；波纹管7具有可伸缩性，波纹管7的上端和下端均连接有法兰，两端法兰分别连接于活动板203上侧和炉体9下侧，在管体1上升时、波纹管7压缩，管体1下降时、波纹管7伸长，既能起到保护管体1的作用，又不影响管体1的动作。 [0043] 三个透孔13倾斜设置在石墨管12侧壁、圆周均匀分布。透孔13用于输导炉体9内壁不同高度的红外辐射、使炉体9不同高度的红外辐射穿过透孔13进入石墨管12内部。反射体3设置在石墨管12内侧，反射体3呈倒锥形，反射体3下部圆锥面上设有三个与透孔13一一对应的反射面31；三个透孔13的倾斜角度不同、且三个反射面31的倾斜角度不同；三个反射面 31将三处不同炉体9高度内壁的红外辐射反射、使红外辐射均竖向向下。 [0044] 三个透孔13输导炉体9三个不同高度的红外辐射中，相邻透孔13对应炉体9不同高度的高度差为定值；即透孔13输导的炉体9内壁三个位置、相邻位置的高度差均为d。 [0045] 本实施例中，反射体3上设有一个竖向孔32，竖向孔32可使坩埚8底部的红外辐射在管体1内向下输导。 [0046] 测温仪4安装在管体1下端、进行红外测温；测温仪4用于接收红外辐射、并输出温度信号；管体1下端内侧设有石英玻璃6、石英玻璃6位于测温仪4上侧。 [0047] 为了保证测温的准确性，本实施例中，采用单独分别测温的方式，即使透孔13和竖向孔32导出的红外辐射分别单独被测温仪4接收，因此在管体1下部内侧设有遮挡过滤组件5。 [0048] 遮挡过滤组件5包括固定片51、旋转片52和第三电机53，固定片51固定在管体1内侧，固定片51上设有三个与反射面31一一对应的第一固定孔511和一个与竖向孔32对应第二固定孔512，三个第一固定孔511和第二固定孔512到固定片51中心距离相同；旋转片52位于固定片51上侧，旋转片52上设有一个活动孔521，第三电机53为微型电机，第三电机53通过电机架54安装在管体1内侧。 [0049] 第三电机53带动旋转片52转动，使活动孔521分别与三个第一固定孔511和一个第二固定孔512对应；当活动孔521与一个第一固定孔511对应时、对应透孔13的红外辐射通过反射体3反射穿过该第一固定孔511被测温仪4接收。当活动孔521与第二固定孔512对应时，坩埚8底部的红外辐射穿过竖向孔32和第二固定孔512被测温仪4接收。本实施例中常态下、活动孔521与第二固定孔512对应，测温仪4实时监测坩埚8底部的温度。 [0050] 本实施例中，控制器采用S7‑400系列的PLC，控制器包括定时模块和对比模块；参阅图12，机械驱动模块包括第一电机207和第二电机210，检验驱动模块为第三电机53；控制器根据测温仪4的温度信号，控制驱动组件2动作、使坩埚8向炉体9温度较高处升或降，本实施例中，每次升降的数值即高度差为d。 [0051] 工作原理：常态下，第二电机210通过第二带传动机构209带动管体1和坩埚8转动，保证坩埚8受热均匀；控制器根据定时模块的计时信息，定时周期可调节，如设定为1h；每1h控制器控制第三电机53带动旋转片52转动一周对温度进行检验检测；本实施例中第三电机53带动旋转片52匀速转动一周，在其它一些实施例中，可使旋转片52间歇性转动一周，中间有四个停顿位置、使活动孔521分别与四个固定孔对应，使红外辐射的接收和测温仪4的测温更加准确；旋转片52的活动孔521分别与三个第一固定孔511对应，使炉体9三个不同高度（高位置g1、中位置g2、低位置g3；其中g2位置为坩埚8的对应位置）的红外辐射被测温仪4采集，测温仪4输出对应炉体9不同高度的温度信息t1、t2、t3；对比模块比较炉体9不同高度的温度大小、即t1、t2、t3，输出温度最高的炉体9高度位置信息，控制器根据坩埚8高度g2与温度最高的炉体9高度位置的高度差（本实施例中，坩埚8位置对应g2，因此高度差为+d或‑d；在其它一些实施例中，设置更多的透孔13及对应的第一固定孔511，该处高度差可为d的多倍数），控制驱动组件2动作；若最高温度为t2，高度差为0，则不动作；若t1温度最高、表明g1处温度最高、高度差为+d、则使管体1和坩埚8上升d；若t3温度最高、表明g3处温度最高、高度差为‑d、则使管体1和坩埚8下降d。 [0052] 最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。