技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐。

背景技術(shù)：

氮化鋁單晶作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度并同時(shí)具有耐高溫、高抗輻射能力能特點(diǎn)，在制作現(xiàn)代大功率微電子器件、光電子領(lǐng)域（如深紫外LED）、高功率電子器件及紫外探測(cè)等高端科技領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。作為一種關(guān)鍵國(guó)家戰(zhàn)略材料，現(xiàn)以被列入《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖。

氮化鋁單晶制造工藝難度很大，尤其是大尺寸的高質(zhì)量單晶片。目前制備塊狀氮化鋁單晶的最佳方法為物理氣相傳輸法（PVT法），該方法制備單晶需滿足微低壓、高溫（可達(dá)2400℃）的晶體生長(zhǎng)條件，并對(duì)熱場(chǎng)壽命和化學(xué)穩(wěn)定性等提出更高要求。因此生長(zhǎng)出尺寸大、缺陷少、性能好等高質(zhì)量的單晶襯底材料工藝技術(shù)要求非常高。

國(guó)際上同類設(shè)備及其昂貴，國(guó)內(nèi)還沒有現(xiàn)成的設(shè)備供應(yīng)。且大多數(shù)相關(guān)的設(shè)備生長(zhǎng)晶體時(shí)溫度場(chǎng)不穩(wěn)定、腔內(nèi)雜質(zhì)極易污染晶體、得到的晶體尺寸小、均勻性及一致性差、裂紋缺陷多等不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐，能夠?yàn)榈X晶體生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐，包括：

爐體；

上下活動(dòng)的穿設(shè)于所述爐體底面的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

設(shè)于所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)頂部的坩堝，所述坩堝設(shè)于所述爐體中；

設(shè)于所述爐體中沿豎直方向依次分布的用于對(duì)所述坩堝加熱的多段式加熱機(jī)構(gòu)；

設(shè)于所述坩堝外側(cè)的隔熱機(jī)構(gòu)；

設(shè)于所述爐體外側(cè)的用于測(cè)量坩堝溫度的測(cè)溫機(jī)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述多段式加熱機(jī)構(gòu)為感應(yīng)加熱機(jī)構(gòu)，所述感應(yīng)加熱機(jī)構(gòu)包括環(huán)設(shè)于所述坩堝外側(cè)的發(fā)熱體、上下分布的上段感應(yīng)加熱線圈和下段感應(yīng)加熱線圈，所述上段感應(yīng)加熱線圈和所述下段感應(yīng)加熱線圈均環(huán)設(shè)于所述發(fā)熱體和所述爐體內(nèi)壁之間。

更優(yōu)選地，所述隔熱機(jī)構(gòu)包括設(shè)于所述坩堝上方的第一隔熱屏、設(shè)于所述坩堝和所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的第二隔熱屏、環(huán)設(shè)于所述發(fā)熱體外側(cè)的第三隔熱屏、環(huán)設(shè)于所述第三隔熱屏外側(cè)的第四隔熱屏，所述第四隔熱屏設(shè)于所述上段感應(yīng)加熱線圈和所述下段感應(yīng)加熱線圈的內(nèi)側(cè)。

更優(yōu)選地，所述感應(yīng)加熱機(jī)構(gòu)還包括設(shè)于所述上段感應(yīng)加熱線圈和所述下段感應(yīng)加熱線圈之間的磁屏蔽裝置。

更優(yōu)選地，所述發(fā)熱體、所述坩堝和所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用金屬鎢制成。

優(yōu)選地，所述多段式加熱機(jī)構(gòu)為電阻加熱機(jī)構(gòu)，所述電阻加熱機(jī)構(gòu)包括兩段或兩段以上上下分布的加熱電阻，所述加熱電阻設(shè)于所述坩堝外側(cè)。

優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括上下活動(dòng)的穿設(shè)于所述爐體底部的支撐桿、設(shè)于所述支撐桿頂部的支撐盤。

優(yōu)選地，所述測(cè)溫機(jī)構(gòu)包括用于測(cè)量所述坩堝頂部溫度的第一測(cè)量器、用于測(cè)量所述坩堝中部溫度的第二測(cè)量器、用于測(cè)量所述坩堝底部溫度的第三測(cè)量器。

更優(yōu)選地，所述第一測(cè)量器和所述第三測(cè)量器為高溫紅外測(cè)溫儀。

更優(yōu)選地，所述第二測(cè)量器為伸縮式鎢錸熱電偶。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明一種氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐，采用多段式加熱機(jī)構(gòu)，可以為氮化鋁晶體生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的溫度場(chǎng)；采用三路測(cè)溫機(jī)構(gòu)，可滿足溫度的精確測(cè)定；生長(zhǎng)爐中的熱場(chǎng)主要采用金屬鎢隔熱屏和氮化硼隔熱屏，保溫效果好，可方便拆卸更換，并且可以有效防止引入雜質(zhì)造成晶體污染。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為爐內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、爐體；2、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；3、坩堝；4、發(fā)熱體；5、上段感應(yīng)加熱線圈；6、下段感應(yīng)加熱線圈；7、第一隔熱屏；8、第二隔熱屏；9、第三隔熱屏；10、第四隔熱屏；11、第一測(cè)量器；12、第二測(cè)量器；13、第三測(cè)量器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。

參見圖1-2所示，上述一種氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐，包括爐體1，該爐體1側(cè)壁中設(shè)有用于循環(huán)通入冷卻水的管道。通過在爐壁中通入冷卻水，可以防止內(nèi)部熱場(chǎng)分布造成爐壁溫度過高。

該氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐還包括上下活動(dòng)的穿設(shè)于爐體1底面上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、可拆卸的設(shè)于該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2頂部的坩堝3，該坩堝3設(shè)于爐體1內(nèi)部。該坩堝3形狀可以設(shè)計(jì)為平面坩堝3、錐形坩堝3或者異形坩堝3。在本實(shí)施例中，該坩堝3用于生長(zhǎng)兩英寸氮化鋁晶體。坩堝3該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2包括上下活動(dòng)的穿設(shè)于爐體1底面上的支撐桿、設(shè)于該支撐桿頂部的支撐盤。該支撐盤用于安裝坩堝3。該支撐桿的升降速度可以在兩個(gè)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，分別是0.06-0.6mm/h（慢速）和0-750mm/h（快速）。慢速調(diào)節(jié)用于長(zhǎng)晶，快速調(diào)節(jié)用于清理熱場(chǎng)，方便拆修。

該氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐還包括設(shè)于該爐體1中沿豎直方向依次分布的用于對(duì)坩堝3加熱的多段式加熱機(jī)構(gòu)、設(shè)于該坩堝3外側(cè)的隔熱機(jī)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，該多段式加熱機(jī)構(gòu)為感應(yīng)加熱機(jī)構(gòu)。通過設(shè)置多段式加熱機(jī)構(gòu)，可以精確控制坩堝3上下位置的溫度，合理調(diào)節(jié)所需的溫度條件。該感應(yīng)加熱機(jī)構(gòu)包括環(huán)設(shè)于坩堝3外側(cè)的發(fā)熱體4、上下分布的上段感應(yīng)加熱線圈5和下段感應(yīng)加熱線圈6、設(shè)于該上段感應(yīng)加熱線圈5和該下段感應(yīng)加熱線圈6之間的磁屏蔽裝置。該磁屏蔽裝置用于防止兩路線圈感應(yīng)干擾。該上段感應(yīng)加熱線圈5和該下段感應(yīng)加熱線圈6均環(huán)設(shè)于該發(fā)熱體4和該爐體1內(nèi)壁之間。該發(fā)熱體4呈圓柱形。上段感應(yīng)加熱線圈5和下段感應(yīng)加熱線圈6均呈螺旋形繞設(shè)于發(fā)熱體4的外側(cè)。

采用兩段式感應(yīng)加熱機(jī)構(gòu)，可以自主調(diào)節(jié)上下兩段加熱方式。升溫階段時(shí)，可以先加熱坩堝3上部，再調(diào)節(jié)加熱坩堝3下部。用于防止晶體生長(zhǎng)初期，坩堝3蓋產(chǎn)生多晶，可以提供穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，防止晶體由于熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成晶體出現(xiàn)裂紋缺陷。降溫階段時(shí)，可以先調(diào)節(jié)下段感應(yīng)加熱線圈6降溫，上段感應(yīng)加熱線圈5采取緩和降溫，以防止產(chǎn)生二次結(jié)晶。這種加熱方式，可以更加有效保證晶體生長(zhǎng)的溫度場(chǎng)分布。

該隔熱機(jī)構(gòu)包括設(shè)于坩堝3上方的第一隔熱屏7、設(shè)于坩堝3和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2之間的第二隔熱屏8、環(huán)設(shè)于發(fā)熱體4外側(cè)的第三隔熱屏9、環(huán)設(shè)于第三隔熱屏9外側(cè)的第四隔熱屏10。該第四隔熱屏10設(shè)于上段感應(yīng)加熱線圈5和下段感應(yīng)加熱線圈6的內(nèi)側(cè)。該第一隔熱屏7和該第二隔熱屏8均為圓形；該第三隔熱屏9和該第四隔熱屏10均為圓柱形。通過設(shè)置第一隔熱屏7、第二隔熱屏8、第三隔熱屏9和第四隔熱屏10能夠從一定程度上對(duì)坩堝3進(jìn)行隔熱。第三隔熱屏9有多層，多層第三隔熱屏9采用分開120°角度，錯(cuò)位布局，有效避免磁感應(yīng)。

由于鎢和氮化硼的熔點(diǎn)高達(dá)3000攝氏度以上，不易引入雜質(zhì)，表面反射率高，保溫效果好。因此，在本實(shí)施例中，第一隔熱屏7、第二隔熱屏8、第三隔熱屏9均為表面拋光的鎢熱屏；第四隔熱屏10為氮化硼熱屏。發(fā)熱體4、坩堝3、支撐桿和支撐盤均采用金屬鎢制成，有效杜絕傳統(tǒng)保溫材料石墨中的氧和碳等雜質(zhì)對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。

該多段式加熱機(jī)構(gòu)也可以為電阻加熱機(jī)構(gòu)，在另一個(gè)實(shí)施例中，該電阻加熱機(jī)構(gòu)包括三段上下分布的加熱電阻，該加熱電阻設(shè)于坩堝3外側(cè)，分別用于加熱坩堝3上部、中部和下部。

該氮化鋁晶體生長(zhǎng)爐還包括設(shè)于爐體1外側(cè)的用于測(cè)量坩堝3溫度的測(cè)溫機(jī)構(gòu)。在本實(shí)施例中，該測(cè)溫機(jī)構(gòu)包括用于測(cè)量坩堝3頂部溫度的第一測(cè)量器11、用于測(cè)量坩堝3中部溫度的第二測(cè)量器12、用于測(cè)量坩堝3底部溫度的第三測(cè)量器13。該第一測(cè)量器11和該第三測(cè)量器13為高溫紅外測(cè)溫儀，其測(cè)量范圍為0-3000℃，精度為±0.3%+1℃。該第二測(cè)量器12為伸縮式鎢錸熱電偶，其測(cè)量范圍為0-2300℃，在測(cè)量時(shí)，可以采用短時(shí)測(cè)量方法，測(cè)溫后立即縮回，防止高溫?fù)p壞熱電偶。通過這個(gè)設(shè)置，可以全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)釄?chǎng)溫度。

以下具體闡述下本實(shí)施例的工作過程：

工作時(shí)，首先對(duì)爐體1內(nèi)部抽真空，再充入質(zhì)量比為97%：3%的氮?dú)夂蜌錃?，將爐體1內(nèi)的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至60kpa-100kpa。坩堝3厚度取2mm，坩堝3蓋采用平面狀。對(duì)上段感應(yīng)加熱線圈5和下段感應(yīng)加熱線圈6通電，渦流感應(yīng)發(fā)熱體4，發(fā)熱體4輻射傳熱給坩堝3。粉源在坩堝3內(nèi)部被加熱到2200℃，由第一測(cè)量器11和第三測(cè)量器13分別測(cè)坩堝3頂部和底部的溫度，第二測(cè)量器12測(cè)量坩堝3中部側(cè)壁的溫度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整上段感應(yīng)加熱線圈5和下段感應(yīng)加熱線圈6中的電流大小，使坩堝3沿軸向形成溫度梯度，氣粉升華至坩堝3蓋處自發(fā)形核結(jié)晶。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。