[實用新型]單晶生長設備

有效

• 申請號: 201920852497.8
• 申請日: 2019-06-06
• 公開（公告）號: CN210420254U
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 廖鳳英
• 申請（專利權）人: 北京北方華創微電子裝備有限公司
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B29/36
• 代理公司: 北京思創畢升專利事務所 11218
• 代理人: 孫向民;廉莉莉

一種單晶生長設備，包括反應腔室(106)、上蓋(110)、上開蓋組件(111)、下蓋(113)和下開蓋組件(114)，上蓋(110)和下蓋(113)分別可開閉地設于反應腔室(106)的頂部和底部，分別用于密封反應腔室(106)的頂部開口和底部開口，上開蓋組件(111)與上蓋(110)連接，用于開閉上蓋(110)，下開蓋組件(114)與下蓋(113)連接，用于開閉下蓋(113)。本實用新型能夠解決單晶生長爐單一開蓋方式裝卸料帶來的操作空間要求大、晶體品質下降、污染環境等問題。

技術領域

本實用新型涉及半導體設備領域，特別涉及一種單晶生長設備。

背景技術

碳化硅(SiC)作為極具前景和市場空間的第三代半導體材料，具有非常優異的物理、化學性能，在高端光電、大功率、微波射頻等領域具有廣闊的應用前景和市場空間。碳化硅單晶具有高導熱率、高擊穿電壓、載流子遷移率極高、化學穩定性很高等優良的半導體物理性質；可以制作成在高溫、強輻射條件下工作的高頻、高功率電子器件和光電子器件，在國防、工業生產、供電、變電領域有巨大的應用價值。

碳化硅單晶生長方法中PVT法是目前應用最成熟最普遍的方法。PVT生長方法把原料放置在坩堝底部，在2200℃以上的高溫和低壓下使原料升華，再根據原料和籽晶的溫度梯度，在籽晶上凝華成單晶。

碳化硅單晶材料的生長需要特殊的工藝裝備。該工藝裝備主要由生長爐組件、加熱組件、氣體輸運組件及控制組件、水冷組件等組成，其中生長爐組件和加熱組件是關鍵組件。生長爐組件主要包括石英管或不銹鋼爐殼、爐蓋、開蓋升降組件和旋轉結構，其中爐蓋與爐殼形成密封的腔室，開蓋升降組件是工藝前后卸料、裝料、裝卸熱場的必需窗口。

圖1顯示工藝前后裝卸的組件結構示意圖，其中起保溫作用的是石墨軟氈1和發熱筒2，坩堝3用于容納生長原料4。工藝時感應電源加熱坩堝3，再根據生長原料4和籽晶5的溫度梯度，在籽晶5上凝華成碳化硅單晶。裝卸料過程是指將保溫的熱場、裝有原料的坩堝裝入生長爐膛腔室內，或是將生長好的碳化硅單晶從坩堝中取出或是熱場到使用壽命后更換熱場的過程。

圖2a和圖2b分別顯示兩種現有的裝卸料裝置的結構示意圖，其中圖2a顯示上開蓋式裝卸料裝置，圖2b顯示下開蓋式裝卸料裝置。如圖2a所示，卸料時，腔室充Ar氣，使腔室內形成Ar氣池，在開蓋時起到保護熱場使含大量N₂的空氣無法進入熱場的作用，從而起到降低熱場內N₂的含量、提高生長晶體品質的目的。上爐蓋組件11帶動上爐蓋10升降，升到最高位時取出坩堝3，并將坩堝3內已生長好的晶體取出，然后將已裝好原料的坩堝放入熱場內，下降上爐蓋組件11到密封位置，便完成了上開蓋的裝卸料操作。但熱場有一定使用壽命，當熱場到使用壽命時必須更換熱場(石墨軟氈1和發熱筒2)，卸料時必須將整個熱場取出，更換新的熱場后再將裝好原料的坩堝3放入熱場，碳化硅單晶爐的生長腔高度較高(900mm)，從而增加了更換熱場時對于操作空間的要求。此外，真空腔室足夠大才能方便地將熱場放入或取出，導致機臺體積變大、成本增加。

圖2b顯示下開蓋式裝卸料裝置，如圖2b所示，卸料時下爐蓋組件12帶動下爐蓋13下降，整個熱場都暴露在含大量N₂的空氣中，無法形成Ar氣池減少或避免N₂進入石墨保溫器件內，從而增加了雜質N的量，影響碳化硅晶體的晶體品質。此外，在生長過程中，保溫層內將會生成大量石墨粉塵顆粒，開蓋時將整個熱場和坩堝同時取出操作，裝卸料時將導致大量的石墨粉塵擴散到空氣中，污染環境，損害操作人員健康，同時有些電器元器件如果長期暴露在石墨粉塵中，極可能發生短路，損壞元器件。

實用新型內容

本實用新型的目的是提供一種單晶生長設備，以解決現有單晶生長爐單一開蓋方式裝卸料帶來的操作空間要求大、晶體品質下降、污染環境等問題。

本實用新型采用以下解決方案：