【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及集成電路半導體制造的，具體涉及一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)、裝置及方法。
技術(shù)介紹
1、氧化鎵單晶(β-ga2o3)作為一種超寬禁帶半導體材料，具有獨特的優(yōu)勢，其禁帶寬度高達4.9ev，擊穿場強可達到約8mv/cm，適用于高壓大功率器件和紫外探測器的制備，是最有潛力實現(xiàn)工程化應用的第四代半導體材料之一。由于氧化鎵原料易揮發(fā)且晶體導熱性能較差，大尺寸氧化鎵單晶的制備通常采用導模法。
2、盡管導模法成功實現(xiàn)了大尺寸氧化鎵晶體的生長，但也帶來了一些新挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的氧化鎵晶體生長工藝及其熱場設計仍然面臨諸多問題：1、溫度梯度控制不當：在單晶生長中，溫度梯度的均勻性至關(guān)重要。如果溫度梯度過大或分布不均，會導致晶體生長過程中應力集中，進而引發(fā)晶體裂紋或熔斷問題。這也可能導致晶體內(nèi)產(chǎn)生缺陷，如孿晶或位錯等；2、熱場穩(wěn)定性不足：在生長過程中，熱場的波動會影響晶體的生長質(zhì)量和一致性。若熱場不穩(wěn)定，容易造成晶體內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，影響晶體的質(zhì)量并導致生長速度波動，從而降低生產(chǎn)效率和晶體的一致性；3、熱場設計與晶體尺寸擴展的矛盾：隨著氧化鎵單晶尺寸的增大，熱場的設計變得更加復雜。大尺寸晶體需要更大的均勻加熱區(qū)域，但這會增加對溫度控制的難度，同時也要求更精細的熱場調(diào)整，以避免大尺寸晶體中出現(xiàn)不均勻冷卻或過熱區(qū)域。
3、針對于放肩過程中的熱場問題，專利《cn115874267?a》通過引入氣流孔來改善保溫腔的流場形式，但僅僅只考慮在放肩這一生長過程的溫場控制，前期的收頸過程，后續(xù)的等徑生長、收尾、冷卻過程未考慮，這對
4、鑒于以上諸多問題，本專利技術(shù)提供了一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場改善方法，重新設計保溫層的結(jié)構(gòu)形式，引入氣流孔來更加靈活穩(wěn)定的改善生長全過程中的熱場分布。一方面，通過調(diào)整保溫層的氣流孔的開啟和關(guān)閉來改善晶體生長過程中的熱損耗；另一方面，通過引入氣流孔可保證晶體再氧化氣氛中生長。這一技術(shù)方案可有效提高氧化鎵單晶生長的質(zhì)量。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的之一在于提供一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，通過開設不同內(nèi)徑的氣流通道，改善熱場的方式更為靈活。
2、本專利技術(shù)的目的之二在于提供一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)的裝置，通過在上熱場結(jié)構(gòu)的保溫層四周開有不同內(nèi)徑的氣流通道，控制在生長過程中，通過調(diào)整保溫層的氣流通道的開啟和關(guān)閉來改善晶體生長過程中的熱損耗，可以有效的控制晶體生長過程中的晶體質(zhì)，同時可保證晶體在氧化氣氛中生長，可有效減少氧化鎵晶體因缺氧而產(chǎn)生的晶體缺陷。
3、本專利技術(shù)的目的之三在于提供一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場方法，改善熱場的方式更為靈活，可以實現(xiàn)在下種—收頸—放肩—等徑生長—提拉收尾—冷卻多個過程的快速控制。
4、本專利技術(shù)實現(xiàn)目的之一所采用的方案是：一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，包括第一保溫桶，所述第一保溫桶中心軸處設置有橫截面為長方形的晶體生長通道，所述第一保溫桶的側(cè)壁開設有分別貫通側(cè)壁且與晶體生長通道連通的第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道，所述第一氣流通道的內(nèi)徑、第二氣流通道的內(nèi)徑和第三氣流通道的內(nèi)徑依次增大，所述第二氣流通道和第三氣流通道沿第一保溫桶的外徑均勻分布，第一氣流通道位于第二氣流通道和第三氣流通道下方。
5、優(yōu)選的，所述第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道分別設置于第一保溫桶的側(cè)壁并橫向貫通所述晶體生長通道和側(cè)壁。
6、優(yōu)選的，所述第二氣流通道為多個，均勻排布成至少一列橫向貫穿所述晶體生長通道的窄側(cè)壁，所述第三氣流通道為多個，均勻排布成至少一列橫向貫穿所述晶體生長通道的寬側(cè)壁，所述第一氣流孔為多個，均勻分布于第二氣流通道和第三氣流通道的下方。
7、優(yōu)選的，所述第二氣流通道為單列設置，每列第二氣流通道的數(shù)量為4-6個，內(nèi)徑為14-16mm，所述第三氣流通道為單列設置，每列第三氣流通道的數(shù)量為3-5個，內(nèi)徑為28-32mm，所述第一氣流通道為兩列設置，分別位于第二氣流通道和第三氣流通道的下方，每列第一氣流通道的數(shù)量為1-2個，內(nèi)徑為3-5mm。
8、優(yōu)選的，所述第一保溫桶的材質(zhì)為氧化鋯。
9、本專利技術(shù)實現(xiàn)目的之二所采用的方案是：一種導模法生長氧化鎵晶體的裝置，包括上熱場結(jié)構(gòu)，設置于上熱場結(jié)構(gòu)下的下熱場結(jié)構(gòu)，設置于下熱場結(jié)構(gòu)內(nèi)的坩堝，設置于坩堝中心位置的模具，及設置于晶體生長通道內(nèi)的提拉機構(gòu)，所述上熱場結(jié)構(gòu)、坩堝、下熱場結(jié)構(gòu)、模具及提拉機構(gòu)均為同軸心設置，所述模具的中心位置設置有毛細狹縫，所述毛細狹縫與晶體生長通道連通，所述上熱場結(jié)構(gòu)為如權(quán)利要求1-5中任一項所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，在氧化鎵晶體的生長過程中，可以通過開啟和關(guān)閉第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道來調(diào)節(jié)熱場，進而調(diào)控晶體生長質(zhì)量。
10、優(yōu)選的，所述下熱場結(jié)構(gòu)包括第二保溫桶和圍設于所述第二保溫桶外的加熱線圈，所述第二保溫桶包括石英管、填充于石英管中的砂石、放置在砂石上的鋯環(huán)，所述砂石填充高度低于石英管的高度，所述坩堝設置于所述鋯環(huán)的中心位置，所述加熱線圈、石英管、鋯環(huán)和坩堝同軸心設置。
11、鋯環(huán)作為連接上熱場結(jié)構(gòu)和下熱場結(jié)構(gòu)的樞紐，不僅承擔著熱場調(diào)控的作用，而且為坩堝的放置起著定位作用，保證坩堝處在感應加熱的中心位置，鋯環(huán)下部水平放置在砂石上，外側(cè)與石英管配合完好細縫，內(nèi)側(cè)與銥金坩堝蓋配合完好，鋯環(huán)高度略高于坩堝以便于取出，鋯環(huán)上部與石英管持平，保證爐內(nèi)的密封性。
12、優(yōu)選的，所述坩堝、模具的材質(zhì)均為銥金。
13、銥金坩堝還包括坩堝蓋，坩堝蓋的半徑要略大于坩堝半徑，坩堝蓋開設有與模具尺寸相當?shù)耐坠┠＞叽┻^，使得密封完好。銥金模具放置在坩堝的中心位置，銥金模具中心開有一定寬度的狹縫便于坩堝內(nèi)熔體的輸運。
14、本專利技術(shù)實現(xiàn)目的之三所采用的方案是：一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場改善方法，采用所述的裝置實現(xiàn)，包括以下步驟：
15、將氧化鎵放置于坩堝中，安裝好模具，將氧化鎵籽晶安裝于提拉機構(gòu)的端部，通過下熱場結(jié)構(gòu)對坩堝進行加熱，坩堝內(nèi)的熔體經(jīng)過模具的毛細狹縫輸運至模具頂端后，將帶有籽晶的提拉機構(gòu)下移至模具的頂端，使得籽晶與熔體接觸，完成收頸—放肩—等徑生長—收尾—冷卻的過程，最終生長出氧化鎵單晶，在收頸—放肩—等徑生長—收尾的過程中控制加熱功率不變，僅控制第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道的開啟和關(guān)閉來調(diào)整熱場，助力晶體高質(zhì)量的生長，所述第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道中的氣體與裝置內(nèi)的氣體成分保持一致。
16、優(yōu)選的，收頸—放肩—等徑生長—收尾過程中控制加熱功率不變，控制第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道的開啟和關(guān)閉的具體操作如下：
17、(1)在收頸階段，開啟所有第一氣流通道，關(guān)閉所有第二氣流通道和第三氣流通道，氣體流速介于1-5m/s；本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括第一保溫桶，所述第一保溫桶中心軸處設置有橫截面為長方形的晶體生長通道，所述第一保溫桶的側(cè)壁開設有分別貫通側(cè)壁且與晶體生長通道連通的第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道，所述第一氣流通道的內(nèi)徑、第二氣流通道的內(nèi)徑和第三氣流通道的內(nèi)徑依次增大，所述第二氣流通道和第三氣流通道沿第一保溫桶的外徑均勻分布，第一氣流通道位于第二氣流通道和第三氣流通道下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道分別設置于第一保溫桶的側(cè)壁并橫向貫通所述晶體生長通道和側(cè)壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第二氣流通道為多個，均勻排布成至少一列橫向貫穿所述晶體生長通道的窄側(cè)壁，所述第三氣流通道為多個，均勻排布成至少一列橫向貫穿所述晶體生長通道的寬側(cè)壁，所述第一氣流孔為多個，均勻分布于第二氣流通道和第三氣流通道的下方。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第二氣流通道為單
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第一保溫桶的材質(zhì)為氧化鋯。
6.一種導模法生長氧化鎵晶體的裝置，其特征在于：包括上熱場結(jié)構(gòu)，設置于上熱場結(jié)構(gòu)下的下熱場結(jié)構(gòu)，設置于下熱場結(jié)構(gòu)內(nèi)的坩堝，設置于坩堝中心位置的模具，及設置于晶體生長通道內(nèi)的提拉機構(gòu)，所述上熱場結(jié)構(gòu)、坩堝、下熱場結(jié)構(gòu)、模具及提拉機構(gòu)均為同軸心設置，所述模具的中心位置設置有毛細狹縫，所述毛細狹縫與晶體生長通道連通，所述上熱場結(jié)構(gòu)為如權(quán)利要求1-5中任一項所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，在氧化鎵晶體的生長過程中，可以通過開啟和關(guān)閉第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道來調(diào)節(jié)熱場，進而調(diào)控晶體生長質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導模法生長氧化鎵晶體的裝置，其特征在于：所述下熱場結(jié)構(gòu)包括第二保溫桶和圍設于所述第二保溫桶外的加熱線圈，所述第二保溫桶包括石英管、填充于石英管中的砂石、放置在砂石上的鋯環(huán)，所述砂石填充高度低于石英管的高度，所述坩堝設置于所述鋯環(huán)的中心位置，所述加熱線圈、石英管、鋯環(huán)和坩堝同軸心設置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導模法生長氧化鎵晶體的裝置，其特征在于：所述坩堝、模具的材質(zhì)均為銥金。
9.一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場改善方法，其特征在于：采用如權(quán)利要求6-8中任一項所述的裝置實現(xiàn)，包括以下步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場改善方法，其特征在于：收頸—放肩—等徑生長—收尾過程中控制加熱功率不變控制第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道的開啟和關(guān)閉的具體操作如下：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括第一保溫桶，所述第一保溫桶中心軸處設置有橫截面為長方形的晶體生長通道，所述第一保溫桶的側(cè)壁開設有分別貫通側(cè)壁且與晶體生長通道連通的第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道，所述第一氣流通道的內(nèi)徑、第二氣流通道的內(nèi)徑和第三氣流通道的內(nèi)徑依次增大，所述第二氣流通道和第三氣流通道沿第一保溫桶的外徑均勻分布，第一氣流通道位于第二氣流通道和第三氣流通道下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第一氣流通道、第二氣流通道和第三氣流通道分別設置于第一保溫桶的側(cè)壁并橫向貫通所述晶體生長通道和側(cè)壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第二氣流通道為多個，均勻排布成至少一列橫向貫穿所述晶體生長通道的窄側(cè)壁，所述第三氣流通道為多個，均勻排布成至少一列橫向貫穿所述晶體生長通道的寬側(cè)壁，所述第一氣流孔為多個，均勻分布于第二氣流通道和第三氣流通道的下方。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第二氣流通道為單列設置，每列第二氣流通道的數(shù)量為4-6個，內(nèi)徑為14-16mm，所述第三氣流通道為單列設置，每列第三氣流通道的數(shù)量為3-5個，內(nèi)徑為28-32mm，所述第一氣流通道為兩列設置，分別位于第二氣流通道和第三氣流通道的下方，每列第一氣流通道的數(shù)量為1-2個，內(nèi)徑為3-5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導模法生長氧化鎵晶體的熱場結(jié)構(gòu)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張召富，殷長帥，孟標，梁康，魏強民，嚴鈺婕，
申請(專利權(quán))人：武漢大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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