專利名稱：一種適用于PVT法生長SiC晶體系統的測溫結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及SiC晶體生長過程的測溫，具體涉及一種適用于物理氣相輸運法(physical vapor transportation, PVT)生長 SiC 晶體系統的測溫結構。
背景技術：
SiC晶體作為第三代半導體材料，具有硬度高(僅次于金剛石)、熱導率高、熱膨脹系數低、禁帶寬度大、飽和漂移速度高，臨界擊穿場強大、化學穩定性高、抗輻射能力強等一系列優點，同時其與GaN的晶格常數失配度小，更適合用作GaN外延生長的襯底材料。優異的性能使得SiC晶體在航空航天、信息技術、LED照明器件外延基底等民用及國防安全領域具有廣泛的應用前景。SiC晶體生長通常采用物理氣相輸運法，其基本原理如圖I所示。SiC晶體生長通常利用感應加熱爐，晶體在石墨坩堝內生長，將SiC原料置于生長室下部，籽晶固定在生長室頂部，固定籽晶的部分通常被稱為籽晶托。石墨坩堝被保溫材料包圍，以使坩堝容易升高到生長所需溫度。在生長過程中通過控制生長室的溫度和壓力條件，使SiC原料從坩堝下部升華，上升至籽晶上進行堆積生長，最終獲得SiC單晶。SiC晶體具有上百種多型，其中4H、6H晶型被認為具有更為有優異的性能，且容易獲得單一多型，因此，目前的研究多圍繞4H或6H晶體，人們期望在一定的生長條件和工藝技術下獲得高質量的4H或6H晶體。但是SiC晶體的PVT生長方法是一個復雜的原料氣相組分升華、輸運、結晶的過程，受溫度、壓力、溫場分布和原料純度等眾多因素影響，眾多SiC多型的形成條件往往相互交叉，這使得單一多型的SiC晶體生長難度很大。在眾多影響因素中，溫度條件具有十分重要的影響。在如圖I所示的SiC晶體生長條件中，隨著生長過程的進行，升華的氣相組分往往會在保溫材料的測溫孔周邊凝結，在生長過程的中后期，往往造成測溫孔堵塞，不能準確控制生長溫度，而且，測溫孔堵塞也使得生長系統的頂部散熱狀況受到影響，使得生長系統的溫度梯度發生改變。不能準確測溫和影響生長系統的溫度梯度不利于單一多型高質量SiC晶體的生長，因此，改進生長條件十分必要。
實用新型內容面對現有技術存在的上述問題，本實用新型公開一種適用于PVT法生長SiC晶體系統的測溫結構，所述系統具有用坩堝圍成的晶體生長用晶體生長室，配置于生長室室內頂部的籽晶托，和在所述晶體生長室外圍的保溫層；所述的測溫結構包括設置于生長室頂部的籽晶托上方的保溫層上并能夠通過其利用高溫紅外測溫計測量晶體生長室內溫度的開孔；以及插通所述開孔形成于籽晶托上的測溫管。本實用新型的測溫結構，基于PVT法生長SiC晶體系統，能夠解決生長過程中測溫孔堵塞，影響生長系統溫度梯度的問題。本實用新型的測溫結構可以在晶體生長過程中準確測量坩堝頂部溫度，從而實現精確控溫，并且避免測溫孔堵塞導致的溫度梯度變化，提高晶體生長的成品率。[0007]本實用新型的測溫管，優選采用不低于2500°C的耐高溫材料制成。例如石墨材料，或者鉭等高溫材料。優選采用高純、高致密度的高質量石墨材料。更優選地，測溫管與籽晶托為同材質，采用相同材質的耐高溫材料可以更準確地測量生長室內的晶體生長溫度。晶體生長過程中的溫度是一個動態變化的準靜態量，由于不同的材質具有不同的導熱率，測溫管和籽晶托采用不同材質時，其導熱率的差異對測溫結果存在潛在的不利影響，從而影響精確控溫；而當兩者采用同一材質時，不存在導熱率差異導致的問題，故更有利于準確測量溫度值。優選地使所述測溫管高于保溫層或與保溫層頂部齊平。更優選地使所述測溫管高出保溫層的高度不大于10_。測溫管頂部與保溫層齊平或略高于保溫層頂部，可以有效避免晶體生長過程中，升華的氣相組分在測溫頂端凝結長大或凝結后落入測溫管，以致影響測溫效果。另外，配合保溫結構設計，調節測溫管的長度，也可以優化生長系統的溫度場。測溫管除了有利于準確測量系統溫度，同時也可用于調節系統溫度場。關于測溫管與籽晶托的固定，可以使在籽晶托上方中心位置 設置與保溫管外圍尺寸配合的有底孔，然后將測溫管插入并固定在籽晶托上方設置的有底中心孔內。也可以使在籽晶托上方中心位置設置與保溫管內徑配合的凸臺，然后將測溫管套合并固定在籽晶托上方設置的凸臺上。可以通過各種連接方式使保溫管固定于所述籽晶托上的有底中心孔內或凸臺上。例如采用螺紋連接，即在籽晶托頂部中心根據測溫管外徑尺寸，加工相應具有內螺紋的淺孔，測溫管底部加工外螺紋，測溫管與籽晶托頂部通過螺紋連接固定；或者測溫管底部加工內螺紋，相應在籽晶托頂部中心加工有外螺紋的凸臺，使兩者實現螺紋固定。或者采用套接方式，測溫管底部無需加工外螺紋，在籽晶托頂部加工淺孔或者凸臺，其尺寸與測溫管匹配，使得測溫管可以套入淺孔或者套住凸臺，嚴格控制加工公差，確保兩者之間的間隙不影響測溫管穩定連接。所述籽晶托中心孔，其深度根據晶體生長過程對溫度測量的要求和生長工藝的需要進行設計。為牢固固定測溫管，其深度優選在2-5_。此外，籽晶托中心孔也可以為通孔，這樣，在需要時可以直接準確測量籽晶的溫度。所述籽晶托中心凸臺，其高度根據晶體生長過程對溫度測量的要求和生長工藝的需要進行設計。為牢固固定測溫管，其高度優選在2-4mm。所述的測溫管與籽晶托，也可以為一體化部件，即將測溫管與籽晶托一體地成型為一個整體。所述測溫管內徑和壁厚根據生長晶體的尺寸及生長系統的溫度梯度設計適當選擇。測溫管的引入對生長系統的溫度梯度會產生影響，當測溫管內徑較大、壁厚較厚時，不利于坩堝頂部的保溫，容易導致坩堝軸向和徑向溫度梯度增大，因此測溫管的尺寸需配合生長溫度梯度設計來選擇，結果表明，測溫管的內徑和壁厚偏小時易獲得較好的效果。另一方面，紅外測溫計對測溫區域尺寸有一定的要求，所以測溫管的內徑不宜過小，否則會影響測溫準確度，因此，測溫管的內徑需考慮多方面因素合理設計。測溫管壁厚較大時對生長系統的溫度梯度的調節作用更為明顯，主要是有利于增大生長系統的溫度梯度，故壁厚的選擇主要依賴于生長系統溫度梯度的設計。測溫管內徑優選為5mm-30mm，測溫管壁厚優選為[0015]本實用新型的測溫結構，可以適用于生長4H或6H多種多型的SiC晶體的系統，也可以適用于生長2英寸、3英寸及更大尺寸的SiC晶體的系統。在PVT法生長SiC晶體過程中，利用紅外高溫測溫計測量坩堝頂部溫度時，本實用新型的測溫結構，使得生長過程中能夠始終準確測量坩堝頂部的溫度，從而能夠確保在晶體生長過程中準確控制生長溫度。本實用新型的測溫結構可以提高SiC晶體生長過程的控溫精度，有助于避免晶體生長過程中易出現的多型缺陷，提高SiC晶體的結晶質量和成品率。
圖I為物理氣相輸運法生長SiC晶體的生長室結構示意圖；圖2為設置有測溫管的籽晶托的示意圖；圖3為具有本實用新型示例的測溫結構的SiC晶體生長系統；其中1， 測溫孔；2， 籽晶托；3， 籽晶；4， SiC 原料；5， 坩堝；6， 保溫層；7， 測溫管。
具體實施方式
參照說明書附圖，并結合下述實施方式進一步說明本實用新型，應理解，說明書附圖及下述實施方式僅用于說明本實用新型，而非限制本實用新型。圖I為已知的物理氣相輸運法生長SiC晶體的生長系統示意圖。如圖I所述的已知的物理氣相輸運法生長SiC晶體系統，具有用坩堝5圍成的晶體生長用晶體生長室，配置于生長室室內頂部的籽晶托2，和在所述晶體生長室外圍的保溫層6。通常使用石墨坩堝5，將SiC原料4置于生長室下部，固定有籽晶3的籽晶托2固定于由坩堝5圍成的生長室的頂部。通過控制生長室的溫度和壓力條件，使SiC原料4從坩堝5下部升華，上升至籽晶3上進行堆積生長，最終獲得SiC單晶。隨著SiC晶體生長過程的進行，升華的氣相組分往往會在保溫材料的測溫孔I周邊凝結，在生長過程的中后期，往往造成測溫孔堵塞，不能準確控制生長溫度，而且，測溫孔堵塞也使得生長系統的頂部散熱狀況受到影響，使得生長系統的溫度梯度發生改變。本實用新型的測溫結構是適用于PVT法生長SiC晶體系統的測溫結構，該系統具有用坩堝5圍成的晶體生長用晶體生長室，配置于生長室室內頂部的籽晶托2，和在所述晶體生長室外圍的保溫層6。圖2為設置有測溫管的籽晶托的示意圖，圖3為具有本實用新型示例的測溫結構的SiC晶體生長系統。測溫結構包括設置于生長室頂部的籽晶托上方的保溫層6上的測溫孔I ;以及插通測溫孔I固定于籽晶托上的測溫管7 (如圖2所示)。通過在籽晶托頂部即坩堝頂部添加測溫管7，可以避免測溫區域受生長過程中氣相升華物凝結造成的影響，以實現生長過程的準確測溫，確保晶體生長過程中早期和后期測量的溫度的準確度。圖2示出的測溫管為圓形，但應理解其可以為方形、橢圓形等形狀，該形狀可以依籽晶托的形狀而設計。測溫管的材質可以采用石墨，或者鉭等高溫材料，其使用溫度高于25000C。高純、高致密度的高質量石墨材料作為優選。測溫管的內徑和壁厚根據生長晶體的尺寸及生長系統的溫度梯度來相應設計加工。生長2英寸、3英寸以及更大尺寸的晶體時，測溫管直徑可以相應調整。一般測溫管內徑為5mm-30mm,測溫管壁厚為測溫管的長度，根據坩堝與保溫層的尺寸進行調整，必須確保測溫管的頂部與保溫層頂部齊平或者高于保溫層頂部。測溫管與籽晶托頂部的連接可以采用多種方式，一是采用螺紋連接，即在籽晶托頂部中心根據測溫管外徑尺寸，加工相應具有內螺紋的淺孔，測溫管底部加工外螺紋，測溫管與籽晶托頂部通過螺紋連接固定；或者測溫管底部加工內螺紋，相應在籽晶托頂部中心加工有外螺紋的凸臺，使兩者實現螺紋固定；二是采用套接方式，測溫管底部無需加工外螺紋，在籽晶托頂部加工淺孔或者凸臺，其尺寸與測溫管匹配，使得測溫管可以套入淺孔或者套住凸臺，嚴格控制加工公差，確保兩者之間的間隙不影響測溫管穩定連接。籽晶托中心淺孔，其深度可根據晶體生長過程對溫度測量的要求和生長工藝的需要進行設計。此外，應理解籽晶托中心淺孔可以為通孔。籽晶托中心凸臺，其高度也可根據晶體生長過程對溫度測量的要求和生長工藝的需要進行設計。測溫管與籽晶托也可以為一體化部件設計，即測溫管與籽晶托為同種材質，加工成一個部件。不同的材質具有不同的導熱率，測溫管和籽晶托采用不同材質時，其導熱率的差異對測溫結果存在潛在的不利影響，從而影響精確控溫；而當兩者采用同一材質時，不存在導熱率差異導致的問題，故更有利于準確測量溫度值。下面結合具體實施形態進一步闡述本實用新型，應理解，這些實施形態僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的保護范圍。實施形態I用于生長6H多型2英寸SiC晶體的生長系統，使用紅外高溫測溫計測量坩堝頂部即籽晶托頂部溫度，在籽晶托頂部加測溫管。在籽晶托頂部中心加工具有內螺紋的淺孔，淺孔深度為3mm，并鑒于籽晶托頂部與保溫層頂部的所述測溫管的長度為30mm，考慮到籽晶托中心淺孔的深度3mm，選取測溫管的長度為33mm，即測溫管安裝固定后，其頂部與保溫層頂部齊平。所述測溫管與籽晶托頂部的連接采用螺紋連接，即在測溫管底部加工外螺紋，螺紋長度為4mm，使測溫管與籽晶托頂部通過螺紋實現穩定的連接固定。測溫管和晶體生長用的坩堝均采用高純、高致密度的石墨材料加工。測溫管內徑為15mm，測溫管壁厚為2mm。采用以上生長系統進行晶體的生長，可以確保生長過程中，氣相升華物不會在測溫孔周圍凝結而影響系統的頂部測溫效果。實施形態2用于生長4H多型3英寸SiC晶體的生長系統，使用紅外高溫測溫計測量坩堝頂部即籽晶托頂部溫度，在籽晶托頂部加測溫管。鑒于籽晶托頂部與保溫層頂部的所述測溫管的長度為20mm，設計測溫管的長度為25mm，即測溫管安裝固定后，其頂部高于保溫層頂部，高出5_。所述測溫管與籽晶托頂部的連接采用套接方式，在籽晶托頂部加工凸臺，凸臺外徑24. 8mm,高4mm，測溫管套住凸臺，測溫管與籽晶托頂部平臺穩定連接。采用以上生長系統進行晶體生長，在晶體生長的過程中，氣相升華物不會在測溫孔周圍凝結，影響生長系統的測溫效果。本實用新型提供的測溫結構，能夠始終準確測量坩堝頂部的溫度，從而能夠確保在晶體生長過程中準確控制生長溫度，有助于避免晶體生長過程中易出現的多型缺陷，提1 SiC晶體的結晶質量和成品率。
權利要求1.ー種適用于PVT法生長SiC晶體系統的測溫結構，所述系統具有用坩堝圍成的晶體生長用晶體生長室，配置于生長室室內頂部的籽晶托，和在所述晶體生長室外圍的保溫層；其特征在于，所述測溫結構包括設置于生長室頂部的籽晶托上方的保溫層上并能夠通過其利用高溫紅外測溫計測量晶體生長室內溫度的開孔；以及插通所述開孔固定于籽晶托上的測溫管。
2.根據權利要求I所述的測溫結構，其特征在于，所述測溫管由不低于2500°C的耐高溫材料制成。
3.根據權利要求2所述的測溫結構，其特征在于，所述耐高溫材料為石墨材料或鉭。
4.根據權利要求I所述的測溫結構，其特征在于，所述測溫管高于保溫層或與保溫層頂部齊平。
5.根據權利要求I所述的測溫結構，其特征在于，所述測溫管內徑為5mm-30mm，測溫管 壁厚為Imm-15mmο
6.根據權利要求I至5中任ー項所述的測溫結構，其特征在于，所述測溫管插入并固定在籽晶托上方設置的有底中心孔內。
7.根據權利要求I至5中任ー項所述的測溫結構，其特征在于，所述測溫管套接并固定在籽晶托上方設置的凸臺上。
8.根據權利要求I至5中任ー項所述的測溫結構，其特征在于，所述測溫管與籽晶托一體地成型為ー個整體。
專利摘要本實用新型公開一種適用于PVT法生長SiC晶體系統的測溫結構，所述系統具有用坩堝圍成的晶體生長用晶體生長室，配置于生長室室內頂部的籽晶托，和在所述晶體生長室外圍的保溫層；所述的測溫結構包括設置于生長室頂部的籽晶托上方的保溫層上并能夠通過其利用高溫紅外測溫計測量晶體生長室內溫度的開孔；以及插通所述開孔形成于籽晶托上的測溫管。本實用新型的測溫結構可以在晶體生長過程中準確測量坩堝頂部溫度，從而實現精確控溫，并且避免測溫孔堵塞導致的溫度梯度變化，提高晶體生長的成品率。
文檔編號C30B23/00GK202643905SQ20122018816
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者孔海寬, 忻雋, 陳建軍, 嚴成鋒, 劉熙, 肖兵, 楊建華, 施爾畏 申請人:上海硅酸鹽研究所中試基地, 中國科學院上海硅酸鹽研究所