專利名稱：直拉單晶生長裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種直拉單晶生長裝置，屬于半導(dǎo)體晶體生長設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
上述操作過程一般采用單晶爐，單晶爐包括坩堝、爐體、驅(qū)動裝置、籽晶桿加熱裝置等，拉制III-V族化合物半導(dǎo)體單晶與拉制硅單晶不同，為了確?；衔飭尉w中的化學(xué)配比，防止化合物分解損失，通常是在單晶爐的坩堝外安裝一個熱密封容器，使從坩堝中蒸發(fā)出來的混合蒸汽與坩堝內(nèi)液體達成動平衡，確?；衔飭尉w中的化學(xué)配比。目前一般使用的熱密封容器是整體式結(jié)構(gòu)，其安裝不方便，不能夠在熱狀態(tài)下開啟，而且不能夠重復(fù)使用，同時增加生產(chǎn)成本。
為了解決上述問題，中國實用新型專利2470372Y于2002年01月09日公開了一種蒸汽壓控制直拉單晶生長裝置，參見

圖1，圖1中展示了蒸汽壓控制直拉單晶生長裝置的結(jié)構(gòu)，該裝置是在單晶爐體1內(nèi)裝有熱密封容器2，熱密封容器2由上、下兩容器體3、4組成，上、下容器3、4之間裝有密封連接裝置5，熱密封容器2包圍坩堝6，坩堝傳動桿7和籽晶桿8分別通過密封裝置9、10進入熱密封容器2。其中密封連接裝置5由環(huán)形凹槽構(gòu)成，環(huán)形凹槽與下容器體4上端口連為一體，上容器體3的下端插在環(huán)形凹槽中。由于該裝置的籽晶桿須穿過熱密封容器2的上端伸入到坩堝的上方，因此，在上容器體3與籽晶桿8之間必須設(shè)置有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的密封裝置9，同樣，下端的坩堝轉(zhuǎn)動桿7也須穿過下容器體4與坩堝連接為一體，在下容器體4與坩堝轉(zhuǎn)動桿7之間必須設(shè)置有結(jié)構(gòu)復(fù)雜密封裝置10。因此，該蒸汽壓控制直拉單晶生長裝置首要問題在于熱密封容器2需要設(shè)置三處密封裝置，其密封環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由此降低密封效果的可靠性，例如圖2所示的籽晶桿處的密封裝置9，其主要由密封室13和密封環(huán)14組成，密封室13內(nèi)帶有環(huán)形凹槽15，底部帶有中心孔16，密封環(huán)14外圓周表面與密封室13內(nèi)表面緊密配合，密封環(huán)14的凹槽17與密封室13的環(huán)形凹槽15相對形成儲液室18。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當密封區(qū)阻力大時，環(huán)形槽處易扭斷，從而使密封失敗。設(shè)在下容器體4與坩堝轉(zhuǎn)動桿7之間的密封裝置10的結(jié)構(gòu)與密封裝置9大致相同，其同樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以保證密封可靠性。
密封連接裝置5是通過在凹槽內(nèi)放置氧化硼，對氧化硼加熱使其熔化，上容器體3的下端插在環(huán)形凹槽的液態(tài)氧化硼中，實現(xiàn)液態(tài)密封。因此其存在的另一個問題是由于氧化硼遇冷收縮變形，從而使石墨材質(zhì)的環(huán)形凹槽產(chǎn)生變形甚至產(chǎn)生裂紋，一般僅使用一次后該密封連接裝置就失效，無法實現(xiàn)重復(fù)使用熱密封容器的目的，無疑使生產(chǎn)成本增加。同時由于旋轉(zhuǎn)力較大、扭力大、不穩(wěn)定，環(huán)形密封處容易破碎。
該裝置的再一個問題是該裝置的籽晶桿與籽晶之間的連接結(jié)構(gòu)不合理，其通過定位銷穿過籽晶桿壁頂緊籽晶，以固定籽晶，此種夾持器適合制造小直徑的晶體，一般只能制造直徑小于160毫米，重量不超過60Kg的晶體。當籽晶用于制造大于此范圍的晶體時，就容易在籽晶的缺口部位斷裂，降低使用次數(shù)，增加成本，因此這種結(jié)構(gòu)在拉制晶體時受到局限，不能適用于較大的單晶生產(chǎn)，同時，籽晶用定位銷固定，出爐后不易取下籽晶。
本實用新型首要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的直拉單晶生長裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封環(huán)節(jié)多的問題，即須在熱密封容器上設(shè)上中下三處密封裝置，從而使直拉單晶生長裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加，重復(fù)性差，不適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并且難以保證良好的密封效果。
本實用新型所要解決的另一個技術(shù)問題是石墨密封連接裝置的環(huán)形凹槽因氧化硼冷卻收縮變形，容易產(chǎn)生裂紋，同時由于旋轉(zhuǎn)力較大、扭力大、不穩(wěn)定，密封處容易破碎。
本實用新型所要解決的又一個問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中籽晶固定不牢固的問題，以及籽晶用定位銷固定，出爐后不易取下籽晶的問題。
為了解決上述問題，本實用新型所要采取的技術(shù)方案為一種直拉單晶生長裝置，包括籽晶桿、坩堝和連接于坩堝底部的坩堝桿，所述的坩堝的上面設(shè)有用于密封坩堝的熱壁密封蓋，所述的熱壁密封蓋和坩堝連接部位設(shè)有動態(tài)密封裝置，所述籽晶桿穿過熱壁密封蓋伸入坩堝室內(nèi)并與熱壁密封蓋連為一體。
其中，所述動態(tài)密封裝置包括位于坩堝上端口且與坩堝連為一體的環(huán)形凹槽，在環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)有一截面呈U字形與環(huán)形凹槽內(nèi)壁兩側(cè)過盈配合的環(huán)狀防裂裝置，所述熱壁密封蓋的下端口插入環(huán)狀防裂裝置的截面呈U字形的環(huán)形凹槽內(nèi)。
所述籽晶桿的結(jié)構(gòu)為所述籽晶桿為具有一縱向貫通空腔的空心桿狀，所述籽晶桿的用于夾持籽晶的下端空腔呈收縮狀，最好為倒圓臺狀或倒棱臺狀。所述籽晶桿的下端空腔的倒圓臺或倒棱臺的錐度為30°-150°。
所述籽晶桿的結(jié)構(gòu)還可以為所述籽晶桿為具有一縱向貫通空腔的空心桿狀，所述籽晶桿用于夾持籽晶的下端空腔為徑向尺寸小于上部空腔的圓柱狀或棱柱狀。
為了方便，在所述的熱壁密封蓋的上部可進一步設(shè)有觀察窗口。
進一步，所述的坩堝內(nèi)套裝有一內(nèi)坩堝。
由于采用上述結(jié)構(gòu)，不需另設(shè)熱密封容器，而是在坩堝的上面直接設(shè)有一熱壁密封蓋，密封蓋與坩堝之間通過動態(tài)密封裝置連接并密封，采用這樣的結(jié)構(gòu)，省略了籽晶桿與熱密封容器之間需要設(shè)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的密封裝置，同樣下部的坩堝轉(zhuǎn)動桿與熱密封容器之間也省略了密封裝置，只需要1處密封，即坩堝和熱壁密封蓋之間的密封，使得整個裝置的結(jié)構(gòu)更為簡單，降低了成本，減少了密封環(huán)結(jié)，確保了密封的可靠性裝置內(nèi)氣體組份控制晶體表面分解，提高晶體的質(zhì)量；裝配系統(tǒng)重復(fù)性好，操作更方便，適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
同時，在動態(tài)密封裝置內(nèi)增加防裂裝置，克服了現(xiàn)有的石墨動態(tài)密封裝置容易產(chǎn)生裂紋，進而導(dǎo)致整個熱密封容器的失效，使熱密封容器和坩堝能夠重復(fù)使用。
而且，采用下端呈收縮孔狀的空心桿狀的籽晶桿吊裝籽晶體，使籽晶連接牢固，且出爐后易于取下籽晶。
其中爐體101 爐腔102熱壁密封蓋103動態(tài)密封裝置104坩堝105密封熔體106GaAs熔體107 坩堝桿108 單晶體109籽晶110籽晶桿111 觀察窗口112坩堝室113 環(huán)狀防裂裝置114內(nèi)坩堝116環(huán)形凹槽1051 空腔1111 下端空腔1112凹槽1141
參見圖3，圖中展示了一種直拉單晶生長裝置，該裝置置于爐體101內(nèi)，其包括由耐高溫陶瓷制成的籽晶桿111、石墨制成的坩堝105、石墨制成的坩堝桿108、耐高溫陶瓷制成的熱壁密封蓋103和動態(tài)密封裝置104。坩堝桿108連接于坩堝105底部，熱壁密封蓋103設(shè)在所述的坩堝105的上面，用于密封坩堝；所述的熱壁密封蓋103和坩堝105連接部位設(shè)有動態(tài)密封裝置104，籽晶桿111穿過熱壁密封蓋103伸入坩堝室內(nèi)并與熱壁密封蓋103連為一體。坩堝桿105伸出爐體101外與驅(qū)動裝置相連，籽晶桿111的上端伸出爐體101上方與驅(qū)動裝置相連。
參見圖4，其中，所述動態(tài)密封裝置104包括位于坩堝105上端口且與坩堝105連為一體的環(huán)形凹槽1051，在環(huán)形凹槽1051內(nèi)設(shè)有一截面呈U字形與環(huán)形凹槽內(nèi)壁兩側(cè)過盈配合的環(huán)狀防裂裝置114，所述熱壁密封蓋103的下端口插入環(huán)形凹槽1051和環(huán)狀防裂裝置114形成的凹槽1141內(nèi)。環(huán)狀防裂裝置114由高應(yīng)變石墨材料制成，避免了密封熔體與密封裝置直接接觸，并且由于溫度變化，使其產(chǎn)生變形以及裂紋；使環(huán)狀密封裝置114的使用壽命得以提高。
為了在制備單晶時觀察方便，在所述的熱壁密封蓋103的上部設(shè)有觀察窗口112。另外，一般所述的坩堝105內(nèi)套裝有一內(nèi)坩堝116，該內(nèi)坩堝根據(jù)拉制不同單晶采用不同的材料，例如拉制砷化鎵，采用PBN(氮化硼)坩堝。
參見圖5a，圖中展示了籽晶桿111和籽晶110的結(jié)構(gòu)，所述籽晶桿111為具有一縱向貫通空腔1111的空心桿狀，所述籽晶桿111的空腔1111為四棱柱狀，且所述籽晶桿111的用于夾持籽晶的下端空腔1112呈收縮狀，且為倒四棱臺狀，該倒棱臺的錐度為30°。其所吊裝的籽晶110上端的形狀與空腔1111和下端空腔111的形狀相匹配，參見圖6a。
參見圖5b，圖中展示了另一種籽晶桿和籽晶110的結(jié)構(gòu)形狀，所述籽晶桿111為具有一縱向貫通空腔1111的空心桿狀，所述籽晶桿111的空腔1111為圓柱狀，且所述籽晶桿111用于夾持籽晶的下端空腔1112為直徑小于上部空腔1111的圓柱狀。其所吊裝的籽晶110上端的形狀與空腔1111和下端空腔111的形狀相匹配，參見圖6b。
參見圖5c，圖中展示了又一種籽晶桿和籽晶110的結(jié)構(gòu)形狀，所述籽晶桿111呈空心桿狀，所述籽晶桿111的空腔1111為圓柱狀，且所述籽晶桿111的用于夾持籽晶的下端空腔1112為倒四棱臺狀，該棱臺的錐度為40°。其所吊裝的籽晶110上端的形狀與空腔1111和下端空腔111的形狀相匹配，參見圖6c。
應(yīng)予以說明的是，籽晶桿111的形狀不限于上述三種形狀，還可以為其他形狀，例如空腔的截面呈圓缺狀、且呈上大下小狀，圖6d展示的為與之相匹配的籽晶110。其中圓缺柱狀、棱柱狀或棱臺狀更利于傳遞力矩。而且籽晶桿的上端的結(jié)構(gòu)為現(xiàn)有籽晶桿的結(jié)構(gòu)，例如雙耳吊環(huán)結(jié)構(gòu)。
該直拉單晶生長裝置工作時，將直拉單晶生長裝置置于單晶爐101中，爐腔102內(nèi)為高純N2或Ar氣體，在坩堝室113內(nèi)充有高純氮氣或氬氣，還含有As2、As4。例如，拉制砷化鎵時，將GaAs熔體107放入坩堝105中的PBN制成的內(nèi)坩堝116中，再加入三氧化二硼密封熔體106，將耐高溫陶瓷的熱壁密封蓋103蓋于石墨坩堝105上，在動態(tài)密封裝置104的凹槽內(nèi)加入氧化硼密封溶劑，同時加熱坩堝105中的GaAs熔體和動態(tài)密封裝置104中的氧化硼密封溶劑。氧化硼熔化后，熱壁密封蓋103的下端口插入凹槽的氧化硼熔液中，形成液體密封，因熱壁密封蓋103與籽晶桿111連為一體，兩者之間不需要另設(shè)密封裝置，通過設(shè)在坩堝105和熱壁密封蓋103之間一處的動態(tài)密封裝置104即可以實現(xiàn)直拉單晶生長裝置的密封。使籽晶110與硅熔體107接觸，反向旋轉(zhuǎn)籽晶桿111和坩堝桿108，從而帶動熱壁密封蓋103和坩堝105間歇反向旋轉(zhuǎn)進而實現(xiàn)拉制，通過調(diào)整熔體的溫度和籽晶向上的提升速度，使晶體長大，當硅晶體的直徑接近目標直徑時，提高提升速度，使單晶體109近恒直徑生長。同時設(shè)在動態(tài)密封裝置104的凹槽1141內(nèi)的防裂裝置114，克服了現(xiàn)有的石墨密封裝置當溫度降低時容易產(chǎn)生裂紋的缺陷。
權(quán)利要求1.一種直拉單晶生長裝置，包括籽晶桿(111)、坩堝(105)和連接于坩堝底部的坩堝桿(108)，其特征在于所述的坩堝(105)的上面設(shè)有用于密封坩堝的熱壁密封蓋(103)，所述的熱壁密封蓋(103)和坩堝(105)連接部位設(shè)有動態(tài)密封裝置(104)，所述籽晶桿(111)穿過熱壁密封蓋(103)伸入坩堝室內(nèi)并與熱壁密封蓋(103)連為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于所述動態(tài)密封裝置(104)包括位于坩堝(105)上端口且與坩堝(105)連為一體的環(huán)形凹槽(1051)，在環(huán)形凹槽(1051)內(nèi)設(shè)有一截面呈U字形與環(huán)形凹槽內(nèi)壁兩側(cè)過盈配合的環(huán)狀防裂裝置(114)，所述熱壁密封蓋(103)的下端口插入環(huán)狀防裂裝置(114)的截面呈U字形的環(huán)形凹槽(1141)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2其中之一所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于所述籽晶桿(111)為具有一縱向貫通空腔(1111)的空心桿狀，所述籽晶桿(111)的用于夾持籽晶的下端空腔(1112)呈收縮狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于所述籽晶桿(111)的下端空腔(1112)為倒圓臺狀或倒棱臺狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于所述籽晶桿(111)的下端空腔的倒圓臺或倒棱臺的錐度為30°-150°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2其中之一所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于所述籽晶桿(111)為具有一縱向貫通空腔(1111)的空心桿狀，所述籽晶桿(111)用于夾持籽晶的下端空腔(1112)為徑向尺寸小于上部空腔(1111)的圓柱狀或棱柱狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2其中之一所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于在所述的熱壁密封蓋(103)的上部設(shè)有觀察窗口(112)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于在所述的熱壁密封蓋(103)的上部設(shè)有觀察窗口(112)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2其中之一所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于所述的坩堝(105)內(nèi)套裝有一內(nèi)坩堝(116)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直拉單晶生長裝置，其特征在于所述的坩堝(105)內(nèi)套裝有一內(nèi)坩堝(116)。
專利摘要本實用新型公開了一種直拉單晶生長裝置，其包括籽晶桿、坩堝和連接于坩堝底部的坩堝桿，所述的坩堝的上面設(shè)有用于密封坩堝的熱壁密封蓋，所述的熱壁密封蓋和坩堝連接部位設(shè)有動態(tài)密封裝置，所述籽晶桿穿過熱壁密封蓋伸入坩堝室內(nèi)并與熱壁密封蓋連為一體。本實用新型解決了現(xiàn)有的直拉單晶生長裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封環(huán)節(jié)多的問題，只需在熱壁密封蓋和坩堝連接部位一處設(shè)有動態(tài)密封裝置即可以實現(xiàn)密封，克服了現(xiàn)有直拉單晶生長裝置因密封環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而帶來的成本增加、重復(fù)性差、不適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、并且難以保證良好的密封效果等缺陷。
文檔編號C30B15/00GK2576728SQ02285928
公開日2003年10月1日 申請日期2002年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者王永鴻 申請人:王永鴻