溶液法生长碳化硅单晶的设备的制作方法

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1.本实用新型涉及晶体生长领域，尤其是涉及一种溶液法生长碳化硅单晶的设备。

背景技术：

2.相关技术指出，现有熔融法生产碳化硅晶体采用石墨坩埚，在石墨坩埚内放置籽晶、碳粉、硅料以及金属助溶剂，加热石墨坩埚，热量传导至坩埚内部原料，发生物理化学反应，以籽晶作为生长起始点，生长出碳化硅晶体。但是由于碳的溶解度较低，因此，溶液中的碳含量较低，传统方法中为了能够持续不断的供应碳源，选择以坩埚为主要碳源，在长晶过程中对碳元素进行补充，对坩埚造成了一定的破坏了坩埚，成本较高。

技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型在于提出一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，能够在长晶过程中无需通过石墨坩埚对溶液中的碳元素进行补充，能够避免对石墨坩埚的破坏，延长坩埚的使用寿命。
4.根据本实用新型实施例的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，包括坩埚、动力轴、碳源仓、循环管路和抽液装置；
5.所述坩埚内壁涂覆有碳化坦涂层，所述坩埚限定出生长腔和溶液腔；所述动力轴上端位于所述坩埚顶壁外侧，所述动力轴底端穿过所述坩埚顶壁位于所述生长腔内，并安装有籽晶托；所述碳源仓安装在所述溶液腔内，所述碳源仓限定出用于盛放辅助原料的第一容纳腔，所述碳源仓顶壁向四周延伸出延伸部，所述延伸部与所述坩埚内壁连接，所述延伸部上限定出液体流道；所述碳源仓顶壁和所述延伸部将所述溶液腔分为长晶区和混液区；所述碳源仓底部限定出用于连通所述第一容纳腔和所述混液区的小孔和进液口，顶壁开设有用于连通第一容纳腔和长晶区的出液口；所述循环管路设置在碳源仓内部，循环管路一端与碳源仓的进液口连接，另一端与碳源仓的出液口连接；所述抽液装置连接在所述循环管路上，用于推动所述循环管路内的液体流动。
6.本实施例坩埚内壁涂覆有一层碳化坦涂层，不再作为碳源使用，只作为反应器，不参与反应，避免了坩埚的损坏，避免了坩埚被腐蚀，延长了坩埚的使用寿命，大大降低了企业的生产成本，同时，由于坩埚不被腐蚀，因此，具有较好地发热效率和发热均匀性，有利于坩埚内部热场的稳定。本实施例碳源的补充是通过存储在碳源储存仓内的碳粉进行补充的，当液体流过小孔与碳粉接触时，将碳粉带入混液区内，对混液区的溶液进行碳元素补充，使混液区溶液中的碳元素始终处于过饱和状态，再通过抽液装置和循环管路将混液区的溶液源源不断地送入长晶区，然后再通过液体流道流入溶液区，形成溶液腔内的液体循环，为长晶区源源不断地输送碳元素充足的溶液，提高了晶体的质量，加快了晶体的生长速度。
7.在本实用新型的一些实施例中，本实用新型还包括安装在所述坩埚内部的散热组件，所述散热组件包括散热风扇、涡轮和传动带，所述散热风扇通过所述第一转轴安装在所
述长晶区上方的所述坩埚侧壁的安装孔内，用于对晶体降温；所述涡轮通过第二转轴安装在液体流道内，所述延伸部还限定出上方开口的第二容纳腔，且所述第二容纳腔与所述液体流道不连通；所述第二转轴一端所述穿过第二容纳腔；所述传动带张紧在所述第二转轴和所述第一转轴。本实施例利用液体回流动力带动散热风扇工作，即液体在通过液体流道时推动涡轮转动，涡轮将动能通过传动带传输至散热风扇，散热风扇转动，对晶体生长区域进行小幅度降温，促进了结晶，加快了晶体的生长速度。
8.在本实用新型的一些实施例中，本实用新型液体流道和所述散热组件设置有多个，且二者一一对应。本实施例的散热组件和液体流道可均匀间隔分布在坩埚内，且每个液体流道对应一组散热组件。
9.在本实用新型的一些实施例中，本实用新型还包括传动带保护罩，所述传动带保护罩在竖直方向上开设有贯穿所述传动带保护罩的安装通道，所述传动带保护罩底端安装在延伸部上，所述安装通道与所述第二容纳腔连通，且所述传动带保护罩的直径大于所述第二容纳腔的直径，传动带保护罩的顶端位于长晶区上方，所述传动带一端与第一转轴相连，另一端穿过所述安装通道与第二转轴相连。本实施例传动带保护罩的使用是为了避免传动带在转动过程中，减少对传动带传动的阻力，从而使散热风扇转动的更加顺畅。
10.在本实用新型的一些实施例中，本实用新型还包括主动轮和传动轮，所述主动轮安装在位于所述第二容纳腔内的第二转轴上，所述从动轮安装在所述第一转轴上，所述传动带张紧在所述主动轮和所述从动轮上，所述主动轮、所述从动轮和所述传动带保护罩的中心在同一竖直线上。本实施例主动轮和传动论的使用，是为了防止传动带在传动的过程中跑偏而降低转速，同时减少了传动带的损坏，延长了传动带的使用寿命。
11.在本实用新型的一些实施例中，本实用新型安装孔为阶梯结构，由内到外依次为第一阶梯段和第二阶梯段，所述第一阶梯段的直径大于所述第二阶梯段，所述第二阶梯段的直径与所述第一转轴的直径相适配；所述第二转轴内侧端连接有限位部，所述限位部位于第一阶梯段，且直径大于第二阶梯段的直径。本实施例有效地避免了在转动的过程中，第一转轴从安装孔内脱离，保证了散热组件运行的稳定性。
12.在本实用新型一些实施例中，本实用新型还包括支撑件，所述支撑件上端位于所述碳源仓内，下端穿过所述坩埚和所述碳源仓底壁位于所述坩埚底壁外侧；所述抽液装置安装在支撑件上端。本实施例支撑件用于支撑抽液装置固定在碳源仓内。
13.在本实用新型一些实施例中，本实用新型碳源仓侧壁限定出用于连通所述第一容纳腔和所述溶液腔的小孔。本实施例在碳源仓侧壁开设小孔，增加了溶液与碳粉的接触面积，进一步保证了溶液中的碳元素始终处于过饱和状态，从而进一步保证了晶体的快速高质量生长。
14.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
15.图1是根据本实用新型实施例一的溶液法生长碳化硅单晶的设备结构示意图；
16.图2是根据本实用新型实施例二的溶液法生长碳化硅单晶的设备结构示意图；
17.图3是图2的局部放大结构示意图；
18.图4是根据本实用新型实施例三的溶液法生长碳化硅单晶的设备结构示意图。
19.附图标记：
20.溶液法生长碳化硅单晶的设备100；
21.坩埚10；生长腔101；溶液腔102；长晶区1021；混液区1022；
22.籽晶托20，晶体21；
23.散热组件30；散热风扇31；第一转轴32；传动带33；传动带保护罩34；涡轮35；第二转轴36；安装孔37；第一阶梯段371；第二阶梯段372；限位部38；
24.碳源仓40；延伸部41；液体流道411；第二容纳腔412；第一容纳腔42；小孔43；进液口44；出液口45；
25.动力轴50；循环管路60；抽液装置70；支撑件80。
具体实施方式
26.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
27.下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。
28.下面参考图1-图4描述根据本实用新型实施例的溶液法生长碳化硅单晶的设备100。
29.参照图1所示，根据本实用新型实施例的溶液法生长碳化硅单晶的设备100，可以包括：坩埚10、动力轴50、碳源仓40、循环管路60和抽液装置70；
30.参照图1所示，坩埚10限定出生长腔101和溶液腔102，生长腔101位于溶液腔102上方，其内壁涂覆有碳化坦涂层，避免了坩埚10在长晶过程中被腐蚀，延长了坩埚10的使用寿命；动力轴50上端位于坩埚10顶壁外侧，与驱动机构连接，动力轴50底端穿过坩埚10顶壁位于生长腔101内，动力轴50底端安装有籽晶托20，籽晶安装在籽晶托20上，驱动机构用于带动动力轴50旋转向上提拉晶体21，从而实现晶体21的生长。
31.参照图1所示，碳源仓40安装在溶液腔102内，碳源仓40限定出用于盛放碳粉的第一容纳腔42，碳源仓40顶壁边缘向外延伸出延伸部41，延伸部41外侧壁与坩埚10内壁连接，延伸部41上还限定出液体流道411，用于液体流动，碳源仓40顶壁和延伸部41将溶液腔102分成长晶区1021和混液区1022；碳源仓40底壁限定出用于连通第一容纳腔42和混液区1022的小孔43和进液口44，顶壁开设有用于连通第一容纳腔42和长晶区1021的出液口45，碳源仓40的进液口44和出液口45可以为喇叭口，即进液口44的进液端的直径大于进液口44的出液端的直径，出液口45的进液端的直径小于出液口45的出液端的直径。碳源仓40内的碳粉通过小孔43渗入到混液区1022的溶液中，对混液区1022的溶液进行碳元素补充。为了使碳
源仓40内的碳粉缓慢的渗入到混液区1022的溶液中，可以将碳粉粒径设置为20μm，碳源仓的小孔43的直径为1mm-2mm，以便碳粉可通过小孔43自由出入，但又不至于通过太多的碳粉。
32.循环管路60设置在碳源仓40内部，循环管路60一端与碳源仓40的进液口44连接，另一端与碳源仓40的出液口45连接；抽液装置70安装在碳源仓40内，并连接在循环管路60上，用于推动循环管路60内的液体流动，本实施例抽液装置70为抽液泵。
33.本实施例在长晶开始前，将碳粉存储在碳源仓40内，并在溶液腔102内部放置硅料、铁、镍等助熔剂，采用感应加热方式对坩埚10进行加热，当坩埚10温度达到1700℃时，硅料呈熔融态，启动碳源仓40内部的抽液装置70，抽液装置70启动后，通过循环管路60将混液区1022的硅溶液抽送至长晶区1021，在长晶区1021籽晶与硅溶液接触，采用提拉法进行晶体21生长。由于混液区1022的硅溶液通过小孔43与碳粉接触，在高温下，碳粉与硅溶液接触后溶于硅溶液中，为硅溶液补充碳元素，使混液区1022的硅溶液中的碳元素始终处于过饱和状态，因此，抽液装置70将混液区1022的硅溶液抽送至长晶区1021用于长晶，保证了长晶区1021的硅溶液的碳元素处于过饱和状态，而长晶区1021多余的硅溶液通过液体流道411回流至混液区1022，在混液区1022与碳粉接触后，再次被抽液装置70抽送至长晶区1021，如此反复，源源不断地向长晶区1021抽送碳元素充足的硅溶液，换言之，本实施例通过抽液装置70对溶液腔102内的液体形成循环，以确保长晶区1021的硅溶液始终处于过饱和状态，提升了晶体21质量的同时，也加快了长晶的速度。
34.参照图2和图3所示，在本实用新型的一些实施例中，本实用新型还包括安装在坩埚10内的散热组件30，该散热组件30包括散热风扇31、涡轮35和传动带33；散热风扇31通过所述第一转轴32安装在所述长晶区1021上方的所述坩埚10侧壁的安装孔37内，用于对晶体21降温；涡轮35通过第二转轴36安装在液体流道411内，所述延伸部41还限定出上方开口的第二容纳腔412，且第二容纳腔412与液体流道411不连通，所述第二转轴36一端穿过第二容纳腔412；传动带33张紧在所述第一转轴32和所述第一转轴32上。
35.有鉴于此，长晶过程中，硅溶液在抽液装置70的作用下，长晶区1021的液体源源不断地通过液体流道411流入至混液区1022，当液体经过液体流道411时，液体流道411内的涡轮35在液体的作用下转动，涡轮35转动带动第二转轴36转动，第二转轴36通过传动带33带动第一转轴32转动，从而带动散热风扇31工作，对晶体21进行降温，促进晶体21结晶，从而加快了晶体21的生长速度。
36.参照图2所示，在本实用新型的一些实施例中，液体流道4与散热组件30设置有多个，且二者一一对应，换言之，液体流道411均匀间隔布置在延伸部41上，且每个液体流道411对应一组散热组件30，以便对晶体21均匀降温，有利于晶体21的晶体21。
37.参照图2和图3所述，在本实用新型的一些实施例中，本实用新型还包括传动带保护罩34，传动带保护罩34在竖直方向上开设有贯穿传动带保护罩34的安装通道，传动带保护罩34底端安装在延伸部41上，安装通道与第二容纳腔412连通，传动带保护罩34的直径大于第二容纳腔412的直径，传动带保护罩34顶端位于长晶区1021上方，换言之，传动带保护罩34顶端位于长晶区1021液面的上方；传动带33一端与第一转轴32连接，另一端穿过安装通道与第二转轴36连接。本实施例传动带保护罩34的使用避免了传动带33在硅溶液中传动，降低了传动的阻力。
38.在本实用新型的一些实施例中，本实用新型还包括主动轮和传动轮，所述主动轮安装在位于所述第二容纳腔412内的第二转轴36上，所述从动轮安装在所述第一转轴32上，所述传动带33张紧在所述主动轮和所述从动轮上，所述主动轮、所述从动轮和所述传动带保护罩34的中心在同一竖直线上。本实施例主动轮和从动轮的使用，避免了传动带33在传动过程中跑偏而降低散热风扇31的转速，同时降低了传动带33的损坏，延长了传动带33的使用寿命。
39.可以理解的是，第二转轴36转动带动主动轮转动，主动轮通过传动带33带动从动轮转动，从动轮再带动第一转轴32转动，从而带动散热风扇31转动，对晶体21进行降温，促进晶体21结晶，从而加快晶体21的生长速度。
40.参照图2和图3所示，在本实用新型一些实施例中，本实用新型安装孔37为阶梯结构，在坩埚10侧壁上由内到外依次为第一阶梯段371和第二阶梯段372，所述第一阶梯段371的直径大于所述第二阶梯段372，所述第二阶梯段372的直径与所述第一转轴32的直径相适配；所述第一转轴32内侧端连接有限位部38，所述限位部38位于第一阶梯段371，且直径大于第二阶梯段372的直径。本实施例限位部38有效地防止了第一转轴32从安装孔37内脱出，保证了放热组件运行的稳定性。
41.参照图1和图2所示，在本实用新型一些实施例中，本实用新型还包括支撑件80，支撑件80上端位于碳源仓40内，下端穿过碳源仓40和坩埚10底壁位于坩埚10底壁外侧，抽液装置70安装在支撑件80上端。本实施例支撑件80用于将抽液装置70固定在碳源仓40内，当然，也可以通过其他方式将抽液装置70固定在碳源仓40内。
42.参照图4所示，在本实用新型一些实施例中，本实用新型碳源仓40侧壁限定出用于连通对第一容纳腔42和溶液腔102的小孔43。可以理解的是，本实施例在碳源仓40侧壁开设小孔43，扩大了混液区1022的硅溶液与碳粉的接触面积，进一步确保了硅溶液的碳元素处于过饱和状态。
43.本实用新型抽液装置70、碳源仓40和散热组件30形成一套联动系统，碳源仓40内的碳粉通过小孔43为溶液腔102内的硅溶液补充碳元素，利用抽液装置70的动力促进溶液腔102内的液体流动，保证长晶区1021内的硅溶液始终处于碳元素过饱和的状态，提升晶体21的质量，并加快晶体21的生长速度，同时流动液体在通过液体流道411时带动涡轮35转动，涡轮35将动能传输至散热风扇31，散热风扇31为晶体21降温，促进结晶，进一步加快了晶体21的生长速度。
44.根据本实用新型实施例的溶液法生长碳化硅单晶的设备100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
45.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
46.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
47.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
48.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
49.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
50.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，包括：坩埚，所述坩埚内壁涂覆有碳化坦涂层，并限定出生长腔和溶液腔；动力轴，所述动力轴上端位于所述坩埚顶壁外侧，所述动力轴底端穿过所述坩埚顶壁位于所述生长腔，并安装有籽晶托；碳源仓，所述碳源仓安装在所述溶液腔内，所述碳源仓限定出用于盛放辅助原料的第一容纳腔，所述碳源仓顶壁边缘向外延伸出延伸部，所述延伸部与所述坩埚内壁连接，所述延伸部上限定出液体流道；所述碳源仓顶壁和所述延伸部将所述溶液腔分成长晶区和混液区；所述碳源仓底部限定出用于连通所述第一容纳腔和所述混液区的小孔和进液口，顶壁限定出用于连通第一容纳腔和长晶区的出液口；循环管路，所述循环管路设置在碳源仓内部，循环管路一端与碳源仓的进液口连接，另一端与碳源仓的出液口连接；抽液装置，所述抽液装置连接在所述循环管路上，用于推动所述循环管路内的液体流动。2.根据权利要求1所述的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，还包括安装在所述坩埚内部的散热组件，所述散热组件包括：散热风扇，所述散热风扇通过第一转轴安装在所述长晶区上方的所述坩埚侧壁的安装孔内，用于对晶体降温；涡轮，所述涡轮通过第二转轴安装在液体流道内，所述延伸部还限定出上方开口的第二容纳腔，且所述第二容纳腔与所述液体流道不连通，所述第二转轴一端穿过所述第二容纳腔；传动带，所述传动带张紧在所述第二转轴和所述第一转轴上。3.根据权利要求2所述的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，所述液体流道和所述散热组件设置有多个，且二者一一对应。4.根据权利要求3所述的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，还包括传动带保护罩，所述传动带保护罩在竖直方向上开设有贯穿所述传动带保护罩的安装通道，所述传动带保护罩底端安装在延伸部上，所述安装通道与所述第二容纳腔连通，且所述传动带保护罩的直径大于所述第二容纳腔的直径，传动带保护罩的顶端位于长晶区上方，所述传动带一端与第一转轴相连，另一端穿过所述安装通道与第二转轴相连。5.根据权利要求4所述的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，还包括主动轮和传动轮，所述主动轮安装在位于所述第二容纳腔内的第二转轴上，所述传动轮安装在所述第一转轴上，所述传动带张紧在所述主动轮和所述传动轮上，所述主动轮、所述传动轮和所述传动带保护罩的中心在同一竖直线上。6.根据权利要求2所述的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，所述安装孔为阶梯结构，在坩埚侧壁上由内到外依次为第一阶梯段和第二阶梯段，所述第一阶梯段的直径大于所述第二阶梯段，所述第二阶梯段的直径与所述第一转轴的直径相适配；所述第一转轴内侧端连接有限位部，所述限位部位于第一阶梯段，且直径大于第二阶梯段的直径。7.根据权利要求1-6任一项所述的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，还包括支撑件，所述支撑件上端位于所述碳源仓内，下端穿过所述坩埚和所述碳源仓底壁位
于所述坩埚底壁外侧；所述抽液装置安装在支撑件上端。8.根据权利要求7所述的一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，其特征在于，所述碳源仓侧壁限定出用于连通所述第一容纳腔和所述溶液腔的小孔。

技术总结

本实用新型公开了一种溶液法生长碳化硅单晶的设备，包括坩埚、动力轴、碳源仓、循环管路和抽液装置；坩埚内壁涂有碳化坦涂层，并限定出生长腔和溶液腔；动力轴上端位于坩埚顶壁外侧，底端穿过坩埚位于生长腔，并安装有籽晶托；碳源仓安装在溶液腔内，碳源仓顶壁向四周延伸出延伸部，并与坩埚内壁连接，延伸部上限定出液体流道；碳源仓顶壁和延伸部将溶液腔分为长晶区和混液区；碳源仓底部限定出小孔和进液口，其顶壁限定出出液口；循环管路设置在碳源仓内部，其一端与进液口连接，其另一端与出液口连接；抽液装置连接在循环管路上。本实用新型能够在长晶过程中无需通过石墨坩埚对溶液中的碳元素进行补充，能够延长坩埚的使用寿命。命。命。