一种高效晶体生长炉及其使用方法与流程

本发明涉及晶体生长，特别是涉及一种高效晶体生长炉及其使用方法。

背景技术：

1、21世纪，碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料得到迅猛发展，这些材料具有许多优点，如禁带宽度大、热导率高、导通阻抗小、电子饱和飘移速率高等。这些优点使这些材料在轨道交通、航空航天、家用电器以及新能源汽车等多个领域得到广泛应用。

2、目前，制备高品质单晶碳化硅的方法主要有物理气相输运法、液相法和高温化学气相沉积法三种。其中，物理气相输运法由于其制造成本低且设备结构简单，已成为当前工业应用中最主流的制备方法。

3、晶体生长炉是采用物理气相输运法制备碳化硅晶体的关键设备。目前，晶体生长炉内部通常只采用一个生长腔体。在生长晶体前，需要对生长腔体进行预热；晶体生长完成后，需要对生长腔体进行缓慢降温。上述两个阶段都需要耗费大量的时间，这严重制约了晶体生长炉的生产效率。

技术实现思路

1、本申请通过提供一种高效晶体生长炉及其使用方法，以解决现有技术中晶体生长炉生产效率低的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案，一种高效晶体生长炉，包括机架以及位于机架上方的晶体生长腔，所述机架包括一个能够上下升降的移动盘，移动盘上安装有转盘，转盘上并排安装有缓存腔及上料腔，缓存腔与上料腔均位于晶体生长腔的下方并关于转盘所旋转的轴线对称；当转盘旋转至一定角度，缓存腔或上料腔能够与晶体生长腔上下对齐。

3、高效晶体生长炉采用晶体生长腔、缓存腔和上料腔三腔室结构，当长晶完成后可以通过升降旋转机构将晶体生长腔内的坩埚托盘送至缓存腔进行冷却，然后转动转盘，将上料腔与晶体生长腔对接、上料。这样，缓慢降温冷却阶段可与下一轮长晶过程同时进行。

4、进一步的，晶体生长腔安装有插板阀a，上料腔安装有插板阀b，缓存腔安装有插板阀c，插板阀a上方的腔体内壁设有托盘支撑架，插板阀b及插板阀c下方的腔体内壁也分别设有托盘支撑架，托盘支撑架上能够放置坩埚托盘；上料腔及缓存腔的底部还分别安装有升降旋转机构，升降旋转机构的顶部能够与坩埚托盘配合；插板阀a、插板阀b、插板阀c可以起到隔离气体的作用，由此便能够通过抽真空、充气的操作，利用上料腔直接向晶体生长腔内送料，减少了晶体生长腔内部的热量损失，提升了长晶生产的工作效率。

5、进一步的，升降旋转机构包括伸缩气缸，伸缩气缸的底部通过托架与旋转气缸连接，缓存腔和上料腔的底部分别与对应的伸缩气缸连接，其中，伸缩气缸活塞杆上安装有一转轴，转轴外侧套装有磁液体直线密封机构；由此能够在保证气密性的同时实现平稳旋转。

6、进一步的，升降旋转机构的顶部安装有花键，坩埚托盘的底部设置有花键槽，花键槽与花键配合；坩埚托盘的外周设有凹槽，相对应的，托盘支撑架的内圈设有凸台，当坩埚托盘旋转至一定角度，所述凹槽与凸台上下对齐；当坩埚托盘的凹槽与托盘支撑架的凹槽上下对齐时，坩埚托盘能够穿过托盘支撑架上下移动，由此，在升降旋转机构的带动下，能够将上料腔内的坩埚托盘送至晶体生长腔，或者能够将晶体生长腔内的坩埚托盘送至缓存腔。

7、进一步的，机架还包括位于移动盘上方的上层架体、位于移动盘下方的下层架体以及位于上层架体与下层架体之间的升降机构，升降机构的移动端与移动盘固定，上层架体与下层架体之间还支撑有多个导向杆，导向杆贯穿移动盘的上下底面。由此能够在移动盘上下移动的过程中进行导向，使移动盘升降更顺畅，提高了设备的运动精度及灵活性。

8、进一步的，升降机构包括固定在移动盘一侧的丝母以及与丝母配合的丝杠，丝杠的两端分别与上层架体及下层架体连接，上层架体或下层架体上还安装有驱动电机，驱动电机的输出端经联轴器与丝杠的一端连接。

9、进一步的，机架上设有一支撑架，支撑架的上端安装有定位机构，定位机构包括压盖、弹簧及球头；其中，压盖与支撑架固定，弹簧安装于压盖内，球头位于弹簧的上方；相对应的，上料腔顶部或缓存腔顶部的法兰上均设有定位孔，定位孔能够与球头配合；由此能够在转盘转动后为上料腔或缓存腔提供精确的定位支持，使得上料腔或缓存腔可以准确地与晶体生长腔对齐。

10、进一步的，晶体生长腔的下端、上料腔的上端及缓存腔的上端均具有法兰，晶体生长腔下端的法兰处固定有夹紧机构；夹紧机构能够使晶体生长腔与其下方的上料腔或缓存腔更可靠地连接。这样在抽真空或充气的过程中可以具有更好的气密性。

11、本发明还公开了一种高效晶体生长炉的使用方法，其具体包括如下步骤：

12、s1、上料：将物料放置在上料腔内部的坩埚托盘上，旋转转盘，直至上料腔与晶体生长腔对齐，移动盘带动上料腔上升，并与晶体生长腔接触密封，将上料腔抽真空、通入保护气体，将坩埚托盘旋转装置将坩埚送至送至晶体生长腔，然后上料腔与晶体生长腔分离；

13、s2、复位：上料腔旋转至起始上料位，使缓存腔与晶体生长腔上下对齐；

14、s3、长晶：晶体生长腔内通入保护气体，加热进入长晶阶段；

15、s4、冷却：长晶完成后，缓存腔与晶体生长腔对接，缓存腔抽真空、充气，升降旋转机构将坩埚托盘送至缓存腔，缓存腔与晶体生长腔分离；

16、s5、取料：缓存腔冷却完成后，取出缓存腔内的晶体，准备下一轮长晶。

17、进一步的，在步骤s4中，缓存腔与晶体生长腔分离后，上料腔内放置物料并进入下一轮的长晶工序。

18、通过以上技术方案可以看出，本发明至少具有如下技术效果或优点：

19、本发明采用晶体生长腔、缓存腔和上料腔三腔室结构，当长晶完成后可以通过升降旋转机构将晶体生长腔内的坩埚托盘送至缓存腔进行冷却，然后转动转盘，将上料腔与晶体生长腔对接、上料。这样，缓慢降温冷却阶段可与下一轮长晶过程同时进行。此外，插板阀a、插板阀b、插板阀c可以起到隔离气体的作用，由此便能够通过抽真空、充气的操作，利用上料腔直接向晶体生长腔内送料，减少了晶体生长腔内部的热量损失，提升了长晶生产的工作效率。

技术特征：

1.一种高效晶体生长炉，包括机架（9）以及位于机架（9）上方的晶体生长腔（1），其特征在于，所述机架（9）包括一个能够上下升降的移动盘（12），移动盘（12）上安装有转盘（11），转盘（11）上并排安装有缓存腔（20）及上料腔（6），缓存腔（20）与上料腔（6）均位于晶体生长腔（1）的下方并关于转盘（11）所旋转的轴线对称；当转盘（11）旋转至一定角度，缓存腔（20）或上料腔（6）能够与晶体生长腔（6）上下对齐。

2.根据权利要求1所述的一种高效晶体生长炉，其特征在于，晶体生长腔（1）安装有插板阀a（3），上料腔安装有插板阀b（7），缓存腔安装有插板阀c（18），插板阀a（3）上方的腔体内壁设有托盘支撑架（2），插板阀b（7）及插板阀c（18）下方的腔体内壁也分别设有托盘支撑架（2），托盘支撑架（2）上能够放置坩埚托盘（21）；上料腔（6）及缓存腔（20）的底部还分别安装有升降旋转机构（13），升降旋转机构（13）的顶部能够与坩埚托盘（21）配合。

3.根据权利要求2所述的一种高效晶体生长炉，其特征在于，升降旋转机构（13）包括伸缩气缸（28），伸缩气缸（28）的底部通过托架（29）与旋转气缸（30）连接，缓存腔（20）和上料腔（6）的底部分别与对应的伸缩气缸（28）连接，其中，伸缩气缸（28）活塞杆上安装有一转轴（26），转轴（26）外侧套装有磁液体直线密封机构（27）。

4.根据权利要求3所述的一种高效晶体生长炉，其特征在于，升降旋转机构（13）的顶部安装有花键（25），坩埚托盘（21）的底部设置有花键槽（24），花键槽（24）与花键（25）配合；坩埚托盘（21）的外周设有凹槽（22），相对应的，托盘支撑架（2）的内圈设有凸台（23），当坩埚托盘（21）旋转至一定角度，所述凹槽（22）与凸台（23）上下对齐。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种高效晶体生长炉，其特征在于，机架（9）还包括位于移动盘（12）上方的上层架体、位于移动盘（12）下方的下层架体以及位于上层架体与下层架体之间的升降机构，升降机构的移动端与移动盘（12）固定，上层架体与下层架体之间还支撑有多个导向杆（10），导向杆（10）贯穿移动盘（12）的上下底面。

6.根据权利要求5所述的一种高效晶体生长炉，其特征在于，升降机构包括固定在移动盘（12）一侧的丝母以及与丝母配合的丝杠（16），丝杠（16）的两端分别与上层架体及下层架体连接，上层架体或下层架体上还安装有驱动电机（17），驱动电机（17）的输出端经联轴器与丝杠（16）的一端连接。

7.根据权利要求5所述的一种高效晶体生长炉，其特征在于，机架（9）上设有一支撑架（8），支撑架（8）的上端安装有定位机构（19），定位机构（19）包括压盖（32）、弹簧（33）及球头（31）；其中，压盖（32）与支撑架（8）固定，弹簧（33）安装于压盖（32）内，球头（31）位于弹簧（33）的上方；相对应的，上料腔（6）顶部或缓存腔（20）顶部的法兰上均设有定位孔，定位孔能够与球头（31）配合。

8.根据权利要求5所述的一种高效晶体生长炉，其特征在于，晶体生长腔（1）的下端、上料腔（6）的上端及缓存腔（20）的上端均具有法兰，晶体生长腔（1）下端的法兰处固定有夹紧机构（4）。

9.一种高效晶体生长炉的使用方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种高效晶体生长炉的使用方法，其特征在于，在步骤s4中，缓存腔（20）与晶体生长腔（1）分离后，上料腔（6）内放置物料并进入下一轮的长晶工序。

技术总结本发明公开了一种高效晶体生长炉及其使用方法，涉及晶体生长技术领域，其包括机架以及位于机架上方的晶体生长腔，所述机架包括一个能够上下升降的移动盘，移动盘上安装有转盘，转盘上并排安装有缓存腔及上料腔，缓存腔与上料腔均位于晶体生长腔的下方并关于转盘所旋转的轴线对称；当转盘旋转至一定角度，缓存腔或上料腔能够与晶体生长腔上下对齐。本发明采用三腔室结构，当长晶完成后可以通过升降旋转机构将晶体生长腔内的坩埚托盘送至缓存腔进行冷却，然后转动转盘，将上料腔与晶体生长腔对接、上料。这样，缓慢降温冷却阶段可与下一轮长晶过程同时进行，解决了现有技术中晶体生长炉生产效率低的技术问题。技术研发人员：许登基,宋建,朱智勇,袁祥瑞,刘丙洋,史建伟,杨振鲁,赵光利,韩政,张俊受保护的技术使用者：山东天岳先进科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5