发明信息
发明名称：一种液相法晶体生长装置及方法
申请人：山东大学
发明人：郁万成、张茜莹、徐现刚、胡小波、陈秀芳
申请号：202411278781.0
技术背景
液相法晶体生长：以晶体生长速度快、温度要求低、过程接近热力学平衡等特点，成为一种主流晶体制备方法。
液相法广泛用于制备硅、锗、碳化硅等半导体材料，并能有效降低衬底中穿透型位错的影响。
现有问题：在液相法晶体生长过程中，坩埚底部容易形成多晶碳化硅。由于多晶碳化硅具有较高的导热率，会增强坩埚底部的散热，进而导致溶液内部温度分布不均，影响晶体生长的稳定性和质量。
技术方案
本发明通过设计新型液相法晶体生长装置和方法，解决多晶碳化硅导致的温场不稳定问题，主要技术方案如下：
装置结构：
坩埚及筒状结构：坩埚安装在腔体内部，底部固定有一个空心的筒状结构，筒状结构内部设置隔板。
隔板与升降机构：隔板的下表面连接升降机构（如伸缩杆），升降机构驱动隔板在筒状结构内部沿轴向移动。
隔板可以在两个位置（A位置和B位置）之间移动，A位置高于B位置。
隔板与坩埚底部之间形成一个气体夹层。
加热与保温：坩埚外侧环绕设置加热装置（如感应线圈）和保温层，提供稳定的加热环境。
气体夹层与气孔设计：筒状结构的侧壁上设置一个或多个气孔，便于通入气体（如氮气、氦气等）到夹层中，形成绝热层，降低坩埚底部的散热。
晶体生长方法：
基本步骤：向腔室通入气体（氮气和/或氦气），加热坩埚内的助溶剂。
籽晶杆通过提拉旋转机构将籽晶浸入助溶剂中进行晶体生长。
隔板调整：随着坩埚底部多晶碳化硅的形成，通过升降机构逐渐将隔板向下移动。
隔板的移动使夹层的厚度逐渐增加，夹层内通入气体，形成绝热层，补偿因多晶导致的散热增强。
温场控制：气体夹层通过阻断热量传导，维持坩埚内部的温场稳定，确保晶体生长的均匀性和稳定性。
创新点
（1）气体夹层设计：
在坩埚底部与隔板之间形成一个气体夹层，通过引入气体实现热量屏蔽，减弱坩埚底部的散热影响。
这种方法有效解决了多晶碳化硅导热率高导致的温度分布失衡问题。
（2）动态隔板调整：
升降机构可以根据晶体生长的进程动态调整隔板的位置，随着多晶形成逐渐加大夹层厚度，从而灵活地控制坩埚底部的散热。
（3）一体化装置设计：
在腔体内集成坩埚、保温层、加热装置、提拉旋转机构和气体夹层系统，提供了一个高效的晶体生长环境。
石墨材质的隔板和筒状结构进一步增强了系统的耐热性和稳定性。
实施效果
温场稳定性：
使用气体夹层技术后，模拟分析表明溶液内部的温场分布更加均匀，晶体生长界面的温度波动显著降低。
通过模拟和实验，证实了本装置能够有效补偿散热影响，维持晶体生长前沿位置的温场稳定。
提高晶体质量：
通过保持温场的均匀性，本发明可避免晶体生长过程中出现的缺陷（如位错、裂纹等），从而提高晶体的完整性和均匀性。
长期生长能力：
本装置能够适应长时间晶体生长的需求，动态调节气体夹层厚度，适用于大尺寸晶体的制备。
实验结果显示，晶体的形貌更加规整，缺陷数量显著减少。
