一种保温装置的制作方法

1.本说明书涉及晶体制备技术领域，特别涉及一种晶体生长装置的保温装置。


背景技术：

2.在使用物理气相传输法(physical vapor transport，pvt)进行晶体(例如，半导体晶体)生长时，需要对坩埚进行加热，并在坩埚外部设置保温层。在晶体生长过程中，由于高温作用，坩埚中的杂质以及靠近坩埚的保温层内部的杂质会挥发出来，以及坩埚内的气相组分也可能从坩埚壁的孔隙中溢出，杂质和气相组分会在温度相对较低的位置(例如，保温层外部)沉积，导致保温层外部的孔隙率变低、孔隙变致密、热导率变高等，此外保温层内部由于长期受热挥发而导变薄，进而导致保温层整体的保温性能变差。因此，有必要提供一种晶体生长装置中的保温装置，以提高保温装置的保温性能的稳定性。


技术实现要素：

3.本说明书实施例之一提供一种保温装置，所述保温装置包括内层，所述内层的厚度满足预设条件；外层，所述外层的材质与所述内层的材质不同；中层，所述中层位于所述内层和所述外层之间。
4.在一些实施例中，所述内层的厚度在4mm-57mm的范围内。
5.在一些实施例中，所述中层的厚度在28mm-143mm的范围内。
6.在一些实施例中，所述中层为整体结构。
7.在一些实施例中，所述中层的厚度大于所述内层的厚度和所述外层的厚度。
8.在一些实施例中，所述内层、所述中层与所述外层的厚度比值在1:2:0.5～1:10:3的范围内。
9.在一些实施例中，所述内层包括至少两个保温段，所述至少两个保温段上下堆叠。
10.在一些实施例中，所述至少两个保温段为圆环形保温段，所述圆环形保温段上下堆叠。
11.在一些实施例中，所述至少两个保温段中的每一个保温段包括至少两块保温块，所述至少两块保温块沿圆周方向块状拼接。
12.在一些实施例中，所述内层沿轴向方向的厚度不同。
13.在一些实施例中，所述内层沿轴向方向的厚度基于温场分布设计。
14.在一些实施例中，所述内层的材质包括石墨毡。
15.在一些实施例中，所述外层的材质包括氧化锆、氧化铝、碳材料或碳纤维材料中的至少一种。
16.在一些实施例中，所述中层和所述外层之间填充石墨纸。
附图说明
17.本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进
行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
18.图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性晶体生长装置的结构示意图；
19.图2a是根据本说明书一些实施例所示的保温层内层上下堆叠的示意剖视图；
20.图2b是根据本说明书一些实施例所示的保温层内层沿周向拼接的示意俯视图；
21.图2c是根据本说明书一些实施例所示的保温层内层沿轴向拼接的示意剖视图；
22.图2d是根据本说明书一些实施例所示的保温层内层上下堆叠及沿轴向拼接的示意剖视图；
23.图3是根据本说明书一些实施例所示的保温装置的局部放大图；
24.图4是根据本说明书又一些实施例所示的保温装置的局部放大图。
25.图中，10、晶体生长装置；100、保温装置；110、内层；111、保温段；112、保温块；120、外层；130、中层；140、石墨纸；200、坩埚；210、籽晶；220、源材料。
具体实施方式
26.为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
27.应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
28.如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
29.图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性晶体生长装置的结构示意图。
30.在一些实施例中，晶体生长装置10可以基于物理气相传输法制备晶体(例如，半导体晶体，例如，碳化硅晶体、氮化铝晶体、氧化锌晶体、锑化锌晶体等)。在一些实施例中，如图1所示，晶体生长装置10可以包括保温装置100、坩埚200和加热组件(图1中未示出)。
31.坩埚200可以用于放置籽晶210和源材料220。在一些实施例中，籽晶210可以固定粘接于坩埚200顶部(例如，坩埚盖)的内侧面(例如，内侧面中心位置处)，源材料220可以置于坩埚200的腔体内(例如，腔体下部)。
32.加热组件可以设置于(例如，环绕设置于)坩埚200外部，用于加热坩埚200。在晶体生长过程中，可以通过控制加热组件的加热参数，使得源材料220和籽晶210之间形成轴向温度梯度。源材料220受热可以分解升华为气相组分(例如，以制备碳化硅晶体为例，气相组分包括si2c、sic2、si)，在轴向温度梯度的驱动作用下，气相组分从源材料220表面传输至籽晶210表面，由于籽晶210处温度相对较低，气相组分在籽晶210表面结晶进而生成晶体。在一些实施例中，加热组件可以包括感应加热组件、电阻加热组件等。
33.保温装置100可以设置于坩埚200外部，用于维持晶体生长过程中坩埚200内的温度稳定。
34.在一些实施例中，保温装置100可以包括内层110、外层120和中层130，其中，中层130位于内层110和外层120之间。通过设置内层、外层和中层结合的多层保温结构，可以使得内层因受热挥发变薄及外层因杂质沉积导致保温性能变差时，中层仍然能维持良好的保温效果，且彼此独立的结构可以更方便更换内层和/或外层，降低保温装置维护的成本及提高保温装置维护的效率。
35.在一些实施例中，内层110的厚度需满足预设条件，避免因厚度太薄导致更换频次太高，厚度太厚导致成本太高等。此外，内层110的厚度还可以设置为沿轴向的独立结构，可以维持轴向不同位置处的良好的保温效果，同时方便针对不同位置的损耗情况进行针对性的维护和更换。下文将进行详细描述。
36.在一些实施例中，综合考虑内层的成本和更换频次，可以将内层的厚度设置在一定厚度范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在4mm-57mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在5mm-55mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在7mm-52mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在10mm-50mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在13mm-47mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在15mm-45mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在17mm-43mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在20mm-40mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在22mm-37mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在25mm-35mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在27mm-32mm的范围内。在一些实施例中，内层110的厚度可以在28mm-30mm的范围内。
37.通过设置内层的厚度在一定厚度范围内，可以降低内层的初始成本，降低内层的更换频次及更换成本，提高内层的使用寿命，以及维持晶体生长过程的工艺稳定性。
38.在一些实施例中，为了保证内层110及外层120损耗时，中层130可以维持良好稳定的保温效果，且同时考虑成本，中层130的厚度需设置在一定范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在28mm-143mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在30mm-140mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在35mm-135mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在40mm-130mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在45mm-135mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在50mm-130mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在55mm-125mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在60mm-120mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在65mm-115mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在70mm-110mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在75mm-105mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在80mm-100mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在85mm-95mm的范围内。在一些实施例中，中层130的厚度可以在88mm-90mm的范围内。
39.通过将中层的厚度设置在一定范围内，可以使得坩埚以及内层受热挥发产生的杂质尽量刚好挥发到外层，而不会停留在中层，因此不会影响中层的保温效果，相应可以保证在内层由于损耗变薄以及外层有杂质沉积时，中层可以维持良好稳定的保温效果，则生产过程中基本无需更换中层，节约生产成本。
40.在一些实施例中，为了尽量使得挥发物沉积于外层而非中层，中层130和内层110的总厚度需满足一定条件。在一些实施例中，中层130和内层110的总厚度可以大于50mm。在一些实施例中，中层130和内层110的总厚度可以大于55mm。在一些实施例中，中层130和内层110的总厚度可以大于60mm。在一些实施例中，中层130和内层110的总厚度可以大于65mm。在一些实施例中，中层130和内层110的总厚度可以大于70mm。在一些实施例中，中层130和内层110的总厚度可以大于75mm。在一些实施例中，中层130和内层110的总厚度可以大于80mm。
41.通过设置中层和内层的总厚度大于一定值，可以使得中层外侧的温度尽量高于挥发物沉积或结晶的温度，以使挥发物尽量沉积于外层而非中层，从而维持中层良好的保温效果。
42.在一些实施例中，中层130的厚度大于内层110的厚度和外层120的厚度。通过设置中层的厚度大于内层的厚度和外层的厚度，可以保证在内层损耗以及外层上有杂质沉积而导致保温效果变化时，中层可以维持良好稳定的保温效果，降低内层损耗及外层杂质沉积对整个保温装置保温性能的影响，提升保温性能的稳定性，并且在内层由于损耗变薄需要更换时，中层可以起到支撑作用，提高保温装置的结构稳定性。
43.在一些实施例中，综合考虑实际生产过程中的更换成本和实际保温效果，外层120的厚度需要设置在一定厚度范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以在7mm-42mm的范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以10mm-40mm的范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以12mm-38mm的范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以15mm-35mm的范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以17mm-33mm的范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以20mm-30mm的范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以22mm-28mm的范围内。在一些实施例中，外层120的厚度可以25mm-27mm的范围内。
44.在一些实施例中，结合上文，综合考虑保温装置整体的维护成本及保温效果，内层110、中层130和外层120的总厚度需设定在一定范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在50mm-200mm的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在60mm-190mm的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在70mm-180mm的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在80mm-170mm的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在90mm-160mm的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在100mm-150mm的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在110mm-140mm的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130和外层120的总厚度可以在120mm-130mm的范围内。
45.在一些实施例中，结合上文，综合考虑保温装置整体的维护成本及保温效果，内层110、中层130与外层120的厚度比值需设定在一定范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:2:0.5～1:10:3的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:2:1～1:10:2.5的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:2:1.5～1:10:2的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:2:2～1:10:1.5的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:2:3～1:10:1的范围内。在一些实施例中，内
层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:3:0.5～1:9:3的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:4:0.5～1:8:3的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:5:0.5～1:7:3的范围内。在一些实施例中，内层110、中层130与外层120的厚度比值可以在1:6:0.5～1:6:3的范围内。
46.在一些实施例中，内层110的材质可以包括石墨毡。通过将内层设置为石墨毡材质，可以保证保温性能稳定、便于更换。
47.在一些实施例中，外层120的材质可以与内层110的材质可以不同。在一些实施例中，外层120的致密度大于内层110的致密度。在一些实施例中，外层120的材质可以包括氧化锆、氧化铝、碳材料或碳纤维材料中的至少一种。
48.通过设置相对致密、热导率相对小的外层材质，可以使得受热挥发的杂质沉积在外层上时对外层的保温性能影响较小，从而使得保温装置的保温性能较为稳定。同时，外层材质比内层材质的成本更低，可以从整体上降低成本。
49.在一些实施例中，中层130的材质可以与内层110相同或不同，可以结合实际需求或成本设定。例如，中层130的材质可以包括石墨毡、陶瓷等。
50.在一些实施例中，为了防止在晶体生长过程中，内层、中层和/或外层的杂质进入坩埚中造成晶体缺陷，需要设置内层、中层和/或外层材质的杂质率低于一定量。
51.在一些实施例中，内层110材质的杂质率可以小于100ppm。在一些实施例中，内层110材质的杂质率可以小于90ppm。在一些实施例中，内层110材质的杂质率可以小于80ppm。在一些实施例中，内层110材质的杂质率可以小于70ppm。在一些实施例中，内层110材质的杂质率可以小于60ppm。在一些实施例中，内层110材质的杂质率可以小于50ppm。
52.在一些实施例中，中层130材质的杂质率可以小于100ppm。在一些实施例中，在一些实施例中，中层130材质的杂质率可以小于90ppm。在一些实施例中，中层130材质的杂质率可以小于80ppm。在一些实施例中，中层130材质的杂质率可以小于70ppm。在一些实施例中，中层130材质的杂质率可以小于60ppm。在一些实施例中，中层130材质的杂质率可以小于50ppm。
53.在一些实施例中，外层120材质的杂质率可以小于100ppm。在一些实施例中，外层120材质的杂质率可以小于90ppm。在一些实施例中，外层120材质的杂质率可以小于80ppm。在一些实施例中，外层120材质的杂质率可以小于70ppm。在一些实施例中，外层120材质的杂质率可以小于60ppm。在一些实施例中，外层120材质的杂质率可以小于50ppm。
54.通常情况下，内层、中层和/或外层的杂质输运受温度梯度和浓度两个因素影响，绝大部分杂质会在温度梯度的驱动下往保温装置外输运，少量杂质会在浓度因素的驱动下向内扩散到坩埚处。因此，为了保证在晶体生长过程中尽量少的杂质进入坩埚中造成晶体缺陷，需要设置内层、中层或/或外层材质(尤其是内层)的杂质率满足一定关系。
55.在一些实施例中，内层110的杂质率最低。在一些实施例中，外层120材质的杂质率≥中层130材质的杂质率。在一些实施例中，中层130材质的杂质率≥内层110材质的杂质率。在一些实施例中，外层120材质的杂质率≥中层130材质的杂质率≥内层110材质的杂质率。
56.在一些实施例中，在实际晶体生长过程中，由于内层110设置在紧邻坩埚外部，所处温度较高，内层110中的杂质受热挥发会导致内层损耗变薄、保温性能降低。因此，可以将
内层110设计为独立的可更换结构，方便后续更换。此外，结合前文，由于晶体生长过程中需存在轴向温度梯度，相应地，轴向不同位置处的温度不同，其所需的保温性能也会有所不同。因此，可以根据温度梯度将内层110设计沿轴向厚度不同的结构，相应可以维持轴向不同位置处的良好的保温效果，同时方便针对不同位置的损耗情况进行针对性的维护和/或更换。下面将结合图2a-2d，对内层110的具体结构进行详细阐述。
57.在一些实施例中，如图2a所示，内层110可以包括至少两个保温段111。在一些实施例中，至少两个保温段111可以上下堆叠。在一些实施例中，保温段111可以为圆环形保温段，至少两个圆环形保温段可以上下堆叠，形成圆筒形结构。在一些实施例中，为了保证上下堆叠形成的内层110的稳定性，可以将相邻两个保温段111的上下接触面制作为嵌套结构。例如，对于相邻的两个保温段111，上方保温段111的下表面设置凸起、下方保温段111的上表面设置与其对应的凹槽，使得相邻的两个保温段上下堆叠后，贴合地更加紧密、牢固。
58.在一些实施例中，如图2b所示，每一个保温段111可以包括至少两块保温块112。在一些实施例中，至少两块保温块112可以沿周向块状拼接，形成圆环形结构。在一些实施例中，为了保证沿周向块状拼接形成的保温段111的稳定性，可以将相邻的两块保温块112的两个接触面制作为嵌套结构。例如，对于相邻的两个保温块112，一个保温块112的接触面设置凸起、另一个保温块上与其接触的接触面设置对应的凹槽，使得相邻的两个保温块沿周向块状拼接后，贴合地更加紧密、牢固。
59.在一些实施例中，如图2c所示，内层110沿轴向的厚度可以不同。在一些实施例中，内层110沿轴向方向的厚度可以基于温场分布(或温度梯度)设计。
60.通过设置内层的厚度沿轴向不同(例如，基于温场分布设计内层沿轴向方向的厚度)，可以使得内层的厚度可以根据实际温场分布进行调整，并且可以针对内层不同位置处的损耗情况进行针对性更换(例如，一次仅更换一个或多个保温段、保温块等)，相应可以维持良好的保温效果，同时节约生产成本。
61.在一些实施例中，如图2d所示，内层110沿轴向的厚度不同，且设置为上下堆叠的至少两个保温段111。
62.在一些实施例中，由于中层130的结构和保温性能随使用时间的变化较小，中层130可以为整体结构(例如，整体保温筒)，方便中层的安装，且维持良好的保温效果。同时在更换内层时还可以起到支撑作用，提高保温装置的结构稳定性。
63.在一些实施例中，内层110和中层130之间可以紧密贴合设置。在一些实施例中，中层130和外层120之间可以紧密贴合设置。
64.在一些实施例中，如图3所示，内层110和中层130之间可以设置间隙。在一些实施例中，中层130和外层120之间可以设置间隙。在一些实施例中，内层110和中层130之间的间隙与中层130和外层120之间的间隙的尺寸可以相同，也可以不同。在一些实施例中，内层110和中层130之间的间隙的尺寸可以是内层110的外侧面与中层130的内侧面的最短距离。在一些实施例中，中层130和外层120之间的间隙的尺寸可以是中层130的外侧面与外层120的内侧面的最短距离。
65.在一些实施例中，间隙的尺寸可以在0mm-10mm的范围内。在一些实施例中，间隙的尺寸可以在1mm-9mm的范围内。在一些实施例中，间隙的尺寸可以在2mm-8mm的范围内。在一些实施例中，间隙的尺寸可以在3mm-7mm的范围内。在一些实施例中，间隙的尺寸可以在
4mm-6mm的范围内。在一些实施例中，间隙的尺寸可以在4mm-5mm的范围内。
66.在一些实施例中，如图3所示，内层110和中层130之间的间隙可以不填充保温材料。在一些实施例中，如图3所示，中层130和外层120之间的间隙可以不填充保温材料。
67.由于间隙内的空气热导率低于固体的热导率，因此间隙内的空气可以充当一层保温层，起到保温的作用；同时，由于内层、中层和外层之间存在间隙，便于后期更换内层。
68.在一些实施例中，内层110和中层130之间的间隙可以填充保温材料。在一些实施例中，中层130和外层120之间的间隙可以填充保温材料。在一些实施例中，保温材料可以包括颗粒物、毡状物或砖状物中的一种或多种。在一些实施例中，保温材料的材质可以包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、石墨、碳纤维或陶瓷中的一种或多种。在一些实施例中，内层110和中层130之间的间隙可以填充石墨软毡。
69.在一些实施例中，内层110和中层130之间的间隙可以填充保温材料，中层130和外层120之间的间隙可以不填充保温材料。在一些实施例中，内层110和中层130之间的间隙可以不填充保温材料，中层130和外层120之间的间隙可以填充保温材料。
70.通过在内层和中层之间的间隙以及中层和外层之间的间隙填充保温材料，可以提升保温装置的保温性能，有助于调控外层的温度，使得外层的温度达到预设温度(例如，晶体生长前设置的温度)。此外，由于保温材料(例如，石墨软毡)便于取出，便于更换内层，并且在更换内层后保温材料可以再装入间隙中重复使用，节约生产成本。
71.在一些实施例中，如图4所示，中层130和外层120之间可以填充石墨纸140。由于石墨纸的孔隙率低，挥发物难以穿过而在其表面沉积，因此石墨纸可以作为挥发物的预沉积层，相应可以减少沉积在外层上的挥发物，降低外层损耗。同时，石墨纸易于更换且成本低，可以提高保温性能的稳定性，降低生产成本。
72.在一些实施例中，中层130和外层120之间可以填充其他孔隙率较低的材质，本说明书对此不作限制。
73.本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：(1)通过设置内层、中层和外层三层保温层，并对三层保温层的厚度进行相应的设计，可以使得挥发物尽量沉积于外层，在内层因挥发损耗及外层因挥发物沉积导致保温性能变差时，中层可以维持良好稳定的保温效果；(2)通过设置内层为上下堆叠结构和/或沿轴向设置为不同的厚度(基于温场分布设计)，可以使得内层的厚度可以根据实际温场分布进行调整，并且可以针对内层不同位置处的损耗情况进行针对性更换，相应可以维持良好的保温效果，同时节约生产成本；(3)由于外层处温度较低，通过采用成本较低且较致密的保温材料作为外层，可以使得挥发物沉积在外层，整体降低生产成本；(4)通过设置中层为整体结构且中层的厚度大于内层的厚度和外层的厚度，可以保证在内层损耗以及内层和外层上有杂质沉积时，中层可以维持良好稳定的保温效果，提升保温性能的稳定性，并且在内层由于损耗变薄需要更换时，中层可以起到支撑作用，提高保温装置的结构稳定性；(5)通过在中层和外层之间填充石墨纸，可以阻挡挥发物穿过石墨纸而在其表面沉积，减少沉积在外层上的挥发物，降低外层损耗；同时，石墨纸易于更换且成本低，可以提高保温性能的稳定性，降低生产成本。需要说明的是，不同实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种的组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。
74.应当注意的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本
领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。