专利名称：直拉单晶生长装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直拉单晶生长装置，属于半导体晶体生长设备技术领域。
上述操作过程一般采用单晶炉，单晶炉包括坩埚、炉体、驱动装置、籽晶杆加热装置等，拉制III-V族化合物半导体单晶与拉制硅单晶不同，为了确保化合物单晶体中的化学配比，防止化合物分解损失，通常是在单晶炉的坩埚外安装一个热密封容器，使从坩埚中蒸发出来的混合蒸汽与坩埚内液体达成动平衡，确保化合物单晶体中的化学配比。目前一般使用的热密封容器是整体式结构，其安装不方便，不能够在热状态下开启，而且不能够重复使用，同时增加生产成本。
为了解决上述问题，中国实用新型专利2470372Y于2002年01月09日公开了一种蒸汽压控制直拉单晶生长装置，参见
图1，图1中展示了蒸汽压控制直拉单晶生长装置的结构，该装置是在单晶炉体1内装有热密封容器2，热密封容器2由上、下两容器体3、4组成，上、下容器3、4之间装有密封连接装置5，热密封容器2包围坩埚6，坩埚传动杆7和籽晶杆8分别通过密封装置9、10进入热密封容器2。其中密封连接装置5由环形凹槽构成，环形凹槽与下容器体4上端口连为一体，上容器体3的下端插在环形凹槽中。由于该装置的籽晶杆须穿过热密封容器2的上端伸入到坩埚的上方，因此，在上容器体3与籽晶杆8之间必须设置有结构复杂的密封装置9，同样，下端的坩埚转动杆7也须穿过下容器体4与坩埚连接为一体，在下容器体4与坩埚转动杆7之间必须设置有结构复杂密封装置10。因此，该蒸汽压控制直拉单晶生长装置首要问题在于热密封容器2需要设置三处密封装置，其密封环节多、结构复杂，由此降低密封效果的可靠性，例如图2所示的籽晶杆处的密封装置9，其主要由密封室13和密封环14组成，密封室13内带有环形凹槽15，底部带有中心孔16，密封环14外圆周表面与密封室13内表面紧密配合，密封环14的凹槽17与密封室13的环形凹槽15相对形成储液室18。其结构复杂，当密封区阻力大时，环形槽处易扭断，从而使密封失败。设在下容器体4与坩埚转动杆7之间的密封装置10的结构与密封装置9大致相同，其同样结构复杂，难以保证密封可靠性。
密封连接装置5是通过在凹槽内放置氧化硼，对氧化硼加热使其熔化，上容器体3的下端插在环形凹槽的液态氧化硼中，实现液态密封。因此其存在的另一个问题是由于氧化硼遇冷收缩变形，从而使石墨材质的环形凹槽产生变形甚至产生裂纹，一般仅使用一次后该密封连接装置就失效，无法实现重复使用热密封容器的目的，无疑使生产成本增加。同时由于旋转力较大、扭力大、不稳定，环形密封处容易破碎。
该装置的再一个问题是该装置的籽晶杆与籽晶之间的连接结构不合理，其通过定位销穿过籽晶杆壁顶紧籽晶，以固定籽晶，此种夹持器适合制造小直径的晶体，一般只能制造直径小于160毫米，重量不超过60Kg的晶体。当籽晶用于制造大于此范围的晶体时，就容易在籽晶的缺口部位断裂，降低使用次数，增加成本，因此这种结构在拉制晶体时受到局限，不能适用于较大的单晶生产，同时，籽晶用定位销固定，出炉后不易取下籽晶。
本实用新型首要解决的技术问题是现有的直拉单晶生长装置结构复杂、密封环节多的问题，即须在热密封容器上设上中下三处密封装置，从而使直拉单晶生长装置结构复杂、成本增加，重复性差，不适于产业化生产，并且难以保证良好的密封效果。
本实用新型所要解决的另一个技术问题是石墨密封连接装置的环形凹槽因氧化硼冷却收缩变形，容易产生裂纹，同时由于旋转力较大、扭力大、不稳定，密封处容易破碎。
本实用新型所要解决的又一个问题是克服现有技术中籽晶固定不牢固的问题，以及籽晶用定位销固定，出炉后不易取下籽晶的问题。
为了解决上述问题，本实用新型所要采取的技术方案为一种直拉单晶生长装置，包括籽晶杆、坩埚和连接于坩埚底部的坩埚杆，所述的坩埚的上面设有用于密封坩埚的热壁密封盖，所述的热壁密封盖和坩埚连接部位设有动态密封装置，所述籽晶杆穿过热壁密封盖伸入坩埚室内并与热壁密封盖连为一体。
其中，所述动态密封装置包括位于坩埚上端口且与坩埚连为一体的环形凹槽，在环形凹槽内设有一截面呈U字形与环形凹槽内壁两侧过盈配合的环状防裂装置，所述热壁密封盖的下端口插入环状防裂装置的截面呈U字形的环形凹槽内。
所述籽晶杆的结构为所述籽晶杆为具有一纵向贯通空腔的空心杆状，所述籽晶杆的用于夹持籽晶的下端空腔呈收缩状，最好为倒圆台状或倒棱台状。所述籽晶杆的下端空腔的倒圆台或倒棱台的锥度为30°-150°。
所述籽晶杆的结构还可以为所述籽晶杆为具有一纵向贯通空腔的空心杆状，所述籽晶杆用于夹持籽晶的下端空腔为径向尺寸小于上部空腔的圆柱状或棱柱状。
为了方便，在所述的热壁密封盖的上部可进一步设有观察窗口。
进一步，所述的坩埚内套装有一内坩埚。
由于采用上述结构，不需另设热密封容器，而是在坩埚的上面直接设有一热壁密封盖，密封盖与坩埚之间通过动态密封装置连接并密封，采用这样的结构，省略了籽晶杆与热密封容器之间需要设有结构复杂的密封装置，同样下部的坩埚转动杆与热密封容器之间也省略了密封装置，只需要1处密封，即坩埚和热壁密封盖之间的密封，使得整个装置的结构更为简单，降低了成本，减少了密封环结，确保了密封的可靠性装置内气体组份控制晶体表面分解，提高晶体的质量；装配系统重复性好，操作更方便，适于产业化生产。
同时，在动态密封装置内增加防裂装置，克服了现有的石墨动态密封装置容易产生裂纹，进而导致整个热密封容器的失效，使热密封容器和坩埚能够重复使用。
而且，采用下端呈收缩孔状的空心杆状的籽晶杆吊装籽晶体，使籽晶连接牢固，且出炉后易于取下籽晶。
其中炉体101 炉腔102热壁密封盖103动态密封装置104坩埚105密封熔体106GaAs熔体107 坩埚杆108 单晶体109籽晶110籽晶杆111 观察窗口112坩埚室113 环状防裂装置114内坩埚116环形凹槽1051 空腔1111 下端空腔1112凹槽1141
参见图3，图中展示了一种直拉单晶生长装置，该装置置于炉体101内，其包括由耐高温陶瓷制成的籽晶杆111、石墨制成的坩埚105、石墨制成的坩埚杆108、耐高温陶瓷制成的热壁密封盖103和动态密封装置104。坩埚杆108连接于坩埚105底部，热壁密封盖103设在所述的坩埚105的上面，用于密封坩埚；所述的热壁密封盖103和坩埚105连接部位设有动态密封装置104，籽晶杆111穿过热壁密封盖103伸入坩埚室内并与热壁密封盖103连为一体。坩埚杆105伸出炉体101外与驱动装置相连，籽晶杆111的上端伸出炉体101上方与驱动装置相连。
参见图4，其中，所述动态密封装置104包括位于坩埚105上端口且与坩埚105连为一体的环形凹槽1051，在环形凹槽1051内设有一截面呈U字形与环形凹槽内壁两侧过盈配合的环状防裂装置114，所述热壁密封盖103的下端口插入环形凹槽1051和环状防裂装置114形成的凹槽1141内。环状防裂装置114由高应变石墨材料制成，避免了密封熔体与密封装置直接接触，并且由于温度变化，使其产生变形以及裂纹；使环状密封装置114的使用寿命得以提高。
为了在制备单晶时观察方便，在所述的热壁密封盖103的上部设有观察窗口112。另外，一般所述的坩埚105内套装有一内坩埚116，该内坩埚根据拉制不同单晶采用不同的材料，例如拉制砷化镓，采用PBN(氮化硼)坩埚。
参见图5a，图中展示了籽晶杆111和籽晶110的结构，所述籽晶杆111为具有一纵向贯通空腔1111的空心杆状，所述籽晶杆111的空腔1111为四棱柱状，且所述籽晶杆111的用于夹持籽晶的下端空腔1112呈收缩状，且为倒四棱台状，该倒棱台的锥度为30°。其所吊装的籽晶110上端的形状与空腔1111和下端空腔111的形状相匹配，参见图6a。
参见图5b，图中展示了另一种籽晶杆和籽晶110的结构形状，所述籽晶杆111为具有一纵向贯通空腔1111的空心杆状，所述籽晶杆111的空腔1111为圆柱状，且所述籽晶杆111用于夹持籽晶的下端空腔1112为直径小于上部空腔1111的圆柱状。其所吊装的籽晶110上端的形状与空腔1111和下端空腔111的形状相匹配，参见图6b。
参见图5c，图中展示了又一种籽晶杆和籽晶110的结构形状，所述籽晶杆111呈空心杆状，所述籽晶杆111的空腔1111为圆柱状，且所述籽晶杆111的用于夹持籽晶的下端空腔1112为倒四棱台状，该棱台的锥度为40°。其所吊装的籽晶110上端的形状与空腔1111和下端空腔111的形状相匹配，参见图6c。
应予以说明的是，籽晶杆111的形状不限于上述三种形状，还可以为其他形状，例如空腔的截面呈圆缺状、且呈上大下小状，图6d展示的为与之相匹配的籽晶110。其中圆缺柱状、棱柱状或棱台状更利于传递力矩。而且籽晶杆的上端的结构为现有籽晶杆的结构，例如双耳吊环结构。
该直拉单晶生长装置工作时，将直拉单晶生长装置置于单晶炉101中，炉腔102内为高纯N2或Ar气体，在坩埚室113内充有高纯氮气或氩气，还含有As2、As4。例如，拉制砷化镓时，将GaAs熔体107放入坩埚105中的PBN制成的内坩埚116中，再加入三氧化二硼密封熔体106，将耐高温陶瓷的热壁密封盖103盖于石墨坩埚105上，在动态密封装置104的凹槽内加入氧化硼密封溶剂，同时加热坩埚105中的GaAs熔体和动态密封装置104中的氧化硼密封溶剂。氧化硼熔化后，热壁密封盖103的下端口插入凹槽的氧化硼熔液中，形成液体密封，因热壁密封盖103与籽晶杆111连为一体，两者之间不需要另设密封装置，通过设在坩埚105和热壁密封盖103之间一处的动态密封装置104即可以实现直拉单晶生长装置的密封。使籽晶110与硅熔体107接触，反向旋转籽晶杆111和坩埚杆108，从而带动热壁密封盖103和坩埚105间歇反向旋转进而实现拉制，通过调整熔体的温度和籽晶向上的提升速度，使晶体长大，当硅晶体的直径接近目标直径时，提高提升速度，使单晶体109近恒直径生长。同时设在动态密封装置104的凹槽1141内的防裂装置114，克服了现有的石墨密封装置当温度降低时容易产生裂纹的缺陷。
权利要求1.一种直拉单晶生长装置，包括籽晶杆(111)、坩埚(105)和连接于坩埚底部的坩埚杆(108)，其特征在于所述的坩埚(105)的上面设有用于密封坩埚的热壁密封盖(103)，所述的热壁密封盖(103)和坩埚(105)连接部位设有动态密封装置(104)，所述籽晶杆(111)穿过热壁密封盖(103)伸入坩埚室内并与热壁密封盖(103)连为一体。
2.根据权利要求1所述的直拉单晶生长装置，其特征在于所述动态密封装置(104)包括位于坩埚(105)上端口且与坩埚(105)连为一体的环形凹槽(1051)，在环形凹槽(1051)内设有一截面呈U字形与环形凹槽内壁两侧过盈配合的环状防裂装置(114)，所述热壁密封盖(103)的下端口插入环状防裂装置(114)的截面呈U字形的环形凹槽(1141)内。
3.根据权利要求1、2其中之一所述的直拉单晶生长装置，其特征在于所述籽晶杆(111)为具有一纵向贯通空腔(1111)的空心杆状，所述籽晶杆(111)的用于夹持籽晶的下端空腔(1112)呈收缩状。
4.根据权利要求3所述的直拉单晶生长装置，其特征在于所述籽晶杆(111)的下端空腔(1112)为倒圆台状或倒棱台状。
5.根据权利要求4所述的直拉单晶生长装置，其特征在于所述籽晶杆(111)的下端空腔的倒圆台或倒棱台的锥度为30°-150°。
6.根据权利要求1、2其中之一所述的直拉单晶生长装置，其特征在于所述籽晶杆(111)为具有一纵向贯通空腔(1111)的空心杆状，所述籽晶杆(111)用于夹持籽晶的下端空腔(1112)为径向尺寸小于上部空腔(1111)的圆柱状或棱柱状。
7.根据权利要求1、2其中之一所述的直拉单晶生长装置，其特征在于在所述的热壁密封盖(103)的上部设有观察窗口(112)。
8.根据权利要求3所述的直拉单晶生长装置，其特征在于在所述的热壁密封盖(103)的上部设有观察窗口(112)。
9.根据权利要求1、2其中之一所述的直拉单晶生长装置，其特征在于所述的坩埚(105)内套装有一内坩埚(116)。
10.根据权利要求3所述的直拉单晶生长装置，其特征在于所述的坩埚(105)内套装有一内坩埚(116)。
专利摘要本实用新型公开了一种直拉单晶生长装置，其包括籽晶杆、坩埚和连接于坩埚底部的坩埚杆，所述的坩埚的上面设有用于密封坩埚的热壁密封盖，所述的热壁密封盖和坩埚连接部位设有动态密封装置，所述籽晶杆穿过热壁密封盖伸入坩埚室内并与热壁密封盖连为一体。本实用新型解决了现有的直拉单晶生长装置结构复杂、密封环节多的问题，只需在热壁密封盖和坩埚连接部位一处设有动态密封装置即可以实现密封，克服了现有直拉单晶生长装置因密封环节多、结构复杂而带来的成本增加、重复性差、不适于产业化生产、并且难以保证良好的密封效果等缺陷。
文档编号C30B15/00GK2576728SQ02285928
公开日2003年10月1日 申请日期2002年11月12日 优先权日2002年11月12日
发明者王永鸿 申请人:王永鸿