CN116752237A - 籽晶定位方法和晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种籽晶定位方法和晶体生长装置，涉及半导体领域。本申请的籽晶定位方法包括在装载有籽晶的籽晶托下降的过程中，控制驱动件驱动籽晶托转动，并实时获取驱动件向籽晶托输出的转矩；根据驱动件向籽晶托输出的转矩确定籽晶相对于原料熔体的液面的相对位置。在籽晶接触到原料熔体的液面时，由于原料熔体对籽晶的粘滞力，驱动件会向籽晶托输出更大的转矩来平衡粘滞力，以维持籽晶托继续匀速转动。因此，通过获取驱动件向籽晶托输出的转矩，可以判断籽晶是否接触原料熔体的液面。本申请实施例提供的籽晶定位方法灵敏度高，能够准确地确定籽晶相对于原料熔体液面的位置。本申请实施例提供的晶体生长装置能够实现上述的籽晶定位方法。

Description

籽晶定位方法和晶体生长装置

技术领域

本申请涉及半导体领域，具体而言，涉及一种籽晶定位方法和晶体生长装置。

背景技术

作为第三代半导体材料的代表，碳化硅(SiC)具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率等特点，因此采用碳化硅材料制备的半导体器件适用于高电压、大电流、高温、高频等场景，前景十分广阔。目前获取碳化硅晶体的方法包括气相法和液相法。其中，液相法工艺过程中，籽晶相对于原料液面的位置需要严格控制，这会对晶体的生长质量产生影响。但是原料在熔融之后，液面高度是难以准确预估和测量的，因此需对籽晶相对于液面的位置进行检测。

相关技术中，籽晶定位的方法多种多样，比如通过电信号检测，或者通过温度检测。但相关技术中的籽晶定位方法精确度不够高。

发明内容

本申请的目的包括提供一种籽晶定位方法和晶体生长装置，其能够精确地对籽晶进行定位。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，本申请提供一种籽晶定位方法，应用于晶体生长装置，晶体生长装置包括籽晶托以及驱动件，籽晶托用于装载籽晶，驱动件与籽晶托传动连接，以驱动籽晶托旋转，籽晶定位方法包括：

在装载有籽晶的籽晶托下降的过程中，控制驱动件驱动籽晶托转动，并实时获取驱动件向籽晶托输出的转矩；

根据驱动件向籽晶托输出的转矩确定籽晶相对于原料熔体的液面的相对位置。

在可选的实施方式中，根据驱动件向籽晶托输出的转矩确定籽晶相对于原料熔体的液面的相对位置的步骤，包括：

根据获取的转矩信息计算转矩变化率；

当转矩变化率大于预设变化率时，确定籽晶的下表面接触原料熔体的液面。

在可选的实施方式中，实时获取驱动件向籽晶托输出的转矩的步骤，包括：每间隔预设时长获取并记录一次转矩信息；

根据获取的转矩信息计算转矩变化率的步骤，包括：根据最近的两次获取的转矩的差值以及预设时长计算转矩变化率。

在可选的实施方式中，预设时长为0.01～1s。

在可选的实施方式中，籽晶定位方法还包括：

在确定籽晶的下表面接触原料熔体的液面后，控制驱动件停止驱动籽晶托转动。

在可选的实施方式中，晶体生长装置还包括升降机构，升降机构用于驱动籽晶托升降，籽晶定位方法还包括：

在确定籽晶的下表面接触原料熔体的液面后，控制升降机构驱动籽晶托上升或下降预设距离。

在可选的实施方式中，晶体生长装置还包括升降机构，升降机构用于驱动籽晶托升降，籽晶定位方法还包括：

在确定籽晶的下表面接触原料熔体的液面后，控制升降机构驱动籽晶托下降距离h，然后上升距离H；

其中，h<籽晶的厚度，0≤H≤h+3mm。

在可选的实施方式中，籽晶托的下降速度为0.1～50mm/min。

在可选的实施方式中，驱动件驱动籽晶托转动的转速为1～200rpm。

第二方面，本申请提供一种晶体生长装置，包括：

籽晶托，用于装载籽晶；

与籽晶托传动连接的驱动件，用于驱动籽晶托旋转；

转矩检测装置，用于检测驱动件向籽晶托输出的转矩；

控制器，与驱动件、转矩检测装置电连接，控制器被设置为在装载有籽晶的籽晶托下降的过程中，控制驱动件驱动籽晶托转动，并通过转矩检测装置实时获取驱动件向籽晶托输出的转矩；根据驱动件向籽晶托输出的转矩确定籽晶相对于原料熔体的液面的相对位置。

在可选的实施方式中，晶体生长装置还包括升降机构，升降机构与控制器电连接，升降机构用于驱动籽晶托升降。

本申请实施例的有益效果包括，例如：

本申请实施例提供的籽晶定位方法包括在装载有籽晶的籽晶托下降的过程中，控制驱动件驱动籽晶托转动，并实时获取驱动件向籽晶托输出的转矩；根据驱动件向籽晶托输出的转矩确定籽晶相对于原料熔体的液面的相对位置。在籽晶接触到原料熔体的液面时，由于原料熔体对籽晶的粘滞力，驱动件会向籽晶托输出更大的转矩来平衡粘滞力，以维持籽晶托继续匀速转动。因此，通过获取驱动件向籽晶托输出的转矩，可以判断籽晶是否接触原料熔体的液面。一旦判定籽晶接触接触原料熔体的液面，当前籽晶与熔体液面的相对位置则被确定，该位置可以作为后续控制籽晶运动的基准位置，从而保证后续晶体生长工艺的可控性，有利于提高产品质量。本申请实施例提供的籽晶定位方法通过转矩来判断籽晶是否接触熔体液面，灵敏度高，能够准确地确定籽晶相对于原料熔体液面的位置。

本申请实施例提供的晶体生长装置能够实现上述的籽晶定位方法，因此能够对籽晶进行精确定位，提高晶体生长工艺的可控性，从而提高晶体生长质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一种实施例中晶体生长装置对籽晶进行定位的示意图；

图2为本申请一种实施例一种晶体生长装置的组成框图；

图3为本申请一种实施例中籽晶定位方法的流程图。

图标：010-晶体生长装置；020-容器；030-原料熔体；040-籽晶；100-籽晶托；110-托板；120-传动轴；200-驱动件；300-转矩检测装置；400-升降机构；500-控制器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

在液相法晶体制备工艺中，籽晶与原料熔体的相对位置需要精确控制，来保证晶体生长质量。由于容器(比如坩埚)中固态的原料在熔融之后，液面高度是难以预估和测量的，因此即便籽晶的升降速度、升降距离可以精确控制，但由于籽晶缺少相对于液面的基准位置，籽晶相对于液面的位置依然难以精确控制。相关技术中，籽晶定位的方法多种多样。比如，通过电信号检测，即在籽晶托上设置探针，当探针接触液面时电路导通，确定此时探针相对于液面的位置(即刚好接触)，探针与籽晶的相对位置是确定的，从而确定了籽晶相对于液面的位置。这种方法灵敏度差，因为原料熔体本身的导电性不够高，电信号的变化不够明显。也有通过温度检测，即在籽晶托设置温度传感器，根据温度来判断是否到达液面，但这种方式灵敏度依然较低，因为液面处和接近液面的位置温度可能差别不大。另一种相关技术中，通过浮力来检测籽晶是否到达液面，但这种籽晶定位方法精确度仍不够高，因为在籽晶刚好接触液面时，不会受到浮力，需要一定程度的浸没才会检测到浮力。

为了改善相关技术中籽晶定位准确性差的问题，本申请实施例提供一种籽晶定位方法，通过测试转矩来判断籽晶是否接触原料熔体的液面，这种定位方式灵敏度高。

本申请实施例提供的籽晶定位方法可以通过本申请实施例提供的晶体生长装置来实现。下面首先对本申请实施例提供的晶体生长装置进行介绍。

图1为本申请一种实施例中晶体生长装置010对籽晶040进行定位的示意图；图2为本申请一种实施例一种晶体生长装置010的组成框图。请参考图1和图2，本实施例提供的晶体生长装置010，包括籽晶托100、驱动件200、转矩检测装置300、升降机构400以及控制器500。

籽晶托100用于装载籽晶040；驱动件200与籽晶托100传动连接，用于驱动籽晶托100旋转；转矩检测装置300用于检测驱动件200向籽晶托100输出的转矩；升降机构400用于驱动籽晶托100升降，具体用于驱动籽晶托100、驱动件200和转矩检测装置300一同升降。

在本实施例中，籽晶托100包括托板110和传动轴120，托板110呈水平设置，传动轴120呈竖直设置。传动轴120的下端连接于托板110的上表面中心，传动轴120的上端通过转矩检测装置300与驱动件200的输出轴同轴地传动连接。托板110可以是圆形，与传动轴120同轴设置，托板110的下表面用于贴装籽晶040。在可选的其他实施例中，转矩检测装置300也可以集成于驱动件200内。

可选的，驱动件200可以是步进电机，驱动件200能够精确地控制籽晶托100的转速。

晶体生长装置010在使用时，籽晶托100下方放置容器020，容器020内容纳有原料熔体030。以液相法(LPE)制备碳化硅晶体为例，原料熔体030通常是Si、Cr、Ti、Al、Ce等按一定比例混合，熔融后的合金溶液。升降机构400可以将籽晶托100下降到原料熔体030的液面处，进行晶体生长。

可以理解，晶体生长装置010还可以包括其他用于实现晶体生长工艺的部件，比如加热装置、冷却装置等，此处不再一一赘述。

在本申请实施例中，驱动件200、转矩检测装置300以及升降机构400均与控制器500电连接。控制器500可控制相关部件进行运动，或者进行数据采集。本申请实施例的籽晶定位方法可由控制器500控制相关部件来实现。在本申请实施例中，控制器500被设置为：在装载有籽晶040的籽晶托100下降的过程中，控制驱动件200驱动籽晶托100转动，并通过转矩检测装置300实时获取驱动件200向籽晶托100输出的转矩；根据驱动件200向籽晶托100输出的转矩确定籽晶040相对于原料熔体030的液面的相对位置。

通过本申请实施例提供的晶体生长装置010，能够控制籽晶托100在旋转的同时向原料熔体030下降。在下降的过程中转矩检测装置300可以实时获取驱动件200向籽晶托100输出的转矩。当籽晶托100下表面装载的籽晶040接触原料熔体030的液面时，由于原料熔体030对籽晶040产生粘滞阻力，使得驱动件200输出的转矩变大。由于力的传递是瞬间完成的，转矩的变化是突变，因此通过转矩检测装置300输出的转矩信息能够及时地、精确地判断籽晶040接触原料熔体030，本申请实施例提供的晶体生长装置010能够准确地对籽晶040进行定位。

图3为本申请一种实施例中籽晶定位方法的流程图。如图3所示，籽晶定位方法包括：

步骤S100，在装载有籽晶040的籽晶托100下降的过程中，控制驱动件200驱动籽晶托100转动，并实时获取驱动件200向籽晶托100输出的转矩。

以本申请实施例提供的晶体生长装置010为例，预先将籽晶040贴装于托板110的下表面，然后控制器500控制升降机构400将驱动件200、转矩检测装置300以及籽晶托100整体向下移动，同时控制驱动件200驱动籽晶托100转动，并且通过转矩检测装置300实时检测驱动件200向籽晶托100输出的转矩。

可选的，实时获取驱动件200向籽晶托100输出的转矩的步骤，包括：每间隔预设时长获取并记录一次转矩信息。可选的，预设时长为0.01～1s，比如预设时长为0.01s、0.02s、0.05s、0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s、0.7s、0.8s、0.9s以及1s中的一个值，或者上述任意两个值的中间值。可以理解，预设时长越短，转矩检测装置300的检测频率越高，观察到转矩变化也就更加及时，也就能够对籽晶040更加精确地定位。

可选的，籽晶托100的下降速度为0.1～50mm/min，比如下降速度为0.1mm/min、0.5mm/min、1mm/min、5mm/min、10mm/min、20mm/min、30mm/min、40mm/min以及50mm/min中的一个值，或者上述任意两个值的中间值。可以理解，下降速度越快，效率越高；下降速度越慢，对籽晶040定位的准确性越高。

在可选的实施方式中，驱动件200驱动籽晶托100转动的转速为1～200rpm，比如转速为1rpm、2rpm、5rpm、10rpm、20rpm、50rpm、100rpm、150rpm以及200rpm中的一个值，或者上述任意两个值的中间值。

步骤S200，根据驱动件200向籽晶托100输出的转矩确定籽晶040相对于原料熔体030的液面的相对位置。

可选的，步骤S200具体包括：

步骤S210，根据获取的转矩信息计算转矩变化率；

步骤S210，当转矩变化率大于预设变化率时，确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面。

可以理解，原料熔体030的粘度较高，对籽晶040粘滞力较大，而气体对籽晶040以及籽晶托100的粘滞力是较弱的。在籽晶040接触到液面之前，籽晶托100转动的阻力来自于气体(比如晶体生长装置010内的保护气体)，驱动件200输出的转矩较小，且基本保持不变。当籽晶040接触到液面时，原料熔体030向籽晶040提供较强的粘滞阻力，驱动件200向籽晶托100输出的转矩会瞬间增加到一个较大值，以使籽晶托100能够转矩平衡。因此，在籽晶040接触原料熔体030的瞬间，转矩有突变，也即转矩变化率会显著增加。当检测到转矩变化率大于预设变化率时，可以确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面，也就确定了籽晶040相对于原料熔体030液面的相对位置。

进一步的，步骤S210中根据获取的转矩信息计算转矩变化率，具体可以包括：根据最近的两次获取的转矩的差值以及预设时长计算转矩变化率。由于转矩信息是由转矩检测装置300每间隔预设时长获取一次，因此通过将最近的两次获取的转矩的差值除以预设时长，便可以得到转矩变化率。

当然，在可选的其他实施例中，步骤S200也可以包括：当转矩大于预设转矩时，确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面。因为籽晶040接触原料熔体030时，转矩会突然增加，因此通过转矩值来判断籽晶040是否接触原料熔体030也是可行的一种方案。

可选的，籽晶定位方法还包括：在确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面后，控制驱动件200停止驱动籽晶托100转动。在此实施例中，在确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面后，籽晶040的基准位置就得到确定，此后可以根据需要停止驱动籽晶托100转动。

可选的，籽晶定位方法还包括：在确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面后，控制升降机构400驱动籽晶托100上升或下降预设距离。可以理解，当确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面后，籽晶040的基准位置就得到确定，但该基准位置不一定是后续生长晶体所需要的位置，可以在确定了该基准位置后，根据工艺需要，控制升降机构400驱动籽晶托100上升或下降预设距离，以使籽晶040到达晶体生长的最佳位置。比如，控制籽晶托100略微上升，令一部分原料熔体030在表面张力的作用下被籽晶040带至高于液面的位置，以便晶体生长。

在可选的实施例中，在确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面后，控制升降机构400驱动籽晶托100下降距离h，然后上升距离H；其中，h<籽晶040的厚度，0≤H≤h+3mm。这种做法可以使籽晶040的下表面先浸没于原料熔体030，保证充分接触。之后上升H，具体的，可以上升至高于液面的位置，令一部分原料熔体030在表面张力的作用下被籽晶040带至高于液面的位置；或者令籽晶040保持在液面之下(比如H＝0)。在此过程中，籽晶托100可以保持继续旋转，也可以在确定籽晶040的下表面接触原料熔体030的液面后就停止旋转。

可选的，本申请提供的籽晶定位方法可以用在碳化硅晶体生长工艺中。可选的，籽晶040直径≥100mm，厚度≥0.35mm，籽晶托100直径≥100mm，厚度≥1.0mm。

综上所述，本申请实施例提供的籽晶定位方法包括在装载有籽晶040的籽晶托100下降的过程中，控制驱动件200驱动籽晶托100转动，并实时获取驱动件200向籽晶托100输出的转矩；根据驱动件200向籽晶托100输出的转矩确定籽晶040相对于原料熔体030的液面的相对位置。在籽晶040接触到原料熔体030的液面时，由于原料熔体030对籽晶040的粘滞力，驱动件200会向籽晶托100输出更大的转矩来平衡粘滞力，以维持籽晶托100继续匀速转动。因此，通过获取驱动件200向籽晶托100输出的转矩，可以判断籽晶040是否接触原料熔体030的液面。一旦判定籽晶040接触接触原料熔体030的液面，当前籽晶040与熔体液面的相对位置则被确定，该位置可以作为后续控制籽晶040运动的基准位置，从而保证后续晶体生长工艺的可控性，有利于提高产品质量。本申请实施例提供的籽晶定位方法通过转矩来判断籽晶040是否接触熔体液面，灵敏度高，能够准确地确定籽晶040相对于原料熔体030液面的位置。

本申请实施例提供的晶体生长装置010能够实现上述的籽晶定位方法，因此能够对籽晶040进行精确定位，提高晶体生长工艺的可控性，从而提高晶体生长质量。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种籽晶定位方法，应用于晶体生长装置(010)，其特征在于，所述晶体生长装置(010)包括籽晶托(100)以及驱动件(200)，所述籽晶托(100)用于装载籽晶(040)，所述驱动件(200)与所述籽晶托(100)传动连接，以驱动所述籽晶托(100)旋转，所述籽晶定位方法包括：

在装载有籽晶(040)的所述籽晶托(100)下降的过程中，控制所述驱动件(200)驱动所述籽晶托(100)转动，并实时获取所述驱动件(200)向所述籽晶托(100)输出的转矩；

根据所述驱动件(200)向所述籽晶托(100)输出的转矩确定所述籽晶(040)相对于原料熔体(030)的液面的相对位置。

2.根据权利要求1所述的籽晶定位方法，其特征在于，根据所述驱动件(200)向所述籽晶托(100)输出的转矩确定所述籽晶(040)相对于原料熔体(030)的液面的相对位置的步骤，包括：

根据获取的转矩信息计算转矩变化率；

当所述转矩变化率大于预设变化率时，确定所述籽晶(040)的下表面接触所述原料熔体(030)的液面。

3.根据权利要求2所述的籽晶定位方法，其特征在于，所述实时获取所述驱动件(200)向所述籽晶托(100)输出的转矩的步骤，包括：每间隔预设时长获取并记录一次转矩信息；

所述根据获取的转矩信息计算转矩变化率的步骤，包括：根据最近的两次获取的转矩的差值以及所述预设时长计算所述转矩变化率。

4.根据权利要求3所述的籽晶定位方法，其特征在于，所述预设时长为0.01～1s。

5.根据权利要求2所述的籽晶定位方法，其特征在于，所述晶体生长装置(010)还包括升降机构(400)，所述升降机构(400)用于驱动所述籽晶托(100)升降，所述籽晶定位方法还包括：

在确定所述籽晶(040)的下表面接触所述原料熔体(030)的液面后，控制所述升降机构(400)驱动所述籽晶托(100)上升或下降预设距离。

6.根据权利要求2所述的籽晶定位方法，其特征在于，所述晶体生长装置(010)还包括升降机构(400)，所述升降机构(400)用于驱动所述籽晶托(100)升降，所述籽晶定位方法还包括：

在确定所述籽晶(040)的下表面接触所述原料熔体(030)的液面后，控制所述升降机构(400)驱动所述籽晶托(100)下降距离h，然后上升距离H；

其中，h<所述籽晶(040)的厚度，0≤H≤h+3mm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的籽晶定位方法，其特征在于，所述籽晶托(100)的下降速度为0.1～50mm/min。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的籽晶定位方法，其特征在于，所述驱动件(200)驱动所述籽晶托(100)转动的转速为1～200rpm。

9.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：

籽晶托(100)，用于装载籽晶(040)；

与所述籽晶托(100)传动连接的驱动件(200)，用于驱动所述籽晶托(100)旋转；

转矩检测装置(300)，用于检测所述驱动件(200)向所述籽晶托(100)输出的转矩；

控制器(500)，与所述驱动件(200)、所述转矩检测装置(300)电连接，所述控制器(500)被设置为在装载有籽晶(040)的所述籽晶托(100)下降的过程中，控制所述驱动件(200)驱动所述籽晶托(100)转动，并通过所述转矩检测装置(300)实时获取所述驱动件(200)向所述籽晶托(100)输出的转矩；根据所述驱动件(200)向所述籽晶托(100)输出的转矩确定所述籽晶(040)相对于原料熔体(030)的液面的相对位置。

10.根据权利要求9所述晶体生长装置，其特征在于，所述晶体生长装置(010)还包括升降机构(400)，所述升降机构(400)与所述控制器(500)电连接，所述升降机构(400)用于驱动所述籽晶托(100)升降。