一種基于VGF法的InP晶體生長爐的制作方法

本發明涉及半導體晶體生長設備技術領域，具體地，特別涉及一種基于VGF法的InP晶體生長爐。

背景技術：

磷化銦(InP)是由III族元素銦(In)和V族元素磷(P)化合而成III-V族化合物半導體材料，在半導體材料領域具有非常重要的戰略性地位，是目前光電器件和微電子器件不可替代的半導體材料。與鍺、硅材料相比，InP具有許多優點：直接躍遷型能帶結構，具有高的電光轉換效率；電子遷移率高，易于制成半絕緣材料，適合制作高頻微波器件和電路；工作溫度高；具有強的抗輻射能力；作為太陽能電池材料的轉換效率高等。因此，InP材料被廣泛應用在固態發光、微波通信、光纖通信、微波、毫米波器件、抗輻射太陽能電池等高技術領域。InP單晶已成為一種重要的光電子和微電子基礎材料，用于制造光纖通信用的激光器、探測器、網絡光通信用的集成電路以及高頻微波器件。

圖1是現有技術中基于VGF(垂直梯度凝固法)法的InP晶體生長爐示意圖，如圖1所示，坩堝5底部細徑處放置有引導InP晶體生長所用籽晶17，上方的InP多晶料18被加熱元件7加熱融化。加熱元件7有多段，在坩堝5外圍垂直等間隔分布。通過供給加熱元件7各段不同的加熱功率，使坩堝內形成溫度由下至上逐漸升高的溫度梯度。在此溫度梯度的驅動下，InP熔體在籽晶處吸附，形核，長大從而得到所需直徑及質量的InP晶體。因此，坩堝內溫度及溫度梯度的穩定對于生長高質量的InP晶體至關重要。圖1中熱電偶保護管15內含有單條熱電偶，可探測籽晶17處的溫度，通過供給從下到上不同位置處加熱元件7不同的加熱功率，形成由下至上溫度增加的溫度梯度，例如溫度梯度為0.1℃～10℃/cm，每段加熱元件7的加熱功率根據熱電偶實時反饋的數據而改變，其中，每段加熱元件7均通過兩個左右對稱的加熱電極8支撐(圖1中只顯示了其中一根)。

現有基于VGF法的InP晶體生長爐，相鄰兩段加熱元件之間因自然對流及熱輻射的原因，會影響加熱元件的加熱溫度穩定。此外，InP生長時，晶體表面在高溫下因解離會產生部分磷蒸氣，雖然InP晶體上方的液封劑氧化硼及高壓腔體內的惰性氣體能抑制InP的解離，但因高溫下解離迅速，仍會有部分磷蒸氣溢出，從而對坩堝內已經形成的溫度分布產生擾動。以上兩個原因，使現有VGF法的InP單晶生長爐內的溫度及溫度梯度不穩定，從而影響InP晶體的生長質量。

技術實現要素：

鑒于以上問題，本發明的目的是提供一種基于VGF法的InP晶體生長爐，以解決相鄰兩段加熱元件之間自然對流和熱輻射對爐內溫度分布穩定性影響的問題，有利于生長出高質量的InP晶體。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明所述基于VGF法的InP晶體生長爐，包括爐底座，爐壁，且爐底座與爐壁形成密閉空間，在爐底座開設通氣口，在爐底座上表面固定連接有坩堝托，在坩堝托上方放置有坩堝，在坩堝托與坩堝外側同軸放置有無底面的隔離筒，在隔離筒外周垂直方向間隔設置有多段加熱元件，每段加熱元件均固定有電極安裝座，加熱電極通過電極安裝座與加熱元件連接，并延伸至所述爐底座外部，在每段加熱元件底部均固定連接有加熱器安裝板，用于隔離兩個相鄰的加熱元件。

優選的，在加熱元件與爐壁之間設置有保溫筒，且保溫筒上端設置有密封蓋。

進一步地，優選的，加熱器安裝板為圓環狀結構，內環直徑比隔離筒外徑大1～2mm，外環直徑比保溫筒內徑小1～2mm。

優選的，加熱元件為圓環狀結構，材質為高純石墨，加熱器安裝板的材質為耐熱保溫材料。

優選的，在加熱元件與加熱器安裝板之間安裝有絕緣環，防止加熱元件和加熱器安裝板之間導電。

進一步地，位于最下端的加熱器安裝板固定連接有加熱器支撐座，加熱器支撐座通過多個支撐桿與爐底座上表面固定連接。

進一步地，加熱器安裝板之間通過多個連接桿固定連接。

進一步地，電極安裝座位于加熱元件的同一端。

優選的，在爐底座垂直安裝有保護套管，在保護套管內包裹有多根熱電偶，垂直安裝于加熱元件內圓柱側，每根熱電偶對應一個加熱元件，探測加熱元件的溫度。

優選的，隔離筒上端固定連接有密封蓋，隔離筒與密封蓋形成密閉空間，在隔離筒底端開設有通氣孔。

與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：

一、在每段加熱元件底部固定連接有加熱器安裝板，阻隔相鄰加熱元件之間的熱對流及熱輻射，使加熱元件的加熱溫度保持穩定；

二、隔離筒上端用密封蓋密封，且在隔離筒底端開設通氣孔，使InP晶體表面受高溫解離的解離蒸氣被引導至隔離筒底部，在底部遇冷沉積，避免了解離蒸氣對加熱元件的干擾。

附圖說明

圖1是現有基于VGF法的InP晶體生長爐示意圖；

圖2是現有InP晶體生長爐中加熱元件的安裝示意圖；

圖3是本發明所述基于VGF法的InP晶體生長爐優選實施例剖面示意圖；

圖4是本發明所述InP晶體生長爐優選實施例的加熱元件安裝示意圖。

具體實施方式

現結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明，以便于本發明更加清楚和易于理解。

圖3是本發明所述基于VGF法的InP晶體生長爐優選實施例剖面示意圖，如圖3所示，本發明所述基于VGF法的InP晶體生長爐包括：爐底座1，爐壁2，且爐底座1與爐壁2固定連接，通過安裝在爐底座1軸向凹槽處的密封環形成密閉空間。在爐底座1開設通氣口3，通過通氣口3向爐內通入惰性氣體或實現腔體內抽真空，以實現必要的InP晶體的生長工藝條件。在爐底座1的上表面中央位置固定連接有坩堝托4，在坩堝托4上方放置有坩堝5，在坩堝托4與坩堝5外側同軸放置有無底面的隔離筒6，隔離筒6為耐高溫材料，例如金屬鉬、陶瓷和高純石墨等，隔離筒6的底端與爐底座1凸出的臺階配合定位。

圖3中顯示，隔離筒6外周垂直方向等間距排列有四個加熱元件7，加熱元件7為圓環狀結構，供給四個加熱元件不同的加熱功率，使坩堝5內形成由下至上溫度逐漸增加的溫度梯度，在此溫度梯度的驅動下，促進InP晶體的生長。在四段加熱元件7的外圓環上的不同位置均固定有電極安裝座71，加熱電極8通過電極安裝座71與加熱元件7連接，并延伸至爐底座1的外部。每個加熱元件7底部均固定連接有加熱器安裝板9，且加熱器安裝板9之間間距相等，將兩個相鄰的加熱元件7隔離開，阻隔了相鄰不同加熱溫度的加熱元件7之間的熱對流及熱輻射，使加熱元件7的加熱溫度穩定。

此外，在加熱元件7與爐壁2之間設置有保溫筒10，保溫筒10的材質為耐熱保溫材料，本發明優選為石墨氈，且保溫筒10上端設置有密封蓋，下端可直接放置在爐底座1的上表面，便于維護時拆卸，在保溫筒10的底部開設有一個通氣孔101，以使保溫筒10內外側的腔體保持連通。

加熱器安裝板9為圓環狀結構，其中，加熱器安裝板9的內徑與隔離筒6外徑相近，本發明優選加熱器安裝板9的內環直徑比隔離筒6外徑大1～2mm，加熱器安裝板9的外徑與保溫筒10內徑相近，本發明優選加熱器安裝板9的外環直徑比保溫筒內徑小1～2mm。加熱器安裝板9的內環和外環分別與隔離筒6的外環和保溫筒10的內環保持一定間隙，既便于安裝，也能有效阻止相鄰加熱元件7之間的熱對流和熱輻射，從而避免不同加熱溫度的加熱元件7之間的相互干擾。

在本發明中，加熱元件7的材質為高純石墨，加熱器安裝板9為耐高溫保溫材料，本發明優選為石墨氈，兩者都為導電材料，則在加熱元件7與加熱器安裝板9之間安裝有絕緣環11，以防止加熱元件7和加熱器安裝板9之間導電，從而避免加熱電極8傳遞給加熱元件7的電流流向加熱器安裝板9，使加熱安裝板8導電發熱，對爐內溫度分布造成不良影響。

圖2是現有InP晶體生長爐中加熱元件的安裝示意圖，圖2中顯示，加熱元件7通過左右對稱的電極安裝座71被兩個加熱電極81支撐，此時，加熱電極8在傳遞加熱電流的同時還起到支撐相應加熱元件7的作用。加熱元件7通過不同長度的加熱電極8支撐，加熱電極8下端連接加熱電源，供給加熱元件7不同的加熱功率，以形成爐內的溫度梯度。此種加熱元件的安裝方式亦可用于本發明生長較小尺寸的InP晶體。

在本發明中，如圖3和圖4所示，位于最下端的加熱器安裝板9固定連接有加熱器支撐座12，加熱器支撐座12通過多個支撐桿13與爐底座1的上表面固定連接。其中，支撐桿13均勻分布以實現穩定支撐，支撐桿13的數量可為3個、4個或6個，本發明優選3個支撐桿13均勻分布，連接加熱器支撐座12和爐底座1。此外，在各個加熱器安裝板9之間通過多個連接桿14固定連接。其中，連接桿14在加熱器安裝板9上均勻分布，連接桿14的數量可為3個、4個或6個，本發明優選為3個連接桿均勻分布，通過3個螺紋孔c1與加熱器安裝板9固定連接。為了實現整個爐體的密封，加熱電極8與爐底座1之間嵌有密封絕緣套20。為了實現加熱電極8與加熱器支撐座12之間的絕緣，加熱器支撐座12與加熱電極8之間嵌有絕緣套21。

如圖4所示，兩個電極安裝座71位于加熱元件7的同一端，與分布在加熱元件7一端的電極安裝座71通過上下兩個螺母711鎖緊。此時，加熱電極8可以只傳遞加熱電流，不起支撐加熱元件7的作用，加熱元件7通過支撐桿13和連接桿14以及加熱器安裝板9的平面穩定支撐，使加熱電極8安裝方便且避免了一些鎖緊絕緣零件的安裝，簡化結構，且即使生長大尺寸InP晶體時，支撐也會穩定。

圖4中顯示，最上面的加熱元件7與最長的一對加熱電極81連接，加熱電極81通過通孔a1貫穿四塊加熱器安裝板9，并延伸至爐底座1的外部。與最底下加熱元件7相連的加熱電極82為最短的一對，通過加熱器安裝板9的通孔a4延伸至爐底座1的外部。另外兩個加熱電極8分別穿過通孔a3和a4與中間相應的兩個加熱元件7相連。由不同的加熱電極8供給各段加熱元件7不同的加熱功率，便于形成InP晶體生長所需的溫度梯度。

此外，在爐底座1上垂直安裝有保護套管15，在保護套管15內包裹有多根熱電偶16，垂直安裝于加熱元件7內圓柱側，每根熱電偶16對應一個加熱元件7，探測加熱元件7的溫度。在圖3中保護套管15貫穿四個加熱元件7延伸至爐底座1，在保護套管15內對應四個加熱元件7包裹了四根高低不同的熱電偶16，分別貼近四個加熱元件7，檢測上下四段加熱元件7的加熱溫度，從而可以根據爐內溫度以及溫度梯度的要求，通過加熱電極8分別向四個加熱元件7提供不同的加熱功率，且通過不同的熱電偶16實時反饋相應加熱元件7的加熱溫度，通過不同的溫度控制器分別控制每一段加熱元件7的加熱功率，實現坩堝5內由下至上溫度逐漸增加的軸向溫度梯度分布，滿足InP晶體的生長條件。

在生長InP晶體時，通過不同的加熱電極8供給加熱元件7不同的加熱功率，在坩堝外形成由下至上逐漸升高的溫度梯度，籽晶在此溫度梯度的驅動下逐漸完成晶體的生長，在加熱元件11底部固定連接的加熱器安裝板9阻隔了兩個相鄰的加熱元件，避免了相鄰加熱元件之間的熱對流和熱輻射對溫度分布造成干擾。

此外，如圖3所示，在坩堝托4上端中央開一個凹盲孔，凹盲孔上端倒成錐形，坩堝5為圓柱形且底端嵌入凹盲孔，使整個坩堝5精確穩固的放置于坩堝托4上。在坩堝5的細徑腔體處可放置引導晶體生長用的籽晶17，在籽晶17上方是用于生長晶體用的InP多晶料18，InP多晶料18上方覆蓋有一層液封劑氧化硼19，InP多晶料及氧化硼在大于1040℃高溫下融化，融化后因氧化硼液體密度比熔融的InP多晶料低，可覆蓋于InP的融體之上。InP晶體生長時，晶體表面處于高溫時，單晶很容易離解：6InP(s)→6In(l)+P₂(g)+P₄(g)；其中P₂(g)、P₄(g)分別為較高溫度下及較低溫度下的紅磷解離蒸氣，覆蓋的氧化硼作為液封劑可防止InP的解離，但在高溫下解離迅速時仍會有部分紅磷解離蒸氣溢出。因此，在隔離筒6上端固定連接有密封蓋61，隔離筒6與密封蓋61形成密閉空間，在隔離筒6底端開設有通氣孔62，使上述解離紅磷蒸氣被引導至隔離筒6底部，因底部為低溫區，蒸氣遇冷沉積，避免了解離蒸氣對坩堝內已經形成的溫度分布產生擾動。

以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。