一種消除碲鋅鎘材料沉淀相缺陷的熱處理裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體材料熱處理裝置，具體涉及一種消除碲鋅鎘材料沉淀相缺陷的熱處理裝置。
技術背景
[0002]材料是一種具有廣泛用途的半導體材料。它和窄禁帶的HgCdTe材料在晶格上可實現完全匹配，是HgCdTe外延的優選襯底材料，已被廣泛應用于制備高性能紅外焦平面探測器；材料同時也是探測X射線和γ射線的光敏感材料，用其制備的γ探測器在性能上明顯優于Si探測器。基于材料的光電探測器在航天、航空、地面和海洋遙感探測領域都具有重要的應用，是實現地球資源探測、環境評估、氣象預報、軍事偵察、預警、跟蹤以及核環境評估所需的核心元器件。
[0003]和廣泛應用的Si材料和GaAs材料相比，碲鋅鎘材料的缺陷形成能非常低，熱導率又非常低，生長出的碲鋅鎘晶錠大都為多晶粒材料，并或多或少含有富碲或富鎘沉淀相缺陷。單晶材料是從大的晶粒中切割出來的，材料中的缺陷則需要通過熱處理工藝來進行調整。熱處理是通過加熱沉淀相缺陷，并利用氣相改變熱沉淀相缺陷(液態或固態)，使其進入過飽和狀態后在四周的晶體表面發生外延，進而達到減小缺陷尺寸的目的。由于材料的氣相平衡蒸氣壓以Cd壓為主，熱處理工藝一般都設置Cd源來維持材料晶體結構的完整性，氣相中的Cd分壓用Cd源的溫度來調節和控制。為了使熱處理系統中維持穩定的Cd源和Cd分壓，在現有熱處理工藝中，將材料和Cd源被放置在封閉的石英安瓿中，樣品和Cd源分置安瓿的兩端，通過管式加熱爐對樣品和Cd源進行加熱和獨立的溫度控制。樣品溫度的高低影響著沉淀相缺陷轉變過程的快慢，Cd源溫度的高低則影響著沉淀相缺陷是否能夠朝著減小缺陷尺寸的方向發生轉變，熱處理的時間長短則影響著缺陷的轉變過程是否充分。
[0004]Vydyanatht1]，Sent2]和Belas 等人的研宄結果均表明，利用富鎘狀態(與氣相平衡的晶體處于富鎘化學計量比的狀態)的熱處理工藝可有效減小富碲沉淀相缺陷的尺寸，而采用富碲狀態進行的熱處理可減小富鎘沉淀相缺陷的尺寸。上述結果已被其他許多作者在發表的論文中引用和證實，熱處理確實能有效減小沉淀相缺陷的尺寸，進而降低缺陷顯露在材料表面的面密度。
[0005]采用石英安瓿的閉管熱處理工藝消除或減小碲鋅鎘材料缺陷固然是一種很有效的技術，但這一技術在實現方式上也存在著一些不足之處，這些不足之處包括:制備的安瓿只能一次性使用，對于大尺寸的襯底材料(目前常規工藝的尺寸已達到60X50mm2)而言，使用石英安瓿以及由此引入的石英管清洗、除氣和封官等制作工藝會造成材料制備的成本大幅提高；石英安瓿不能有效使用4作為熱處理的保護氣體，不能有效去除材料表面的氧化層，結果導致熱處理工藝中缺陷變化過程的不穩定性；再有，采用閉管熱處理技術，材料批量化熱處理的效率也比較低。
[0006]參考文獻:
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【發明內容】
[0011]本發明提出了適用于批量熱處理碲鋅鎘材料的開管式熱處理裝置，解決了開管狀態下如何保持熱處理工藝所需Cd分壓，并減少Cd源泄漏的技術問題，使碲鋅鎘材料的熱處理工藝能夠在批量化和低成本狀態下進行。
[0012]熱處理裝置由石英管熱處理腔體、雙溫區加熱爐、兩段溫區獨立控制的加熱裝置、密封的高純樣品(含Cd源)熱處理盒以及真空系統和可增壓的高純氣體系統組成，該裝置能在開管條件下為材料熱處理提供一個穩定的Cd分壓環境，實現減小碲鋅鎘材料中富鎘(或富碲)沉淀相缺陷的尺寸和降低Cd空位的濃度的目的。熱處理方法為采用開管技術實現碲鋅鎘材料熱處理，通過采用高純石墨材料制作的熱處理樣品盒和大原子量Ar氣保護技術，將熱處理工藝中Cd源的泄漏量控制在工藝上可接受的水平，以泄漏量為20mg/h的555°C Cd源為例，在保持富Cd狀態的條件下，該Cd源溫度所相對應的樣品溫度最高為750°C左右，若允許適當增加Cd源的泄漏量，樣品溫度還可進一步提高。采用這一技術后，在熱處理的初始階段可使用H2氣去除材料表面的氧化層，提高工藝的穩定性。使用這一技術能有效降低碲鋅鎘材料中的Cd空位、富碲沉淀相缺陷和富鎘沉淀相缺陷。和閉管熱處理技術相比，本發明給出的開管熱處理技術具有工藝穩定、效率提高和成本下降等優點。本發明提供了以下技術方案:
[0013]1.開管熱處理裝置
[0014]圖1是本發明提出的完整的開管式熱處理裝置的示意圖，該裝置包括石英管熱處理腔體11、雙溫區加熱爐10、三種氣源(N2氣源1、H2氣源2和Ar氣源3)且可增壓的高純氣體系統和腔體內樣品熱處理盒，該系統能實現對材料加溫、提供Cd分壓、少量Te分壓、高純保護氣體，在開管條件下滿足熱處理工藝所需的工藝環境。在靠近進樣口處設置了冷卻水套12 (和石英腔體加工成一體)，以使進樣口 14處于室溫狀態，石英套13的作用是讓泄漏的Cd氣體原子貼近冷卻水套流動，使少量外泄的Cd氣體原子絕大部分沉積在石英腔體內，減少對進樣口 14的污染。
[0015]2.樣品熱處理盒
[0016]為了在開管式熱處理系統中建立個穩定的氣相Cd分壓，需將樣品和Cd源放置在一個密閉的盒子中，制作熱處理盒子的材料必須是滿足半導體材料制備工藝要求的高熔點、高純和無揮發物質的材料，通常只有石英(S12)、氮化硼(BN)和碳(C)材料(如石墨、玻璃碳和碳纖維等)等少數材料能夠滿足這一要求，從易加工和密封性設計上考慮，石墨材料最適合制作密封的熱處理盒子。石墨樣品熱處理盒有盒體15、盒蓋16、密封鎖緊螺絲17和樣品架18組成，盒蓋16蓋在盒體15進樣端的端面上形成密封腔體。為保證好的密封性，盒體15的端面和盒蓋16的表面需有較好的平整度和粗糙度，環形接觸面的徑向厚度需盡量大一些(一般需大于5_)，接觸面之間的間隙盡量小，為此，本發明采用牢度更好的BN密封鎖緊螺絲17來增加盒體15和盒蓋16之間的壓力。
[0017]樣品熱處理盒的形狀為長條形，一側為樣品區(內部腔體尺寸需大于樣品19的尺寸)，另一側為Cd源區。為批量放置樣品，樣品區內設置樣品架18，樣品插在樣品架的槽中。
[0018]由于在純Cd源21提供的氣相中不存在Te分壓，熱處理時樣品19中的Te原子處于欠飽和的非平衡狀態，盡管材料的平衡Te分壓較小，材料中的Te原子擴散系數也較小，但材料表面層的化學計量比和晶體結構仍會受到一定的影響。為了抑制非平衡狀態的Te原子對材料表面層的影響，本發明提出在樣品熱處理盒中的樣品區放置粉末20，利用粉末20在熱處理過程中揮發出來的Te為氣相提供一個背景分壓，通過減小材料的Te平衡蒸氣壓和背景分壓之間的差值，緩減Te原子處于非平衡狀態對材料表面層的影響。
[0019]3.熱處理方法:
[0020](I)多種保護氣體
[0021]通常材料制備系統所使用的高純保護氣體為N2氣和H 2，N2氣為惰性氣體，用于系統打開時對系統腔體11的保護，4氣為還原性氣體，材料制備工藝中用于去除半導體材料和腔體材料(或腔體內夾具)的表面氧化層和吸附的氧化物。本發明在材料制備工藝中增加了高純Ar氣，Ar原子的質量比H2原子要重的多，在同樣的氣體壓力下，使用Ar氣作為保護性氣體，可大大減小樣品熱處理盒中Cd源的泄漏速率。通過關閉閥門22和閥門26，使用調控Ar氣減壓閥3經質量流量計27流出的工作模式可提高腔體內的壓力，腔體11內Ar氣壓力的增加可進一步降低樣品熱處理盒中Cd源的泄漏速率。為了有效去除因裝卸樣品而引入的表面氧化層和吸附的氧化物，材料熱處理的升溫階段和初始階段仍采用H2氣作為保護性氣體，然后再切換成Ar氣。
[0022](2)熱處理條件的選擇
[0023]樣品溫度、Cd源溫度和熱處理時間是決定熱處理效果的主要條件參數。熱處理工藝開始的升溫過程采用常規升溫速率(3°C /min?5°C /min)，結束時采用切斷電源的隨爐降溫方式。樣品溫度和Cd源溫度的差值大小決定了腔體中Cd分壓對應的材料處于富鎘或富碲狀態，為了有效減小沉淀相缺陷的尺寸，含有富鎘沉淀相的材料需采用富碲狀態進行熱處理，反之，含有富碲沉淀相的材料需采用富鎘狀態進行熱處理。GREENBERG給出了碲鋅鎘材料處于富鎘或富碲狀態的相圖(見圖2) [4]，圖中橫坐標為樣品溫度，縱坐標為Cd分壓，根據Cd源溫度和平衡蒸氣壓的計算公式:
[0024]LogP(atm) =-5317/T+5.119，T>594K，
[0025]可以求得相應狀態所對應的Cd源溫度。
[0026]樣品溫度的高低決定了原子在材料中擴散運動的快慢，常規工藝的熱處理樣品溫度在550°C?900°C，時間在幾小時到幾十天之間進行選擇，樣品溫度越高，熱處理所需時間越短。熱處理后沉淀相缺陷尺寸縮小的比例與樣品溫度、富碲或富鎘