專利名稱：精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長裝置及方法
技術領域：
本發明涉及高質量的單晶體生長制備方法，更具體地，本發明是用于III-V族或II-IV族化合物半導體材料，比如大直徑砷化鎵、磷化銦、砷化銦、磷化鎵、銻化銦、硒化鎘、碲化鋅及鍺和硅等的一種垂直溫差梯度冷凝單晶體生長制備方法。
背景技術：
普通的VGF(垂直溫差梯度冷凝)晶體生長法是將盛有多晶材料的PBN(熱壓氮化硼)坩堝封裝在一個石英器皿之中，然后垂直放入多溫區(一般有三溫區、四溫區、六溫區等)VGF爐中生長。普通VGF晶體生長爐見圖1所示。該石英器皿是一個下端與PBN坩堝吻合，上端用一石英帽燒焊封口的容器。欲生長材料的單晶種晶放置在PBN坩堝的下方。晶體生長是通過控制每個溫區的溫度，達到一個自下而上均勻增長的溫度梯度來實現的。生長可分為熔料，種晶上部(1/3～2/3長度)熔化，熔體均一化，晶體自下而上緩慢生長，及退火處理等過程。
該方法存在的主要問題是沿晶體生長坩堝垂直方向上，溫度梯度幅度較大，使單晶體生長過程中溫區間的溫度控制范圍的上限溫度與下限溫度的差值較大，不利于獲得高質量的單晶體，特別是在種晶及PBN坩堝錐形轉換的區域，由于加熱元件離熔體較遠，無法精密地控制這些區域的溫度變化，極容易造成晶體生長缺陷(多晶、孿晶、晶格錯位等)。
發明內容
針對普通VGF晶體生長法存在的不足之處，本發明提供了一種單晶體生長過程中能精密控制溫度，沿晶體生長坩堝垂直方向上溫度梯度幅度小，溫度控制范圍的上限溫度與下限溫度的差值小，能顯著減少晶體缺陷，提高晶體質量和產率的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置及其單晶體生長方法。
本發明的技術方案是加熱裝置的加熱元件沿PBN坩堝的外部形狀均勻分布，從PBN坩堝錐形轉換點開始，將加熱元件(高溫鐵鉻鋁加熱條或電阻絲等)貼近沿PBN坩堝的錐體均勻分布，直到覆蓋放置種晶的PBN坩堝嘴部位；為了使種晶達到一個較穩定的溫度，加熱元件沿著種晶下方延伸至少8英寸長；本發明的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長裝置分為四個控溫區，I、II、III、IV溫區沿加熱元件垂直的方向自下而上平均分布；為了較容易控制種晶的部分熔融，種晶(約1～1.5英寸長)應置于第II溫區下半部分，并位于第II溫區與第I溫區中心點之間的適當部位。為了便于精確監測種晶和熔體的溫度變化，沿坩堝的垂直方向穿越爐壁及加熱元件區，側插入6～8支Pt-Rh/Pt S型熱電偶，并讓測溫熱電偶通過加熱元件與石英容器壁直接接觸；每支熱電偶沿垂直方向，相距1英寸間隔；其中兩支熱電偶分別位于種晶的上端面和離上端面下方約1英寸的地方。
通過以上這些改進，本發明的精密VGF單晶體生長裝置溫度梯度更小(大約為改進前的2/3)，更易控制；第I～IV溫區的控制范圍可比普通的VGF爐的通常控制范圍更小(比改進前縮小20℃)，比如砷化鎵從第I至IV溫區控制范圍在1220℃～1260℃之間，而普通的VGF爐是1200℃～1260℃。在使用本發明的精密VGF單晶體生長裝置制備單晶體生長方法中，沿晶體生長的PBN坩堝自下而上的溫度梯度ΔT在2～3℃/英寸之間，第I～IV溫區控制范圍的上限溫度與下限溫度的差值為40℃，晶體生長周期(升溫、熔化、生長、退火處理等)為4～5天。
由于本發明改進后的精密VGF單晶體生長裝置溫度梯度幅度比普通的VGF晶體生長爐更低，溫區控制范圍的上限溫度與下限溫度的差值更小，生長出來的單晶體缺陷密度(EPD)較普通VGF晶體生長爐低50％以上；此外單晶體生長過程中的種晶熔化溫度更易精確控制，晶體生長過程中的液——固分界面張力較小，出現晶體缺陷(多晶、孿晶及其它晶格錯位)的幾率大大降低，晶體質量及產率得到顯著提高。
圖1是普通VGF(垂直溫差梯度冷凝)單晶生長爐的示意圖；圖2是精密VGF(垂直溫差梯度冷凝)單晶生長裝置的示意圖。
圖中燒焊處1 石英帽2 加熱元件3 晶體生長坩堝4 石英容器5熔體6 液—固分界線7 單晶體材料8 石墨墊9 熱電偶10 種晶壁11種晶12 陶瓷材料1具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的描述。
本發明所述精密VGF(垂直溫差梯度冷凝)單晶生長裝置可用于大部分III-V族和II-VI族化合物半導體單晶體材料的生長，比如大直徑砷化鎵，磷化銦，砷化銦，磷化鎵，銻化銦，硒化鎘，碲化鋅，等等。也可用于鍺和硅高質量的單晶體的生長。
根據圖2，用精密VGF(垂直溫差梯度冷凝)法生長單晶體的過程如下1、配料——將欲生長的單晶體材料按一定的晶向要求制成圓柱型的種晶12，并置于PBN生長坩堝4的下端(嘴子部位)。再將多晶材料(反應料)放入PBN生長坩堝4，同時加入少量的無水氧化硼作為防止熔體氧化的覆蓋劑。
2、封管——將上述PBN坩堝4及反應料等一起封入一個與PBN坩堝4相密合的石英容器5之中。石英容器5上端用一個相配的石英帽2蓋住，然后抽真空，再用氫—氧氣焊槍焊死該石英容器5的上端。
3、晶體生長——通過控制VGF爐第I、II、III、IV加熱區的溫度(例如砷化鎵一般在1220℃～1260℃之間)，使爐體自下而上形成一個溫度梯度均勻的環境，并使種晶12處于部分熔融狀態。然后從I和II加熱區開始讓溫度緩慢下降，讓晶體以極慢的速度自下而上的方向生長，直到整個熔體生長完畢。
以下為使用本發明的精密VGF晶體生長方法幾個具體實施例實施例之一無摻雜4英寸砷化鎵單晶體生長加入砷化鎵多晶原主料5.5公斤，第I溫區控制在1220℃，第II溫區1225℃，第III和第IV均為1260℃。晶體生長周期(升溫、熔化、生長、退火處理等)為五天。單晶體取出后檢查晶體，長度為100mm，無任何可見的晶體缺陷存在；400℃，5分鐘KOH腐蝕后的EDP值為2000/cm2左右，比通常的VGF生長法的晶體EPD(約5000/cm2)低60％。單晶體質量非常好。
實施例之二鐵摻雜4英寸磷化銦單晶體生長加入含有少量高純鐵的磷化銦多晶反應料4.8公斤，并加入少量紅磷保護反應氣氛。第I、II溫區控制在1030℃，第III和IV溫區控制1070℃左右。精密VGF爐放置在一個鋼瓶中，并充入20～30公斤/厘米2高純氮氣，以平衡磷化銦生長過程由于分解而產生的壓力。晶體經過5天左右的生長周期后，取出檢測。發現晶體長度約98mm，打磨后并用鹽酸腐蝕外觀后，無任何可見晶體缺陷存在。頭尾晶片經研磨后用溴水蝕刻，在50X顯微鏡下觀察EPD值為3000/cm2左右，比普通VGF法生產的磷化銦晶體(約為5000/cm2)低40％。
實施例之三摻砷4英寸單晶鍺生長加入含有少量高純砷的多晶鍺反應料約5.5公斤。第I、II溫區控制在920℃左右。第III、IV溫區在960℃左右。經過四天的生長周期，晶體取出作外觀檢查及EPD檢測。發現單晶鍺外觀非常完善，無任何可見晶體缺陷。頭尾晶片腐蝕后的EPD在100～200/cm2，比普通VGF生長的4英寸單晶鍺EDP(約300～500/cm2)低出50％以上。
從上述實施例的結果可知，使用本發明所制備出的單晶體比普通VGF(垂直溫差梯度冷凝)方法制備出的單晶體具有更優良的品質。
權利要求
1.一種精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，包括晶體生長坩堝、封裝坩堝的石英容器、密封石英帽、加熱裝置，其特征是所述加熱裝置的加熱元件沿坩堝的外部形狀均勻分布，從坩堝錐形轉換點開始，所述加熱元件貼近并沿著坩堝的錐體均勻分布，直到覆蓋放置種晶的坩堝嘴部位。
2.根據權利要求1所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，其特征是所述加熱元件沿著種晶向其下方延伸至少8英寸長。
3.根據權利要求2所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，其特征是沿所述坩堝的垂直方向側插入6～8支測溫熱電偶。
4.根據權利要求3所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，其特征是所述測溫熱電偶通過加熱元件與石英容器壁直接接觸。
5.根據權利要求4所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，其特征是所述測溫熱電偶每支沿垂直方向，相距1英寸間隔。
6.根據權利要求5所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，其特征是兩支熱電偶分別位于種晶的上端面和離上端面下方約1英寸的地方。
7.根據權利要求1或2所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，其特征是所述加熱元件是高溫鐵鉻鋁加熱條或電阻絲。
8.根據權利要求3至6中的任何一項所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長的裝置，其特征是所述測溫熱電偶是Pt-Rh/Pt S型熱電偶。
9.一種精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長方法，包括單晶體材料的種晶、多晶材料的反應料，經配料、封管和晶體生長過程制備而成，其特征是在精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長裝置中，沿晶體生長坩堝自下而上的溫度梯度ΔT在2～3℃/英寸之間，溫區間的溫度控制范圍的上限溫度與下限溫度的差值為40℃，晶體生長周期為4～5天。
10.根據權利要求9所述的精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長方法，其特征是在精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長裝置中，I、II、III、IV溫區沿加熱元件垂直的方向自下而上平均分布，所述種晶置于第II溫區下半部分，并位于第II溫區與第I溫區中心點之間，以便于控制種晶的部分熔融；通過控制精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長裝置的I、II、III、IV加熱區的溫度，使爐體自下而上形成一個溫度梯度均勻的環境，并使種晶處于部分熔融狀態，然后從I和II加熱區開始讓溫度緩慢下降，讓晶體以極慢的速度自下而上的方向生長，直到整個熔體生長完畢。
全文摘要
本發明公開了一種精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長裝置及方法，本發明中，其加熱裝置的加熱元件沿坩堝的外部形狀均勻分布，從坩堝錐形轉換點開始，加熱元件貼近并沿著坩堝的錐體均勻分布，直到覆蓋放置晶種的坩堝嘴部位，并使測溫熱電偶通過加熱元件與石英容器壁直接接觸。使用本精密垂直溫差梯度冷凝單晶體生長裝置，溫度梯度幅度更小，溫度測量精密更高，可以精密控制垂直溫差梯度冷凝單晶體生長，最大限度避免晶體可能的缺陷的發生，單晶體缺陷密度較普通垂直溫差梯度冷凝爐低50％以上，提高了晶體質量及產率。本發明適用于III－V或II－IV化合物半導體材料，比如砷化鎵、磷化銦、砷化銦、磷化鎵、銻化銦、硒化鎘、碲化鋅等等，及鍺和硅等單晶體的生長。
文檔編號C30B29/48GK1865527SQ20061006033
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月21日 優先權日2006年4月21日
發明者羅建國 申請人:羅建國