R-vgf法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出R-VGF法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝。即R-VGF（Rotation-VerticalGradientFreeze）法，是在VGF法單晶生長(zhǎng)工藝的基礎(chǔ)上，加入旋轉(zhuǎn)工藝，可獲得均勻分布的徑向溫場(chǎng)，有利于軸向溫場(chǎng)進(jìn)行有效散熱，從而獲得適宜高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的溫場(chǎng)環(huán)境；在升溫熔料階段，轉(zhuǎn)速1~20r/min，在晶體生長(zhǎng)降溫階段轉(zhuǎn)速1~10r/min。應(yīng)用R-VGF法生長(zhǎng)的化合物單晶，有利于提高組分均勻性，能有效降低孿晶、溶質(zhì)尾跡等缺陷的幾率；晶體位錯(cuò)密度得到有效降低，位錯(cuò)分布均勻，有效提高晶體質(zhì)量及成品率；此種單晶生長(zhǎng)方法有利于提高批量生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。
【專利說(shuō)明】R-VGF法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化合物半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)的工藝方法，具體涉及R-VGF法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]垂直梯度凝固法(Vertical Gradient Freeze,簡(jiǎn)稱VGF)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種單晶生長(zhǎng)方法，綜合了水平布里奇曼法(HB)和液封直拉法(LEC)的長(zhǎng)處，其生長(zhǎng)過(guò)程大致如下:將合成好的化合物半導(dǎo)體多晶、原料、密封劑以及籽晶裝入坩堝并密封在抽真空的安瓿瓶中(針對(duì)不同的材料，其坩堝、密封劑及密封裝置的選擇有所不同)，多溫區(qū)爐垂直放置，采用多溫區(qū)電阻絲加熱，安瓿瓶垂直放入多溫區(qū)爐中間。高溫下將多晶熔化后與籽晶進(jìn)行熔接，生長(zhǎng)過(guò)程中熱場(chǎng)由計(jì)算機(jī)精確控制，進(jìn)行升溫化料，溫度保持、緩慢降溫等，生長(zhǎng)界面由熔體下端逐漸向上移動(dòng)，在一定的溫度梯度下，單晶從籽晶端開始緩慢向上生長(zhǎng)。
[0003]裝有多晶料的坩堝托在基座的支撐下固定于多溫區(qū)爐中心位置，由于多溫區(qū)爐與安瓿瓶沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故必須保持基座、安瓿瓶、坩堝、多溫區(qū)爐的嚴(yán)格對(duì)中性，這在實(shí)際操作中并不容易實(shí)現(xiàn)；另外，生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶時(shí)，要求徑向溫場(chǎng)分布均勻?qū)ΨQ，軸向進(jìn)行有效散熱，從而獲得組分均勻、缺陷少且勻布的高質(zhì)量單晶，由于實(shí)際溫場(chǎng)的復(fù)雜性，存在傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流等多種傳熱方式，實(shí)際溫場(chǎng)不容易實(shí)現(xiàn)完全精確控制，VGF法單晶生長(zhǎng)工藝的缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:1) VGF法精度控制要求較高，控制難度較大；且由于實(shí)際設(shè)備的復(fù)雜性，晶體生長(zhǎng)情況常常不盡人意，實(shí)際單晶成品率不高。
[0004]2) VGF法中由于多溫區(qū)爐與安瓿瓶沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故必須保持安瓿瓶、坩堝、多溫區(qū)爐的嚴(yán)格對(duì)中性，這在實(shí)際操作中并不容易實(shí)現(xiàn)，且在批量生產(chǎn)過(guò)程中，不同設(shè)備的差異性較大，產(chǎn)品的一致性較差；
3)VGF法中晶體生長(zhǎng)過(guò)程沒(méi)有有效的成分均勻化手段，容易出現(xiàn)組分過(guò)冷、雜質(zhì)富集等異常生長(zhǎng)狀況，從而使單晶成品率不高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明旨在提出一種新的工藝，即R-VGF法，規(guī)避或減少VGF法的缺陷，提高晶體成品率，主要用于生長(zhǎng)高質(zhì)量的化合物半導(dǎo)體單晶。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是=R-VGF法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝，即R-VGF(Rotat1n-Vertical Gradient Freeze)法，是在VGF法單晶生長(zhǎng)工藝的基礎(chǔ)上，加入旋轉(zhuǎn)工藝，可獲得均勻分布的徑向溫場(chǎng)，有利于軸向溫場(chǎng)進(jìn)行有效散熱，從而獲得適宜高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的溫場(chǎng)環(huán)境；在升溫熔料階段，轉(zhuǎn)速f20r/min，在晶體生長(zhǎng)降溫階段轉(zhuǎn)速f 1r/min0
[0007] 上述方案中旋轉(zhuǎn)工藝包含有旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)裝置包括減速器，減速器通過(guò)聯(lián)軸器連接有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的上端面固定有緊固套，緊固套的上端套在坩堝托的下部，旋轉(zhuǎn)軸上安裝有軸承座及軸承；坩堝托內(nèi)安放坩堝，安瓿瓶罩在坩堝的外面。旋轉(zhuǎn)裝置在一定的旋轉(zhuǎn)法與多溫區(qū)爐體的溫場(chǎng)控制的配合下，有效抑制自然對(duì)流，獲得均勻分布的徑向溫場(chǎng)，同時(shí)有利于軸向溫場(chǎng)進(jìn)行有效散熱，使固液界面處雜質(zhì)及位錯(cuò)快速排出和均勻分布生長(zhǎng)，界面由熔體下端逐漸向上移動(dòng)，在一定的溫度梯度下，單晶11從籽晶端開始緩慢向上生長(zhǎng)，從而獲得適宜高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的環(huán)境。
[0008]本發(fā)明具有如下有益效果:應(yīng)用R-VGF法生長(zhǎng)化合物半導(dǎo)體單晶，由于加入了旋轉(zhuǎn)工藝，可保證安瓿瓶?jī)?nèi)部溫場(chǎng)的徑向?qū)ΨQ性，可獲得均勻分布的徑向溫場(chǎng)，且有利于軸向溫場(chǎng)進(jìn)行有效散熱，從而獲得適宜高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的溫場(chǎng)環(huán)境；另外，由于加入旋轉(zhuǎn)，加強(qiáng)了熔體的強(qiáng)迫對(duì)流，有利于摻雜劑的擴(kuò)散，可使組分快速均勻化，有效降低孿晶、溶質(zhì)尾跡等缺陷的幾率；晶體位錯(cuò)密度得到有效降低，位錯(cuò)分布均勻，有效提高晶體質(zhì)量及成品率；此種單晶生長(zhǎng)方法有利于提高批量生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。
[0009]【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】:
附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]附圖2是工藝曲線示意圖。
[0011]圖中1-減速器，2-聯(lián)軸器，3-軸承座，4-軸承，5-緊固套，6-坩堝托，7-坩禍，8-安瓶瓶,9-多溫區(qū)爐體，10-熔體，11-單晶，12-籽晶。
[0012]【具體實(shí)施方式】:
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明=R-VGF法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝，即R-VGF (Rotat1n-Vertical Gradient Freeze)法,是在VGF法單晶生長(zhǎng)工藝的基礎(chǔ)上，加入旋轉(zhuǎn)工藝，可獲得均勻分布的徑向溫場(chǎng)，有利于軸向溫場(chǎng)進(jìn)行有效散熱，從而獲得適宜高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的溫場(chǎng)環(huán)境；在升溫熔料階段，轉(zhuǎn)速f20r/min，在晶體生長(zhǎng)降溫階段轉(zhuǎn)速I~10r/mino
[0013]上述的旋轉(zhuǎn)工藝包含有旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)裝置中包括有減速器I，其中減速器I將原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制到裝置運(yùn)轉(zhuǎn)需要的轉(zhuǎn)速，聯(lián)軸器2將減速器I和緊固套5的軸連接起來(lái)，軸承座3為軸承4和緊固套5提供支撐；緊固套5上安放有坩堝托6，坩堝托6內(nèi)安放坩堝7，安瓿瓶8罩在坩堝7的外面；旋轉(zhuǎn)工藝與溫場(chǎng)控制的配合下，有效抑制自然對(duì)流，獲得均勻分布的徑向溫場(chǎng)，同時(shí)有利于軸向溫場(chǎng)進(jìn)行有效散熱，使固液界面處雜質(zhì)及位錯(cuò)快速排出和均勻分布生長(zhǎng)，界面由熔體10下端逐漸向上移動(dòng)，在一定的溫度梯度下，單晶11從籽晶12端開始緩慢向上生長(zhǎng)，從而獲得適宜高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的環(huán)境。應(yīng)用R-VGF法生長(zhǎng)單晶可使晶體位錯(cuò)密度得到有效降低，位錯(cuò)分布均勻，成分分布均勻，有效降低孿晶、溶質(zhì)尾跡等缺陷的幾率，有利于高質(zhì)量單晶的生長(zhǎng)。在升溫化料時(shí)開始加入旋轉(zhuǎn)工藝，有效進(jìn)行成分的均勻化，轉(zhuǎn)速f20r/min，在晶體生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)速f lOr/min。根據(jù)不同化合物的生長(zhǎng)情況及溫場(chǎng)控制情況進(jìn)行良好匹配。上述的聯(lián)軸器2為十字滑塊型型號(hào)為GH3-63-2525，減速器I為S 系列蝸輪蝸桿減速機(jī)，型號(hào)為 SF-47-YVP0.37-4P-54.59-M6-270。-Α-Φ25。
[0014]以砷化鎵單晶的生長(zhǎng)情況為例，在現(xiàn)有VGF法單晶生長(zhǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，在多溫區(qū)爐底部加入旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)設(shè)備可帶動(dòng)坩堝托6及密封安瓿瓶8 一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)軸與多溫區(qū)爐7中心軸重合，基于現(xiàn)行的VGF溫場(chǎng)控制法對(duì)其進(jìn)行溫度控制，晶體生長(zhǎng)程序經(jīng)過(guò)升溫化料、恒溫熔料、晶體生長(zhǎng)、降溫出爐四個(gè)階段，在升溫熔料階段進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速5r/min，待進(jìn)入降溫生長(zhǎng)階段，固液界面處溫度保持在1238°C左右，固液界面附近溫度梯度保持在5~10°C /cm,晶體生長(zhǎng)速率0.5~2mm/h。調(diào)整轉(zhuǎn)速為3r/min，直至降溫結(jié)束，停止旋轉(zhuǎn)，正常降溫。
[0015]對(duì)R-VGF法生長(zhǎng)的砷化鎵單晶進(jìn)行缺陷檢查及性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)獲得的砷化鎵單晶無(wú)孿晶缺陷，表觀狀況良好，位錯(cuò)分布均勻，位錯(cuò)密度為500個(gè)/mm2，單晶成品率大幅提高。
【權(quán)利要求】
1.一種R-VGF法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝，其特征在于:即R-VGF(Rotat1n-Vertical Gradient Freeze)法，是在VGF法單晶生長(zhǎng)工藝的基礎(chǔ)上，加入旋轉(zhuǎn)工藝，可獲得均勻分布的徑向溫場(chǎng)，有利于軸向溫場(chǎng)進(jìn)行有效散熱，從而獲得適宜高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)的溫場(chǎng)環(huán)境；在升溫熔料階段，轉(zhuǎn)速f20r/min，在晶體生長(zhǎng)降溫階段轉(zhuǎn)速f 1r/mir1
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的R-VGF法生長(zhǎng)高質(zhì)量化合物半導(dǎo)體單晶工藝，其特征在于:旋轉(zhuǎn)工藝 中包含有旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)裝置包括減速器(I )，減速器(I)通過(guò)聯(lián)軸器(2)連接有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的上端面固定有緊固套(5)，緊固套(5)的上端套在坩堝托(6)的下部，旋轉(zhuǎn)軸上安裝有軸承座(3)及軸承(4);坩堝托(6)內(nèi)安放坩堝(7)，安瓿瓶(8)罩在坩堝(7)的外面。
【文檔編號(hào)】C30B11/00GK104073872SQ201410293610
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】徐蘭蘭, 張學(xué)鋒, 王玉辰 申請(qǐng)人:大慶佳昌晶能信息材料有限公司