CN102161564A - 砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，其特征在于：它包括石英坩埚体，石英坩埚体的下部为漏斗状的肩部和封闭式的底部细管，所述的石英坩埚体由双料壁石英玻璃管制成；所述的双料壁石英玻璃管的管壁由具有区别掺杂原素的二氧化硅材料制成的外壁层和内壁层构成。本发明还公开了双料壁石英坩埚的制备方法。本发明在内外壁层料的掺杂了合适的元素及其配比，并在外壁原料中掺杂了方英石使得其在做成石英坩埚时在外壁上能形成一层致密微小的白矽石结晶，这种微小的白矽石结晶很难被溶液渗入而剥落，即使剥落也很快被溶液溶解掉，因此可以大幅度的改善石英坩埚的使用寿命及长晶良率。

Description

砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石英坩埚及其制备方法，特别是一种砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚及其制备方法。

背景技术

石英玻璃管是用二氧化硅制造的特种工业技术玻璃，是一种非常优良的基础材料，它具有一系列优良的物理、化学性能。现有技术中的连熔炉生产的石英玻璃管的整体内、外壁材料均相同，因此不能适应一些特殊的应用要求。

砷化镓（GaAs）材料是目前生产量最大、应用最广泛，因而也是最重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其优越的性能和能带结构，使砷化镓（GaAs）材料在微波器件和发光器件等方面具有很大发展潜力。是一种直接带隙半导体材料，禁带宽度1.424eV，远大于锗的0.67 eV和硅的1.12 eV ，可以制作出 870nm 波长近红外光发光管。直接带隙、消耗功率低等特性，电子迁移率约为硅材料的5.7倍，介电常数小，能引入深能级杂质、电子有效质量小，能带结构特殊，可作磊晶片。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件多用於光电元件和高频通讯用元件。如WLAN、WLL、光纤通讯、卫星通讯、LMDS、VSAT等微波通讯上。

现有技术中的普通石英玻璃管用于制造砷化镓晶体生长用器具材料时，存在使用寿命短、长晶良率低、器具强度低，并存在高温软化现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用材更为合理、使用寿命长、长晶良率高、器具强度高的砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚。

本发明所要解决的另一个技术问题的它还提供了上述砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚的制备方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，其特点是：它包括石英坩埚体，石英坩埚体的下部为漏斗状的肩部和封闭式的底部细管，所述的石英坩埚体由双料壁石英玻璃管制成；所述的双料壁石英玻璃管的管壁由外壁层和内壁层构成，所述的内壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al   6.0-7.0；       B   0.01-0.04；        Ca    0.1-0.5；

Cr     0.001-0.003；   Cu 0.0005-0.002；    Fe  0.001-0.03；

K       0.01-0.04；     Li   0.005-0.02；      Mg     0.005-0.02；

Mn  0.005-0.02；  Na    0.01-0.03；         Ni       0.005-0.02；

P  0.01-0.05      Ti   0.5-1.2 ；          Zr   0.01-0.10；

所述的外壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al  10-16.2；        B      0.06-0.08；          Ca      0.1-0.5；

Cr  0.03-0.05；      Cu   0.03-0.05；         Fe       0.20-0.23；

K   0.20-0.60；      Li   0.50-0.90；         Mg   0.03-0.05；

Mn      0.03-0.05；      Na     0.5-0.9；             Ni 0.03-0.05；

P  0.08-0.10；      Ti   1.2-1.3；            Zr   1.0-1.3；

外壁层的二氧化硅材料中还含有100-200PPM的白矽石。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，其特点是：所述的双料壁石英玻璃管的制备方法是：在石英连熔炉钨坩埚内放置一经高温镀钨铼处理的钼坩埚，通过连熔炉的外层料加料器和内层料加料器分别将外壁层二氧化硅材料、内壁层二氧化硅材料加至钨坩埚、钼坩埚中，拉制成型制得外壁层二氧化硅材料在外、内壁层二氧化硅材料在内的双料壁石英玻璃管。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本发明还公开了一种如以上技术方案所述的砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚的制备方法，其特点是，其步骤如下：

（1）   管材准备：按工艺要求将所需管径的双料壁石英玻璃管进行切割，切成所需长度的石英玻璃管坯，然后进行清洗和烘干处理；

（2）   石英坩埚体成型：采用石英玻璃加工用自动成型机，将石英玻璃管坯卡入自动成型机的左卡头并置于吹吸气管座内，启动自动成型机，大火焰点燃，烧熔，右卡头闭合卡住石英玻璃管坯并向右拉伸，使肩部成型；同时火头架左右摆动并按底部细管生长方向向右移动，快速拉伸拉断，底部细管封闭，吹吸气，底部细管成型，大火焰关闭；右卡头开，弃废管头经滑道滑至废料箱；右卡头闭合，左卡头开，将石英玻璃管坯从吹吸气管座拉出，左卡头闭合，右卡头开，开小火焰烧细管进行退火去应力，开大火焰烧石英玻璃管坯的大管端进行旋转退火去应力，即得石英坩埚体；

（3）   按长度要求对石英坩埚体进行切割，离子水清洗、烘干，即得。

本发明方法中所述的石英玻璃加工用自动成型机可以采用现有技术中公开的任何一种自动成型机，也可以采用市售石英玻璃加工用自动成型机。

本发明砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，其外壁层料的二氧化硅的含量可以达到99.99%左右，内壁层料的二氧化硅含量可以达到99.999%。本发明在内外壁层料的掺杂了合适的元素及其配比，特别是在外壁原料中掺杂了100-200PPM的白矽石（也即方英石(Cristobalite)，一种结晶度低的二氧化硅），使得其在做成石英坩埚时在外壁上能形成一层致密微小的白矽石结晶，这种微小的白矽石结晶很难被溶液渗入而剥落，即使剥落也很快被溶液溶解掉，因此可以大幅度的改善石英坩埚的使用寿命及长晶良率。另外，本发明材料的应用还可以增加石英坩埚的强度，减少其高温软化现象。

本发明石英坩埚在应用时，将PBN热解氮化硼坩埚置入密封的本发明生长坤化镓(GaAs)的真空石英坩埚环境中（加入封帽和支承件）。本发明石英坩埚可以将PBN热解氮化硼坩埚支承固定，解决PBN热解氮化硼坩埚性脆易碎、强度不够、石英玻璃坩埚又不能直接接触坤化镓(GaAs)单晶晶体的问题。由于坤化镓(GaAs)的生长对下部凝结区的温度要求较严，石英坩埚底部细管即籽晶部位的轴向和径向尺寸要求相当的苛刻，由于石英坩埚是要求内腔形状，但是内形又无法使用定型模具，内部形状很难控制，PBN热解氮化硼坩埚的外肩部靠近小直径的三分之一处环形部位必须和石英坩埚的内形腔相应部位接触良好，且四周的径向尺寸要一致，PBN热解氮化硼坩埚和石英钟坩埚要有很好的同轴度，如尺寸不符合要求，坤化镓(GaAs)单晶位错率就高，重者将使产品不合格，而采用本发明方法制备的石英坩埚的内腔型状完全可以达到用VGF（Vertical Gradient Freeze）垂直梯度凝固法生长技术生长半导体坤化镓(GaAs)单晶的要求。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1。一种砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，它包括石英坩埚体，石英坩埚体的下部为漏斗状的肩部和封闭式的底部细管，所述的石英坩埚体由双料壁石英玻璃管制成；所述的双料壁石英玻璃管的管壁由外壁层和内壁层构成，所述的内壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al   6.0；       B   0.01；        Ca    0.1；

Cr   0.001；   Cu 0.0005；         Fe  0.001；

K   0.01；     Li     0.005；         Mg 0.005；

Mn    0.005；  Na 0.01；           Ni  0. 005；

P     0.01      Ti      0.5 ；            Zr   0.01；

所述的外壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al    10；        B   0.06；          Ca        0.1；

Cr   0.03；      Cu 0.03；           Fe     0.20；

K     0.20；      Li   0.50；         Mg   0.03；

Mn  0.03；      Na   0.5；             Ni  0.03；

P   0.08；      Ti     1.2；               Zr   1.0；

外壁层的二氧化硅材料中还含有100PPM的白矽石。

实施例2。一种砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，它包括石英坩埚体，石英坩埚体的下部为漏斗状的肩部和封闭式的底部细管，所述的石英坩埚体由双料壁石英玻璃管制成；所述的双料壁石英玻璃管的管壁由外壁层和内壁层构成，所述的内壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al   7.0；       B   0.04；          Ca    0.5；

Cr   0.003；     Cu       0.002；          Fe  0.03；

K   0.04；      Li   0.02；           Mg      0.02；

Mn    0.02；     Na  0.03；           Ni     0.02；

P     0.05       Ti    1.2 ；            Zr   0.10；

所述的外壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al    16.2；        B      0.08；           Ca        0.5；

Cr   0.05；       Cu   0.05；          Fe     0.23；

K     0.60；      Li    0.90；              Mg          0.05；

Mn  0.05；      Na   0.9；             Ni  0.05；

P   0.10；      Ti    1.3；             Zr   1.3；

外壁层的二氧化硅材料中还含有 200PPM的白矽石。

实施例3。一种砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，它包括石英坩埚体，石英坩埚体的下部为漏斗状的肩部和封闭式的底部细管，所述的石英坩埚体由双料壁石英玻璃管制成；所述的双料壁石英玻璃管的管壁由外壁层和内壁层构成，所述的内壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al   6.5；       B   0.02；        Ca    0.2；

Cr   0.002；      Cu      0.001；        Fe 0.002；

K   0.02；       Li 0.01；        Mg     0.01；

Mn    0.01；      Na 0.02；         Ni    0.01；

P     0.02      Ti      0.8 ；          Zr   0.05；

所述的外壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al    14；        B   0.07；          Ca        0.3；

Cr   0.04；      Cu 0.04；           Fe     0.22；

K     0.404；      Li   0.70；            Mg     0.04；

Mn  0.04；      Na   0.7；           Ni   0.04；

P   0.09；      Ti     1.25；            Zr   1.15；

外壁层的二氧化硅材料中还含有150PPM的白矽石。

实施例4。实施例1或2或3所述的砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚中，所述的双料壁石英玻璃管的制备方法是：在石英连熔炉钨坩埚内放置一经高温镀钨铼处理的钼坩埚，通过连熔炉的外层料加料器和内层料加料器分别将外壁层二氧化硅材料、内壁层二氧化硅材料加至钨坩埚、钼坩埚中，拉制成型制得外壁层二氧化硅材料在外、内壁层二氧化硅材料在内的双料壁石英玻璃管。

实施例5。一种如实施例1-4所述的砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚的制备方法，其步骤如下：

（1）   管材准备：按工艺要求将所需管径的双料壁石英玻璃管进行切割，切成所需长度的石英玻璃管坯，然后进行清洗和烘干处理；

（2）   石英坩埚体成型：采用石英玻璃加工用自动成型机，将石英玻璃管坯卡入自动成型机的左卡头并置于吹吸气管座内，启动自动成型机，大火焰点燃，烧熔，右卡头闭合卡住石英玻璃管坯并向右拉伸，使肩部成型；同时火头架左右摆动并按底部细管生长方向向右移动，快速拉伸拉断，底部细管封闭，吹吸气，底部细管成型，大火焰关闭；右卡头开，弃废管头经滑道滑至废料箱；右卡头闭合，左卡头开，将石英玻璃管坯从吹吸气管座拉出，左卡头闭合，右卡头开，开小火焰烧细管进行退火去应力，开大火焰烧石英玻璃管坯的大管端进行旋转退火去应力，即得石英坩埚体；

（3）按长度要求对石英坩埚体进行切割，离子水清洗、烘干，即得。

Claims (3)

1.一种砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，其特征在于：它包括石英坩埚体，石英坩埚体的下部为漏斗状的肩部和封闭式的底部细管，所述的石英坩埚体由双料壁石英玻璃管制成；所述的双料壁石英玻璃管的管壁由外壁层和内壁层构成，所述的内壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al   6.0-7.0；       B   0.01-0.04；        Ca    0.1-0.5；

Cr    0.001-0.003；   Cu 0.0005-0.002；    Fe  0.001-0.03；

K     0.01-0.04；     Li 0.005-0.02；      Mg     0.005-0.02；

Mn  0.005-0.02；  Na  0.01-0.03；         Ni      0.005-0.02； 

P   0.01-0.05      Ti 0.5-1.2 ；          Zr   0.01-0.10；

所述的外壁层由含有以下掺杂原素的二氧化硅材料制成，单位：PPM，

Al  10-16.2；        B     0.06-0.08；          Ca      0.1-0.5；

Cr  0.03-0.05；      Cu  0.03-0.05；         Fe      0.20-0.23；

K   0.20-0.60；      Li   0.50-0.90；         Mg  0.03-0.05；

Mn  0.03-0.05；      Na    0.5-0.9；             Ni  0.03-0.05；

P    0.08-0.10；      Ti 1.2-1.3；            Zr   1.0-1.3；

外壁层的二氧化硅材料中还含有100-200PPM的白矽石。

2.根据权利要求1所述的砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚，其特征在于：所述的双料壁石英玻璃管的制备方法是：在石英连熔炉钨坩埚内放置一经高温镀钨铼处理的钼坩埚，通过连熔炉的外层料加料器和内层料加料器分别将外壁层二氧化硅材料、内壁层二氧化硅材料加至钨坩埚、钼坩埚中，拉制成型制得外壁层二氧化硅材料在外、内壁层二氧化硅材料在内的双料壁石英玻璃管。

3.一种如权利要求1或2所述的砷化镓晶体生长用双料壁石英坩埚的制备方法，其特征在于，其步骤如下：

（1）管材准备：按工艺要求将所需管径的双料壁石英玻璃管进行切割，切成所需长度的石英玻璃管坯，然后进行清洗和烘干处理；

（2）石英坩埚体成型：采用石英玻璃加工用自动成型机，将石英玻璃管坯卡入自动成型机的左卡头并置于吹吸气管座内，启动自动成型机，大火焰点燃，烧熔，右卡头闭合卡住石英玻璃管坯并向右拉伸，使肩部成型；同时火头架左右摆动并按底部细管生长方向向右移动，快速拉伸拉断，底部细管封闭，吹吸气，底部细管成型，大火焰关闭；右卡头开，弃废管头经滑道滑至废料箱；右卡头闭合，左卡头开，将石英玻璃管坯从吹吸气管座拉出，左卡头闭合，右卡头开，开小火焰烧细管进行退火去应力，开大火焰烧石英玻璃管坯的大管端进行旋转退火去应力，即得石英坩埚体；

（3）按长度要求对石英坩埚体进行切割，离子水清洗、烘干，即得。