CN102766901A

CN102766901A - 实时可调温度梯度法生长大尺寸高温晶体的装置及方法

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Publication number: CN102766901A
Application number: CN2012102968978A
Authority: CN
Inventors: 黄小卫; 柳祝平
Original assignee: UNIONLIGHT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: UNIONLIGHT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-08-20
Also published as: CN102766901B

Abstract

本发明公开了一种实时可调温度梯度法生长晶体的装置及方法，其主要在四周保温筒的顶端部及底端部设有上保温罩，在四周保温筒的内部中心位置设有坩埚，在坩埚的底座上设有籽晶安装槽，在坩埚托座的底端部固定有坩埚托杆，在上保温罩上设有上生长梯度提供发热体，在下保温罩上设有下生长梯度提供发热体，在四周保温筒的筒侧壁上设有圆筒形高温环境提供发热体，圆筒形高温环境提供发热体套在坩埚的外部，穿过上保温罩并在上生长梯度提供发热体上中心位置从左向右均匀间隔设置若干个第一热电偶，穿过四周保温筒并在圆筒形高温环境提供发热体的筒侧壁上从上而下均匀间隔设置若干个第二热电偶。本发明可对整个温场的轴向和径向温度梯度真正做到实时可控调节，得到高质量的单晶。

Description

实时可调温度梯度法生长大尺寸高温晶体的装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体材料和晶体生长领域，本发明公开了一种实时可调温度梯度法生长晶体的装置，本发明还公开了一种实时可调温度梯度法生长晶体的方法。

背景技术

目前高温氧化物或氟化物晶体生长方法主要有提拉法、热交换法、坩埚下降法和温度梯度法等。

一、提拉法由Czochralski 于1918 年发明，故又称“丘克拉斯基法”，简称CZ 法，是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法，此法是由熔体生长单晶的一项最主要的方法。被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度、熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶，坩埚可以由高频感应或电阻加热。

该方法的优点是：

1、在生长过程中，可方便地观察晶体的生长状况；

2、晶体在熔体表面处生长，不与坩埚接触，能显著地减小晶体的应力，防止坩埚壁的寄生成核；

3、可以方便地运用定向籽晶和“缩颈”工艺，使“缩颈”后籽晶的位错大大减少，降低放肩后生长晶体的位错密度，从而提高晶体的完整性；

4、精确的控制晶体生长速度。

该方法的缺点是：

1、同等坩埚条件下，晶体较小，晶体直径不超过坩埚直径的50%；

2、由于梯度较大，生长界面过分的凸起，热应力大、位错增值引起位错密度过大，单晶性不好；

3、温度梯度大，能耗高。

二、热交换法（简称HEM 法）是一种为了生长大尺寸晶体而发明的晶体生长技术。1970年Schmid和Viechnicki首先运用热交换法生长出大块的蓝宝石晶体。其原理是利用热交换器来带走热量，使得晶体生长区内形成一下冷上热的纵向温度梯度，同时再藉由控制热交换器内气体流量(He冷却源)的大小以及改变加热功率的高低来控制此温度梯度，借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体的目的。

该方法的优点是：

1、温度梯度分布与重力场相反，坩埚、晶体和热交换器皆不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小，消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷；

2、晶体生长后仍保持在热区，控制氦气流量可使温度由结晶温度缓慢均匀降低，实现原位退火，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷；

3、同等坩埚条件下，能获得到坩埚直径90%左右的大直径晶体。

该方法的缺点是：

1、设备条件要求高，整个工艺复杂，晶体生长周期长、需要大量氦气作冷却剂，成本高；

2、温度梯度分布与重力场相反，不利于排杂；

3、晶体与坩埚接触，晶体的应力大，并容易寄生成核引起多晶;

4、晶体生长不能实时控制和观察；

5、生长界面过凸，热应力和位错过大。

三、坩埚下降法（Bridgman-stockbarger method）是将一个垂直放置的坩埚逐渐下降，使其通过一个温度梯度区(温度上高下低)，熔体自下而上凝固。通过坩埚和熔体之间的相对移动，形成一定的温度场，使晶体生长。温度梯度形成的结晶前沿过冷是维持晶体生长的驱动力。使用尖底坩埚可以成功得到单晶，也可以在坩埚底部放置籽晶。对于挥发性材料要使用密闭坩埚。

该方法的优点是：

1、坩埚封闭，可生产挥发性物质的晶体；

2、成分易控制；

3、同等坩埚条件下可生长大尺寸单晶，可以到90%坩埚直径；

4、晶体生长界面微凸、接近平界面较为理想；

5、可以精确控制晶体生长速度。

该方法的缺点是：

1、不宜用于负膨胀系数的材料，以及液体密度大于固体密度的材料；

2、由于坩埚作用，容易形成应力，寄生成核和污染；

3、不易于观察；

4、下降机构存在机械扰动。

四、温度梯度法（简称TGT法），又称导向温梯法，是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法，是我国上海光机所晶体研究室于九十年代末期发明的一种单晶生长方法。其装置采用钼坩埚、石墨发热体，坩埚底部中心有一籽晶槽，避免籽晶在化料时被熔化掉。温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。发热体为被上下槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安装在与水冷电极相连的石墨电极板上。板条上半部按一定规律打孔，以调节发热电阻使其通电后自上而下造成近乎线性温差。而发热体下半部温差通过石墨发热体与水冷电极板的传导来创造。

该方法的优点：

1、晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、晶体和发热体都不移动，这就避免了热对流和机械运动产生的熔体涡流；

2、晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区，这样就可以控制它的冷却速度，减少热应力；

3、晶体生长时，固-液界面处于熔体包围之中；这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在到达固-液界面以前可被熔体减少以致消除。

该方法的缺点：

1、温度梯度分布与重力场相反，不利于排杂；

2、晶体与坩埚接触，晶体的应力大，并容易寄生成核引起多晶；

3、晶体生长不能实时控制和观察；

4、生长界面过凸，热应力和位错过大。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种简单可靠、可控性强的实时可调温度梯度法生长晶体的装置。

本发明的另一目的是提供一种使用上述装置生长晶体的方法。

按照本发明提供的技术方案，所述实时可调温度梯度法生长晶体的装置，包括一个生长炉，在生长炉上设有抽真空接口，在生长炉内设有四周保温筒，在四周保温筒的顶端部设有上保温罩，在四周保温筒的底端部设有下保温罩，在四周保温筒的内部中心位置设有坩埚，坩埚的内壁底段为圆锥形，在坩埚的底座上设有籽晶安装槽，在坩埚的下方设有坩埚托座，坩埚放置在坩埚托座上，在坩埚托座的底端部固定有坩埚托杆，坩埚托杆内具有能通循环冷却水的通道，坩埚托杆滑动安装在下保温罩上，在上保温罩上设有上生长梯度提供发热体，上生长梯度提供发热体设置在上保温罩的下方，在下保温罩上设有下生长梯度提供发热体，下生长梯度提供发热体设置在下保温罩的上方，在四周保温筒的筒侧壁上设有圆筒形高温环境提供发热体，圆筒形高温环境提供发热体套在坩埚的外部，且圆筒形高温环境提供发热体、上生长梯度提供发热体、下生长梯度提供发热体均与坩埚呈同轴设置，穿过上保温罩并在上生长梯度提供发热体上中心位置从左向右均匀间隔设置若干个第一热电偶，穿过四周保温筒并在圆筒形高温环境提供发热体的筒侧壁上从上而下均匀间隔设置若干个第二热电偶，每个第二热电偶均沿着圆筒形高温环境提供发热体的直径方向布置。

使用上述装置进行生长晶体的方法包括如下步骤：

a、在坩埚的籽晶安装槽内安装定向籽晶，再将原料装入坩埚内，坩埚托杆内通入循环冷却水，生长炉内抽真空至1.0×10^-3~1.0×10^-4Pa后，圆筒形高温环境提供发热体通电，以2~5千瓦/小时的速率升温加热；

b、利用位于最下方的第二热电偶测量定向籽晶位置的温度，并利用第一热电偶测量整个温场的轴向温度梯度，利用第二热电偶测量整个温场的径向温度梯度；

c、当第二热电偶测量温度达到比晶体的熔点低200~300℃时，停止圆筒形高温环境提供发热体的升温，启动上生长梯度提供发热体与下生长梯度提供发热体；

d、上生长梯度提供发热体和下生长梯度提供发热体分别以1~2千瓦/小时和0.5~1千瓦/小时的速率继续加热，直到位于最下方的第二热电偶的测量温度为原料的熔点；

e、根据第一热电偶与第二热电偶的读数判断出温场的温度梯度，在保持位于最下方的第二热电偶测量温度不变的情况下，调整圆筒形高温环境提供发热体、上生长梯度提供发热体与下生长梯度提供发热体的相对功率比例，调节温场的轴向、径向温度梯度，直到适合晶体的生长；

f、将整个温场的轴向和径向温度梯度调节到适合晶体生长的最佳值恒温3~6小时，以100~300瓦/小时的速率同时降低上生长梯度提供发热体和下生长梯度提供发热体的功率，使得晶体生长界面缓慢均匀地向上生长梯度提供发热体方向推移，直至位于最上方的第二热电偶测量温度低于晶体的熔点；

g、晶体生长完毕后，调整上生长梯度提供发热体与下生长梯度提供发热体的相对加热功率，使第一热电偶与第二热电偶测量的温度温差最小或者整个温场的温度梯度为零；

h、同时以300~500瓦/小时同速率降低圆筒形高温环境提供发热体、上生长梯度提供发热体与下生长梯度提供发热体的功率，实现晶体的原位退火。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用圆筒形高温环境提供发热体、上生长梯度提供发热体和下生长梯度提供发热体3个发热体，可通过热电偶测量的温度对整个温场的轴向和径向温度梯度真正做到实时可控调节，可调节整个温场的温梯以适合晶体的生长，得到高质量的单晶；

2、本发明所提供的装置操作简单可靠、可控性强；

3、晶体生长过程中坩埚、晶体和发热体皆不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小，消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷。

4、晶体生长后仍保持在热区，调整上生长梯度提供发热体与下生长梯度提供发热体的相对加热功率，可进一步减少炉内温度梯度，甚至可将炉内温度梯度调整为零，即均匀温场，因此可有效实现原位退火，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷；

5、可使用封闭坩埚，用以生产高温挥发性强的晶体；

6、同等坩埚条件下可生长大尺寸晶体。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示：该实时可调温度梯度法生长晶体的装置，包括一个生长炉，在生长炉上设有抽真空接口，在生长炉内设有四周保温筒301，在四周保温筒301的顶端部设有上保温罩311，在四周保温筒301的底端部设有下保温罩312，在四周保温筒301的内部中心位置设有坩埚401，坩埚401的内壁底段为圆锥形，在坩埚401的底座上设有籽晶安装槽501，在坩埚401的下方设有坩埚托座601，坩埚401放置在坩埚托座601上，在坩埚托座601的底端部固定有坩埚托杆611，坩埚托杆611内具有能通循环冷却水的通道，坩埚托杆611滑动安装在下保温罩312上，在上保温罩311上设有上生长梯度提供发热体211，上生长梯度提供发热体211设置在上保温罩311的下方，在下保温罩312上设有下生长梯度提供发热体212，下生长梯度提供发热体212设置在下保温罩312的上方，在四周保温筒301的筒侧壁上设有圆筒形高温环境提供发热体201，圆筒形高温环境提供发热体201套在坩埚401的外部，且圆筒形高温环境提供发热体201、上生长梯度提供发热体211、下生长梯度提供发热体212均与坩埚401呈同轴设置，穿过上保温罩311并在上生长梯度提供发热体211上中心位置从左向右均匀间隔设置若干个第一热电偶101，穿过四周保温筒301并在圆筒形高温环境提供发热体201的筒侧壁上从上而下均匀间隔设置若干个第二热电偶111，每个第二热电偶111均沿着圆筒形高温环境提供发热体201的直径方向布置。

实施例1

用上述装置进行氟化钙晶体生长时温度梯度调节方法为：

在保持位于最下方的第二热电偶111测量温度和圆筒形高温环境提供发热体201功率不变的情况下，通过降低上生长梯度提供发热体211的功率，并提高下生长梯度提供发热体212的功率，可以降低轴向温度梯度；

在保持位于最下方的第二热电偶111测量温度和圆筒形高温环境提供发热体201功率不变的情况下，通过提高上生长梯度提供发热体211的功率，并降低下生长梯度提供发热体212的功率，可以提高轴向温度梯度；

在保持位于最下方的第二热电偶111测量温度不变的情况下，提高圆筒形高温环境提供发热体201功率，并适当同时降低上生长梯度提供发热体211与下生长梯度提供发热体212的功率，可以降低径向温度梯度；

在保持位于最下方的第二热电偶111测量温度不变的情况下，降低圆筒形高温环境提供发热体201功率，并适当同时提高上生长梯度提供发热体211与下生长梯度提供发热体212的功率，可以提高径向温度梯度。

其钼制坩埚401的尺寸为φ250mm×350mm，将氟化钙籽晶放入坩埚401的籽晶安装槽501中，将坩埚401置于坩埚托座601内，在坩埚401内放入氟化钙原料30Kg，氟化钙原料内含有重量百分含量为2%的氟化铅，坩埚托杆611内通入循环冷却水；钼坩埚401上方加盖钼坩埚盖以防止原料的挥发；打开真空系统对生长炉抽高真空，当生长炉内的真空度为1.0×10^-3~1.0×10^-4Pa后，圆筒形高温环境提供发热体201通电，圆筒形高温环境提供发热体201的升温速率为5千瓦/小时；当第二热电偶111测量温度达到1150℃时，停止圆筒形高温环境提供发热体201的升温，启动上生长梯度提供发热体211、下生长梯度提供发热体212继续升温，上生长梯度提供发热体211的升温速率为1.5千瓦/小时，下生长梯度提供发热体212的升温速率为 0.5千瓦/小时，直到位于最下方的第二热电偶111的测量温度达到1450℃；在保持位于最下方的第二热电偶111测量温度不变的情况下，调节圆筒形高温环境提供发热体201、上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的相对功率，使其整个温场的轴向和径向温梯达到氟化钙晶体生长的最佳值；恒温6小时，以100瓦/小时的速率降低上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的功率，直至位于最上方的第二热电偶111的测量温度低于1450℃；当晶体生长结束后，调节上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的功率，将炉内温度梯度调整为零，即均匀的温场，同时以400瓦/小时的同速率降低圆筒形高温环境提供发热体201、上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的功率，实现氟化钙晶体的原位退火。

经试验和检测证明：本发明方法生长的氟化钙晶体，具有大尺寸（直径大于200mm）、位错密度低（<10⁴cm^-2）、热应力小和均匀性好等特点。

实施例2

用上述装置进行蓝宝石晶体生长时温度梯度调节方法为：

其钼制坩埚401的尺寸为φ330mm×420mm，将蓝宝石籽晶放入坩埚401的籽晶安装槽501中，将坩埚401置于坩埚托座601内，在坩埚401内放入氧化铝原料85Kg，坩埚托杆611内通入循环冷却水；打开真空系统对生长炉抽高真空，当生长炉内的真空度为1.0×10^-3~1.0×10^-4Pa后，圆筒形高温环境提供发热体201通电，圆筒形高温环境提供发热体201的升温速率为4千瓦/小时；当第二热电偶111测量温度达到1850℃时，停止圆筒形高温环境提供发热体201的升温，启动上生长梯度提供发热体211、下生长梯度提供发热体212继续升温，上生长梯度提供发热体211的升温速率为1千瓦/小时，下生长梯度提供发热体212的升温速率为 0.5千瓦/小时，直到位于最下方的第二热电偶111的测量温度达到2050℃；在保持位于最下方的第二热电偶111测量温度不变的情况下，调节圆筒形高温环境提供发热体201、上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的相对功率，使其整个温场的轴向和径向温梯达到蓝宝石晶体生长的最佳值；恒温6小时，以200瓦/小时的速率降低上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的功率，直至位于最上方的第二热电偶111的测量温度低于2050℃；当晶体生长结束后，调节上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的功率，将炉内温度梯度调整为零，即均匀的温场，同时以400瓦/小时的同速率降低圆筒形高温环境提供发热体201、上生长梯度提供发热体211和下生长梯度提供发热体212的功率，实现蓝宝石晶体的原位退火。

经试验和检测证明：本发明方法生长的蓝宝石晶体，具有大尺寸（直径大于250mm）、位错密度低（<600cm^-2）、热应力小和均匀性好等特点。

Claims

1.一种实时可调温度梯度法生长晶体的装置，其特征是：包括一个生长炉，在生长炉上设有抽真空接口，在生长炉内设有四周保温筒（301），在四周保温筒（301）的顶端部设有上保温罩（311），在四周保温筒（301）的底端部设有下保温罩（312），在四周保温筒（301）的内部中心位置设有坩埚（401），坩埚（401）的内壁底段为圆锥形，在坩埚（401）的底座上设有籽晶安装槽（501），在坩埚（401）的下方设有坩埚托座（601），坩埚（401）放置在坩埚托座（601）上，在坩埚托座（601）的底端部固定有坩埚托杆（611），坩埚托杆（611）内具有能通循环冷却水的通道，坩埚托杆（611）滑动安装在下保温罩（312）上，在上保温罩（311）上设有上生长梯度提供发热体（211），上生长梯度提供发热体（211）设置在上保温罩（311）的下方，在下保温罩（312）上设有下生长梯度提供发热体（212），下生长梯度提供发热体（212）设置在下保温罩（312）的上方，在四周保温筒（301）的筒侧壁上设有圆筒形高温环境提供发热体（201），圆筒形高温环境提供发热体（201）套在坩埚（401）的外部，且圆筒形高温环境提供发热体（201）、上生长梯度提供发热体（211）、下生长梯度提供发热体（212）均与坩埚（401）呈同轴设置，穿过上保温罩（311）并在上生长梯度提供发热体（211）上中心位置从左向右均匀间隔设置若干个第一热电偶（101），穿过四周保温筒（301）并在圆筒形高温环境提供发热体（201）的筒侧壁上从上而下均匀间隔设置若干个第二热电偶（111），每个第二热电偶（111）均沿着圆筒形高温环境提供发热体（201）的直径方向布置。

2.使用权利要求1所述的装置生长晶体的方法包括如下步骤：

a、在坩埚（401）的籽晶安装槽（501）内安装定向籽晶，再将原料装入坩埚（401）内，坩埚托杆（611）内通入循环冷却水，生长炉内抽真空至1.0×10^-3~1.0×10^-4Pa后，圆筒形高温环境提供发热体（201）通电，以2~5千瓦/小时的速率加热；

b、利用位于最下方的第二热电偶（111）测量定向籽晶位置的温度，并利用第一热电偶（101）测量整个温场的轴向温度梯度，利用第二热电偶（111）测量整个温场的径向温度梯度；

c、当第二热电偶（111）测量温度达到比晶体的熔点低200~300℃时，停止圆筒形高温环境提供发热体（201）的升温，启动上生长梯度提供发热体（211）与下生长梯度提供发热体（212）；

d、上生长梯度提供发热体（211）和下生长梯度提供发热体（212）分别以1~2千瓦/小时和0.5~1千瓦/小时的速率继续加热，直到位于最下方的第二热电偶（111）的测量温度为原料的熔点，；

e、根据第一热电偶（101）与第二热电偶（111）的读数判断出温场的温度梯度，在保持位于最下方的第二热电偶（111）测量温度不变的情况下，调整圆筒形高温环境提供发热体（201）、上生长梯度提供发热体（211）与下生长梯度提供发热体（212）的相对功率比例，调节温场的轴向、径向温度梯度，直到适合晶体的生长，；

f、将整个温场的轴向和径向温度梯度调节到适合晶体生长的最佳值恒温3~6小时，以100~300瓦/小时的速率同时降低上生长梯度提供发热体（211）和下生长梯度提供发热体（212）的功率，使得晶体生长界面缓慢均匀地向上生长梯度提供发热体（211）方向推移，直至位于最上方的第二热电偶（111）测量温度低于晶体的熔点；

g、晶体生长完毕后，调整上生长梯度提供发热体（211）与下生长梯度提供发热体（212）的相对加热功率，使第一热电偶（101）与第二热电偶（111）测量的温度温差最小或者整个温场的温度梯度为零；

h、同时以300~500瓦/小时同速率降低圆筒形高温环境提供发热体（201）、上生长梯度提供发热体（211）与下生长梯度提供发热体（212）的功率，实现晶体的原位退火。