CN105951170A - 锗单晶生长炉及基于生长炉的锗单晶生长温度控制方法 - Google Patents

锗单晶生长炉及基于生长炉的锗单晶生长温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新材料制备技术领域，具体为一种锗单晶生长炉及基于生长炉的锗单晶生长温度控制方法，该装置垂直固定在底座上，其特征在于该生长炉采用圆柱形不锈钢炉体，炉体侧壁自下而上设置若干个加热电极，沿炉体内侧设置环形的保温材料；沿炉体中轴底部设置支撑系统，支撑系统上架设石英异型管，石英异型管内自下而上依次设置下层坩埚、中环、上层坩埚以及封帽，石英异型管上方覆盖石英棉。生长炉针对8英寸锗单晶生长特点，结构精妙，温区设计合理。

Description

锗单晶生长炉及基于生长炉的锗单晶生长温度控制方法
技术领域
本发明涉及一种新材料制备技术领域，具体为锗单晶生长炉及基于生长炉的锗单晶生长温度控制方法。
背景技术
锗是稀有金属元素，在自然界中储量稀少且分布分散，由于锗所具有半导体特性，其应用基本在高科技领域，电子、光导纤维、红外光学、半导体材料等行业，由此而成为当今世界上非常重要的战略物资。目前全世界锗的年产量大约在200吨左右，我国是锗的主要生产国之一，总量在100吨左右，约占世界生产总量的50%。随着科学技术的发展，其用途不断扩展，现在广泛用于军事、航天、通讯、医药等各个领域，诸如电子工业、红外及红外光学、光导纤维、超导材料、光导材料、锗合金等各方面都需要锗。
近年来，锗衬底化合物半导体叠层电池因其高效率、高电压和高温特性好等优点，广泛应用于空间卫星太阳能电池、国防边远山区雷达站、微波通讯站。锗衬底生长Ⅲ-Ⅴ化合物薄膜太阳能电池可实用的最高转换效率为28%-32%。超低位错密度、低晶片残留应力、高平整度的锗单晶是研制卫星太阳能电池重要衬底材料。
要想获得如此高纯度的锗单晶，主要的制备技术是水平布里奇曼方法（HB）、直拉方法（CZ）、垂直梯度凝固法（VGF）等方法。
VGF法（垂直梯度凝固法）由于生长单晶时温度梯度较低，生长速率较小，目前已成为生长大直径、低位错密度晶体的主流技术之一。在VGF法生长晶体工艺过程中，锗单晶生长炉的设计需要充分考虑到温度控制、锗单晶炉内系统位置、温场与炉内系统衔接问题，国内尚无8英寸VGF锗晶体生长技术。
发明内容
针对现有的锗单晶炉存在生产效率低下，炉内温度控制不精准的问题，本发明提出一种锗单晶生长炉及基于生长炉的锗单晶生长温度控制方法。
本发明的锗单晶生长炉，垂直固定在底座上，其特征在于该生长炉采用圆柱形不锈钢炉体，炉体侧壁自下而上设置若干个加热电极，沿炉体内侧设置环形的保温材料；沿炉体中轴底部设置支撑系统，支撑系统上架设石英异型管，石英异型管内自下而上依次设置下层坩埚、中环、上层坩埚以及封帽，石英异型管上方覆盖石英棉。
所述的石英异型管底部封闭，下部为漏斗形，上部为筒形，顶部开口；下层坩埚和上层坩埚均为漏斗形，底部设置细管；中环由石英外环、石英斜面和石英横杆组成，石英斜面放置于石英外环内，石英斜面上设置石英横杆，石英横杆支撑在石英异型管内壁用于固定。
所述的支撑系统采用不同口径的圆柱形石英环同心放置，石英环间填充石英棉，石英异型管的漏斗形以及下层坩埚底部的细管位于支撑系统内，使石英异型管摆放稳固，更有利于温度控制，把控细管内的籽晶状态。
所述的加热电极设置七个，加热电极将炉体分隔为六个温区，在各个温区分别设置用于监测温度的热点偶；支撑系统位于第一温区至第三温区，下层坩埚位于第三温区至第四温区，上层坩埚位于第四温区至第五温区。
所述的加热电极距炉底的高度分别为15-30cm、25-40cm、40-60cm、65-85cm、80-100cm、90-110cm以及95-115cm；所述的支撑系统距炉底高度为45-80cm，下层坩埚及上层坩埚长度为16-26cm。
一种基于生长炉的锗单晶生长温度控制方法，包括升温熔料、籽晶熔接，晶体生长，晶体冷却四个阶段，其特征在于各阶段各温区温度独立控制，其中：
升温熔料阶段，时长为22-26小时，恒定温度，第一温区为880-910℃，第二温区为890-920℃，第三温区900-930℃，第四温区940-970℃，第五温区940-970℃，第六温区940-970℃；
籽晶熔接阶段，时长为22-26小时，恒定温度，第一温区为920-940℃，第二温区为930-945℃，第三温区930-960℃，第四温区950-970℃，第五温区950-980℃，第六温区950-980℃；
晶体生长阶段，阶段式小幅度降温，240-260小时后第一温区为780-820℃，第二温区为820-860℃，第三温区830-870℃，第四温区850-910℃，第五温区890-930℃，第六温区910-940℃；
晶体冷却阶段，36小时内阶段式大幅度降温冷却至常温。
使用时，将锗籽晶置于下层坩埚底部的细管内，然后分别在上层坩埚及下层坩埚内放入区熔锗锭，同时加入其他掺杂物如高纯镓、三氧化二硼，然后将石英封帽盖在石英管顶部，然后对石英异型管进行抽真空，达到合适的真空后，再对石英异型管进行加热、恒温以及冷却等过程，区熔锗锭熔化后由上层坩埚流入下层坩埚内完成单晶生长。本发明采用的石英异型管在锗单晶生长完成后退火降温，将石英异型管取出敲碎，得到锗晶锭，石英斜面和石英横杆可以取出重复利用。
温度是VGF法锗单晶生长中最重要变量，直接影响锗单晶生长的质量。本发明的锗单晶生长炉，通过对炉体温区的设置，能够精准控制各个温区锗单晶生长过程中升温熔料阶段、籽晶熔接阶段、晶体生长阶段和晶体冷却阶段的温度，可以形成8英寸锗单晶，打破了国外对我国8英寸锗单晶生长的技术封锁。
众所周知，现在国内VGF法锗单晶生长主要为4英寸和6英寸，8英寸生长工艺还属于空白领域，并且由于温场控制对晶体生长的影响，单晶的尺寸越大越难成晶。本发明设计的6个温区分布合理，并且6个温区与支撑系统、石英异型管、上下坩埚位置相互配套，能够精确控制籽晶熔接和晶体生长。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，炉体1，加热电极2，支撑系统3，石英异型管4，热电偶5，下层坩埚4-1，中环4-2，上层坩埚4-3，封帽4-4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的锗单晶生长炉进行说明。
实施例1：本发明的锗单晶生长炉，垂直固定在底座上，其特征在于该生长炉采用圆柱形不锈钢炉体1，炉体1侧壁自下而上设置若干个加热电极2，沿炉体1内侧设置环形的保温材料；沿炉体1中轴底部设置支撑系统3，支撑系统3上架设石英异型管4，石英异型管4内自下而上依次设置下层坩埚、中环、上层坩埚以及封帽，石英异型管4上方覆盖石英棉。
所述的石英异型管4底部封闭，下部为漏斗形，上部为筒形，顶部开口；下层坩埚和上层坩埚均为漏斗形，底部设置细管；中环由石英外环、石英斜面和石英横杆组成，石英斜面放置于石英外环内，石英斜面上设置石英横杆，石英横杆支撑在石英异型管4内壁用于固定。
所述的支撑系统3采用不同口径的圆柱形石英环同心放置，石英环间填充石英棉，石英异型管4的漏斗形以及下层坩埚底部的细管位于支撑系统3内，使石英异型管4摆放稳固，更有利于温度控制，把控细管内的籽晶状态。
所述的加热电极2设置七个，加热电极2将炉体1分隔为六个温区，在各个温区分别设置用于监测温度的热点偶；支撑系统3位于第一温区至第三温区，下层坩埚位于第三温区至第四温区，上层坩埚位于第四温区至第五温区。
所述的加热电极2距炉底的高度分别为15cm、25cm、40cm、65cm、80cm、90cm以及95cm；所述的支撑系统3距炉底高度为45，下层坩埚及上层坩埚长度为26cm。
锗单晶生长温度控制方法，包括升温熔料、籽晶熔接，晶体生长，晶体冷却四个阶段，其特征在于各阶段各温区温度独立控制，其中：
升温熔料阶段，时长为22-26小时，恒定温度，第一温区为880-910℃，第二温区为890-920℃，第三温区900-930℃，第四温区940-970℃，第五温区940-970℃，第六温区940-970℃；
籽晶熔接阶段，时长为22-26小时，恒定温度，第一温区为920-940℃，第二温区为930-945℃，第三温区930-960℃，第四温区950-970℃，第五温区950-980℃，第六温区950-980℃；
晶体生长阶段，阶段式小幅度降温，240-260小时后第一温区为780-820℃，第二温区为820-860℃，第三温区830-870℃，第四温区850-910℃，第五温区890-930℃，第六温区910-940℃；
晶体冷却阶段，36小时内阶段式大幅度降温冷却至常温。

Claims (6)

1.锗单晶生长炉，垂直固定在底座上，其特征在于该生长炉采用圆柱形不锈钢炉体(1)，炉体(1)侧壁自下而上设置若干个加热电极(2)，沿炉体(1)内侧设置环形的保温材料；沿炉体(1)中轴底部设置支撑系统(3)，支撑系统(3)上架设石英异型管(4)，石英异型管(4)内自下而上依次设置下层坩埚、中环、上层坩埚以及封帽，石英异型管(4)上方覆盖石英棉。
2.如权利要求1所述的锗单晶生长炉，其特征在于石英异型管(4)底部封闭，下部为漏斗形，上部为筒形，顶部开口；下层坩埚和上层坩埚均为漏斗形，底部设置细管；中环由石英外环、石英斜面和石英横杆组成，石英斜面放置于石英外环内，石英斜面上设置石英横杆，石英横杆支撑在石英异型管(4)内壁用于固定。
3.如权利要求1所述的锗单晶生长炉，其特征在于支撑系统(3)采用不同口径的圆柱形石英环同心放置，石英环间填充石英棉，石英异型管(4)的漏斗形以及下层坩埚底部的细管位于支撑系统(3)内，使石英异型管(4)摆放稳固，更有利于温度控制，把控细管内的籽晶状态。
4.如权利要求1所述的锗单晶生长炉，其特征在于加热电极(2)设置七个，加热电极(2)将炉体(1)分隔为六个温区，在各个温区分别设置用于监测温度的热点偶；支撑系统(3)位于第一温区至第三温区，下层坩埚位于第三温区至第四温区，上层坩埚位于第四温区至第五温区。
5.如权利要求(4)所述的锗单晶生长炉，其特征在于加热电极(2)距炉底的高度分别为15-30cm、25-40cm、40-60cm、65-85cm、80-100cm、90-110cm以及95-115cm；所述的支撑系统(3)距炉底高度为45-80cm，下层坩埚及上层坩埚长度为16-26cm。
6.基于锗单晶生长炉的锗单晶生长温度控制方法，包括升温熔料、籽晶熔接，晶体生长，晶体冷却四个阶段，其特征在于各阶段各温区温度独立控制，其中：
升温熔料阶段，时长为22- 26小时，恒定温度，第一温区为880-910℃，第二温区为890-920℃，第三温区900-930℃，第四温区940-970℃，第五温区940-970℃，第六温区940-970℃；
籽晶熔接阶段，时长为22-26小时，恒定温度，第一温区为920-940℃，第二温区为930-945℃，第三温区930-960℃，第四温区950-970℃，第五温区950-980℃，第六温区950-980℃；
晶体生长阶段，阶段式小幅度降温，240-260小时后第一温区为780-820℃，第二温区为820-860℃，第三温区830-870℃，第四温区850-910℃，第五温区890-930℃，第六温区910-940℃；
晶体冷却阶段，36小时内阶段式大幅度降温冷却至常温。
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