CN108166059A - 一种氮化铝衬底制备及扩径生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化铝衬底制备及扩径生长方法，该方法方法主要包括有：元晶制备、元晶粘结、元晶组固化、衬底epi‑ready级加工、衬底高温预处理以及模板生长等步骤。本申请的方法能够克服氮化铝单晶生长过程中衬底匮乏、衬底质量差等问题，氮化铝同质衬底晶体生长不限于晶体炉类型，尤其可以用于制备高质量氮化铝体晶体诸如钨网炉等金属加热‑保温结构的单晶炉中。以本发明方法可以制造大尺寸、高品质的氮化铝体单晶。

Description

一种氮化铝衬底制备及扩径生长方法

技术领域

本发明涉及氮化铝衬底的制造、氮化铝晶体的扩径领域，具体涉及一种氮化铝衬底制备及扩径生长方法。

背景技术

氮化铝晶体材料是光电半导体材料中的重要化合物之一，因其具备良好的理化性能业已引起科研机构的相续关注，随着国家对半导体行业的加大投入，氮化铝晶体材料的研究结构呈现递增趋势。

尽管氮化铝晶体材料具有广泛的应用前景，但由于氮化铝晶体材料的本征因素，使得氮化铝晶体材料的制备技术进展缓慢，其中最重要的一项因素就是缺乏氮化铝衬底，无法实现氮化铝晶体材料的自繁衍生长。

在异质模板衬底方面，具有同样纤锌矿结构的碳化硅单晶片与氮化铝晶体的失配度最小，但碳化硅晶片作为氮化铝单晶生长用衬底时，晶体生长温度不宜过高，温度的升高增加了碳化硅衬底的热解程度，该现象会提高碳化硅模板衬底失效几率，最终因模板衬底失效而导致沉积层向多晶演变。同时碳化硅模板衬底的应用也限制了晶体生长用炉子范围，碳化硅热解挥发容易引起严重的污染，若采用诸如钨网炉等金属加热、保温结构的炉子时，则极大降低炉子的寿命；而采用中频炉生长氮化铝晶体材料时容易引入非故意掺杂元素，此进一步降低氮化铝晶体材料的晶体质量，缺陷、位错的增加及光透过率的降低使得氮化铝晶体材料难以满足光电材料的应用要求。

为了克服异质衬底不能满足氮化铝晶体材料制造工艺的需求，亟需氮化铝同质模板衬底开展氮化铝晶体材料的研制工作，为此，通过元晶的有序组合形成元晶组，再将元晶组进行加工处理，最终获得了氮化铝晶体材料生长用同质衬底材料；同时也开辟了氮化铝晶体材料晶向尺寸不易扩大生长的难题；氮化铝模板衬底可以用于中频炉高温生长，尤其可以用在包括钨网炉在内的金属加热器炉子中开展氮化铝晶体材料生长实验，该方法可以有效提高晶体质量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氮化铝衬底制备及扩径生长方法，该方法能够克服氮化铝单晶生长过程中衬底匮乏、衬底质量差等问题，氮化铝同质衬底晶体生长不限于晶体炉类型，尤其可以用于制备高质量氮化铝体晶体诸如钨网炉等金属加热-保温结构的单晶炉中。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种氮化铝衬底制备及扩径生长方法，所述方法包括如下步骤：

1)元晶制备：制备氮化铝柱状晶体或者片层晶体，并对其进行加工，制备成等距的六方片或柱形元晶结构，其中氮化铝元晶端面为{0001}晶面族，侧面为{10-10}晶面族；

2)元晶粘结：在洁净的籽晶托上用氮化铝专用粘结剂有序、定向粘结元晶，形成元晶晶面(0001)或(000-1)在同水平面的元晶组；

3)元晶组固化：采用紧固环对元晶组稳固；再将稳固好的元晶组及籽晶托放置在籽晶烧制工装中，将籽晶烧制工装置于高温炉中；

4)衬底epi-ready级加工：对元晶组表面进行洁净处理及再定向，确定元晶晶向偏差在0～1°的合理范围内；若晶向偏差过大则强行矫正或重复步骤1)-步骤3)的工艺过程；同时元晶组生长面加工出epi-ready级别界面；

5)衬底高温预处理：将氮化铝衬底模板与氮化铝生长料源一同置于坩埚中进行高温生长，在生长前先对氮化铝衬底进行高温表面处理；

6)模板生长：以高温处理过的氮化铝元晶组作为氮化铝生长用衬底进行模板生长。

进一步，步骤2)中整个过程在恒温条件下进行，温度为25～85℃。

进一步，步骤3)中将籽晶烧制工装置于高温炉中以后，在籽晶烧制工装上压制2～200kg的规则重物，炉腔压力10^-1～10⁶Pa，以氮气或氩气作为保护气体，温度200～1500℃，恒温时间0.5～50h。

进一步，步骤5)中在生长前先对氮化铝衬底进行高温表面处理的处理温度为2000～2600℃，时间为5～300min。

进一步，步骤6)中氮化铝元晶组的生长条件为1800～2260℃、炉压20～100KPa、氮气10～1000sccm。

进一步，步骤1)中制备氮化铝柱状晶体或者片层晶体的方法包括但不仅限于：物理气相沉积生长、分子束外延生长、化学气相沉积方法、氢化物气相外延生长以及金属有机气象沉积生长。

本发明具有以下有益技术效果：

本申请的方法能够克服氮化铝单晶生长过程中衬底匮乏、衬底质量差等问题，氮化铝同质衬底晶体生长不限于晶体炉类型，尤其可以用于制备高质量氮化铝体晶体诸如钨网炉等金属加热-保温结构的单晶炉中。以本发明方法可以制造大尺寸、高品质的氮化铝体单晶。

附图说明

图1为本发明实施例氮化铝均值元晶组的结构示意图；

图2为本发明实施例氮化铝非均值元晶组的结构示意图；

其中：11、21籽晶托，12、22紧固环，13、23元晶(小)，24元晶(大)。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

本发明提供了一种氮化铝衬底制备及体单晶扩径生长方法，由此能够克服氮化铝单晶生长过程中衬底匮乏、衬底质量差等问题，氮化铝同质衬底晶体生长不限于晶体炉类型，尤其可以用于制备高质量氮化铝体晶体诸如钨网炉等金属加热-保温结构的单晶炉中。以本发明方法可以制造大尺寸、高品质的氮化铝体单晶；该方法也是氮化铝晶体生长中扩径生长的一项重要技术方法。该方法主要包括有：元晶制备，元晶粘结，元晶组固化，衬底epi-ready级加工，衬底高温预处理，模板生长。

氮化铝元晶指的是氮化铝柱状或片状晶体，是组成生长氮化铝单晶用衬底的最基本单元；元晶组是将元晶有序地粘结在衬底托上形成的集合；经过机械加工处理及高温预处理过程可以制备成用于晶体生长的同质模板衬底。

元晶制备。生长氮化铝晶体，在氮化铝生长室内利用氮化铝粉状火或块状晶体生长出氮化铝柱状晶体或者片层晶体，将氮化铝柱状晶体按等距切割，最终获得具有高度一致氮化铝元晶，再对氮化铝元晶进行定向精细加工处理，最终制备成六方片或六方柱形元晶结构，其中氮化铝元晶端面为{0001}晶面，并标记(0001)与(000-1)面，氮化铝元晶的侧面为{10-10}，也即(10-10)、(1-100)、(01-10)、(-1100)、(0-110)、(-1010)六个晶面。

元晶粘结。将籽晶托表面清洁处理，去除不利于籽晶托与氮化铝元晶端面胶黏的表面污物、浮尘等；先将氮化铝专用粘结剂均匀地涂抹在籽晶托上，涂抹完毕后将制备好的元晶有序地置于在籽晶托上，形成元晶组。组成元晶组的元晶端面须在同一水平面上，杜绝出现不平齐现象，同时元晶的(0001)或(000-1)晶面须在同一元晶组面上，且在同一元晶组面的元晶晶向必须一致，晶向偏差值0～1°，优化偏差值0°，否则会因晶畴的不一样出现多晶现象。整个过程在恒温条件下进行，温度为25～85℃。

元晶组固化。将氮化铝元晶粘结在籽晶托上，此时元晶与籽晶托表面可能因较小的外力就可能出现断裂，为了稳固元晶在籽晶托上的相对位置，则用紧固环进行紧固，同时边紧固边定向，确保元晶间不会出现晶向偏差，一旦元晶间出现晶向偏差，则停止紧固，对元晶的晶向进行及时矫正，确保各元晶间晶向偏差在0～1°的合理范围内后，再将稳固好的元晶组及籽晶托放置在籽晶烧制工装中，将籽晶烧制工装置于高温炉中，在籽晶烧制工装上压制2～200kg的规则重物，炉腔压力10^-1～10⁶Pa，以氮气或氩气作为保护气体，温度200～1500℃，恒温时间0.5～50h。

衬底epi-ready级加工。元晶组烧制后，对元晶间出现的(逸)胶进行洁净处理，同时对元晶进行再次定向，确定元晶晶向偏差在合理范围。实验发现，在生长前的晶向偏差愈大，生长后呈单晶结构的可能性愈小。较小的晶向偏差有利于降低晶畴势能，增加单晶生长几率。如果出现晶向偏差过大，则强行进行晶向矫正，如果元晶间的晶向偏差大、数量过多，则判定为不合格品，须重新粘结及固化工序处理。确定元晶间的晶向偏差在合理范围内后，再对氮化铝元晶组进行机械加工，并达到epi-ready级别，这样可以更好地起到衬底模板作用。

衬底高温预处理。将氮化铝衬底模板与氮化铝生长料源一同置于坩埚中进行高温生长，在生长前先对氮化铝衬底进行高温预处理，处理温度为2000～2600℃，时间为5～300min，炉压为10～120KPa，以达到更好的模板生长效果。

模板生长。以高温处理过的氮化铝元晶组作为氮化铝生长用衬底进行模板生长，其中氮化铝元晶组模板生长条件为1800～2260℃、炉压20～120KPa、氮气10～1000sccm。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1

如图1所示，元晶制备：利用物理气相沉积或原位高温烧结生长方法制备氮化铝柱状或片状晶体；将氮化铝粉体均匀地置于碳化硅坩埚中，碳化钽坩埚在2210℃、炉压80KPa、氮气气流速率500sccm下生长获得氮化铝柱状晶体。将获得的晶体进行初步机械加工处理，最后获得等距的元晶13，然后在对元晶进行定向精细加工，最终制备出六方柱状元晶，上、下底分别为(0001)和(000-1)面，氮化铝元晶的侧面为{10-10}晶面族，共计有(10-10)、(1-100)、(01-10)、(-1100)、(0-110)、(-1010)六个侧向晶面构成。

元晶粘结：籽晶托11与元晶13之间通过氮化铝专用胶粘剂将其胶黏在一起；将籽晶托11与元晶13表面均进行洁净处理，去除不利于籽晶托11与氮化铝元晶13表面的油脂、黏附的颗粒物等污物，污物的存在极大降低两者之间的粘结强度，也对微区热场有重要影响；将氮化铝专用粘结剂均匀地涂抹在籽晶托上，整个过程在恒温条件下进行，优化温度65℃，用镊子将制备好的氮化铝元晶13有序地粘结在籽晶托上，形成元晶组；组成元晶组的元晶13端面须在同一水平面上，杜绝出现不平齐现象，同时元晶13的(0001)或(000-1)晶面须在同一元晶组面上，元晶组面内不能出现元晶晶向不一致现象，元晶的晶向偏差为0°，否则可能会因晶畴的不一样出现多晶现象。

元晶组固化：尽管元晶13已经粘结在籽晶托11上，但此时元晶13与籽晶托11表面可能会因较小的外力而出现断裂以及元晶13之间出现滑移等现象，为了稳固元晶13间以及在籽晶托11上的相对位置，采用自制的金属紧固环12进行紧固；同时边紧固边定向，确保元晶13间不会出现晶向偏差，一旦元晶13间出现晶向偏差，则停止紧固，对元晶13的晶向进行及时矫正，确保各元晶13间晶向偏差在合理范围内后，再将稳固好的元晶组及籽晶托11放置在籽晶烧制工装中，将籽晶烧制工装置于高温炉中，在籽晶烧制工装上压制10kg的规则重物，炉腔压力1000Pa，以氮气或氩气作为保护气体，温度950℃，恒温时间8h，

衬底epi-ready级加工：元晶组烧制后，对元晶13间出现的(逸)胶进行洁净处理，同时对元晶进行再次定向，确定元晶13晶向偏差在0～1°合理范围，本实例中精细控制元晶间晶向偏差为0°。实验发现，在生长前的晶向偏差愈大，生长结果呈单晶结构的可能性愈小。较小的晶向偏差有利于降低晶畴势能，增加单晶生长几率。如果出现晶向偏差过大，则须强行矫正，如果元晶间的晶向偏差大、数量过多，则判定为不合格品，须重新粘结及固化工序处理。确定元晶间的晶向偏差在合理范围内后，再对氮化铝元晶组进行机械加工，并达到epi-ready级别，这样可以更好地起到衬底模板作用。

衬底高温预处理：将氮化铝衬底模板与氮化铝生长料源一同置于坩埚中进行高温生长，在生长前先对氮化铝衬底进行高温预处理，处理温度为2000～2600℃，时间为5～300min，炉压为10～120KPa，以达到更好的模板生长效果。

模板生长：以高温处理过的氮化铝元晶组作为氮化铝生长用衬底进行模板生长，其中氮化铝元晶组模板生长条件为为2220℃、炉压60KPa、氮气500sccm。

实施例2

如图2所示，元晶制备：利用物理气相沉积或原位高温烧结生长方法制备氮化铝柱状或片状晶体；将氮化铝粉体均匀地置于碳化硅坩埚中，碳化钽坩埚在2210℃、炉压80KPa、氮气气流速率500sccm下生长获得氮化铝柱状晶体。将获得的晶体进行初步机械加工处理，最后获得等距的元晶23，然后在对元晶进行定向精细加工，最终制备出六方柱状元晶，上、下底分别为(0001)和(000-1)面，氮化铝元晶的侧面为{10-10}晶面族，共计有(10-10)、(1-100)、(01-10)、(-1100)、(0-110)、(-1010)六个侧向晶面构成；元晶24为已经生长尺寸较大的氮化铝单晶，经过晶体加工后继续作为模板进行生长。

元晶粘结：籽晶托21与元晶23、24之间通过氮化铝专用胶粘剂将其胶黏在一起，一般而言，尺寸较大的元晶24居于轴心位置，将尺寸较小的元晶23粘结在元晶24周围，在该基础上生长，可以有效扩大元晶24的晶体尺寸，实现晶体的扩径生长；将籽晶托21与元晶23、24表面均进行洁净处理，去除不利于籽晶托21与氮化铝元晶23、24表面的油脂、黏附的颗粒物等污物，污物的存在极大降低两者之间的粘结强度，也对微区热场有重要影响；将氮化铝专用粘结剂均匀地涂抹在籽晶托上，整个过程在恒温条件下进行，优化温度65℃，用镊子将制备好的氮化铝元晶23、24有序地粘结在籽晶托上，形成元晶组；组成元晶组的元晶23、24端面须在同一水平面上，杜绝出现不平齐现象，同时元晶23、24的(0001)或(000-1)晶面须在同一元晶组面上，元晶组面内不能出现元晶晶向不一致现象，元晶的晶向偏差为0°，否则可能会因晶畴的不一样出现多晶现象。

元晶组固化：尽管元晶23、24已经粘结在籽晶托21上，但此时元晶23、24与籽晶托21表面可能会因较小的外力而出现断裂以及元晶23、24之间出现滑移等现象，为了稳固元晶23、24间以及在籽晶托21上的相对位置，采用自制的金属紧固环22进行紧固；同时边紧固边定向，确保元晶23、24间不会出现晶向偏差，一旦元晶23、24间出现晶向偏差，则停止紧固，对元晶23、24的晶向进行及时矫正，确保各元晶23、24间晶向偏差在合理范围内后，再将稳固好的元晶组及籽晶托21放置在籽晶烧制工装中，将籽晶烧制工装置于高温炉中，在籽晶烧制工装上压制10kg的规则重物，炉腔压力1000Pa，以氮气或氩气作为保护气体，温度950℃，恒温时间8h。

衬底epi-ready级加工：元晶组烧制后，对元晶23、24间出现的(逸)胶进行洁净处理，同时对元晶进行再次定向，确定元晶23、24晶向偏差在0～1°合理范围，本实例中精细控制元晶间晶向偏差为0°。实验发现，在生长前的晶向偏差愈大，生长结果呈单晶结构的可能性愈小。较小的晶向偏差有利于降低晶畴势能，增加单晶生长几率。如果出现晶向偏差过大，则须强行矫正，如果元晶间的晶向偏差大、数量过多，则判定为不合格品，须重新粘结及固化工序处理。确定元晶间的晶向偏差在合理范围内后，再对氮化铝元晶组进行机械加工，并达到epi-ready级别，这样可以更好地起到衬底模板作用。

衬底高温预处理：将氮化铝衬底模板与氮化铝生长料源一同置于坩埚中进行高温生长，在生长前先对氮化铝衬底进行高温预处理，处理温度为2000～2600℃，时间为5～300min，炉压为10～120KPa，以达到更好的模板生长效果。

模板生长。以高温处理过的氮化铝元晶组作为氮化铝生长用衬底进行模板生长，其中氮化铝元晶组模板生长条件为为2220℃、炉压60KPa、氮气500sccm。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氮化铝衬底制备及扩径生长方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)元晶制备：制备氮化铝柱状晶体或者片层晶体，并对其进行加工，制备成等距的六方片或柱形元晶结构，其中氮化铝元晶端面为{0001}晶面族，侧面为{10-10}晶面族；

2)元晶粘结：在洁净的籽晶托上用氮化铝专用粘结剂有序、定向粘结元晶，形成元晶晶面(0001)或(000-1)在同水平面的元晶组；

3)元晶组固化：采用紧固环对元晶组稳固；再将稳固好的元晶组及籽晶托放置在籽晶烧制工装中，将籽晶烧制工装置于高温炉中；

4)衬底epi-ready级加工：对元晶组表面进行洁净处理及再定向，确定元晶晶向偏差在0～1°的合理范围内；若晶向偏差过大则强行矫正或重复步骤1)-步骤3)的工艺过程；同时元晶组生长面加工出epi-ready级别界面；

5)衬底高温预处理：将氮化铝衬底模板与氮化铝生长料源一同置于坩埚中进行高温生长，在生长前先对氮化铝衬底进行高温表面处理；

6)模板生长：以高温处理过的氮化铝元晶组作为氮化铝生长用衬底进行模板生长。

2.根据权利要求1所述的氮化铝衬底制备及扩径生长方法，其特征在于，步骤2)中整个过程在恒温条件下进行，温度为25～85℃。

3.根据权利要求1所述的氮化铝衬底制备及扩径生长方法，其特征在于，步骤3)中将籽晶烧制工装置于高温炉中以后，在籽晶烧制工装上压制2～200kg的规则重物，炉腔压力10^-1～10⁶Pa，以氮气或氩气作为保护气体，温度200～1500℃，恒温时间0.5～50h。

4.根据权利要求1所述的氮化铝衬底制备及扩径生长方法，其特征在于，步骤5)中在生长前先对氮化铝衬底进行高温表面处理的处理温度为2000～2600℃，时间为5～300min。

5.根据权利要求1所述的氮化铝衬底制备及扩径生长方法，其特征在于，步骤6)中氮化铝元晶组的生长条件为1800～2260℃、炉压20～100KPa、氮气10～1000sccm。

6.根据权利要求1所述的氮化铝衬底制备及扩径生长方法，其特征在于，步骤1)中制备氮化铝柱状晶体或者片层晶体的方法包括但不仅限于：物理气相沉积生长、分子束外延生长、化学气相沉积方法、氢化物气相外延生长以及金属有机气象沉积生长。