CN108360060B - 一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长装置，属于半导体晶体合成与生长装置领域，采用的技术方案是一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长装置，包括炉体、定位在炉腔内的合成与晶体生长系统及其配套的加热系统、测温系统、保温系统和控制系统，所述合成与晶体生长系统包括坩埚和设置在其水平一侧的挥发元素承载器，挥发元素承载器借助注入管与坩埚连通实现水平注入合成；炉体借助配套的旋转机构具有旋转自由度。有益效果是本装置巧妙设置炉体的旋转系统，控制挥发元素承载容器和晶体生长坩埚的位置变化，水平注入合成和垂直梯度晶体生长巧妙结合；装置结构简单，易于操作和控制，利于半导体晶体的产业化生产。

Description

一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长装置

技术领域

本发明涉及半导体晶体合成与生长的装置，具体涉及一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长装置，尤其适用于磷化铟、磷化镓等需要与挥发性元素进行合成的半导体晶体材料的VGF晶体生长。

背景技术

化合物半导体广泛应用于电子行业，是重要的化合物半导体材料。例如，InP、GaP、GaAs等。由于元素组成中含有挥发性元素，合成方法有水平扩散合成和注入合成等。其晶体生长方法有LEC(Liquid Encapsulated Czochralski：液封直拉) 法、VGF(Verticalgradient freezing：垂直梯度凝固) 法等，由于LEC法需要设备成本较高，晶体应力较大，位错密度高，晶体生长工艺复杂，不利于生长高质量大尺寸的单晶，因此，目前应用较多的是VGF法，所采用的装置位垂直梯度单晶炉，将装有多晶原料的容器垂直置于炉中设定的相应温度梯度部位，待多晶原料全熔后，从下部一端缓慢结晶并延续到上部一端。VGF方法生长速度较慢，温度梯度很小，因此晶体所受应力较小，所以可以生长出位错密度相对较低的晶体材料。虽然LEC法制备的晶体缺陷很多，但是合成后连续LEC晶体生长却可以获得高纯单晶体。对于VGF来说，要实现合成后连续VGF晶体生长就很困难，这是因为在晶体生长前，需要将籽晶先放置在坩埚中，但是合成过程中，化合物籽晶会被纯金属或者正在合成的熔体熔化或者侵蚀掉。为了保护籽晶，需通过添加多晶料并繁琐的控温程序来保护籽晶不被合成过程所熔化，导致合成晶体生长过程耗时长、过程复杂繁琐、易失误，难于工业化和大规模生长，严重阻碍合成后连续VGF制备半导体晶体材料的发展。

发明内容

本发明为解决目前注入法合成后VGF晶体生长需合成前需放入多晶料、生长过程控制繁琐复杂、工业化难度大的技术问题，提供一种晶体合成后旋转垂直梯度晶体生长的装置，采用水平设置挥发元素承载容器和晶体生长坩埚，实现易挥发元素与纯金属元素水平注入合成，进一步通过旋转系统控制炉体整体缓慢旋转，进而进行VGF晶体生长，实现了水平注入合成与垂直梯度凝固（VGF）晶体生长结合，来制备高纯化合物半导体晶体，避免了VGF生长前纯金属将籽晶熔掉，该装置结构简单，易于操作和控制，利于半导体晶体的产业化生产。

本发明采用的技术方案是：一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长的装置，包括炉体、定位在炉腔内的合成与晶体生长系统及其配套的加热系统、测温系统、保温系统和控制系统，其特征在于，所述合成与晶体生长系统包括侧面设有籽晶容纳腔的坩埚和设置在其水平一侧的挥发元素承载器，所述挥发元素承载器借助注入管与坩埚连通实现水平注入合成；所述炉体借助配套的旋转机构具有旋转自由度，实现水平注入合成后旋转垂直温度梯度晶体生长。

进一步的，所述注入管末端背离或倾斜式远离挥发元素承载器。

进一步的，所述注入管为多段式，末段倾斜式远离挥发元素承载器，与挥发元素承载器呈60°-85°夹角。

进一步的，所述合成与晶体生长系统中还包括装载所述坩埚和挥发元素承载器的装载架，所述装载架配套设置密封盖，密封盖上设有排气口。

进一步的，所述装载架为石英、碳化硅、氮化硼或陶瓷材质。

进一步的，所述加热系统结构中包括套设在合成与晶体生长系统外围的多段加热器；所述保温系统结构中包括套设在加热系统外部的保温套。

进一步的，所述测温系统结构中包括分别用于测定坩埚内籽晶容纳腔区域、合成与晶体生长部区域和挥发元素承载器区域的温度的热电偶a、热电偶c和/或热电偶d和/或热电偶e、热电偶b。

进一步的，所述旋转机构驱动电机和与驱动电机输出轴连接的减速器，所述减速器输出轴借助联轴器与炉体旋转轴连接，炉体借助炉体旋转轴限位在支架上。

进一步的，所述坩埚与挥发元素承载器之间借助隔热板隔开。

进一步的，所述坩埚配套设置具有支撑和保护作用的坩埚支撑。

上述技术方案中，提供一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长的装置，包括炉体，炉体的炉腔内定位有合成与晶体生长系统和配套合成与晶体生长系统设置的加热系统、测温系统、保温系统和控制系统，关键在于，炉体配套设置有供其旋转的旋转机构，具有旋转自由度；所述的合成与晶体生长系统中包括坩埚和挥发元素承载器，坩埚一侧设有籽晶容纳腔，坩埚与挥发元素承载器两者的位置关系为水平并列放置，其中，坩埚水平放置时类似卧倒放置的漏斗状，结构中包括水平条状的籽晶容纳腔、与籽晶容纳腔连接的合成与晶体生长部、注入插入孔；挥发元素承载器设置有注入管，注入管穿过注入插入孔伸入至坩埚内。使用本装置时，将挥发性元素装配在挥发元素承载器内，并将挥发元素承载器进行密封。将籽晶放入坩埚的籽晶容纳腔内，纯金属及氧化硼放置在坩埚内，其中各物质的量需控制纯金属元素的量为加热熔化后形成的金属元素熔体高度在籽晶容纳腔以下，不与籽晶接触；氧化硼受热熔化完后高度高于籽晶容纳腔，从而覆盖籽晶，挥发元素受热后通过注入管进入金属元素熔体，实现水平注入合成，形成化合物熔体，化合物熔体的量要保证不与籽晶接触。更重要的是，水平注入合成完成后，启动旋转机构，控制炉体旋转90°，在炉体旋转过程中同时调节各受热区域的温度分布，保证籽晶端的温度低于籽晶的熔点，炉体由水平转动为竖直方向，此时挥发元素承载器位于上方，坩埚位于下方，化合物熔体与籽晶接触，待炉体处于垂直后，再次调节各受热区域的温度分布保证在晶体生长坩埚内实现垂直梯度晶体生长。

本发明的有益效果是：本发明提供的晶体合成后旋转垂直梯度晶体生长的装置巧妙设置炉体的旋转系统，控制挥发元素承载容器和晶体生长坩埚的位置变化，实现了水平注入合成和垂直梯度晶体生长方法的巧妙结合；无需在注入法合成后VGF晶体生长前放入多晶料，简化了工艺，避免了VGF生长前纯金属将籽晶熔掉；装置结构简单，易于操作和控制，所合成的半导体晶体形状可控、质量均一，利于半导体晶体的产业化生产。

附图说明

图1为本装置炉体在支架上的整体结构示意图；

图2为本装置水平放置时坩埚结构示意图；

图3为本装置水平放置备料阶段晶体合成生长系统的示意图；

图4 为本装置水平放置合成阶段晶体合成生长系统的示意图；

图5为本装置水平放置合成完毕后晶体合成生长系统的示意图；

图6为本装置旋转垂直后VGF晶体生长阶段晶体合成生长系统的示意图；

图中，1、热偶c；2、隔热板；3、多段加热器；4、热偶b；5、装载架；5-1、密封盖，5-1-1、排气孔；6、挥发元素承载器；7、挥发元素；8、注入管；9、坩埚；9-1、籽晶容纳腔； 9-2、合成与晶体生长部；9-3、注入插入孔；10、金属元素；11、氧化硼；12：热偶e；13、热偶d；14、热偶a；15、籽晶；16、坩埚支撑；17、炉体；17-1、炉体旋转轴；17-2、支架；18：保温套。

具体实施方式

以下以具体实施例详细说明本发明所提供的晶体合成后旋转垂直梯度晶体生长的装置的结构及使用方法，但不以任何形式限制本发明的保护范围，所属领域技术人员根据技术方案所进行的改善修改或者类似替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

本实施例提供一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长的装置，参见图1，装置结构中包括炉体17、定位在炉体17内的合成与晶体生长系统及其配套的加热系统、测温系统、保温系统和控制系统，炉体17设有密封的盖子，形成密闭性腔体，炉体17内设有合成与晶体生长系统，加热系统套装于晶体合成生长系统外围，用于对合成与晶体生长系统的各部分精确加热，本实施例采用多段加热器3；保温系统设置在加热系统外层，本实施例是保温套18，用于对合成与晶体生长系统整体保温；测温系统可以是多个热电偶，分散或穿插设置在合成与晶体生长系统及加热系统或保温系统结构中，用于对实时测定对应区域的温度，本实施例中，所述的测温系统结构中包括分别用于测定晶体生长坩埚9内籽晶容纳腔9-1区域温度的热电偶a 14、用于测定合成与晶体生长部9-2区域温度的热电偶c 1和热电偶d 13及热电偶e 12、用于测定挥发元素承载器6区域温度的热电偶b 4；控制系统用于收发信号，综合控制协调加热系统、测温系统等，具体的，可以是PLC控制器。

作为本实施例的关键设计是，所述炉体17配套设置有旋转机构，从而可实现炉体17的旋转，炉体17与旋转机构的定位及连接关系、旋转机构可选用常规旋转，本实施例中，参见图1，炉体17借助炉体旋转轴17-1限位在支架17-2上，所述的旋转机构中包括驱动电机和与驱动电机输出轴连接的减速器，所述的减速器输出轴借助联轴器与炉体旋转轴17-1连接，从而控制炉体17的旋转。

所述的合成与晶体生长系统包括坩埚9和设置在其水平一侧的挥发元素承载器6，其中，坩埚9水平放置时类似卧倒放置的漏斗状，形状参见图2，结构中包括设置在侧面的水平长方体状或圆柱状等的籽晶容纳腔9-1、与籽晶容纳腔9-1连接的合成与晶体生长部9-2、注入插入孔9-3，注入插入管9-3位于合成与晶体生长部9-2的上部或端部，其直径大小需保证合成完毕后，化合物熔体高度低于注入插入管9-3的下边缘，从而不会发生化合物熔体从注入插入管9-3流出坩埚9；挥发元素承载器6设置有注入管8，注入管8穿过注入插入孔9-3伸入至坩埚9内，挥发元素承载器6内的挥发元素7受热借助注入管8进入坩埚9，与坩埚9内的金属熔体可实现水平注入合成；合成完毕后，旋转机构使炉体17由水平旋转为竖直状态，调节各受热区域的温度分布，保证籽晶容纳腔9-1内的温度低于籽晶15的熔点，待炉体17处于竖直后，再次调节各受热区域的温度分布保证坩埚9内的化合物熔体与籽晶15接触实现垂直梯度晶体生长。

为避免炉体17旋转造成坩埚9内的化合物熔体向挥发元素承载器6倒灌，所述的注入管8设置为多段式，如图3中折弯形状，末段部分倾斜式远离挥发元素承载器6，优选，末段部分偏离挥发元素承载器6并与其侧面边缘线呈60°-85°夹角。

为进一步保证合成与晶体生长系统的稳定性，所述的合成与晶体生长系统中还包括装载所述坩埚9和挥发元素承载器6的装载架5，参见图3至图6，装载架5可为石英、碳化硅、氮化硼或陶瓷材质，所述装载架5配套设置密封盖5-1，密封盖5-1上设有排气口5-1-1。装配装置时，将挥发元素承载器6的注入管8插入坩埚9的注入插入孔9-3中，挥发元素承载器6和坩埚9中间垫上隔热板2，然后将挥发元素承载器6和坩埚9一起放入装载架5中，然后安装密封盖5-1，使密封盖5-1与装载架5固定密封连接，排气口5-1-1用于平衡合成时装载架5内的气压，可排出挥发元素注入金属熔体后形成化合物熔体过程中，装载架5内压力增加所产生的多余气体。

所述坩埚9与挥发元素承载器6之间借助隔热板2隔开，隔热板2的设置一方面分隔坩埚9与挥发元素承载器6，避免温度互相影响；另一方面，当炉体17旋转呈竖直状态后，隔热板2支撑在坩埚9的上端面，避免了挥发元素承载器6意外落入坩埚9内。

所述坩埚9配套设置坩埚支撑16，对籽晶容纳腔9-1及坩埚9整体具有支撑和保护作用的。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中注入管8为“乙字形”多段管，其末端背离挥发元素承载器6。

所述的装载管5为石英材质。

以实施例1为例说明本发明提供的装置的具体使用方法：

第一步：首先进行备料和装置装配。炉体17水平放置，将挥发元素7装配在挥发元素承载器6内，并将挥发元素承载器6进行密封。将籽晶15、金属元素10及氧化硼11放置坩埚9内，然后将挥发元素承载器6的注入管8穿过注入插入孔9-3插入坩埚9中，然后在挥发元素承载器6和坩埚9之间垫上隔热板2，在坩埚9的籽晶容纳腔9-1周围设置坩埚支撑16，用于保护籽晶容纳腔9-1并支撑坩埚，再将挥发元素承载器6和坩埚9一起放入陶瓷材质的装载架5内，之后将密封盖5-1与装载架5装配在一起，整体放入炉腔内。控制各物质的量如下：金属元素10的量为保证金属熔化完成后形成的金属熔体高度在籽晶容纳腔9-1以下，不与籽晶15接触；氧化硼11受热熔化完后高度高于籽晶容纳腔9-1，从而覆盖籽晶15，同时保证挥发元素7挥发注入合成完毕后形成的化合物熔体不与籽晶15接触，参见图3。

第二步：充入保护性气体，保证进行合成和晶体生长时保护气体压力大于化合物熔体的离解压。例如，通常磷化铟通常保证为4.0MPa。

第三步：启动加热系统，根据所合成的半导体化合物所需金属元素10的性质，以多段加热器3进行加热，对坩埚9所在区域精确升温，金属元素10和氧化硼11受热变为液态，形成金属熔体，氧化硼11密封金属熔体和籽晶15。

第四步：然后对挥发元素承载器6所在区域以多段加热器3进行加热，挥发元素7受热挥发注入到坩埚9内的金属熔体中，如图4所示，通过控制系统对热偶2的监控及对多段加热器3的调控，调节到合适注入速率，保证挥发元素承载器6内的压力高于化合物熔体的离解压，合成过程中，由于挥发元素7注入后溢出，多余的挥发气体可通过排气口5-1-1排出。

第五步：随着合成的进行，坩埚9内的熔体体积不断增加，但不会与籽晶15接触。合成完毕后对进一步进行温度调控，将熔体静置使得注入管8中的氧化硼11滴入熔体中，如图5所示。

第六步：开启驱动电机，借助减速器控制炉体旋转轴17-1带动整个炉体17缓慢旋转至竖直的状态，旋转速率如以30°/h的速度旋转，如图6所示。旋转期间，调节各温区的温度，保证籽晶15不被熔体熔化。进一步以多段加热器3对坩埚9所在区域进行温度调节，在籽晶15与化合物熔体接触界面及化合物熔体中建立温度梯度，通过调控多段加热器3，进行垂直梯度晶体生长。

综合上述发现，本发明所提供的装置结构简单紧凑，精密度高，操作容易，易于控制，晶体合成生长效率高，适合大规模晶体制备。

Claims (9)

1.一种化合物晶体合成后旋转垂直温度梯度晶体生长装置，包括炉体（17）、定位在炉腔内的合成与晶体生长系统及其配套的加热系统、测温系统、保温系统和控制系统，其特征在于，所述合成与晶体生长系统包括侧面设有籽晶容纳腔（9-1）的坩埚（9）和设置在其水平一侧的挥发元素承载器（6），所述挥发元素承载器（6）借助注入管（8）与坩埚（9）连通实现水平注入合成；所述炉体（17）借助配套的旋转机构具有旋转自由度，实现水平注入合成后旋转垂直温度梯度晶体生长。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注入管（8）末端背离或倾斜式远离挥发元素承载器（6）。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述注入管（8）为多段式，末段倾斜式远离挥发元素承载器（6），与挥发元素承载器（6）呈60°-85°夹角。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合成与晶体生长系统中还包括装载所述坩埚（9）和挥发元素承载器（6）的装载架（5），所述装载架（5）配套设置密封盖（5-1），密封盖（5-1）上设有排气口（5-1-1）。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装载架（5）为石英、碳化硅、氮化硼或陶瓷材质。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热系统结构中包括套设在合成与晶体生长系统外围的多段加热器（3）；所述保温系统结构中包括套设在加热系统外部的保温套（18）。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测温系统结构中包括分别用于测定坩埚（9）内籽晶容纳腔（9-1）区域、合成与晶体生长部（9-2）区域和挥发元素承载器（6）区域的温度的热电偶a（14）、热电偶c（1）和/或热电偶d（13）和/或热电偶e（12）、热电偶b（4）。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转机构驱动电机和与驱动电机输出轴连接的减速器，所述减速器输出轴借助联轴器与炉体旋转轴（17-1）连接，炉体（17）借助炉体旋转轴（17-1）限位在支架（17-2）上。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述坩埚（9）与挥发元素承载器（6）之间借助隔热板（2）隔开；所述坩埚（9）配套设置具有支撑和保护作用的坩埚支撑（16）。