CN109183142A - 一种籽晶托及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种籽晶托及其制备方法，涉及晶体制备技术领域。一种籽晶托，包括相互连接的底座和夹持组件，底座与夹持组件共同限定形成用于夹持籽晶的籽晶夹持槽。籽晶固定后位于底座与夹持组件之间，且籽晶远离底座的一侧能与夹持组件共同限定形成空腔。籽晶靠近底座的一侧能从底座露出以供晶体生长。由于籽晶与籽晶托的直接接触面积较小，籽晶也不与坩埚直接接触，使得获得的晶体各部分质量更为均一，获得的晶体的开裂几率更小。一种籽晶托的制备方法，包括：对表面带有二氧化硅的底座、夹持组件依次进行表面活化处理、亲水处理。表面活化处理的功率为60‑100w，氧气流量为60‑100ml/min，活化时间为20‑40分钟。

Description

一种籽晶托及其制备方法

技术领域

本发明涉及晶体制备技术领域，具体而言，涉及一种籽晶托及其制备方法。

背景技术

气相晶体生长法是一种常用的晶体生长法，在ZnO、ZnSe、CdS等多种II-VI族化合物半导体单晶的生长中有重要应用。该方法通过加热使生长原料气化，利用温度场和气流将气相组分输运到坩埚低温端进行晶体生长。利用这种方法生长出的单晶体成分均一性、纯度和结晶质量较好，适合制作高品质的光电子器件。

在气相晶体生长法中，往往在晶体生长区加入籽晶以提高单晶生长的成晶率。即在坩埚中晶体生长区域预先放置具有一定形状的单晶体做为籽晶，使源区物质气相输运到籽晶表面外延生长出新的单晶体。在籽晶气相生长法中，籽晶在坩埚中的放置和固定状态是籽晶气相法的关键技术要点，极大的影响获得的晶体的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种籽晶托，在籽晶气相生长法中，该籽晶托能够提高所获得的晶体的质量。

本发明的另一目的在于提供一种上述籽晶托的制备方法，其能够将籽晶和籽晶托良好地固定在一起，便于晶体的稳定生长。

本发明的实施例是这样实现的：

一种籽晶托，用于夹持籽晶，其包括相互连接的底座和夹持组件。底座与夹持组件共同限定形成用于夹持籽晶的籽晶夹持槽。籽晶位于底座与夹持组件之间。且籽晶远离底座的一侧能与夹持组件共同限定形成空腔。籽晶靠近底座的一侧能从底座露出。

在本发明的一种实施例中，底座设有第一通孔，部分籽晶能从第一通孔露出。

在本发明的一种实施例中，夹持组件包括相互连接的第一固定件和第二固定件，第一固定件设有用于容纳籽晶的第二通孔，第一固定件与底座通过二氧化硅层键合连接。

在本发明的一种实施例中，第一固定件远离底座的一侧与第二固定件通过二氧化硅层键合连接。

在本发明的一种实施例中，第二固定件包括相互连接的支撑件和连接件，连接件设有第三通孔使得籽晶与支撑件之间能共同限定形成空腔。

在本发明的一种实施例中，支撑件的一侧与连接件通过二氧化硅层键合连接，支撑件的另一侧与第一固定件通过二氧化硅层键合连接。

在本发明的一种实施例中，底座、第一固定件、连接件、支撑件为硅片或石英片。

在本发明的一种实施例中，第一通孔、第三通孔的直径均为10-55毫米，底座、连接件的厚度均为0.4-1毫米，第一固定件的厚度为0.4-2.5毫米，支撑件的厚度为0.4-1毫米。

一种上述籽晶托的制备方法，包括：

对表面带有二氧化硅的底座、夹持组件依次进行氧等离子体表面活化处理、亲水处理。表面活化处理的射频功率为60-100w，氧气流量为60-100ml/min，活化时间为20-40分钟。亲水处理采用0.5-2wt％的氢氧化钠溶液超声4-6分钟，再在去离子水下冲洗4-6分钟，最后用氮气吹干。

在本发明的一种实施例中，将籽晶、亲水处理后的底座、亲水处理后的夹持组件组合后，再一起进行真空烧结，烧结温度为350-500℃，烧结时间为20-30小时，烧结压强为100-150Pa。

另外，本实施例中，籽晶托的制备过程全部在超净间中进行，超净间的洁净度为万级及以上。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提供一种籽晶托，其主要用于夹持籽晶，由于夹持位置合适，该籽晶托能够提高籽晶上获得的晶体的质量(即品质)。该籽晶托主要包括相互连接的底座和夹持组件，底座与夹持组件共同限定形成用于夹持籽晶的籽晶夹持槽。籽晶夹持好以后，即位于该籽晶夹持槽内。

籽晶固定以后是位于底座与夹持组件之间的，且籽晶远离底座的一侧能与夹持组件共同限定形成空腔，使得籽晶与夹持组件的接触面积仅仅只有一小部分，该侧大部分籽晶位于空腔内，不与夹持组件直接接触。籽晶靠近底座的一侧能从底座露出，以便于当带有籽晶的籽晶托放入坩埚内进行晶体生长时，晶体能够生长在籽晶靠近底座的一侧。当带有籽晶的籽晶托放入坩埚内后，由于籽晶托的夹持、固定作用，籽晶不会与坩埚直接接触。由于籽晶与籽晶托的直接接触面积较小，籽晶也不与坩埚直接接触，籽晶的有效生长部分悬空，实现无接触生长，使得获得的晶体各部分质量更为均一，获得的晶体的开裂几率更小。利用该籽晶托生长的晶体无应力集中现象、无开裂现象，生长过程中温度均匀，生长速率一致，且籽晶和生长晶体背面(指远离晶体生长面的一侧)均无挥发、无气孔，最终晶体质量更为均一。

本发明实施例还提供一种上述籽晶的制备方法，主要包括以下步骤：对表面带有二氧化硅的底座、夹持组件依次进行氧等离子体表面活化处理、亲水处理，表面活化处理的射频功率为60-100w，氧气流量为60-100ml/min，活化时间为20-40分钟。亲水处理采用0.5-2wt％的氢氧化钠溶液超声4-6分钟，再在去离子水下冲洗4-6分钟，最后用氮气吹干。底座和夹持组件表面的二氧化硅可以是自身携带的，也可以是后期加工上去的一层二氧化硅。表面活化处理主要用于将二氧化硅的部分键打断，便于后期两层二氧化硅之间的顺利键合。亲水处理可以在二氧化硅表面形成羟基，有利于后期两层二氧化硅之间脱水缩合形成Si-O-Si键，达到形成二氧化硅键合层的目的。由于二氧化硅在高温下的稳定性，二氧化硅不会挥发进入晶体内，避免了采用其他粘结剂粘接底座和夹持组件时，粘结剂受热挥发进入晶体内，造成晶体开裂和晶体质量不均，达到提高晶体纯度的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的籽晶托的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的籽晶托夹持了籽晶后的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的籽晶托形成之前，底座、第一固定件、连接件和支撑件的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的籽晶托与坩埚的连接结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的生长获得的晶体与籽晶的相对结构示意图；

图6为本发明试验例提供的生长所得的氧化锌晶体的光学照片；

图7为本发明试验例提供的氧化锌晶体的X射线衍射图谱。

图标：100-籽晶托；102-空腔；110-底座；112-第一通孔；130-第一固定件；132-第二通孔；150-支撑件；170-连接件；172-第三通孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1和图2，图1所示为籽晶托100的结构示意图，图2所示为籽晶托100夹持了籽晶后的结构示意图。本实施例提供一种籽晶托100，其主要用于夹持固定籽晶，以便在籽晶气相生长法中获得质量更好的晶体。

籽晶托100主要包括相互连接的底座110和夹持组件。底座110与夹持组件共同限定形成用于夹持籽晶的籽晶夹持槽。籽晶夹持好以后，即位于该籽晶夹持槽内。

籽晶固定以后是位于底座110与夹持组件之间的，且籽晶远离底座110的一侧能与夹持组件共同限定形成空腔102，使得籽晶与夹持组件的接触面积仅仅只有一小部分，该侧大部分籽晶位于空腔102内，不与夹持组件直接接触。籽晶靠近底座110的一侧能从底座110露出，以便于当带有籽晶的籽晶托100放入坩埚内进行晶体生长时，晶体能够生长在籽晶靠近底座110的一侧。当带有籽晶的籽晶托100放入坩埚内后，由于籽晶托100的夹持、固定作用，籽晶不会与坩埚直接接触。由于籽晶与籽晶托100的直接接触面积较小，籽晶也不与坩埚直接接触，使得获得的晶体各部分质量更为均一，获得的晶体的开裂几率更小。

为了进一步避免杂质进入晶体内引起晶体开裂，本实施例中，底座110与夹持组件通过二氧化硅层键合连接。由于二氧化硅在高温下的稳定性，二氧化硅不会挥发进入晶体内，避免了采用其他粘结剂粘接底座110和夹持组件时，粘结剂受热挥发进入晶体内，造成晶体开裂和晶体质量不均。

底座110设有第一通孔112，部分籽晶能从第一通孔112露出。从第一通孔112内露出的这部分籽晶为晶体生长的位置。本实施例中，第一通孔112为圆孔(其他实施例中可以是其他形状)，其直径为10-55毫米。第一通孔112的大小决定了晶体生长面积的大小，因此，若直径过小，晶体的生产效率较低，若直径过大，晶体的生长质量性更难控制。当然，第一通孔112的直径可以根据具体需要露出的籽晶的面积而定。

底座110的厚度一般为0.4-1毫米，既能保持对籽晶夹持的稳定性，也能避免材料的浪费。

夹持组件可以是一体成型的，也可以是分体连接的，本实施例中为分体连接的，便于其生产和加工。

夹持组件包括相互连接的第一固定件130和第二固定件。第一固定件130远离底座110的一侧与第二固定件也可以通过二氧化硅层键合连接。

第一固定件130设有用于容纳籽晶的第二通孔132，第二通孔132的形状和尺寸可以不作具体限制，只要能够容纳籽晶即可。第二通孔132的形状和尺寸也可以和籽晶的形状、尺寸相同。第一固定件130与底座110通过二氧化硅层键合连接。

第一固定件130的厚度一般为0.4-2.5毫米，该厚度一般根据籽晶的厚度可作适当调整。由于第一固定件130的两侧分别与底座110、第二固定件有一定的键合层厚度，因此，籽晶的厚度一般稍大于第一固定件130的厚度，便于籽晶的两侧能够与底座110和第二固定件抵接，提高籽晶的稳定性，使晶体的生长界面更加稳定。

第二固定件可以是一体成型也可以是分体连接，本实施例中为分体连接。第二固定件包括支撑件150和连接件170，连接件170设有第三通孔172使得籽晶与支撑件150之间能共同限定形成空腔102。进一步地，第三通孔172的直径为10-55毫米。一般地，第三通孔172的直径与第一通孔112的直径相同，这样能够如图2所示对籽晶的两侧形成较为均匀的施力，使籽晶的夹持更加稳定。

连接件170的厚度一般为0.4-1毫米。连接件170的厚度一般也与固定座的厚度相同，由图2可知，主要是连接件170与底座110在籽晶的两侧对籽晶施加夹持力，厚度相同也能够使籽晶的两侧更好地保持热传导的均匀性，有利于提高晶体质量。

支撑件150的厚度一般为0.4-1毫米。籽晶托100与坩埚固定后，支撑件150则位于最外层，支撑件150满足一定的厚度要求才能保证晶体生长过程中整个密封体系的稳定。

进一步地，支撑件150的一侧与连接件170通过二氧化硅层键合连接，支撑件150的另一侧与第一固定件130通过二氧化硅层键合连接。

为更清楚地表示各个部分的结构，请参照图3，图3所示为籽晶托100形成之前，底座110、第一固定件130(因图3中籽晶为正方形，因此第二通孔132也为正方形)、连接件170和支撑件150的结构示意图。底座110、第一固定件130、连接件170和支撑件150依次叠合起来就形成了图1所示的籽晶托100。底座110、第一固定件130、连接件170和支撑件150的形状可以不作具体限定，本实施例仅示出了一种形状的选择。

本实施例中，底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150为硅片或石英片。几者可以均为硅片或者均为石英片，也可以是部分为硅片，部分为石英片。硅片的主要成分为Si，石英片的主要成分为SiO₂，两种物质在高温下都较为稳定，避免两种物质高温挥发进入晶体内，使晶体质量下降。当然，其他实施例中也可以选用其他在高温(晶体的生长温度下)下稳定不挥发的物质。当选用硅片时，则需要单独在硅片表面制备一层二氧化硅，若选用石英片，则无需再单独制备二氧化硅层。

前述所提及的通过二氧化硅层键合连接形成的键合层的厚度均为0.2-4微米。键合层厚度适宜才能保证层与层之间连接的稳定性和致密性。

籽晶托100的工作原理是：

将籽晶和籽晶托100按照图2所示的结构重叠好，再将整体进行固定，完成层与层之间的键合连接。为更清楚地表述籽晶托100的使用方法，请参照图4，图4所示为籽晶托100与坩埚的连接结构示意图。将装好籽晶的籽晶托100按照图4所示的方式放置于坩埚上，并将籽晶托100和坩埚之间进行固定(例如焊接)。整体再置于晶体生长炉内按照籽晶气相晶体生长的常规操作方式进行晶体的生长即可。晶体生长在图2中籽晶的下方。

利用籽晶托100，当籽晶托100与坩埚固定后，由于籽晶与坩埚壁、粘接剂等高温物体不会产生直接接触，在籽晶不同部位就不容易出现热传导不均匀，从而避免生长界面附近局部温度场和浓度场的变化，使得籽晶表面不同位置生长速率基本相同，使得生长界面稳定，提高了晶体的结晶质量和完整性。若籽晶与坩埚壁、粘接剂(指前述提及的高温下不够稳定的粘结剂)大面积接触，由于所接触的坩埚或粘结剂热膨胀系数与籽晶不同，在升降温过程中，晶体容易开裂，本实施例则不会出现该缺陷。另外，由于籽晶背面(籽晶远离底座110的一侧)大部分在空腔102内密封，不与其它物质接触，使得籽晶背面不易受腐蚀，不易形成气孔、夹杂等缺陷，进而影响晶体质量。

实施例2

本实施例提供一种籽晶托100的制备方法，

底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150均选用硅片，并在每个硅片表面通过热氧化法制备一层厚度为0.5微米的二氧化硅。然后每个硅片依次进行表面活化处理、亲水处理。表面活化处理的功率为60w，氧气流量为60ml/min，活化时间为40分钟。亲水处理在0.5wt％的氢氧化钠溶液里对各个硅片超声处理4分钟，再在去离子水下冲洗4分钟，最后用氮气吹干。

再将底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150以及籽晶按照图2所示结构叠合后，再一起进行真空烧结，烧结温度为300℃，烧结时间为40小时，烧结压强为160Pa。则得到装有籽晶的籽晶托100。

请参照图5，图5所示为生长获得的晶体与籽晶的相对结构示意图。最终晶体生长完毕后，从坩埚中取出籽晶，可观察到晶体在籽晶上的位置如图5所示。

实施例3

底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150均选用石英片。然后每个石英片依次进行表面活化处理、亲水处理。表面活化处理的功率为100w，氧气流量为100ml/min，活化时间为20分钟。亲水处理在2wt％的氢氧化钠溶液里对各个硅片超声处理6分钟，再在去离子水下冲洗6分钟，最后用氮气吹干。

再将底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150以及籽晶按照图2所示结构叠合后，再一起进行真空烧结，烧结温度为350℃，烧结时间为30小时，烧结压强为150Pa。则得到装有籽晶的籽晶托100。

实施例4

底座110、第一固定件130均选用硅片，并在每个硅片表面制备一层二氧化硅。连接件170、支撑件150均选用石英片。然后每个硅片、石英片均依次进行表面活化处理、亲水处理。表面活化处理的功率为80w，氧气流量为85ml/min，活化时间为30分钟。亲水处理在1wt％的氢氧化钠溶液里对各个硅片超声处理5分钟，再在去离子水下冲洗5分钟，最后用氮气吹干。

再将底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150以及籽晶按照图2所示结构叠合后，再一起进行真空烧结，烧结温度为500℃，烧结时间为20小时，烧结压强为100Pa。则得到装有籽晶的籽晶托100。

实施例5

底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150均选用石英片。然后每个石英片依次进行表面活化处理、亲水处理。表面活化处理的功率为75w，氧气流量为80ml/min，活化时间为35分钟。亲水处理在1.5wt％的氢氧化钠溶液里对各个硅片超声处理5分钟，再在去离子水下冲洗5分钟，最后用氮气吹干。

再将底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150以及籽晶按照图2所示结构叠合后，再一起进行真空烧结，烧结温度为470℃，烧结时间为25小时，烧结压强为125Pa。则得到装有籽晶的籽晶托100。

试验例

采用化学气相输运法进行氧化锌晶体生长(具体操作方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)，且利用实施例5中提供的籽晶托100负载籽晶进行氧化锌晶体的生长。其中，籽晶厚度为0.5毫米，且籽晶为边长25毫米的正方形。底座110厚度为0.5毫米，底座110上的第一通孔112的直径为25毫米。第一固定件130厚度为1毫米，第一固定件130上的第二通孔132为正方形，且边长为25毫米。连接件170厚度为0.5毫米，连接件170上的第三通孔172的直径为25毫米。支撑件150厚度为0.5毫米。底座110、第一固定件130、连接件170、支撑件150外径均相同。

请参照图6，图6所示为生长所得的氧化锌晶体。晶体生长完毕后观察所得晶体，发现获得的晶体无开裂，生长界面平整并显露出自然结晶面，表明晶体质量优异。

请参照图7，图7所示为氧化锌晶体的X射线衍射图谱。由图7可知，晶体高分辨X射线衍射谱的半高宽约为0.01度(36弧秒)，表明晶体具有较好的结晶质量。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种籽晶托，用于夹持籽晶，其特征在于，包括相互连接的底座和夹持组件，所述底座与所述夹持组件共同限定形成用于夹持所述籽晶的籽晶夹持槽，所述籽晶位于所述底座与所述夹持组件之间，且所述籽晶远离所述底座的一侧能与所述夹持组件共同限定形成空腔，所述籽晶靠近所述底座的一侧能从所述底座露出。

2.根据权利要求1所述的籽晶托，其特征在于，所述底座设有第一通孔，部分所述籽晶能从所述第一通孔露出。

3.根据权利要求2所述的籽晶托，其特征在于，所述夹持组件包括相互连接的第一固定件和第二固定件，所述第一固定件设有用于容纳所述籽晶的第二通孔，所述第一固定件与所述底座通过二氧化硅层键合连接。

4.根据权利要求3所述的籽晶托，其特征在于，所述第一固定件远离所述底座的一侧与所述第二固定件通过二氧化硅层键合连接。

5.根据权利要求3所述的籽晶托，其特征在于，所述第二固定件包括相互连接的支撑件和连接件，所述连接件设有第三通孔使得所述籽晶与所述支撑件之间能共同限定形成所述空腔。

6.根据权利要求5所述的籽晶托，其特征在于，所述支撑件的一侧与所述连接件通过二氧化硅层键合连接，所述支撑件的另一侧与所述第一固定件通过二氧化硅层键合连接。

7.根据权利要求5所述的籽晶托，其特征在于，所述底座、所述第一固定件、所述连接件、所述支撑件为硅片或石英片。

8.根据权利要求5-7任一项所述的籽晶托，其特征在于，所述第一通孔、所述第三通孔的直径均为10-55毫米，所述底座、所述连接件的厚度均为0.4-1毫米，所述第一固定件的厚度为0.4-2.5毫米，所述支撑件的厚度为0.4-1毫米。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的籽晶托的制备方法，其特征在于，包括：

对表面带有二氧化硅的所述底座、所述夹持组件依次进行氧等离子体表面活化处理、亲水处理，表面活化处理的射频功率为60-100w，氧气流量为60-100ml/min，活化时间为20-40分钟，亲水处理采用0.5-2wt％的氢氧化钠溶液超声4-6分钟，再在去离子水下冲洗4-6分钟，最后用氮气吹干。

10.根据权利要求9所述的籽晶托的制备方法，其特征在于，包括：

将所述籽晶、亲水处理后的所述底座、亲水处理后的所述夹持组件组合后，再一起进行真空烧结，烧结温度为350-500℃，烧结时间为20-30小时，烧结压强为100-150Pa。