CN110791811A - 一种AlN单晶扩径生长的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种AlN单晶扩径生长的方法及装置，通过小籽晶利用特制热场调节部件和迭代生长技术进行同质扩径生长，能够实现小尺寸到两英寸甚至更大尺寸的外延扩径。特制热场调节部件为内凹型的具有轴对称结构的部件，采用材料为金属钨，其内部为气氛，用于营造弯曲的温场，提供径向温度梯度，使得籽晶能够实现扩径生长。采用本发明，扩径效率高；扩径迭代生长中晶体中位错密度、杂质浓度逐步下降，多次迭代生长效果叠加，可以同时实现尺寸进一步增加和晶体质量逐步提高的效果；扩径结构位于坩埚外部，不与晶体接触，有利于重复使用，降低生长成本，同时简单易制作，可应用于晶体制备的产业化。

Description

一种AlN单晶扩径生长的方法及装置

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种AlN单晶物理气相输运法(PVT法)扩径生长的籽晶或衬底的制备方法及装置，是一种基于扩径生长的多次迭代的AlN生长技术。

背景技术

因为AlN(氮化铝)的晶格常数和热膨胀系数与高Al组分AlGaN(铝镓氮)非常接近，AlN单晶作为同质外延衬底能够显著减少外延层位错密度从而提高晶格质量，进一步提高器件的内量子效率，目前已经成为外延生长AlN和AlGaN制作深紫外光学元件的最佳衬底，包括深紫外发光二极管、激光二极管和深紫外探测器。同时，AlN单晶具有很多优良特性，包括高击穿场强、高热导率、高硬度、电学性能优异等，是高温高频等极端条件下工作的功率电子器件的重要材料。目前国际上成功实现大尺寸AlN单晶衬底的生长方法是物理气相输运法(PVT法，基本原理是AlN源粉在坩埚底部高温处升华得到Al原子，在氮气环境下，通过输运在坩埚顶部低温处结晶)。由于缺乏AlN籽晶，PVT生长AlN单晶首先需要利用自发形核得到一个尺寸较小的AlN单晶作为籽晶，继续进行PVT同质外延通过晶体扩径得到大尺寸AlN单晶。因此，获得大尺寸单晶的核心技术是扩大晶体尺寸的PVT生长。

目前，国际上已有研究小组能够通过PVT法得到位错密度较低的2英寸高质量AlN单晶衬底，但面临培育籽晶困难、外延扩径效率低、可重复性差等问题，2英寸AlN单晶难以产业化，价格非常昂贵。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种AlN单晶PVT扩径生长的制备方法及装置，是一种基于扩径生长的多次迭代的AlN生长技术，能够实现AlN单晶的高效扩径迭代生长并改善生成的晶体质量。

该制备方法区别于现有技术的核心是：在物理气相输运法(PVT法)生长炉内，引入AlN籽晶，在坩埚盖上增加特制的热场调节部件，该部件为下凹型的轴对称结构，利用其削弱热辐射散热的特性，可以制造特殊的扩径生长热场；由于特制的热场调节部件设置在坩埚外侧，几何结构较为简单，容易加工实现，并且通过改变结构尺寸可以适用于多代扩径生长，因此，该发明的另一重要特点是利用扩径过程可以重复并且效果叠加，实现尺寸不断放大同时晶体质量逐步提高；初级籽晶可以是自发形核的小籽晶，也可以是具有一定尺寸的AlN晶圆；通过迭代生长，可以实现AlN单晶的高效扩径，获得高质量的AlN籽晶或衬底。

本发明提供的技术方案是：

一种AlN单晶生长扩径的方法，将小尺寸籽晶粘接于坩埚盖上，放置整个坩埚及特制的热场调节部件于生长炉内，封闭抽真空，升温至1800-2400℃，同时充气保压，压强稳定，气氛为氮气和氩气，进行AlN的扩径生长，生长时长1-300小时。特制的热场调节部件位于坩埚盖顶部，其外径与坩埚盖外径相同，内径根据扩径需要可调，高度为坩埚高度的1/5-1/4。此过程可重复实现迭代生长。

本发明方法具体包括如下步骤：

1)小尺寸籽晶粘接：

利用耐高温粘接剂，将小尺寸籽晶(直径5-50mm)粘接在坩埚盖中心，先将坩埚盖和籽晶朝下盖好坩埚，随后放置外盖，最后于外盖上放置特制的热场调节部件并固定；

其中，特制热场调节部件内部为气氛；特制热场调节部件用于营造弯曲的温场，提供径向温度梯度，使得籽晶能够实现扩径生长；特制热场调节部件放置在外盖上方的边缘区域，为内凹型的轴对称结构，采用材料为金属钨；

2)炉体充抽换气：

放置装有原料(高纯AlN源粉)并包含籽晶和特制热场调节部件的坩埚到炉体并封闭炉体，抽真空和充高纯氮气，如此充抽置换腔体内气氛3-5次，完成后使系统保持一定的真空度；

3)炉体充气保压：

停止对炉体抽真空后，向炉体中通入高纯氮气或一定比例(范围为0.1-0.9)的高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使腔体总压强保持稳定；

4)炉体升温：

选择合适的升温速率(1-200℃/min)进行升温，并保持压强稳定；

5)晶体生长阶段：

将温度升高并稳定到设定值，1800-2400℃，生长时间一般可为1-300小时；

6)降温过程：

生长完成之后，开始选择合适的降温速率(1-200℃/min)进行降温；

7)开炉取样：

炉体降到室温后，开炉取出坩埚，取下特制的热场调节部件和外盖，进一步打开坩埚盖，得到扩径后的AlN单晶和周围多晶部分组成的块体；

8)切割磨抛：

利用多线切割机对整个AlN块体进行切割，可以得到扩径后的AlN晶圆，研磨抛光；

9)迭代生长：

利用扩径后的晶圆作为下一代扩径生长的籽晶，进行多次的迭代生长。

通过上述步骤进行多次迭代扩径生长，即可实现小尺寸到两英寸或更大尺寸的扩径，得到大尺寸AlN单晶。

本发明还提供了一种AlN单晶生长扩径的装置，包括：炉体、坩埚、坩埚盖、外盖、特制的热场调节部件。炉体用于提供高温和合适的气氛环境，坩埚位于炉体的高温区，坩埚盖盖在坩埚上，外盖盖在坩埚盖上用于固定坩埚盖的位置，特制的热场调节部件固定于外盖上面的边缘处，用于提供合适的扩径热场。该装置可实现基于扩径生长的多次迭代的AlN生长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种AlN单晶生长扩径的方法及装置，是一种通过小籽晶利用特制的热场调节部件和迭代生长技术进行同质扩径生长的高效手段，能够实现小尺寸到两英寸甚至更大尺寸的外延扩径。其优点是：第一，扩径效率高，每一次扩径生长可以实现直径增加10-16mm；第二，扩径迭代生长中晶体中位错密度、杂质浓度逐步下降，多次迭代生长效果叠加，可以同时实现尺寸进一步增加和晶体质量逐步提高的效果；第三，扩径结构位于坩埚外部，不会与晶体接触，有利于重复使用，降低生长成本，同时该结构简单易制作，可以应用于晶体制备的产业化。

附图说明

图1是本发明实施例用于AlN生长扩径的坩埚及特制的热场调节部件的基本结构；

其中，1为坩埚主体，提供生长反应的腔室；2为坩埚盖，用于粘接籽晶和封闭坩埚；3为高纯AlN源粉，用于提供原料Al原子；4为粘接上的小尺寸籽晶，作为生长扩径的籽晶；5为特制热场调节部件，内部为气氛，该结构用于营造弯曲的温场，提供径向温度梯度，所以籽晶能够实现扩径生长；6为热电偶，用于生长中测温；7为气氛环境，以氮气和氩气为主。1、2、5、6的材料为金属钨。

图2-7是本发明实施例的温场分布及生长情况，通过有限元模拟计算得到；

图3、5、7中，8、10、12为单晶部分，9、11、13为多晶部分；

图2、3是实施例1的生长前后温场和晶体情况；

图4、5是实施例2的生长前后温场和晶体情况；

图6、7是实施例3的生长前后温场和晶体情况。

图8是本发明实施例二的晶体扩径结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种AlN单晶生长扩径的方法及装置。图1是本发明实施例用于AlN生长扩径的坩埚及特制的热场调节部件的基本结构，特制热场调节部件内部为气氛，放置在外盖上方的边缘区域，为内凹型的轴对称结构，用于营造弯曲的温场，提供径向温度梯度，使得籽晶能够实现扩径生长。坩埚内为反应区，内部和附近最高能达到超过2400摄氏度的高温，其并不是完全密封的，气流可以于缝隙处通过。有干泵和分子泵可以抽真空并且保持一定的真空度，同时在通入氮气时，真空泵工作，使炉内气体得以更换，并保证压强稳定。高纯AlN源粉在温度相对较高处分解升华，产生Al原子向上输运至温度相对较低处结晶，结晶形状与温场形状直接相关，在特制的热场调节部件的作用下，呈现出扩径生长特性。

图2-7是本发明实施例的温场分布及生长情况，通过有限元模拟计算得到。图8是本发明实施例2的晶体扩径结果，其中包含了穿透位错的延伸情况，穿透位错随着生长面的倾斜发生弯曲，在黑线所示的晶片切割处，穿透位错的密度相对于籽晶明显减少。晶体直径由26mm扩径至40mm，穿透位错密度下降57％。

实施例一第一代扩径生长：晶体直径10mm到直径26mm的扩径生长

1)小尺寸籽晶粘接：

利用耐高温粘接剂，将小尺寸籽晶(直径10mm)粘接在坩埚盖中心，朝下盖好坩埚，放置外盖和特制的热场调节部件并固定；

2)炉体充抽换气：

放置装有原料(高纯AlN源粉)并包含籽晶和特殊热场调节部件的坩埚到炉体并封闭炉体，抽真空和充高纯氮气，如此充抽置换腔体内气氛3-5次，完成后使系统保持一定的真空度；

3)炉体充气保压：

停止对炉体抽真空后，向炉体中通入高纯氮气或一定比例(范围为0.1-0.9)的高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使腔体总压强保持稳定；

4)炉体升温：

选择合适的升温速率(1-200℃/min)进行升温，并保持压强稳定；

5)晶体生长阶段：

将温度升高并稳定到设定值，1800-2400℃，生长时间一般可为1-300小时；

6)降温过程：

生长完成之后，开始选择合适的降温速率(1-200℃/min)进行降温；

7)开炉取样：

炉体降到室温后，开炉取出坩埚，取下特制的热场调节部件和外盖，进一步打开坩埚盖，得到扩径后的AlN单晶和周围多晶部分组成的块体；

8)切割磨抛：

利用多线切割机对整个AlN块体进行切割，可以得到扩径后的AlN晶圆，模拟显示新晶圆直径可达26mm，研磨抛光，可以作为新的籽晶利用该结构继续扩径迭代生长。

实施例二迭代扩径(第二代)生长：晶体直径26mm到直径40mm的扩径生长

1)小尺寸籽晶粘接：

利用耐高温粘接剂，将小尺寸籽晶(一英寸，直径26mm)粘接在坩埚盖中心，朝下盖好坩埚，放置外盖和特制的热场调节部件并固定；

2)炉体充抽换气：

放置装有原料(高纯AlN源粉)并包含籽晶和特殊热场调节部件的坩埚到炉体并封闭炉体，抽真空和充高纯氮气，如此充抽置换腔体内气氛3-5次，完成后使系统保持一定的真空度；

3)炉体充气保压：

停止对炉体抽真空后，向炉体中通入高纯氮气或一定比例(范围为0.1-0.9)的高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使腔体总压强保持稳定；

4)炉体升温：

选择合适的升温速率(1-200℃/min)进行升温，并保持压强稳定；

5)晶体生长阶段：

将温度升高并稳定到设定值，1800-2400℃，生长时间一般可为1-300小时；

6)降温过程：

生长完成之后，开始选择合适的降温速率(1-200℃/min)进行降温；

7)开炉取样：

炉体降到室温后，开炉取出坩埚，取下特制的热场调节部件和外盖，进一步打开坩埚盖，得到扩径后的AlN单晶和周围多晶部分组成的块体；

8)切割磨抛：

利用多线切割机对整个AlN块体进行切割，可以得到扩径后的AlN晶圆，模拟显示新晶圆直径可达40mm，研磨抛光，可以作为新的籽晶利用该结构继续扩径迭代生长。

实施例三迭代扩径(第三代)生长：晶体直径40mm到直径50mm的扩径生长

1)小尺寸籽晶粘接：

利用耐高温粘接剂，将上一代得到的尺寸为40mm的籽晶粘接在坩埚盖中心，朝下盖好坩埚，放置外盖和特制的热场调节部件并固定；

2)炉体充抽换气：

放置装有原料(高纯AlN源粉)并包含籽晶和特殊热场调节部件的坩埚到炉体并封闭炉体，抽真空和充高纯氮气，如此充抽置换腔体内气氛3-5次，完成后使系统保持一定的真空度；

3)炉体充气保压：

停止对炉体抽真空后，向炉体中通入高纯氮气或一定比例(范围为0.1-0.9)的高纯氮气/高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使腔体总压强保持稳定；

4)炉体升温：

选择合适的升温速率(1-200℃/min)进行升温，并保持压强稳定；

5)晶体生长阶段：

将温度升高并稳定到设定值，1800-2400℃，生长时间可根据温度和压强调整，一般可为1-300小时；

6)降温过程：

晶体生长完成之后，开始选择合适的降温速率(1-200℃/min)进行降温；

7)开炉取样：

炉体降到室温后，开炉取出坩埚，取下特制的热场调节部件和外盖，进一步打开坩埚盖，得到扩径后的AlN单晶和周围多晶部分组成的块体；

8)切割磨抛：

利用多线切割机对整个AlN块体进行切割，可以得到扩径后的AlN晶圆，模拟显示尺寸可以达到50mm(两英寸)，研磨抛光，可以作为新的籽晶利用该结构继续扩径迭代生长。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种AlN单晶扩径生长的方法，基于扩径进行多次迭代AlN生长，通过将小尺寸籽晶粘接于坩埚盖上；将坩埚和特制热场调节部件完全放置于生长炉内，封闭抽真空，升温至1800-2400℃，同时充气保压，压强稳定，气氛为氮气和氩气；所述特制热场调节部件位于坩埚盖顶部，其外径与坩埚盖外径相同；进行AlN的扩径生长的时长为1-300小时；包括如下步骤：

1)小尺寸籽晶粘接过程，包括：

利用耐高温粘接剂，将小尺寸籽晶粘接在坩埚盖中心，先将坩埚盖和籽晶朝下盖好坩埚，随后放置外盖，之后在外盖上方放置特制热场调节部件并固定；所述特制热场调节部件为内凹型的具有轴对称结构的部件，放置在外盖上方的边缘区域；

所述特制热场调节部件的内部为气氛，用于营造弯曲的温场，提供径向温度梯度，使得籽晶能够实现扩径生长；特制热场调节部件采用材料为金属钨；

2)炉体充抽换气过程：

放置装有原料并包含籽晶和特殊热场调节部件的坩埚到炉体并封闭炉体，抽真空和充高纯氮气，使系统保持真空；所述原料为高纯AlN源粉；

3)炉体充气保压过程：

停止对炉体抽真空后，向炉体中通入高纯氮气或高纯氮气与高纯氩气的混合气体，形成环境气氛，并使腔体总压强保持稳定；

4)炉体升温过程：按照设定好的升温速率进行升温，并保持压强稳定；

5)晶体生长阶段：将温度稳定到设定值，生长时间为1-300小时；

6)降温过程：生长完成之后，按照设定的降温速率进行降温；

7)开炉取样过程：炉体温度降到室温后，开炉取出坩埚，取下特制热场调节部件和外盖，进一步打开坩埚盖，得到扩径后的AlN单晶和周围多晶部分组成的块体；

8)切割磨抛过程：利用多线切割机对整个AlN块体进行切割，得到扩径后的AlN晶圆，研磨抛光；

9)迭代生长过程：利用扩径后的晶圆作为下一代扩径生长的籽晶，执行上述步骤，进行多次的迭代生长；

通过上述步骤进行多次迭代扩径生长，即可实现小尺寸到两英寸或更大尺寸的扩径，得到大尺寸、更高质量的AlN单晶。

2.如权利要求1所述AlN单晶扩径生长的方法，其特征是，小尺寸籽晶的尺寸为直径5-50mm。

3.如权利要求1所述AlN单晶扩径生长的方法，其特征是，步骤2)炉体充抽换气过程，具体充抽置换腔体内气氛3-5次，完成后使系统保持一定的真空度。

4.如权利要求1所述AlN单晶扩径生长的方法，其特征是，步骤3)炉体充气保压过程中，向炉体中通入一定比例的高纯氮气与高纯氩气的混合气体，比例范围为0.1-0.9。

5.如权利要求1所述AlN单晶扩径生长的方法，其特征是，步骤4)中的升温速率为1-200℃/min；步骤5)中将将温度稳定到设定值为1800-2400℃；步骤6)中的降温速率为1-200℃/min。

6.如权利要求1所述AlN单晶扩径生长的方法，其特征是，所述特制热场调节部件内径根据扩径需要可调；所述特制热场调节部件的高度为坩埚高度的1/5-1/4。

7.一种基于扩径生长的多次迭代AlN生长装置，包括：炉体、坩埚、坩埚盖、外盖、特制热场调节部件；

炉体用于提供高温和气氛环境；坩埚位于炉体的高温区；坩埚盖盖在坩埚上；外盖盖在坩埚盖上，用于固定坩埚盖的位置；特制热场调节部件固定于外盖上面的边缘处，用于提供合适的扩径热场；特制热场调节部件的内部为气氛，用于营造弯曲的温场，提供径向温度梯度，使得籽晶能够实现基于扩径的多次迭代生长；

特制热场调节部件为内凹型的具有轴对称结构的部件，采用材料为金属钨。

8.如权利要求7所述基于扩径生长的多次迭代AlN生长装置，其特征是，所述特制热场调节部件的内径根据扩径需要可调。

9.如权利要求7所述基于扩径生长的多次迭代AlN生长装置，其特征是，所述特制热场调节部件的高度为坩埚高度的1/5-1/4。

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