CN112746326A - 一种提高AlN单晶质量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体制造和工艺领域，具体为一种提高AlN单晶质量的装置和方法，是针对现有方法制备的晶体质量稳定性差的缺陷所提出，其包括：底座、钽坩埚、多晶片、导流罩、籽晶、碳化钽片和上盖，钽坩埚安装在底座与上盖之间，在钽坩埚的顶部开口上盖合有碳化钽片，其在碳化钽片内壁上粘贴有籽晶；多晶片和导流罩位于钽坩埚内，在钽坩埚内壁上加工有阶梯状台肩，阶梯状台肩与钽坩埚内底之间形成长晶区，长晶区用来放置长晶粉料，多晶片放置在长晶粉料上，导流罩安装在阶梯状台肩上，用来将长晶粉料生成的气体导向籽晶的中心处。本发明操作简单，安装方便，效果明显，大大提高了晶体质量。
Description
技术领域：
本发明属于半导体制造和工艺领域，具体涉及一种提高AlN单晶质量的装置和方法。
背景技术：
氮化铝晶体作为宽禁带半导体材料的代表之一，其由于具有禁带宽度6.2eV，直接带隙的特点，其是重要的蓝光和紫外发光材料；由于其具有热导率高、熔点高、电阻率高、击穿场强大、介电系数小的特点，其是优异的高温、高频和大功率器件用电子材料；其由于具有沿c轴取向的AlN具有非常好的压电性和声表面波高速传播性能的特点，其是优异的声表面波器件用压电材料。鉴于AlN材料具有上述优异物理性质，AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小，因此AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景，尤其在蓝光-紫外固态激光二极管、激光器、GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件和日盲型AlGaN紫外探测器件的衬底方面具有独特优势。目前，氮化铝单晶的制备通常采用钽坩埚直添加长晶粉料，通过加温升华后长成晶体，这种长晶方法虽然能长出晶体，但晶体长出后受到籽晶定向、籽晶粘结及温度场分布等问题，籽晶周围易形成多晶，影响晶体质量的稳定性。
发明内容：
本发明为克服现有方法制备的晶体质量稳定性差的缺陷，提供了一种提高AlN单晶质量的装置和方法，通过设置导流罩和多晶片，可有效抑制长晶粉料的无序挥发，同时也抑制了长晶粉中杂质的挥发对晶体质量的影响，进而提高了长晶的质量与速度。
本发明采用的技术方案在于：一种提高AlN单晶质量的装置，包括：底座、钽坩埚、多晶片、导流罩、籽晶、碳化钽片和上盖，所述钽坩埚安装在底座与上盖之间，在钽坩埚的顶部开口上盖合有碳化钽片，其在碳化钽片内壁上粘贴有籽晶；所述多晶片和导流罩位于钽坩埚内，在钽坩埚内壁上加工有阶梯状台肩，阶梯状台肩与钽坩埚内底之间形成长晶区，所述长晶区用来放置长晶粉料，所述多晶片放置在长晶粉料上，所述导流罩安装在阶梯状台肩上，用来将长晶粉料生成的气体导向籽晶的中心处。
优选地，所述导流罩为上截面小于下截面的正圆台型，导流罩顶部导流孔的内径小于籽晶的外径，导流罩底部导流孔的内径大于多晶片的外径。
优选地，所述多晶片为圆形氮化铝多晶体，其与长晶区的钽坩埚内壁为间隙配合。
优选地，所述间隙为5-10mm。
一种提高AlN单晶质量的方法，采用上述装置进行制备，具体包括以下步骤：
步骤1、将钽坩埚与底座进行装配，将长晶粉料倒入钽坩埚内，并使长晶粉料铺平；
步骤2、将多晶片压在长晶粉料上，再将导流罩放置到钽坩埚的阶梯状台肩上，并使多晶片、导流罩与钽坩埚同轴设置，然后将带有籽晶的碳化钽片盖在钽坩埚的顶部开口上，最后将上盖盖在碳化钽片上，通过多晶片来抑制长晶粉料在结晶过程中的无序挥发，同时还能吸收长晶粉中的杂质，而且挥发的气体只能沿多晶片与钽坩埚内壁之间预留的间隙进行边缘升华，升华后的气体再通过导流罩集中并导向籽晶的中心；
步骤3、先将装置放入生长炉内，并进行抽真空处理，然后向炉内充氮气，将炉内压力控制在600-700torr，最后将炉内加热至2000-2100℃；
步骤4、单晶的生长时间为100-140小时。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在钽坩埚内设置多晶片用来抑制长晶粉的无序挥发，并使挥发气体只能沿长晶区的边缘升华，同时与导流罩配合使用，使升华后的气体集中导向籽晶的中心输送，控制AlN单晶生长过程中的均匀度，进而提高单晶的质量。
2、本发明操作简单，安装方便，效果明显，大大提高了晶体质量。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为导流罩的结构示意图；
其中：1底座、2钽坩埚、3长晶粉料、4多晶片、5导流罩、6籽晶、7碳化钽片、8上盖。
具体实施方式：
如图1和图2所示，本发明为一种提高AlN单晶质量的装置，包括底座1、钽坩埚2、导流罩5、籽晶6、碳化钽片7和上盖8，所述底座1的上表面加工有圆形定位凹槽，所述钽坩埚2为两端开口的筒形，钽坩埚2安装在底座1的圆形定位凹槽内，且钽坩埚2的外径与圆形定位凹槽的内径相匹配。在钽坩埚2的内壁上设有阶梯状台肩，从阶梯状台肩至钽坩埚2内底之间的区域为长晶区，在长晶区内填充有长晶粉料3，所述长晶粉料3为氮化铝粉末，且长晶粉料3层叠的高度小于阶梯状台肩的高度，在长晶粉料3上还放置有一片多晶片4，所述多晶片4为圆形AlN多晶体，其厚度为1-2mm，其直径小于长晶区内径的5-10mm，通过设置多晶片4，可抑制长晶粉3的无序挥发，使挥发气体只能沿长晶区的边缘升华，此外多晶片4还能吸收长晶粉3中的杂质，进而提高长晶质量。所述导流罩5为圆台型中空腔体，由不与AlN发生反应，且高温后不会产生变形的钽制成，其设于阶梯状台肩上，且与钽坩埚2同轴设置；所述导流罩5的顶部导流孔的内径小于底部导流孔的内径，导流罩5的顶部导流孔的内径小于籽晶6的外径，导流罩5的底部导流孔的内径大于多晶片4的外径，且导流罩5顶部的导流孔与籽晶6间距至少为20mm，导流罩5底部的导流孔与多晶片4的间距至少为10mm。该结构将长晶区产生的气体，在上升的传输过程集中导向籽晶6所在的位置，可有效避免籽晶6周围多晶体的形成；同时，导流罩5还将热量导向籽晶6的外缘，使籽晶6外缘的温度大于籽晶6中心位置的温度，可同样起到有效避免籽晶6周围多晶体形成的作用。所述碳化钽片7盖合在钽坩埚2的顶部开口上，所述籽晶6粘贴在碳化钽片7的内壁上，在碳化钽片7的上方还盖有上盖8。
一种提高AlN单晶质量的方法，采用上述装置进行制备，具体的制备过程包括以下步骤：
步骤1、将钽坩埚2与底座1进行装配，将长晶粉料3倒入钽坩埚2内，并使长晶粉料3铺平；
步骤2、将多晶片4压在长晶粉料3上，再将导流罩5放置到钽坩埚2的阶梯状台肩上，并使多晶片4、导流罩5与钽坩埚2同轴设置，然后将带有籽晶6的碳化钽片7盖在钽坩埚2的顶部开口上，最后将上盖8盖在碳化钽片7上。通过多晶片4来抑制长晶粉料3在结晶过程中的无序挥发，同时还能吸收长晶粉3中的杂质，而且挥发的气体只能沿多晶片4与钽坩埚2内壁之间预留的间隙进行边缘升华，进而再通过导流罩5将升华的气体进行集中，并导向籽晶6的中心，即可有效避免籽晶6周围多晶体的形成，同时又能将热量导向籽晶6的外缘，使籽晶6外缘的温度大于籽晶6中心位置的温度，可同样起到有效避免籽晶6周围多晶体形成的作用；
步骤3、先将装置放入生长炉内，并进行抽真空处理，然后向炉内充氮气，将炉内压力控制在600-700torr，最后将炉内加热至2000-2100℃；
步骤4、单晶的生长时间为100-140小时。
实施例
步骤1、将钽坩埚2与底座1进行装配，将纯度为质量百分比为99.99％的氮化铝粉末倒入钽坩埚2内，并使氮化铝粉末铺平；
步骤2、将厚度为1mm、直径为比钽坩埚2直径小10-20mm的圆形AlN多晶片4，压在氮化铝粉末上，再将导流罩5放置到钽坩埚2的阶梯状台肩上，并使多晶片4、导流罩5与钽坩埚2同轴设置，通过多晶片4来抑制氮化铝粉末在结晶过程中的无序挥发，并吸收长晶粉3中的杂质，挥发的气体沿多晶片4边缘升华，进而再通过导流罩5将升华的气体进行集中，并导向籽晶6的中心，即可有效避免籽晶6周围多晶体的形成，同时又能将热量导向籽晶6的外缘，使籽晶6外缘的温度大于籽晶6中心位置的温度，可同样起到有效避免籽晶6周围多晶体形成的作用；
步骤3、先将装置放入生长炉内，并进行抽真空处理，然后向炉内充氮气，将炉内压力控制在700torr，最后将炉内加热至2050℃；
步骤4、长晶时间为100小时。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种提高AlN单晶质量的装置，其特征在于，包括：底座(1)、钽坩埚(2)、多晶片(4)、导流罩(5)、籽晶(6)、碳化钽片(7)和上盖(8)，所述钽坩埚(2)安装在底座(1)与上盖(8)之间，在钽坩埚(2)的顶部开口上盖合有碳化钽片(7)，其在碳化钽片(7)内壁上粘贴有籽晶(6)；所述多晶片(4)和导流罩(5)位于钽坩埚(2)内，在钽坩埚(2)内壁上加工有阶梯状台肩，阶梯状台肩与钽坩埚(2)内底之间形成长晶区，所述长晶区用来放置长晶粉料(3)，所述多晶片(4)放置在长晶粉料(3)上，所述导流罩(5)安装在阶梯状台肩上，用来将长晶粉料(3)生成的气体导向籽晶(6)的中心处。
2.如权利要求1所述的一种提高AlN单晶质量的装置，其特征在于：所述导流罩(5)为上截面小于下截面的正圆台型，导流罩(5)顶部导流孔的内径小于籽晶(6)的外径，导流罩(5)底部导流孔的内径大于多晶片(4)的外径。
3.如权利要求1或2所述的一种提高AlN单晶质量的装置，其特征在于：所述多晶片(4)为圆形氮化铝多晶体，其与长晶区的钽坩埚(2)内壁为间隙配合。
4.如权利要求3所述的一种提高AlN单晶质量的装置，其特征在于：所述间隙为5-10mm。
5.一种提高AlN单晶质量的方法，采用权利要求1-4任一项所述的装置进行制备，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、将钽坩埚(2)与底座(1)进行装配，将长晶粉料(3)倒入钽坩埚(2)内，并使长晶粉料(3)铺平；
步骤2、将多晶片(4)压在长晶粉料(3)上，再将导流罩(5)放置到钽坩埚(2)的阶梯状台肩上，并使多晶片(4)、导流罩(5)与钽坩埚(2)同轴设置，然后将带有籽晶(6)的碳化钽片(7)盖在钽坩埚(2)的顶部开口上，最后将上盖(8)盖在碳化钽片(7)上，通过多晶片(4)来抑制长晶粉料(3)在结晶过程中的无序挥发，同时还能吸收长晶粉(3)中的杂质，挥发的气体只能沿多晶片(4)与钽坩埚(2)内壁之间预留的间隙进行边缘升华，升华后的气体再通过导流罩(5)集中导向籽晶(6)的中心；
步骤3、先将装置放入生长炉内，并进行抽真空处理，然后向炉内充氮气，将炉内压力控制在600-700torr，最后将炉内加热至2000-2100℃；
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210504 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |