CN113774489B - 一种磷化铟单晶的生长装置及生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶体生长技术领域，特别涉及一种磷化铟单晶的生长装置，包括固定加热器、移动加热器、晶体生长容器和电磁搅拌装置，所述移动加热器和电磁搅拌装置可在晶体生长容器外移动。本发明还提供一种磷化铟单晶的生长方法，通过将原料放入到晶体生长容器中并加热到750℃，然后通过移动加热器加热到1075℃，移动移动加热器和电磁搅拌装置至其铅垂面离开晶体生长容器，保温并待炉温降至室温。本发明降低了Si污染，制得的单晶纯度高；采用移动加热器的方法，避免移动晶体生长容器可能引起的振动，能有效提高单晶率；通过双加热器的相对移动实现温场的移动，温场控制相对简单，控温精度容错率高，便于维护和校准。

Description

一种磷化铟单晶的生长装置及生长方法

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，特别涉及一种磷化铟单晶的生长装置及生长方法。

背景技术

磷化铟是一种化合物半导体，已经有多年的制备历史。有别于纯元素的第一代半导体(例如Si)和以超宽禁带为特征的第三代半导体(如SiC)。磷化铟一般被认为是第二代半导体。近年来，随着通信领域的技术发展，对磷化铟又有了新的需求和技术要求。

磷化铟单晶生长的方法有很多种，如液封直拉法(LEC)，水平布里奇曼法，垂直布里奇曼法，垂直温度梯度法(VGF)等。这些方法各有局限，例如LEC生长的晶锭，在位错密度等晶格指标上劣势很大；布里奇曼法中的容器机械运动会降低成晶率；VGF法生长效率低，而且对温场的控制精确度要求非常高，在实际应用中实现困难，此外通常需要对每个炉子单独进行周期性停产校准。此外，在现有技术中，磷化铟生长时所需的容器，普遍使用热解氮化硼(PBN)或者高纯石英。PBN价格昂贵，而石英长时间熔体接触，会在得到的晶体中产生Si污染。

发明内容

本发明解决了相关技术中温场控制难度高且需要反复维护，以及高温熔体长期接触石英容器产生Si污染的问题，提出一种磷化铟单晶的生长装置，通过设置固定加热器与移动加热器，且移动加热器可在晶体生长容器外移动，可以低成本实现精确控温，校准后温场稳定使用时间长，生长过程中石英容器平均接触温度低从而大大减轻Si污染。

本发明还提供一种采用前述生长装置来生长磷化铟单晶的生长方法，在生长过程的大部分时间里面，大部分磷化铟(包括单晶和多晶)是在750℃左右和石英容材质的晶体生长容器接触，大大降低了Si的污染，可以获得高纯度的单晶；采用移动加热器的方法，避免移动晶体生长容器可能引起的振动，能有效提高单晶率。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种磷化铟单晶的生长装置，包括固定加热器、移动加热器、晶体生长容器和电磁搅拌装置，所述移动加热器和电磁搅拌装置可在晶体生长容器外移动。

作为优选方案，所述固定加热器、移动加热器、晶体生长容器和电磁搅拌装置均置于横式炉中。

作为优选方案，所述固定加热器和移动加热器均为加热线圈。

作为优选方案，所述晶体生长容器包括依次连接的管状部、漏斗部和空心圆柱部，所述管状部的顶端开设有凹槽从而形成敞口状，所述空心圆柱部为用于放置籽晶的籽晶区，所述漏斗部为放肩区，所述管状部为晶体生长的生长区。

本发明的另一方面，还提供一种磷化铟单晶的生长方法，具体步骤如下：

S1、将籽晶放入晶体生长容器的籽晶区中；

S2、将磷化铟多晶料和辅料放入晶体生长容器中，所述辅料为覆盖剂和磷补充剂；

S3、将S2中的晶体生长容器放入横式炉中，并在横式炉内充入电子级氩气；

S4、移动移动加热器使其与籽晶区在同一个铅垂面上；

S5、同时打开固定加热器和移动加热器，目标温度设置为750℃，升温速率为10℃/min，加热至达到目标温度；

S6、待横式炉内的温度稳定后，将移动加热器的目标温度设定为1075℃，升温速度为1℃/min；

S7、待固定加热器和移动加热器内的温度稳定后，打开电磁搅拌装置，并同时将移动加热器和电磁搅拌装置往晶体生长容器的另一端缓慢移动，在放肩区，移动速度为1.0mm/小时，在生长区，移动速度为2.2mm/小时，当移动加热器和电磁搅拌装置的铅垂面离开晶体生长容器后，生长结束，关闭移动加热器和电磁搅拌装置；

S8、关闭移动加热器和电磁搅拌装置后，保温，使得炉温重新达到平衡，然后开始缓慢降温，降温速度为5℃/min；

S9、横式炉降至室温，单晶生长结束。

作为优选方案，步骤S2中，所述覆盖剂为无水氧化硼，所述磷补充剂为红磷，所述磷化铟多晶料、无水氧化硼以及红磷的质量比为95：3.8：1.2。

作为优选方案，步骤S3中，电子级氩气的纯度为99.9999％，横式炉中压力为18atm。

作为优选方案，步骤S6中，在加热过程中，少量多次补充氩气，使得最终横式炉内压力稳定在27.5atm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)使用了较为便宜的石英作为生长容器，大大降低了生产成本，而且在生长过程的大部分时间里面，大部分磷化铟(包括单晶和多晶)是在750℃左右和石英材质的晶体生长容器接触，大大降低了Si的污染，可以获得高纯度的单晶；

(2)采用移动加热器的方法，避免移动晶体生长容器可能引起的振动，能有效提高单晶率；

(3)通过双加热器的相对移动实现温场的移动，只使用两个单一任务的加热线圈，相较于多温区设计的VGF方法，温场控制相对简单，控温精度容错率高，对生长装置形状的设计没有特别要求，在持续的生产中，本申请的晶体生长装置，也更加便于维护和校准。

附图说明

图1是本发明的磷化铟单晶生长装置的结构示意图；

图2是本发明晶体生长容器的侧视图。

图中：

1、固定加热器，2、移动加热器，3、晶体生长容器、4、电磁搅拌装置，5、横式炉。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1至2所示，一种磷化铟单晶的生长装置，包括固定加热器1、移动加热器2、晶体生长容器3和电磁搅拌装置4，固定加热器1提供晶体生长的背景温度，移动加热器2和电磁搅拌装置4可在晶体生长容器3外移动，具体的，移动加热器2和电磁搅拌装置4与3根耐高温的丝杆相连，丝杆通过电机驱动，从而实现移动加热器2和电磁搅拌装置4的移动；电磁搅拌装置4用于在磷化铟的熔体中产生环流，使得生长出的单晶更均匀。

在一个实施例中，固定加热器1、移动加热器2、晶体生长容器3和电磁搅拌装置4均置于横式炉5内。

在一个实施例中，固定加热器1和移动加热器2均为加热线圈。

在一个实施例中，晶体生长容器3包括依次连接的管状部、漏斗部和空心圆柱部，管状部的顶端开设有凹槽从而形成敞口状，空心圆柱部为用于放置籽晶的籽晶区，且空心圆柱部内部空间长度为50mm，直径4.2mm；漏斗部为放肩区，管状部为晶体生长的生长区，管状部的圆直径为76mm。

实施例2

本发明的另一方面，还提供一种磷化铟单晶的生长方法，具体步骤如下：

S1、将籽晶放入晶体生长容器3的籽晶区中；

S2、将磷化铟多晶料和辅料放入晶体生长容器3中(装填的高度一般不超过晶体生长容器3直径的四分之三)，辅料为覆盖剂和磷补充剂；

S3、将S2中的晶体生长容器3放入横式炉5中，并在横式炉5内充入电子级氩气；

S4、移动移动加热器2使其与籽晶区在同一个铅垂面上；

S5、同时打开固定加热器1和移动加热器2，目标温度设置为750℃，升温速率为10℃/min，加热至达到目标温度；

S6、待横式炉5内的温度稳定后，将移动加热器2的目标温度设定为1075℃，升温速度为1℃/min；

S7、待固定加热器1和移动加热器2内的温度稳定后，打开电磁搅拌装置4，并同时将移动加热器2和电磁搅拌装置4往晶体生长容器3的另一端缓慢移动，在放肩区，移动速度为1.0mm/小时，在生长区，移动速度为2.2mm/小时，当移动加热器2和电磁搅拌装置4的铅垂面离开晶体生长容器3后，生长结束，关闭移动加热器2和电磁搅拌装置4；

S8、关闭移动加热器2和电磁搅拌装置4后，保温30min左右，使得炉温重新达到平衡，仅在固定加热器1的作用下稳定在750℃，然后开始缓慢降温，降温速度为5℃/min；

S9、横式炉5降至室温，单晶生长结束。

在完成步骤S4后，无水氧化硼呈熔融状态，覆盖在磷化铟多晶表层；在进行步骤S6和S7的过程中，紧靠移动加热器2的区域，磷化铟多晶熔化，然后随着移动加热器2的远离，这个熔融区域逐渐会降温至750℃，凝固成磷化铟单晶的一部分；在进行步骤S6和S7的时候，要求固定加热器1内其他区域的温度，保持在750℃，这一温度在本发明中是背景温度，可以通过远离移动加热器2的热电偶来表征。

在一个实施例中，步骤S2中，覆盖剂为无水氧化硼，磷补充剂为红磷，磷化铟多晶料、无水氧化硼以及红磷的质量比为95：3.8：1.2。

在一个实施例中，步骤S3中，电子级氩气的纯度为99.9999％，横式炉5中压力为18atm。

在一个实施例中，步骤S6中，在加热过程中，少量多次补充氩气，使得最终横式炉5内压力稳定在27.5atm。

以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磷化铟单晶的生长方法，其特征在于：包括磷化铟单晶生长装置，磷化铟单晶生长装置包括固定加热器(1)、移动加热器(2)、晶体生长容器(3)和电磁搅拌装置(4)，所述移动加热器(2)和电磁搅拌装置(4)可在晶体生长容器(3)外移动；磷化铟单晶生长的具体步骤如下：

S1、将籽晶放入晶体生长容器(3)的籽晶区中；

S2、将磷化铟多晶料和辅料放入晶体生长容器(3)中，所述辅料为覆盖剂和磷补充剂；

S3、将S2中的晶体生长容器(3)放入横式炉(5)中，并在横式炉(5)内充入电子级氩气；

S4、移动移动加热器(2)使其与籽晶区在同一个铅垂面上；

S5、同时打开固定加热器(1)和移动加热器(2)，目标温度设置为750℃，升温速率为10℃/min，加热至达到目标温度；

S6、待横式炉(5)内的温度稳定后，将移动加热器(2)的目标温度设定为1075℃，升温速度为1℃/min；

S7、待固定加热器(1)和移动加热器(2)内的温度稳定后，打开电磁搅拌装置(4)，并同时将移动加热器(2)和电磁搅拌装置(4)往晶体生长容器(3)的另一端缓慢移动，在放肩区，移动速度为1.0mm/小时，在生长区，移动速度为2.2mm/小时，当移动加热器(2)和电磁搅拌装置(4)的铅垂面离开晶体生长容器(3)后，生长结束，关闭移动加热器(2)和电磁搅拌装置(4)；

S8、关闭移动加热器(2)和电磁搅拌装置(4)后，保温，使得炉温重新达到平衡，然后开始缓慢降温，降温速度为5℃/min；

S9、横式炉(5)炉温降至室温，单晶生长结束。

2.根据权利要求1所述的磷化铟单晶的生长方法，其特征在于：所述固定加热器(1)、移动加热器(2)、晶体生长容器(3)和电磁搅拌装置(4)均置于横式炉(5)中。

3.根据权利要求1所述的磷化铟单晶的生长方法，其特征在于：所述固定加热器(1)和移动加热器(2)均为加热线圈。

4.根据权利要求1所述的磷化铟单晶的生长方法，其特征在于：所述晶体生长容器(3)包括依次连接的管状部、漏斗部和空心圆柱部，所述管状部的顶端开设有凹槽从而形成敞口状，所述空心圆柱部为用于放置籽晶的籽晶区，所述漏斗部为放肩区，所述管状部为晶体生长的生长区。

5.根据权利要求1所述的磷化铟单晶的生长方法，其特征在于：步骤S2中，所述覆盖剂为无水氧化硼，所述磷补充剂为红磷，所述磷化铟多晶料、无水氧化硼以及红磷的质量比为95：3.8：1.2。

6.根据权利要求1所述的磷化铟单晶的生长方法，其特征在于：步骤S3中，电子级氩气的纯度为99.9999％，横式炉(5)中压力为18atm。

7.根据权利要求1所述的磷化铟单晶的生长方法，其特征在于：步骤S6中，在加热过程中，少量多次补充氩气，使得最终横式炉(5)内压力稳定在27.5atm。

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