CN116034187A - 用于晶体生长的基于激光式后加热 - Google Patents

Abstract

提供一种用于从熔融进料(23)生长为晶体(21)的晶体生长装置(10，10’，10”)和晶体生长方法，其中除了熔融区加热器之外，还设置了至少一个后加热激光器(5)以加热延伸式的后加热区(50)，后加热区(50)与邻近于熔融区(230)的固化区(210)至少部分地重叠。晶体生长设备(10，10’，10”)和晶体生长方法可用于热处理，以减少生长的晶体(21)中的裂纹形成或热应力。

Description

用于晶体生长的基于激光式后加热

技术领域

本发明涉及一种用于从熔融进料生长为晶体的晶体生长装置，一种用于从熔融进料生长为晶体的结晶生长方法，以及所述装置和所述方法的用途。

背景技术

本发明的应用包括其在单晶生长技术中的使用，该技术涉及结晶形式的熔融进料的固化。

这种技术的一个示例是直拉法(Czochralski)，其中将定向晶种浸入熔融进料中，并在旋转时缓慢向上提拉。

另一示例是区域熔炼法，其中进料的窄区域(例如单晶或多晶棒)被熔化，并且该所谓的熔融区沿着棒移动，产生两个固体界面。随着该熔融区移动，例如通过移动加热器、炉或棒，来自一个界面的材料在熔融区中溶解并在另一界面处再结晶，并且净化那些在液体中的溶解度不同于在固体中的溶解度的杂质。由此，杂质被移动到棒的一端，留下非常纯净的晶体。

浮动区(FZ)法是区域熔炼法的重要变体。利用晶种，允许无坩埚生长，并消除坩埚材料的可能污染以及晶体与容器之间的差异膨胀引起的应力。FZ法在底部或顶部具有垂直布置的生长晶体，在另一侧则具有熔化的进料棒，并伴随有由于熔融区加热器与晶体棒布置之间的相对运动而导致的熔融区浮动。

通过固化熔融进料来生产晶体的主要问题是由新形成的晶体中的热应力所导致的开裂。为了将进料加热到熔点以上，通常需要高达3000℃的高温。这在熔融区中的加热熔池与未加热结晶区之间产生了较大的温度差。因此，熔体的固化也会导致所得晶体内的非常高的温度梯度，这会造成巨大的热应力。这些应力通常导致晶体中的裂纹或晶格中的其他缺陷的形成，从而使材料无用或大大降低其质量。

通常已知的是，能够通过附加地加热熔融区附近的固化材料来减小温度梯度。除了碳加热器的广泛使用之外，诸多专利公开了传统的电阻式及电感式后加热技术。例如，DE10 2004 058 547 A1描述了通过以射频操作的加热线圈来施加电感式热输入，用以在浮动区法中进行后加热。GB 1 045 526 A中也展示了电感式后加热。

尽管这种传统加热器可用于金属样本，并处于保护气体氛围(通常为氩气)中以实现所需的加热效果，但通常需要具有高氧含量的气氛来生产氧化物材料。特别是，具有非常不同的电子特性和磁特性的含氧化合物是目前研究的重点，例如具有本征金属-绝缘体转变或高温超导体的材料。然而，通常恰恰是这些化合物对热应力非常敏感。与极高的温度相结合，高氧分压会导致传统的后加热器的操作严重受限。因此，对于这类材料，几乎没有能达到足够高温度的传统后加热器。

有几种备选方法可被动地将热从熔融区散发出去。在US4,248,645A中，热的散发是通过耦接到散热器的具有高导热性的材料棒来实现的。在US 2010 282 160A1中，将热交换器形式的散热器用于相同目的。

DE 2 557 186 A1公开了一种在熔融区周围使用辐射屏蔽的被动式后加热装置。在EP 0 725 168 A2中展示了一种类似的装置。

这些被动式装置具有不良的可调节性和适应性。

WO 2008/092 097A2中描述了与小单晶纤维的生长相关的另一种后加热方法。其公开了使用镜将CO₂激光束分成用于熔化材料的第一部分和用于后加热的第二部分。使用同心双焦点镜，将第一部分聚焦在熔融区上，并将第二部分聚焦在后加热区上。

WO 2008/092 097A2中描述的主题存在几个缺点，包括使用了附加的光敏部件，以及后加热区在长度和位置调节方面通用性低。此外，无法调节后加热区的温度概况。

发明内容

本发明寻求提供这样一种装置和方法，其以稳定且永久的方式展示出一种将生长自熔融进料的晶体后加热至极高温度的可选方案，所述方法和装置独立于周围大气。

本发明的第一方面提供一种用于从熔融进料生长为晶体的晶体生长装置，所述装置包括：

-熔融区加热器，用于熔化熔融区中的进料；

-至少一个后加热激光器，其布置成发射后加热器激光束以加热延伸式的后加热区，所述后加热区与邻近所述熔融区的固化区至少部分地重叠。

在本发明的上下文背景中，“后加热区”指定了由后加热激光束直接辐射的进料和/或生长晶体的一部分。后加热激光器的直接辐射可以对应于从激光源到所述后加热区行进了最短可能路径的辐射。与没有后加热器的装置相比，例如由于来自后加热区的热传导或间接辐射，不排除后加热区外部的部件也可能经历温度升高的情况。

后加热区可以与生长自熔融进料的晶体的固化区至少部分地重叠，这将被理解为：针对后加热区不仅与固化区重叠而且还与例如进料的其他区域重叠的情况，其同样落入本发明的范围内。

术语“固化区”用于指定熔融进料由于其温度已经低于熔融温度而固化成所需的晶体结构的区域。

术语“晶体”或“结晶”用于指能够生长自熔融进料的、具有结晶原子结构的任何类型的固体。晶体可以包括多晶区域和/或单晶区域，其中多晶区域在固化区的初期和边界处尤为常见。优选地，晶体具有大的单晶区域。针对生长的晶体表现出会破坏晶体结构的晶体学缺陷的情况，其落入本发明的范围内。晶体可以包括空位、间隙、位错、晶界和/或杂质。

后加热区在至少固化区的特定区域上延伸，其中后加热区的延伸可取决于后加热器激光束相对于固化区的辐射面积。优选地，后加热区的延伸大于熔融区的延伸。

后加热区邻近于熔融区，在本发明的上下文背景中，其应当理解为：后加热区紧邻或靠近熔融区，但不一定直接(即无缝地)邻接熔融区。

至少一个后加热激光器可以具有或可以不具有可调节的输出功率。优选地，至少一个后加热激光器可以具有足以将后加热区加热到等于或至少接近进料熔融温度的温度的最大输出功率。最大总输出功率通常可以在500W至10kW的范围内，优选地在750W至10kw的范围内，这取决于晶体的尺寸和/或材料等等。最大总输出功率可在若干个后加热激光器之间划分，其中该若干个后加热激光器中的每一个均可以具有从10W至1500W范围的最大输出功率。以典型的FZ法作为示例，最大总输出功率可在三个后加热激光器之间划分，分别具有800W的最大输出功率，或者在五个后加热激光器之间划分，分别具有500W的最大输出功率，或者在27个后加热激光器之间划分，分别具有30W的最大输出功率。

后加热激光束可以理解为后加热激光器在后加热区的方向上发射的所有光。优选地，后加热激光束是散焦的。优选地，熔融区加热器包括可用于在高达几个1000℃的温度下熔化进料的至少一个激光器。

根据本发明的实施例，晶体生长装置可以进一步包括辐射面积调节机构，以调节后加热器激光束的辐射面积。

优选地，辐射面积调节机构可操作以调节后加热器激光束的辐射面积的大小和/或位置。辐射面积的大小和/或位置可以在后加热激光器操作时改变，以使得固化区的较小部分或较大部分可被后加热器激光束以明确限定的方式加热。

优选地，辐射面积调节机构包括至少一个可调节散焦机构。散焦机构可以用作光束扩展器。它们可具有伸缩性或棱镜性。

优选地，辐射面积调节机构包括至少一个可移动透镜。可移动透镜可以是会聚透镜或发散透镜。辐射面积的大小和/或位置可取决于激光束源距透镜平面的可变距离与透镜焦距之间的关系。

根据本发明的另一实施例，至少一个后加热激光器为二极管激光器。二极管激光器可以具有或可以不具有可调节的输出功率。二极管激光器可以发射波长约为1μm的红外光。

晶体生长装置可以包括一个以上的后加热激光器。晶体生长装置可以包括若干个后加热激光器，优选地在2到50个之间，更优选地在3到40个之间，特别优选地在3到30个之间。这些后加热激光器可以任何可行的方式围绕待由它们加热的样本来布置。作为示例，这若干个后加热激光器可以沿着样本的圆周而围绕样本布置。有利地，这种布置允许了后加热区中径向上的均匀温度分布。作为另一示例，这若干个后加热激光器可以沿着熔融区的运动方向进行布置。有利地，这种布置允许沿着熔融区的运动方向来相对于后加热区设置所限定的温度概况。

根据本发明的另一实施例，晶体生长装置包括奇数N个后加热激光器，N＞1，其中后加热激光器可以周向地围绕后加热区。优选地，N的范围为3至15，更优选地为3至9。有利地，在样本周围周向地布置奇数个后加热激光器允许了后加热区中径向上的均匀温度分布，并且允许了对透射的激光束使用束阱。

根据本发明的另一实施例，晶体生长装置包括被布置为具有可变和/或可叠加的辐射面积的和/或被布置为调节后加热区的(例如在熔融区运动方向上的)温度概况的若干个后加热激光器。该若干个后加热激光器可以围绕样本进行布置。它们可以具有可调节的输入功率。可以设有分配给该若干个后加热激光器中的至少一个的辐射面积调节机构。

有利地，该实施例允许将后加热区划分成能被加热到不同温度的区域。举例来说，这允许在温度梯度(例如沿着熔融区运动方向的温度梯度)不超过临界值的情况下对固化区进行受控冷却。

根据本发明的另一实施例，后加热激光器布置为对与熔融区直接(即无缝地)相邻的和/或与熔融区至少部分重叠的后加热区进行加热。由此，熔融区与直接邻接的固化区之间的温度梯度能够以最佳方式减小。与熔融区部分重叠的后加热区可促进熔融区中的进料熔化。

根据本发明的另一实施例，后加热激光器布置为对与固化区以及进料中邻近于熔融区的区至少部分重叠的后加热区进行加热。后加热激光器还可以加热介于进料中的所述区与固化区之间的熔融区。

本发明的另一方面提供了一种用于从熔融进料生长为晶体的晶体生长方法，其中除了加热熔融区之外，还通过由至少一个后加热激光器发射的至少一个后加热器激光束来加热与邻近于熔融区的固化区部分重叠的延伸式后加热区。

后加热区在至少固化区的特定区域上延伸，其中后加热区的延伸可取决于后加热器激光束相对于固化区的辐射面积。

后加热区邻近于熔融区，在本发明的上下文背景中，这应当理解为：后加热区紧邻或靠近熔融区，但不一定直接(即无缝地)邻接熔融区。

根据本方法的实施例，由后加热激光器发射的后加热器激光束的辐射面积可通过辐射面积调节机构调节。优选地，通过辐射面积调节机构，使得由后加热激光器发射的后加热器激光束在尺寸和/或位置上可调节。

根据本方法的另一实施例，后加热区的温度概况是可调节的。有利地，这允许以明确限定的方式来冷却生长的晶体，并且可以进一步降低热应力。

根据本方法的另一实施例，后加热区直接邻近于熔融区和/或与熔融区至少部分地重叠。

根据本方法的另一实施例，后加热区与固化区以及进料中邻近于熔融区的区至少部分地重叠。

本发明的另一方面涉及本晶体生长装置或本晶体生长方法在用于生长晶体的区域熔炼型、直拉型或Bridgman型装置或方法中的用途。

区域熔炼型方法可包括熔化例如单晶棒或多晶棒的进料的窄区域，并沿着棒移动该熔融区。区域熔炼型方法包括浮动区域型方法，其包括由于熔融区加热器与晶体棒布置之间的相对运动而使熔融区浮动。

直拉型(Czochralski)方法可包括将定向晶种浸入熔融进料中，并在旋转晶种的同时缓慢地向上拉动晶种。

Bridgman型方法可包括将熔融进料从熔炉的热区转移到冷区。

本发明可采用任意横截面几何形状的杆。

另一方面涉及具有上述特征的本发明在热处理中用以减少生长自熔融进料的晶体中的裂纹形成或热应力和/或促进进料的熔化过程的用途。

在全文描述中，为了简洁起见，使用了术语“至少一个”，其可以表示：一个、正好一个、若干个(例如正好两个或多于两个)、许多个(例如正好三个或多于三个)等。然而，“若干个”或“许多个”不一定意味着具有若干个或许多个相同的元素，而是具有若干个或许多个基本上功能相同的元素。

应当理解，为了清楚起见，描述于单独实施例的上下文中的本发明的某些特征也可以相互组合地提供在单个实施例中。相反，为了简洁起见，描述于单个实施例的上下文中的本发明的各种特征也可以单独地或以任何适当的子组合形式来提供。

下面呈现了本发明的示例性实施例的详细描述，以使本领域技术人员能够在一个或多个特定实施方式的背景下制造并使用所公开的主题。对所公开的实施方式的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，本文所定义的一般原理可以应用于其他实施方式和应用。因此，本公开不旨在局限于所描述或图示的实施方式，而是被给予与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。

附图说明

参考附图，仅通过示例的方式对发明的实施方式进行描述，其中：

图1示意性地示出了根据现有技术的晶体生长装置，以及遍布于沿着熔融区运动方向的样本的相关温度概况；

图2示意性地示出了根据本发明的晶体生长装置，以及遍布于沿着熔融区运动方向的样本的相关温度概况；

图3示意性地示出了根据本发明的晶体生长装置，其中后加热区与进料区、固化区以及熔融区部分地重叠；

图4示意性地示出了根据本发明的晶体生长装置，其中在熔融区的运动方向上连续布置有若干个后加热激光器；

图5示意性地示出了根据本发明的晶体生长装置，其中若干个后加热激光器围绕样本周向地布置。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的不使用后加热系统的晶体生长装置，不失一般性地，即浮动区(FZ)装置1，其作用于样本2。样本2包括固化区210中的结晶部分21。结晶材料21通过如下方式生长：即熔化位于进料区220中的多晶材料进料棒22，并通过以箭头24所示的运动方向移动样本2而使窄的熔融区230中的熔池23沿着棒22移动。熔融区230由热辐射加热至略高于进料T_melt的熔融温度的温度。热辐射可以是由例如至少一个CO₂或YAG激光器发射的聚焦激光3，或者是至少一个多色弧光灯或卤素灯(为了清楚起见未示出)的聚焦光。展现在样本2的长度上的温度概况4(长度是样本2在样本2的运动方向24上的维度)在熔融区230中呈现出窄的峰值41，且在进料区220和固化区210中具有大的温度梯度。特别是，固化区210中温度的这种急剧下降可能导致单晶材料21中的显著热应力。

图2示出了根据本发明的晶体生长装置，不失一般地，即浮动区(FZ)装置10。除了熔融区加热器(未示出)之外，FZ装置10还包括用于加热后加热区50的至少一个二极管激光器5，该后加热区与固化区210部分地重叠。与熔融区加热器发射的聚焦激光3不同，可调散焦机构(未示)作用于二极管激光器5上，由此使二极管激光器5发射散焦激光51。样本2长度上的温度概况4’在熔融区230中呈现出窄的峰值41’，与图1中所示相似。与图1的温度概况4不同的是，温度概况4’的特征在于进料区220中的肩部42和固化区210中的显著肩部43，它们是由于二极管激光器5向后加热区50输入的额外的热而产生的。当包括了固化区210的至少一部分的后加热区50被二极管激光器5直接辐射时，进料区220中的肩部42主要由于从固化区210向进料区220的热传导而产生。肩部43导致固化区210中的温度梯度显著降低，从而降低了热应力以及在单晶材料21中形成裂纹的可能性。

图3示出了类似于图2的FZ装置10，其中对作用于二极管激光器5的散焦机构(未示出)进行调节，使得散焦激光51的辐射面积以及相应的后加热区50均大于图2中的。后加热区50不仅与固化区210中的至少一部分重叠，而且还与熔融区230和进料区220的至少一部分重叠。

为了清楚起见，省略了作用于熔池23的聚焦激光。

图4示出了类似于图2的、具有三个二极管激光器5的FZ装置10’。对各二极管激光器5的位置和/或其各自的散焦机构(未示出)进行调节，以使它们的辐射面积重叠，从而确保在后加热区50的整个长度上保持小的温度梯度。后加热区50可以延伸遍及整个固化区210、熔融区230和整个进料区220。装置10’允许对固化区210中的结晶材料21进行受控冷却，即可调节遍布于样本2的长度上的温度概况以大大降低热应力。

为了清楚起见，省略了作用于熔池23的聚焦激光。

图5示出了FZ装置10”的仰视图，其中五个二极管激光器5围绕样本2的圆周布置，这确保了相对于样本2横截面的均匀温度概况。二极管激光器5位于处理室6外部，该处理室6可以根据需要提供用于生长某些类型的晶体的环境，例如高氧分压。奇数个二极管激光器5的布置使得能够使用束阱52来吸收透射穿过样本2的散焦激光51，其中每个二极管激光器5分配一个束阱52。

附图标记说明

1根据现有技术的FZ装置

10、10’、10”    根据本发明的FZ装置

2             样本

21            结晶材料

210           固化区

22            多晶硅进料棒

220           进料区

23            熔池

230           熔融区

24            样本的运动方向

3             聚焦激光

4、4’          温度概况

41、41’        温度峰值

42            温度概况中的肩部

43            温度概况中的肩部

5             二极管激光器

50            后加热区

51            散焦激光

52            束阱

6             处理室

Claims (16)

1.一种用于从熔融进料(23)生长为晶体(21)的晶体生长装置(10，10’，10’)，包括：

-熔融区加热器，用于熔化熔融区(230)中的进料；

-至少一个后加热激光器(5)，其布置为发射后加热器激光束(51)以加热延伸式的后加热区(50)，所述后加热区(50)与邻近于所述熔融区(230)的固化区(210)至少部分地重叠。

2.根据权利要求1所述的晶体生长装置(10，10’，10”)，还包括辐射面积调节机构，用以调节后加热器激光束(51)的辐射面积。

3.根据权利要求2所述的晶体生长装置(10，10’，10’)，其中，所述辐射面积调节机构包括至少一个可调节散焦机构。

4.根据权利要求2或3所述的晶体生长装置(10，10’，10’)，其中，所述辐射面积调节机构包括至少一个可移动透镜。

5.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10，10’，10’)，其中，所述至少一个后加热激光器为具有或不具有可调节输出功率的二极管激光器(5)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10”)，其中，所述晶体生长装置(10”)包括奇数N个后加热激光器(5)，N＞1，所述后加热激光器(5)周向地围绕所述后加热区(50)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10’)，其中，所述晶体生长装置(10’)包括被布置为具有可变和/或可叠加的辐射面积的和/或被布置用于调节后加热区(50)的温度概况(4’)的若干个后加热激光器(5)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10，10’，10”)，其中，所述至少一个后加热激光器(5)布置为对直接邻近于所述熔融区(230)的和/或与所述熔融区(230)至少部分重叠的后加热区(50)进行加热。

9.根据前述权利要求中任一项所述的晶体生长装置(10，10’，10”)，其中，所述后加热激光器(5)布置为对与所述固化区(210)以及所述进料(220)中邻近于所述熔融区(230)的区至少部分重叠的后加热区(50)进行加热。

10.一种用于从熔融进料(23)生长为晶体(21)的晶体生长方法，其中，除了对熔融区(230)加热之外，还通过由至少一个后加热激光器(5)发射的至少一个后加热器激光束(51)来加热与邻近于所述熔融区(23)的固化区(210)部分重叠的延伸式后加热区(50)。

11.根据权利要求10所述的晶体生长方法，其中，通过辐射面积调节机构，使得由所述后加热激光器(5)发射的所述后加热激光束(51)的辐射面积可调节。

12.根据权利要求10或11所述的晶体生长方法，其中，所述后加热区(50)的温度概况(4’)是可调节的。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的晶体生长方法，其中，所述后加热区(50)直接邻近于所述熔融区(230)或者与所述熔融区(230)至少部分地重叠。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的晶体生长方法，其中，所述后加热区(50)与所述固化区(210)以及所述进料(220)中邻近于所述熔融区(230)的区至少部分地重叠。

15.根据权利要求1至9中任一项所述的晶体生长装置(10，10’，10”)或根据权利要求10至14中任一项所述的晶体生长方法在用于晶体(21)生长的区域熔炼型、直拉型或Bridgman型装置或方法中的用途。

16.根据权利要求1至9中任一项所述的晶体生长装置(10，10’，10”)或根据权利要求10至14中任一项所述的晶体生长方法在热处理中用以减少生长自熔融进料(23)的晶体(21)中的裂纹形成或热应力和/或促进所述进料(23)的熔化过程的用途。

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