CN117071052A - 一种用于化合物半导体单晶的低位错生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于化合物半导体单晶的低位错生长装置，属于晶体制备技术领域，所述生长装置包括密闭的炉体、炉体的坩埚、籽晶杆、观察窗、多段加热器和覆盖剂移除装置，所述覆盖剂移除装置包括回收器、回收器管脚；本发明在晶体长成之后、退火之前，将液态覆盖剂通过覆盖剂移除装置移除，在后续工艺过程中，不会由于覆盖剂的凝固造成晶体缺陷。本发明提出的装置具备直拉法生长大直径、低成本的优势，同时又具备垂直梯度凝固法晶体的低位错缺陷的优势，具有很强的实用性。

Description

一种用于化合物半导体单晶的低位错生长装置

技术领域

本发明属于晶体制备技术领域，具体为一种用于化合物半导体单晶的低位错生长装置。

背景技术

化合物半导体材料，例如磷化铟、砷化镓等，具有一定的离解压。

熔体法制备单晶时，需要有覆盖剂对熔体进行覆盖。

使用直拉法拉制单晶过程中，晶体被拉出氧化硼，在氧化硼上方为低温区域，晶体温度散失较快，因此晶体中温度梯度大幅度增加，从而产生位错缺陷。另外，对于提拉法而言，籽晶与籽晶杆相连，籽晶杆起到了持续的热传导作用，因此，在籽晶周边会形成方形的位错区域，并延伸至晶体头部一定深度内，对晶体质量产生影响。

对于垂直梯度凝固法VGF和垂直布里奇曼法VB而言，籽晶位于熔体下方，在生长时不能通过观察判断晶体生长的生长状况，影响晶体的成品率；在晶体生长过程中，用覆盖剂覆盖原料熔体可以防止杂质进入，同时可稍许控制熔体的温度波动，但覆盖剂凝固时，会对接触的晶体内部产生很大的应力，甚至造成晶体直接断裂。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，提出了本发明。

本发明采用以下技术方案以实现目的：一种用于化合物半导体单晶的低位错生长装置，包括密闭的炉体、炉体内底部设置的连接坩埚支撑的坩埚、连接籽晶杆驱动装置的籽晶杆、设置在炉体顶部的观察窗、坩埚周边设置的多段加热器、设置在多段加热器外侧的保温层和穿过炉体的充放气管路，关键在于，所述装置还包括覆盖剂移除装置。

进一步的，所述覆盖剂移除装置包括连接穿过炉体顶部的回收器驱动装置、设置在炉体内部且连接回收器驱动装置的回收器和穿过回收器底部的回收器管脚，所述回收器管脚的顶端位置高于所述回收器内部空间高度的4/5。

一种可能的实现方式：所述回收器设置有回收器充放气管路，所述回收器充放气管路穿过炉体顶部进入回收器内部，且固定连接在回收器顶部。

另一种可能的实现方式：所述回收器周边设置有气源炉。

采用本发明提出的装置，晶体生长完成后，在覆盖剂呈液态时将覆盖剂与晶体分离，在后续工艺过程中，不会由于覆盖剂的凝固造成晶体缺陷。本发明提出的装置具备直拉法生长大直径、低成本的优势，同时又具备垂直梯度凝固法晶体的低位错缺陷的优势，具有很强的实用性。

附图说明

图1为晶体生长前装置的状态示意图，

图2为晶体生长前另一个实施例的装置的状态示意图，

图3为籽晶杆末端结构示意图，

图4为圆片状籽晶结构示意图，

图5为圆片状籽晶预热时装置的状态示意图，

图6为圆片状籽晶与熔体接触时装置的状态示意图，

图7为晶体长成时装置的状态示意图，

图8为移除液态覆盖剂后装置的状态示意图，

图9、10为另一个实施例装置的状态示意图，

图11为回收器管脚末端的结构示意图。

其中，1：圆片状籽晶，1-1：长条孔，2：籽晶杆，2-1：锁舌，2-1-1：窄边，2-1-2：长边，2-2：籽晶杆驱动装置，3：回收器，3-1：回收器管脚，3-2：回收器驱动装置，4：气源炉，5：气源材料，6：覆盖剂，7：坩埚，7-1：坩埚支撑，8：加热器，9：观察窗，10：炉体，11：充放气管路，12：回收器充放气管路，13：晶体。

具体实施方式

本发明提出了一种用于化合物半导体单晶的低位错生长装置，参看图1和图2，包括密闭的炉体10、炉体10内底部设置的连接坩埚支撑7-1的坩埚7、连接籽晶杆驱动装置2-2的籽晶杆2、设置在炉体10顶部的观察窗9、坩埚7周边设置的多段加热器8、设置在多段加热器8外侧的保温层和穿过炉体10的充放气管路11。

下面通过使用本发明提出的装置生长晶体时的步骤对本发明做进一步说明。

步骤1：将化合物半导体多晶料、固体覆盖剂放置在坩埚7中，将籽晶安装至籽晶杆2上，安装炉体10。所有实施例中，使用氧化硼作为覆盖剂。

步骤2：设置炉体10内部环境。环境设置包括炉体10内部压力、温度的控制等。

步骤3：通过多段加热器8给化合物半导体多晶料、固体覆盖剂加热直至形成熔体和液态覆盖剂6，液态覆盖剂6在熔体上方，对熔体形成覆盖，熔体温度调整至结晶点±3℃，参看图1。图1中，籽晶杆2末端连接籽晶。

步骤4：下降籽晶杆2，籽晶浸入到液态覆盖剂6中，距离熔体表面1~3mm处，预热20~30min；将籽晶与熔体接触。

采用图1所示的籽晶，虽然可以实现晶体生长步骤，但在晶体生长过程中，籽晶杆2始终与籽晶接触，籽晶杆2会持续导热，在籽晶周边会形成方形的位错区域。

为此，本实施例中，籽晶杆2的端部设置锁舌2-1，图3中显示了籽晶杆2端部设置的锁舌2-1两个方向的示意图；将籽晶设计为圆片状籽晶1，中心开有与锁舌2-1匹配的长条孔1-1，如图4所示。

安装籽晶时，将圆片状籽晶1的长条孔1-1对准籽晶杆2的锁舌2-1插入，旋转90°，长条孔1-1的窄边两侧落在锁舌2-1的长边上，实现圆片状籽晶1安装至籽晶杆2，如图2所示。

圆片状籽晶1预热状态如图5所示。

预热20~30min后，籽晶杆驱动装置2-2驱动籽晶杆2旋转，转速3~10RPM，带动圆片状籽晶1在液态覆盖剂6中旋转，圆片状籽晶1受到与转动方向相反的阻力，圆片状籽晶1与籽晶杆2发生相对转动，相对位置转动90°时，圆片状籽晶1从籽晶杆2上脱落，由于圆片状籽晶1的密度大于液化覆盖剂6的密度，圆片状籽晶1落至熔体表面。

提升籽晶杆2。

磷化铟晶体密度略小于熔体密度，圆片状籽晶1可以浮在熔体上方，有一小部分会浸入覆盖剂中，圆片状籽晶1下面与熔体接触，如图6所示。

如果长条孔1-1与锁舌2-1完全匹配，在相对位置转动90°时，由于摩擦力和转动引起的相对位置持续变化，圆片状籽晶1不易从籽晶杆2上脱落。为此，本实施例中，长条孔1-1的窄边边长大于所述锁舌2-1窄边2-1-1的长度，小于所述锁舌2-1长边2-1-2的长度，如图3、4所示。这样设计，圆片状籽晶1可以搭在锁舌2-1的长边2-1-2上，在圆片状籽晶1转动时，圆片状籽晶1和籽晶杆2相对位置转动小于90°时，圆片状籽晶1就开始从籽晶杆2上脱落。

如果圆片状籽晶1就开始从晶杆2上脱落后马上提升籽晶杆2，圆片状籽晶1还处于旋转状态，且液态覆盖剂6被扰动，圆片状籽晶1容易偏离原来位置。

为防止上述情况发生，本实施例中，锁舌2-1的长度大于3mm，可以满足籽晶浸入到液态覆盖剂6中，距离熔体表面1~3mm处的前提下，籽晶杆2的锁舌2-1末端浸入熔体，如图5所示；圆片状籽晶1从籽晶杆2上脱落后，停止旋转籽晶杆2，2-5min后，提升籽晶杆2。

停止旋转籽晶杆2后，由于籽晶杆2的锁舌2-1末端浸入熔体，圆片状籽晶1浮在熔体上方，因此籽晶杆2的锁舌2-1末端还留在圆片状籽晶1的长条孔1-1中，限制圆片状籽晶1在熔体中漂移；2-5min后，被扰动的液态覆盖剂6处于静止状态，圆片状籽晶1静止，此时提升籽晶杆2，由于籽晶杆2对准的位置是坩埚7的中心，圆片状籽晶1的位置基本在坩埚7中央。

以上状态，包括以后的晶体生长状态，可以通过观察窗9进行观察。

提升籽晶杆2后的状态如图6所示。

需要注意的是，在生长磷化铟晶体时，采用上述放置籽晶的方式；在生长砷化镓等晶体时，还是采用传统的籽晶始终固定在籽晶杆上的方法。

步骤5：逐渐降低多段加热器8功率，降温速度3~5℃/H，使得晶体13逐渐长大，直至整个坩埚内熔体完全凝固，如图7所示。

步骤6：逐渐降低多段加热器8功率，设置5~10℃/H的降温速度，降温至600℃。此时晶体13表面存在液态覆盖剂6。

如果持续降温，液态覆盖剂6会凝固，对晶体13产生影响，影响晶体品质甚至造成晶体直接断裂。

本实施例中，在继续降温之前，将液态覆盖剂6从晶体13表面移除，消除影响：

覆盖剂移除装置可以有多种形式，如专门设置移除管路，晶体生长完成后，将移除管路伸入液态覆盖剂6，通过配套的设备将液态覆盖剂6移除。但设置这种装置需要考虑炉体10内部的高温环境，在管路和外部配套的设备上还需要设置高温环境，避免在移除过程中，液态覆盖剂6凝固。另外，该种方式还有可能引进污染。

本实施例中，覆盖剂移除装置包括连接穿过炉体10顶部的回收器驱动装置3-2、设置在炉体10内部且连接回收器驱动装置3-2的回收器3和穿过回收器3底部的回收器管脚3-1，所述回收器管脚3-1对准坩埚7内部边缘，所述回收器管脚3-1的顶端位置高于所述回收器3内部空间高度的4/5，可以保持回收器管脚3-1的上端始终高于进入回收器3的液态覆盖剂液面。

步骤7：将回收器管脚3-1插入液态覆盖剂6，与晶体13表面接触。

步骤8：将液态覆盖剂6经回收器管脚3-1回收到回收器3中。

在晶体生长阶段，回收器管脚3-1处于液态覆盖剂6上方。

晶体一般有倾斜角，中间高，四周低，回收器管脚3-1对准坩埚7内部边缘，可以移除尽可能多的液态覆盖剂6。

如果回收器管脚3-1的末端与晶体13紧密贴合，有可能由于其结合紧密，导致液态覆盖剂6不能进入回收器管脚3-1。本实施例中，回收器管脚3-1末端倾斜，与水平方向有3-10°的夹角，如图11所示。

在实际使用中，注意晶体13表面的倾斜角与回收器管脚3-1末端的倾斜角有一定差异。

为了保证回收量，回收器3的容积大于固体覆盖剂用量体积的1.3倍。

可以采用对炉体10内部增压，将液态覆盖剂6压入回收器3：通过充放气管路11，缓慢降低炉体10内部压力，由3MPa降低至0.1MPa，随后向炉体10neural充入惰性气体，使炉体10内部压力增加至0.6MPa。此时的压力大小值与回收器3与覆盖剂的体积比相关。除此之外，还要考虑覆盖剂克服重力所需的气压差。

该方法实现简单，但需要从外部对炉体10抽真空，然后再充入惰性气体，这样会剧烈改变晶体的周边环境，如温度、压力，对晶体质量产生不可预估的影响。

本发明提出了另外两个实施例。

实施例1：

在回收器3设置有回收器充放气管路12，所述回收器充放气管路12穿过炉体10顶部进入回收器3内部，且固定连接在回收器3顶部，回收器充放气管路12随回收器驱动装置3-2的驱动，与回收器3上下移动。

步骤8中：经充回收器充放气管路12对回收器3泄压，液态覆盖剂6经回收器管脚3-1被吸入回收器3中，如图8所示。

回收器管脚3-1插入液态覆盖剂6后，回收器3内部空间与炉体10的内部空间被液态覆盖剂6隔离，回收器3泄压后，炉体10内部压力大于回收器3内部压力，液态覆盖剂6经回收器管脚3-1被吸入回收器3中。

如果回收器3内部的压力与环境压力一致，炉体10内还有液态覆盖剂6，可以通过回收器充放气管路12对回收器3抽真空，抽取剩余的液态覆盖剂6。

以上过程可以通过观察窗9进行观察。

该实施例在不改变炉体10内部环境的情况下移除了覆盖晶体13的液态覆盖剂6。

实施例2：

在回收器3周边设置有气源炉4。

步骤1中，将气源材料5放置在回收器3内；气源材料5为所述化合物半导体中的非金属元素材料；本实施例中，化合物半导体多晶料为磷化铟多晶料，气源材料5为红磷。

红磷的用量：红磷的体积大于回收器3的容积的1/200。

步骤7后的状态如图9所示。

步骤8中，1：开启气源炉4，使得气源材料5红磷气化，气体由回收器管脚3-1冒出进入炉体10；2：待气源材料5红磷完全气化，停止气源炉4加热，回收器3内的气体凝结，回收器3压力随之降低，液态覆盖剂6经回收器管脚3-1被吸入回收器3中，如图10。红磷的体积大于回收器3的容积的1/200，理论上可以将所有覆盖剂6被吸入回收器3中。

在晶体生长的工艺中，晶体退火时需要在一定气氛下完成，如磷化铟晶体需要磷气氛。

本实施例在移除液态覆盖剂6的同时，还将磷气体注入炉体10，顺应下面的退火工艺步骤。

上述两个实施例实现了液态覆盖剂6的移除。理论上移除的量跟晶体表面的平整度以及回收器管脚3-1与其贴合程度有关，实验中，会有一薄层的残留，但是少量的覆盖剂因自身强度较低，对晶体的扒裂作用会很小。

移除后，退火；炉体10内部降至室温，放气，拆炉，取出晶体13。

各种装置生长的晶体品质比对：以4英寸的InP晶体为例：

采用传统LEC装置生长的晶体平均位错密度，4英寸掺杂Fe的InP晶体平均位错密度为50000~100000cm^-2，4英寸掺杂S的InP晶体平均位错密度为5000~50000cm^-2。

采用传统VGF装置生长的晶体平均位错密度，4英寸掺杂Fe的InP晶体平均位错密度为3000~10000cm^-2，4英寸掺杂S的InP晶体平均位错密度为100~1000cm^-2；

使用本发明生长的晶体平均位错密度，4英寸掺杂Fe的InP晶体平均位错密度为3000~10000cm^-2，4英寸掺杂S的InP晶体位错密度为100~1000cm^-2。

使用本发明提出的装置，可以使用低成本的LEC法，实现VGF法低位错缺陷的优势。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种用于化合物半导体单晶的低位错生长装置，包括密闭的炉体（10）、炉体（10）内底部设置的连接坩埚支撑（7-1）的坩埚（7）、连接籽晶杆驱动装置（2-2）的籽晶杆（2）、设置在炉体（10）顶部的观察窗（9）、坩埚（7）周边设置的多段加热器（8）、设置在多段加热器（8）外侧的保温层和穿过炉体（10）的充放气管路（11），其特征在于，所述装置还包括覆盖剂移除装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述覆盖剂移除装置包括连接穿过炉体（10）顶部的回收器驱动装置（3-2）、设置在炉体（10）内部且连接回收器驱动装置（3-2）的回收器（3）和穿过回收器（3）底部的回收器管脚（3-1），所述回收器管脚（3-1）的顶端位置高于所述回收器（3）内部空间高度的4/5。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述回收器（3）设置有回收器充放气管路（12），所述回收器充放气管路（12）穿过炉体（10）顶部进入回收器（3）内部，且固定连接在回收器（3）顶部。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述回收器（3）周边设置有气源炉（4）。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述籽晶杆（2）的端部设置锁舌（2-1）；配套的籽晶为圆片状籽晶（1），中心开有与锁舌（2-1）匹配的长条孔（1-1）。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述长条孔（1-1）的窄边边长大于所述锁舌（2-1）窄边（2-1-1）的长度，小于所述锁舌（2-1）长边（2-1-2）的长度。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述锁舌（2-1）的长度大于3mm。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述回收器管脚（3-1）末端倾斜，与水平方向有3-10°的夹角。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述回收器管脚（3-1）对准坩埚（7）内部边缘。