CN203768484U - 一种用于浸渍式碲镉汞液相外延的温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于浸渍式碲镉汞液相外延的温度控制装置。通过在生长腔体和坩埚之间增加温度检测点，对坩埚内母液温度的变化趋势进行提前预测，并通过对控温点温度参数的调整，实现外延温度的精确控制。该装置及方法能有效防止生长系统内管壁汞珠分布的变化和非稳定的汞回流效应对外延工艺中外延温度变化过程的干扰，有效提高浸渍式碲镉汞液相外延工艺的可重复性。

Description

一种用于浸渍式碲镉汞液相外延的温度控制装置

技术领域

本专利涉及一种碲镉汞液相外延设备，具体涉及一种用于浸渍式碲镉汞液相外延的温度控制装置，它适用于批量制备碲镉汞外延材料。

背景技术

碲镉汞红外材料和器件已经历50多年的发展历史，先后已完成了单元或多元光导器件和单色红外焦平面器件两代红外探测器的研究和生产，进入2000年以后，碲镉汞材料和器件又跨入以超高集成度、多色、甚长波和单光子探测为特征的第三代红外焦平面技术新时代，近年来为满足应用的需求，新技术又围绕小光敏元、低重量、高性能、低功耗和低成本（即所谓的SWaP³技术）而不断发展，碲镉汞外延材料和芯片的制造技术目前仍处于高速发展阶段。

追求低成本的阻力主要来自两个方面，一是降低材料的生产成本，二是提高材料性能，增加焦平面器件的集成度和提高器件的工作温度。和Si材料、GaAs材料相比，从衬底、外延一直到芯片加工，碲镉汞红外焦平面探测器的技术成熟度都很低，结果导致碲镉汞红外焦平面探测器的成本一直很高，产品在民用市场的应用还受到很大的限制。碲镉汞外延材料的制备工艺主要有液相外延（水平推舟式和垂直的浸渍式）和气相外延（分子束外延和金属有机气相沉积）两种，其中浸渍式液相外延经常会受到工艺参数出现波动的影响，结果导致产品主要性能参数（如厚度、组分）不能到达器件规定的要求。工艺参数的波动主要包括受控温度变化过程的波动和母液均匀性的波动。

在浸渍式碲镉汞液相外延工艺中，为快速控制和稳定加热功率，加热的温度控制点设在加热丝附近，即位于石英管生长腔体之外，母液和衬底则位于放置在生长腔体中的石墨碳坩埚的内部，加热丝通过热辐射和热传导对坩埚内的母液进行加热。在碲镉汞外延的工艺过程中，坩埚内母液产生的蒸汽会存在外泄，其主要成分为汞原子，其次是碲原子（约小两个数量级），镉的蒸汽压则更小。为了维持母液中碲、镉、汞原子的成分，保持母液的熔点不变，生长腔体内通常设有汞源，通过控制汞源温度，使坩埚处于一定的汞蒸汽压条件下，以保持坩埚内外汞原子处于热平衡状态。但同时带来的问题是，由于生长腔体内有汞蒸汽，而石英管腔体的上方（炉口处）又处于接近室温的状态，汞蒸汽将在腔体上方凝结成液体汞珠，汞珠渐渐增大后将沿石英管壁随机向下滚动，并对下方生长区的温度产生影响。此外，坩埚中碲原子的少量泄漏会导致石英管内壁形成HgTe沉淀物，进而影响汞珠的回流特性和生长区的温度，同时还会影响腔体内的热辐射和热传导特性。石英管内壁汞珠回流的过程主要在高温状态的母液均匀化过程中发生，回流量的大小将对坩埚受到的热辐射和热传导产生影响，进而对坩埚内母液最终到达的热平衡温度产生影响。

由于上述汞回流现象的存在，在控温点温度相同的条件下，母液的热平衡温度会出现并不相同的情况，通过控制控温点的温度变化，坩埚内母液和外延材料的温度变化曲线并不能得到很好的控制，降温速率过快或过慢时有发生，结果将导致碲镉汞外延材料厚度和纵向组分梯度不能受到很好的控制，并导致外延材料成品率的下降。

为了改进浸渍式碲镉汞液相外延工艺中的外延温度控制能力，张传杰等人提出过两次降温的控温技术（“碲镉汞液相外延系统生长起始温度的精确控制方法”，中国发明专利，专利号：20100565049.3），在该方法中，通过设置控温点温度，确保第一次降温后的母液温度高于外延生长的初始温度，并根据此阶段的母液温度与生长初始温度的差值决定第二次降温后控温点的设定值。在实际使用过程，该方法存在降温后达到平衡的时间过长，降温后达到热平衡的时间一般需要一个小时以上，加上第二次降温过程，整个外延工艺中用于降温的时间将超过2个小时。降温时间增加会造成母液中汞原子损失或增加的量增大，结果将造成母液的熔点发生较大的变化，进而影响碲镉汞（Hg_1-xCd_xTe）外延材料的组分（x）和厚度。

本专利提出了通过在坩埚和生长腔体的石英管内壁之间增设测温热电偶，使母液降温后的热平衡温度能够在降温过程中提早预测，由于该热电偶的位置在母液坩埚的外侧，热负载较大的母液对其温度达到平衡所需的时间影响较小，从降温到热平衡的时间可减少到25分钟左右。采用这一技术可有效缩短外延工艺的时间，减小母液成分的偏离量，进而提高外延材料组分和厚度的控制精度和材料的成品率。

发明内容

本专利提出了一种用于浸渍式碲镉汞液相外延的温度控制装置，解决了现有技术中存在的外延工艺时间长，母液成分发生偏离的技术问题。

本专利的技术方案包括在外延系统中增设一个温度监测点和运用监测点的温度数据实现对外延过程中母液温度变化曲线的控制。

1外延系统中增设一个温度监测点

图1给出了浸渍式外延系统中生长腔体的结构示意图。由于汞回流导致的石英管内壁汞珠分布状态的差异，浸渍式液相外延中坩埚内的母液热平衡温度和系统加热单元控温点温度不存在很好的对应关系。本专利发现处于坩埚和生长腔体管壁之间的测温点的热平衡温度和母液热平衡温度具有很好的对应关系，母液在高温均匀化后向外延开始温度变化的过程中，由于测温热电偶及石英套管的热容量远小于母液的热容量，第一热电偶1将比母液10提前到达热平衡温度，根据第一热电偶1的温度数据对控温点的设定温度值进行调整，可使母液准确达到外延开始的初始温度。

在浸渍式液相外延系统中，生长腔体的内部上下各设置一根测温用的石英管套管，一根是从升降坩埚5和样品架12的拉杆14中间插入样品架内部的顶部石英套管15，通过移动第三热电偶4或放置多根热电偶，监测样品架12和母液10内部的温度（假定样品架和母液之间温度相近或温差变化很小）,调整母液温度上下的均匀性；另一根是从石英管生长腔体13底部插入到坩埚5底部的底部石英套管8，放置第四热电偶16，用于监测坩埚5的底部温度。由于外延生长系统的炉口设有冷却水套7，坩埚到炉口之间设置了降低气体对流和汞回流相应的石英挡板或石英套筒6，从系统上方增设热电偶的难度很大。在系统底部，由于生长腔体有密封要求，同时插入两根放置热电偶的石英套管也很困难。为解决这一困难，本专利提出了在底部石英套管8上引出分支的方法，即在插热电偶的底部石英套管8的侧壁接出一段石英管，石英管的形状如图2所示，石英管穿过石墨底座9延伸到坩埚5的外侧，利用热电偶可弯曲的特性将热电偶插入到坩埚5外侧的位置。

2运用监测点的温度数据实现对外延过程中温度变化曲线的控制

图3是浸渍式碲镉汞液相外延常规工艺中控温的第二热电偶2和样品架内部的第三热电偶4的温度变化曲线的示意图，控温曲线分为5个阶段，即起始的升温阶段、母液均匀化阶段、降温阶段、预生长阶段和降温生长阶段。由于生长腔体管壁上汞珠状态（大小、密度和分布）的波动，执行相同的炉温控制程序，外延时的母液温度会出现较大的波动，图3中Ts的实线和虚线表示出了这种波动。因碲镉汞外延时的降温速率很小（一般在0.1℃/min左右），温度的上下波动会导致外延初始降温速率过快，生长时间过短，或需等待很长时间才能开始生长，这将造成母液汞损失状态的改变，进而影响母液的熔点，使生长结果发生改变。不管是哪种结果，碲镉汞外延材料的组分和厚度均会出现较大的波动，导致外延材料成品率的降低。

在坩埚外侧插入新的用于温度监控的第一热电偶1后，外延工艺控温曲线将分成7个阶段（如图4所示），在原来的降温阶段中增加了预降温阶段和预平衡阶段。在常规的控温方式中，管壁状态的波动将使得控温点温度T2和降温生长阶段的起始点温度Ts之间的对应关系出现波动。在新的控温方式中，这一温度波动将反映在预平衡阶段的第二热电偶2的温度T2′和母液测温点第三热电偶4的温度Tc之间，由于测温点温度Tc和预生长阶段结束时的温度Ts的差值与T2′和T2之间的差值存在较好的固定关系，通过测量测温点Tc即可根据T2′计算出所需的控温点温度T2。在预平衡阶段结束前，通过修改T2的设定值，即可有效地控制住生长阶段的起始温度Ts，并实现碲镉汞外延阶段温度变化曲线T3的可重复性。

本专利的有益效果是，为浸渍式碲镉汞液相外延的温度控制提供了一种装置及方法，能有效控制外延工艺过程的温度，提高外延工艺的可重复性，可有效缩短外延工艺时间，减小母液成分的偏离量，进而提高外延材料组分和厚度的控制精度和材料的成品率。

附图说明

图1是设置叉形热电偶石英套管的碲镉汞垂直浸渍外延生长系统的结构示意图。

图2叉形石英套管的结构示意图。

图3常规工艺过程中碲镉汞垂直浸渍外延的温度控制曲线及母液坩埚内温度变化曲线的示意图。

图4本专利提出的碲镉汞垂直浸渍外延工艺过程的温度控制曲线及母液坩埚内温度变化曲线的示意图，图中1.第一热电偶，2.第二热电偶，3.衬底，4.第三热电偶，5.坩埚，6.石英套筒，7.冷却水套，8.底部石英套管，9.石墨底座，10.母液，11.加热模块，12.样品架，13.石英管生长腔体，14.拉杆，15.顶部石英套管，16.第四热电偶，17.密封机构。

具体实施方式：

1将图1中底部石英套管8拆下，按照坩埚大小和衬底3所在位置的高低设计引出管，采用氢氧火焰烧结技术将引出管接到底部石英套管8的侧壁上，制备出如图2所示的叉形热电偶石英套管，引出管与原套管的角度以能将热电偶穿入引出管为准；

2根据叉形石英套管的形状，在它与石墨底座9相交的部位对石墨底座9进行开孔或开槽，使底部石英套管8能穿越石墨底座9到达石英管生长腔体13内坩埚5的外侧；

3对制备好的底部石英套管8的外壁进行洁净清洗和处理，将两根热电偶分别插到指定的位置，将热电偶引出线放入石英套管中，放不下的话，需将引线用干净的铝膜包裹；

4取出母液坩埚5，取出石墨底座9，将叉形底部石英套管8从生长腔体上方的炉口插入，放置到系统的底部；

5对准叉形底部石英套管8的位置放入石墨底座9，将母液坩埚5放到石墨底座9上；

6安装系统底部的密封机构17，使叉形底部石英套管8和石英管生长腔体13在底部构成密封机构；

7上下移动叉形底部石英套管8，体验套管在正常位置上是否处于自由状态，确保处于自由状态后，将密封机构拧紧；

8将新增的监测热电偶接到温度显示器或计算机上，检查热电偶显示的温度是否正常。

9在原温度控制程序中增加预降温阶段和预平衡阶段，预平衡阶段的控温点温度T2′的设置应高于T2波动的最大值，高出的幅度一般控制在5℃左右；

10通过实验测定测温点温度Tc和生长阶段的起始点温度Ts的差值与温度T2′和T2之间差值的对应关系；

11外延生长时，利用上述测量得到的对应关系，根据在预平衡阶段实际测量到的温度Tc、设定的生长阶段的起始点温度Ts和预平衡阶段所设定的控温点温度T2′计算出二次降温阶段结束时的设定温度T2；

12在预平衡阶段结束之前改变二次降温阶段结束后的控温点温度T2的设定值；

13当母液10的温度到达Ts时，将控温点温度转入生长阶段的慢速均匀降温曲线T3；

14当母液温度到达初始生长温度时将样品架插入母液，开始碲镉汞薄膜的外延生长。

Claims (1)

1.一种用于浸渍式碲镉汞液相外延的温度控制装置，在液相外延系统的生长腔体的内部上下各有一根测温用的石英管套管，一根是从升降坩埚（5）和样品架（12）的拉杆（14）中间插入样品架内部的顶部石英套管（15），通过移动第三热电偶（4）或放置多根热电偶，监测样品架（12）和母液（10）内部的温度，另一根是从石英管生长腔体（13）底部插入到坩埚（5）底部的底部石英套管（8），放置第四热电偶（16），用于监测坩埚（5）的底部温度，其特征在于：

在液相外延系统的底部石英套管（8）上引出分支，即在插热电偶的底部石英套管（8）的侧壁接出一段石英管，石英管穿过石墨底座（9）延伸到坩埚（5）的外侧，利用热电偶可弯曲的特性将热电偶插入到坩埚（5）外侧的位置，在坩埚（5）的外侧设置一温度测量点。