CN207596997U - 用于化合物半导体多晶料成型的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型用于化合物半导体多晶料成型的装置，属于半导体材料制造技术领域，基于高压合成化合物半导体的合成炉，关键在于：该装置包括增设在熔炉炉腔内的成型模具及定位在成型模具上的升降杆，升降杆穿过炉顶盖连接配套升降驱动机构，成型模具设置在盛装合成熔体的坩埚上方，并分布有下端开口的成型腔，借助升降杆和配套升降驱动机构，成型模具下降至坩埚内、合成熔体从下端开口充入成型腔内、降温凝固为与成型腔匹配的多晶料。该装置不仅可控制多晶料的形状规格，提高其利用率，还提高了生产效率、保证了材料纯度。

Description

用于化合物半导体多晶料成型的装置

技术领域

本实用新型属于半导体材料制造技术领域，涉及化合物半导体VGF法生长单晶用多晶料的制备，具体涉及以合成炉为基础将合成后的化合物熔体成型为设定规格和形状的装置。

背景技术

III-V族和II-VI族元素中存在很多性能优异的化合物半导体材料。例如磷化铟，磷化铟是优异的半导体材料，在许多高新技术领域应用广泛。但是磷化铟需要在高压下合成，且在制备磷化铟单晶之前，必须先把符合一定纯度要求的铟和磷合成为化合物磷化铟多晶，在此基础上才能进一步制备磷化铟单晶。快速有效地进行磷化铟多晶的合成是降低生产成本，提高生产效率的重要途径，同时也是制备高质量磷化铟单晶的前提。目前主要使用的磷化铟多晶合成方法为水平合成法和注入合成法。合成后的多晶料主要是在VGF高压炉内进行单晶生长，以获得电学性能优异的化合物半导体材料。水平合成法一般为三温区水平合成，合成时间约3-5天左右，合成的多晶料容易富铟，且石英管污染严重，产品质量差。注入法合成，合成速度快，效率高。上述两种方法合成的化合物多晶料均需要经过切割、清洗后再放入VGF高压炉内进行生长，在整个备料过程中容易产生沾污和难熔氧化物，外界杂质融入到材料中的机率高，会造成杂质补偿，降低晶片的电学质量。而且在单晶生长过程中，由于杂质的引入容易在固液界面处产生孪晶，造成单晶率下降。因此，为了解决上述技术问题，省略切割、清洗程序，避免污染，需要一种能够获得不同形状和规格多晶料的方法和装置。

发明内容

本实用新型为了制备出多种形状和规格的多晶料，对高压合成化合物半导体的合成炉进行改造，在炉腔内增设成型模具，并通过升降驱动机构将成型模具下降至盛装有合成熔体的坩埚内，熔体充入模具、降温凝固后形成与模具形状和规格匹配的多晶料。不仅可控制多晶料的形状规格，提高其利用率，还提高了生产效率、保证了材料纯度。

本实用新型的技术方案为：用于化合物半导体多晶料成型的装置，基于高压合成化合物半导体的合成炉，关键在于：该装置包括增设在熔炉炉腔内的成型模具及定位在成型模具上的升降杆，升降杆穿过炉顶盖连接配套升降驱动机构，成型模具设置在盛装合成熔体的坩埚上方，并分布有下端开口对准坩埚的成型腔，借助升降杆和配套升降驱动机构，成型模具下降至坩埚内、合成熔体从下端开口充入成型腔内、降温凝固为与成型腔匹配的多晶料。

水平合成法是在石英管内成型多晶棒料，不利于成型装置的安装，所以该成型装置基本是以注入合成法的合成炉为基础，在合成炉炉腔内盛装合成熔体的坩埚上方悬吊成型模具，成型模具的顶部中心设置升降杆，升降杆连接升降驱动机构、可在合成前悬吊在坩埚上方，合成后下降到坩埚内，使熔体灌充进成型模具的成型腔内，降温后凝固成与成型腔规格、形状匹配的多晶料。模具的型腔根据需要进行设计。

进一步的，为了便于脱模和制造，所述成型腔的拔模斜度为0.3-0.8度。

进一步的，所述成型腔的拔模斜度优选0.5度。

进一步的，根据坩埚尺寸和实际需求，所述成型模具上分布有4-8个成型腔。

进一步的，所述成型腔的横截面形状一般为圆形或方形；为了便于成型和脱模，截面为方形的型腔各过渡面间进行圆弧过渡处理。

进一步的，根据炉体规格，为了便于成型和脱模，所述圆形型腔的直径或方形型腔的边长为2-6寸。

进一步的，为了保证多晶料的纯度，成型模具的材质优选氧化铝陶瓷。

进一步的，为了保持成型模具的运动稳定，所述升降杆定位在成型模具的顶部中心，配套升降驱动机构包括定位在炉体机架上的电机及与电机连接的丝杠丝母副，升降杆的另一端定位在丝杠或丝母上。

进一步的，升降杆定位在成型模具的顶部中心，配套升降驱动机构可选用定位在炉体机架上的气缸，升降杆的另一端与气杆连接。

本实用新型的有益效果为：1、在高压炉的炉腔内增设可升降的成型模具，能够制成多种形状和规格的多晶料，大大提高多晶料的利用率，避免了在多晶料的切割、清洗、腐蚀等过程中杂质的引入，提高了制备单晶时化合物熔体的纯度，减小了杂质引起孪晶成核的机率，提高了晶片的电学性能。2、当在原位注入合成化合物多晶的合成炉内增设该成型装置时，可进一步缩短合成时间，提高合成效率和化合物多晶的纯度。

附图说明

图1是具有本实用新型的成型装置的合成炉结构示意图；

图2是成型模具在炉腔内的安装结构示意图；

图3是从成型模具底部看成型腔的结构示意图；

图4是化合物熔体充入成型腔内时的结构示意图；

附图中，1代表炉体机架，10代表支撑板，11代表立柱，12代表连接管，13代表源炉，14代表导气管，2代表升降杆，3坩埚，4代表成型模具，41代表成型腔，5代表螺旋升降机，6代表底座，7代表炉腔，8代表炉顶盖，9代表熔体。

具体实施方式

现有技术中，注入法合成化合物半导体用的高压合成炉，其基础构件有电气控制系统、压力控制系统、真空系统、冷却循环系统、挥发性元素注入系统和炉体，炉体包括底座、炉腔和炉顶盖。坩埚设置在底座上。对于原位注入的高压合成炉，挥发性元素注入系统包括熔化挥发性元素的源炉、将源炉内的挥发性元素注入坩埚内的导气管及驱动源炉升降旋转的系统。该类高压炉可在原料熔化后，将源炉下降、使源炉内熔化的待注入元素通过导气管注入到坩埚内与原料合成，达到设定配比后，将源炉从坩埚中提起，并转动远离坩埚上方。能最大限度的减少材料的粘污，且注入合成时间快，效率高，是一种高效、纯度高的合成方法。公开号为CN 104451858 A、105543949A、105568363A的专利文件中均公开了该类高压炉。为了提高生产效率，本实用新型的成型装置优选基于注入法合成化合物半导体的高压合成炉，包括增设在熔炉炉腔7内的成型模具4及定位在成型模具4上的升降杆2，升降杆2穿过炉顶盖8连接配套升降驱动机构，成型模具4设置在盛装合成熔体9的坩埚3上方，并分布有下端开口对准坩埚3的成型腔41。

具体实施例，参见附图，该成型装置基于CN 104451858 A中公开的高压原位合成多功能晶体生长系统。当该高压原位合成多功能晶体生长系统用于高压原位合成多晶料时，无需籽晶杆、第一重量传感器及配套升降机构，结合本实用新型的成型装置，对其进行改造。其余配置和结构不变，且沿用原有的籽晶杆升降机构，仅将籽晶杆更换为升降杆2，升降杆2上安装成型模具4。具体为：在炉体机架1的支撑板10上固定立柱11，螺旋升降机5固定在立柱11上，连接管12的一端与支撑板10固定连接、另一端与炉顶盖8固定连接、并与炉腔7相联通，螺旋升降机5的丝杠连接升降杆2，升降杆2另一端经连接管12进入炉腔7与成型模具4连接。坩埚3设置在底座6上，成型模具4尺寸与坩埚3尺寸匹配、通过升降杆2吊装在盛装合成熔体9的坩埚3上方，顶部中心安装升降杆2，成型腔41开口对准坩埚。成型腔41的拔模斜度为0.5度、分布有4个、横截面形状为方形、且各过渡面间进行圆弧过渡处理。成型模具4的材质为氧化铝陶瓷。

具体实施时，以制备磷化铟多晶料为例，具体的步骤为：

A、制备成型模具4：根据坩埚3尺寸选用氧化铝陶瓷块，并在陶瓷块上对称地开四个拔模斜度为0.5度的正方体形成型腔41，成型腔41下端开口，边长为3.5cm，且各过渡面间进行圆弧过渡处理。

B、安装成型模具4：将螺旋升降机5固定在支撑板10上的立柱11上，通过炉顶盖8升降机构带动支撑板10将炉顶盖8升起，在成型模具4的顶部中心安装升降杆2，放入炉腔7内，升降杆2穿过连接管12与螺旋升降机5的丝杠连接，使成型模具4悬吊在坩埚3上方，成型腔41开口朝下对准坩埚3。

C、多晶料合成：高纯铟放入坩埚3中、同时放入掺杂剂，然后再放入氧化硼，在源炉13内加入待注入的磷，关闭炉顶盖8，抽真空至5Pa，然后充入高纯氩气至3.0MPa；对坩埚3进行加热，加热至磷化铟的熔点之上50K，坩埚3边加热边转动使铟熔化；待坩埚3内熔体稳定后，下降源炉13、使导气管14插入坩埚3内的熔体中，对源炉13进行加热，源炉13内的磷受热液化或挥发，以液态或气态的形式连续注入至熔体中与熔体进行反应，合成磷化铟熔体。

D、多晶料成型：待合成的磷化铟熔体达到设定的配比时，将源炉13提起，导气管14从磷化铟熔体中抽出，并转动源炉13远离坩埚3上方；坩埚3停止转动，磷化铟熔体温度稳定后，将成型模具4以10r/min的转速降至坩埚3中的磷化铟熔体中后停止，磷化铟熔体从下端开口充入成型腔41内，以65℃/h降三个小时、120℃/h降三个小时、300℃/h降一个小时、关闭加热程序冷却至室温的速度逐步降温，磷化铟熔体凝固形成与成型腔41匹配的多晶料。

F、脱模：炉体内温度降至室温后，打开炉顶盖8将制备的半导体多晶料从成型腔41内取出。

Claims (10)

1.用于化合物半导体多晶料成型的装置，基于高压合成化合物半导体的合成炉，其特征在于：该装置包括增设在熔炉炉腔（7）内的成型模具（4）及定位在成型模具（4）上的升降杆（2），升降杆（2）穿过炉顶盖（8）连接配套升降驱动机构，成型模具（4）设置在盛装合成熔体（9）的坩埚（3）上方，并分布有下端开口对准坩埚（3）的成型腔（41），借助升降杆（2）和配套升降驱动机构，成型模具（4）下降至坩埚（3）内、合成熔体（9）从下端开口充入成型腔（41）内、降温凝固为与成型腔（41）匹配的多晶料。

2.根据权利要求1所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述成型腔（41）的拔模斜度为0.3-0.8度。

3.据权利要求2所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述成型腔（41）的拔模斜度为0.5度。

4.根据权利要求2所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述成型模具（4）上分布有4-8个成型腔（41）。

5.根据权利要求4所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述成型腔（41）的横截面形状为圆形或方形，且截面为方形的型腔各过渡面间进行圆弧过渡处理。

6.根据权利要求5所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述圆形型腔的直径或方形型腔的边长为2-6寸。

7.根据权利要求1-6任一项所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述成型模具（4）的材质为氧化铝陶瓷。

8.根据权利要求1-6任一项所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述升降杆（2）定位在成型模具（4）的顶部中心，配套升降驱动机构包括定位在炉顶盖（8）上的电机及与电机连接的丝杠丝母副，升降杆（2）的另一端定位在丝杠或丝母上。

9.根据权利要求7所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述升降杆（2）定位在成型模具（4）的顶部中心，配套升降驱动机构包括定位在炉顶盖（8）上的电机及与电机连接的丝杠丝母副，升降杆（2）的另一端定位在丝杠或丝母上。

10.根据权利要求7所述的用于化合物半导体多晶料成型的装置，其特征在于：所述升降杆（2）定位在成型模具（4）的顶部中心，配套升降驱动机构为定位在炉顶盖（8）上的气缸，升降杆（2）的另一端与气杆连接。