CN214060713U - 一种用于InP晶体生长的坩埚 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于InP晶体生长的坩埚，包括第一坩埚、坩埚帽和第二坩埚；第一坩埚为从上往下依次由第一体部、第一肩部和第一籽晶腔组成的开口向上的中空石英管；第二坩埚为从上往下依次由第二体部、第二肩部、缩颈腔和第二籽晶腔组成的上下两端均开口的中空PBN陶瓷坩埚；第二坩埚位于第一坩埚内侧，且第二体部位于第一体部内侧，第二肩部位于第一肩部内侧，缩颈腔和第二籽晶腔位于第一籽晶腔内侧；坩埚帽为半球形石英帽，坩埚帽外径不小于第二坩埚外径；坩埚帽开口向下地位于第一坩埚内，且位于第二坩埚的上方，坩埚帽与第二坩埚之间留有间隔。本实用新型大幅降低了InP晶体中的位错密度，提高了成晶率。

Description

一种用于InP晶体生长的坩埚

技术领域

本实用新型涉及一种用于InP晶体生长的坩埚，属于晶体生长技术领域。

背景技术

第五代移动通信技术(5G)的发展对于光通讯器件及模块提出了新的要求,也带动了相应光通讯器件和模块的单晶原材料InP的发展。

目前InP市场高品质的单晶材料主要使用垂直梯度凝固(VGF)工艺进行生长，因为高温熔体与籽晶熔接时存在很大的热冲击，会在籽晶位置产生大量的晶格缺陷，同时籽晶内部本身存在的晶格缺陷也会随着生长向晶体中增殖，造成单晶材料位错密度高，大量的晶格缺陷还容易在籽晶处生长出孪晶，成晶率低。

VGF生长工艺过程中需要使用到PBN陶瓷坩埚和石英坩埚，PBN陶瓷坩埚沿坩埚壁的方向热导率为0.25cal/cm·s·℃，而垂直坩埚壁方向的热导率为0.004cal/cm·s·℃，约为坩埚壁方向热导率的1/60。当PBN坩埚和石英坩埚两者的形状相似，贴合紧密时，大量的热流通过PBN坩埚壁和石英坩埚导走，产生了较大的径向热流，从而导致晶体生长界面呈现凹向熔体形状，凹形生长界面与理想的平面生长界面不符，容易在生长界面边缘出现热应力集中，产生细小孪晶。凹形的生长界面同一水平面因生长时间不一致还将导致 InP衬底杂质浓度呈同心圆分布，均匀性差。

发明内容

本实用新型提供一种用于InP晶体生长的坩埚，改进了PBN坩埚的结构，并使用与之配套的制备方法，降低了晶体生长初期热冲击产生和籽晶内部晶格缺陷造成的晶体位错密度和孪晶率，改善了生长界面形状，提高了晶体均匀性和成晶率，降低了位错密度。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种用于InP晶体生长的坩埚，包括第一坩埚、坩埚帽和第二坩埚；

第一坩埚为从上往下依次由第一体部、第一肩部和第一籽晶腔组成的一体成型的开口向上的中空石英管；

第二坩埚为PBN坩埚，第二坩埚为从上往下依次由第二体部、第二肩部、缩颈腔和第二籽晶腔组成的上下两端均开口的中空PBN陶瓷坩埚；

第二坩埚位于第一坩埚内侧，且第二体部位于第一体部内侧，第二肩部位于第一肩部内侧，缩颈腔和第二籽晶腔位于第一籽晶腔内侧，第二体部的长度小于第一体部的长度；

坩埚帽为顶部半球形、且开口向下的石英帽，坩埚帽外径不小于第二坩埚外径、且略小于第一坩埚内径；坩埚帽开口向下地位于第一坩埚内，且坩埚帽位于第二坩埚的上方，坩埚帽与第二坩埚之间留有间隔。

利用上述用于InP晶体生长的坩埚生长InP晶体的方法，包括顺序相接的如下步骤：

1)备料：将第一坩埚、第二坩埚、坩埚帽、InP多晶料和籽晶清洗完成后，将籽晶(外径略小于第二籽晶腔内径0～0.25mm，长度略小于第二籽晶腔长度5～10mm，第二籽晶腔放入籽晶后用高纯氮化硼BN材质圆棒封堵)装入第二坩埚的第二籽晶腔，再将InP 多晶料(96.9～99％)、B₂O₃(0.5～1.5％)、高纯红磷(6N及以上)(0.5～1.5％，根据红磷蒸气压不低于2.75MPa计算)和掺杂剂(制备非掺InP时不加入掺杂剂，掺硫、铁、锌等掺杂剂0～0.1％，根据掺杂公式计算及经验参数修正)等放入第二坩埚后，随第二坩埚一起放入第一坩埚，使第二坩埚的缩颈腔和第二籽晶腔完全处于第一坩埚的第一籽晶腔内部，再将坩埚帽开口向下放入第一坩埚内部、且与第二坩埚上边缘距离不为零，将第一坩埚内部抽真空后，使用氢氧焰将第一坩埚与坩埚帽沿周边焊封在一起；

2)熔料：将焊封好的第一坩埚装入InP单晶生长VGF炉，密封后开始进行升温，使第二坩埚B点到F点温度到InP熔点温度1062℃以上，A点到B点温度在1062℃以下，将第二坩埚肩部和体部内的原料完全融化，部分熔体流入缩颈腔，但第二籽晶腔内部籽晶未熔，其中，第二籽晶腔的底部为A点、顶部为B点，缩颈腔的顶部为C点，第二肩部的顶部为D点，第二体部顶部为F点；

3)熔种：恒温使熔融原料处于均质状态，调整温度使A点温度处于1062℃以下，B点温度处于1062℃以上，使籽晶部分熔融与熔体熔接；

4)缩颈：控制加热器加热功率使第二籽晶腔和缩颈腔(A点到C点)快速降温，使缩颈腔内部熔体沿籽晶晶向快速生长，减少籽晶内部晶格缺陷向晶体内部的增殖，降低位错密度，同时因InP生长的孪晶线两侧大概率还是<100>晶向，通过缩颈能够使可能生长出的孪晶长出晶体表面，提高成晶率；第二籽晶腔与第一籽晶腔紧密贴合，因第二坩埚物理性质原因容易形成凹形生长界面，第二坩埚缩颈腔不与第一坩埚接触，周围呈真空状态，改善了导热状态，形成平整的生长界面，提高InP晶体的均匀性；

5)生长：降低降温速率，使第二肩部和第二体部(C点到F点)的熔体沿缩颈腔中的晶体晶向生长，生长完成后，降低温度取出晶体。

上述方法分为第一阶段备料、第二阶段熔料、第三阶段熔种、第四阶段缩颈和第五阶段生长。

取晶体时，将第一坩埚破坏，取出第二坩埚，然后在超声波等的作用下，将晶体与第二坩埚分离，取出晶体，第二坩埚可反复使用。

为了提高晶体品质，步骤3)中，恒温的时长为20±2h。进一步优选，步骤4)中，降温速率为30±2℃/h，降温时间为1.5±0.2h。步骤5)中，生长时的降温速率为2±0.2℃/h，降温时间为100±2h；生长完成后的以30±2℃/h降温至150℃以下，取出生长完成的晶体。

为了提高所得晶体的品质，第一坩埚、第二坩埚和坩埚帽的纯度均在5N及以上。

为了进一步提高成晶率，第二坩埚上，缩颈腔长度为第二籽晶腔长度的2～10倍。优选为2～4倍。

为了便于操作，第二坩埚的外径比第一坩埚的内径小1～3mm。也即第二坩埚各部位外径比第一坩埚对应的各部位内径略小1～3mm，如，第二体部的外径比第一体部的内径略小1～3mm，第二肩部的外径比第一肩部的内径略小1～3mm，第二籽晶腔的外径比第一籽晶腔的内径略小1～3mm。

为了提高使用时的稳定性，第一肩部和第二肩部的夹角和高度一致；第一籽晶腔的长度不小于缩颈腔和第二籽晶腔长度之和。

肩部的夹角，也即肩部圆锥角的大小。

优选，坩埚帽与第二坩埚之间的间隔为25～35mm。

本申请坩埚的大小可根据具体的生产需求设置，为了满足一般审查需求，第一体部的长度为300～400mm，内径为80～140mm；第一肩部夹角为60～120°，高为40～60mm；第一籽籽晶腔的内径为6～12mm，长度为100～140mm；坩埚帽底部外径为80～120mm，高度为80～120mm；第二体部外径为80～120mm，长度为130～170mm；第二肩部夹角为 60～120°，高度为40～60mm；缩颈腔长度为70～110mm；第二籽晶腔长度20～40mm。作为其中一种优选具体的实施方案，第一体部的长度为350±5mm，内径为110±5mm；第一肩部夹角为90±5°，高为50±5mm；第一籽籽晶腔的内径为9±1mm，长度为120±5mm；坩埚帽底部外径为108±5mm，高度为100±5mm；第二体部外径为108±5mm，长度为 150±5mm；第二肩部夹角为90±5°，高度为50±5mm；缩颈腔长度为90±5mm；第二籽晶腔长度45±5mm。

本申请长度方向与高度方向是一致的，且均与坩埚的轴向一致。

本实用新型未提及的技术均参照现有技术。

本实用新型用于InP晶体生长的坩埚和生长方法，大幅降低了InP晶体中的位错密度，为现有技术的10％不到，成晶率提高了35％以上。

附图说明

图1为本实用新型用于InP晶体生长的坩埚的结构示意图；

图2为对比例中用于InP晶体生长的坩埚的结构示意图；

图中，1为第一坩埚，11为第一体部，12为第一肩部，13为第一籽晶腔，2为坩埚帽，3为第二坩埚，31为第二体部，32为第二肩部，33为缩颈腔，34为第二籽晶腔。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本申请“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等方位词为基于附图所示或使用状态时的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

实施例1

如图1所示，一种用于InP晶体生长的坩埚，包括第一坩埚1、坩埚帽2、第二坩埚 3；

第一坩埚1的材质为高纯石英，纯度不低于5N，从上往下依次由第一体部11、第一肩部12、第一籽晶腔13组成；第一体部长度为350mm，内径为110mm；第一肩部夹角为90°，高度为50mm；第一籽晶腔的内径为9mm，长度为120mm；

第二坩埚3材质为高纯氮化硼陶瓷，纯度不低于5N，从上往下依次由第二体部31、第二肩部32、缩颈腔33和第二籽晶腔34组成；第二体部外径为108mm，长度为150mm；第二肩部夹角为90°，高度为50mm；缩颈腔长度为90mm；第二籽晶腔长度45mm；

第二坩埚3位于第一坩埚1内侧，且第二体部31位于第一体部11内侧，第二肩部 32位于第一肩部12内侧，缩颈腔33和第二籽晶腔34位于第一籽晶腔13内侧；

坩埚帽2的材质为高纯石英，纯度不低于5N，坩埚帽2为顶部半球形、且开口向下的石英帽，坩埚帽2底部外径为108mm，高度为100mm；坩埚帽2开口向下地位于第一坩埚1内，且坩埚帽2位于第二坩埚3的上方，坩埚帽与第二坩埚之间留有间隔。

采用上述坩埚进行InP晶体生长的方法，包括依次相接的如下五个阶段：第一阶段备料、第二阶段熔料、第三阶段熔种、第四阶段缩颈和第五阶段生长；

第一阶段备料：将第一坩埚1、坩埚帽2、第二坩埚3、InP多晶料、籽晶清洗完成后，将籽晶(外径小于第二籽晶腔内径0.10mm，长度略小于第二籽晶腔长度8mm，第二籽晶腔放入籽晶后用高纯氮化硼BN材质圆棒封堵)装入第二籽晶腔34，再将InP多晶料 4000g、B₂O₃30g、高纯红磷(6N及以上)40g、掺杂剂Fe 0.5g放入第二体部31和第二肩部32后随第二坩埚3一起放入第一坩埚1，使缩颈腔33和第二籽晶腔34完全处于第一籽晶腔13内部；再将坩埚帽2开口向下放入第一坩埚1内部，且与第二坩埚3上边缘距离30mm，使用抽真空设备将第一坩埚1内部抽真空后使用氢氧焰将第一坩埚1与坩埚帽2焊封在一起；

第二阶段熔料：将焊封好的第一坩埚1装入InP单晶生长VGF炉，密封后开始进行升温，使第二坩埚3上B点温度为1065℃，F点温度为1070℃，A点温度为1020℃，B 点温度为1055℃，将第二坩体部31和第二肩部32内的原料完全熔化，部分熔体流入第二坩埚的缩颈腔33，如图1所示，第二籽晶腔的底部为A点、顶部为B点，缩颈腔的顶部为C点，第二肩部的顶部为D点，第二体部顶部为F点，也即第二籽晶腔34为A-B 点，缩颈腔33为B-C点，第二肩部32为C-D点，第二体部31为D-F点；

第三阶段熔种：恒温20小时使熔融原料处于均质状态，调整温度使A点温度到1030℃，B点温度1065℃以上，使籽晶部分熔融与熔体熔接；

第四阶段缩颈：控制加热器加热功率使第二籽晶腔34和第二坩埚的缩颈腔33(A点到C点)快速降温,其中，降温速率为30℃/h，降温时间为1.5h；

第五阶段生长：降低降温速率，进行阶段晶体生长，其中，降温速率2℃/h，降温时间100h；生长完成后以30℃/h降温至150℃以下，取出生长完成的晶体。

本实施例制备的InP单晶进行位错腐蚀后测出位错密度为42/cm²，成晶率为68％。

对比例

如图2所示，用于InP晶体生长的坩埚，与实施例1所不同的是第二坩埚3上不设缩颈腔。

采用上述坩埚进行InP晶体生长的方法，包括依次相接的如下四个阶段：第一阶段备料、第二阶段熔料、第三阶段熔种、第四阶段生长；

第一阶段备料：参照实施例1；

第二阶段熔料：将焊封好的第一坩埚1装入InP单晶生长VGF炉，密封后开始进行升温，使第二坩埚3上A点温度为1020℃，C点温度为1060℃，F点温度为1070℃，将第二坩体部31和第二肩部32内的原料完全熔化，部分熔体流入第二籽晶腔34，如图2 所示；

第三阶段熔种：恒温20小时使熔融原料处于均质状态，调整温度使A点温度到1030℃，C点温度1065℃以上，使籽晶部分熔融与熔体熔接；

第四阶段生长：参照实施例1。

本对比例制备的InP单晶进行位错腐蚀后测出位错密度为470/cm²，成晶率为49％。

Claims (7)

1.一种用于InP晶体生长的坩埚，其特征在于：包括第一坩埚、坩埚帽和第二坩埚；

第一坩埚为从上往下依次由第一体部、第一肩部和第一籽晶腔组成的一体成型的开口向上的中空石英管；

第二坩埚为从上往下依次由第二体部、第二肩部、缩颈腔和第二籽晶腔组成的上下两端均开口的中空PBN陶瓷坩埚；

第二坩埚位于第一坩埚内侧，且第二体部位于第一体部内侧，第二肩部位于第一肩部内侧，缩颈腔和第二籽晶腔位于第一籽晶腔内侧，第二体部的长度小于第一体部的长度；

坩埚帽为顶部半球形、且开口向下的石英帽，坩埚帽外径不小于第二坩埚外径、且小于第一坩埚内径；坩埚帽开口向下地位于第一坩埚内，且坩埚帽位于第二坩埚的上方，坩埚帽与第二坩埚之间留有间隔。

2.如权利要求1所述的用于InP晶体生长的坩埚，其特征在于：第一坩埚、第二坩埚和坩埚帽的纯度均在5N及以上。

3.如权利要求1或2所述的用于InP晶体生长的坩埚，其特征在于：第二坩埚上，缩颈腔长度为第二籽晶腔长度的2～10倍。

4.如权利要求1或2所述的用于InP晶体生长的坩埚，其特征在于：第二坩埚的外径比第一坩埚的内径小1～3mm。

5.如权利要求1或2所述的用于InP晶体生长的坩埚，其特征在于：第一肩部和第二肩部的夹角和高度一致；第一籽晶腔的长度不小于缩颈腔和第二籽晶腔长度之和。

6.如权利要求1或2所述的用于InP晶体生长的坩埚，其特征在于：坩埚帽与第二坩埚之间的间隔为25～35mm。

7.如权利要求1或2所述的用于InP晶体生长的坩埚，其特征在于：第一体部的长度为300～400mm，内径为80～140mm；第一肩部夹角为60～120°，高为40～60mm；第一籽籽晶腔的内径为6～12mm，长度为100～140mm；坩埚帽底部外径为80～120mm，高度为80～120mm；第二体部外径为80～120mm，长度为130～170mm；第二肩部夹角为60～120°，高度为40～60mm；缩颈腔长度为70～110mm；第二籽晶腔长度20～40mm。

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