TWI832757B - 磷化銦晶體生長裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種磷化銦晶體生長裝置，其包含一本體、一坩鍋、一加熱模組、一轉子。坩鍋係設置於本體內，坩鍋具有一晶種放置區及一熔體區，晶種放置區位於熔體區之下方，晶種放置區係用以放置一磷化銦晶種，熔體區係用以放置一磷化銦熔體；加熱模組係設置於本體內且位於坩鍋的周緣；轉子沿著坩鍋的長度方向位移，且轉子可轉動地設置於熔體區，用以對磷化銦熔體進行旋轉攪拌。藉此，本發明能夠增強磷化銦熔體的流動，以將晶體前端的潛熱去除，具有降低熱應力以及提高晶體的生長速度之功效。
Description
本發明係關於一種晶體生長裝置，尤其是指一種以熔體調節垂直梯度凝固法（Melt-Conditioned Vertical Gradient Freeze, MCVGF），以提高晶體生長速度及速率之磷化銦晶體生長裝置。
磷化銦（Indium phosphate, InP）為一種常見的半導體材料，其可應用於雷射二極體、光電工程元件、電子電路線圈、光波導元件等，其中，具有大面積的磷化銦晶圓更被認為是最適合應用於5G無線網路技術的材料。
以往有用液體直拉法（Liquid Encapsulation Czochralski, LEC）對於磷化銦晶體的生長，但由於高溫梯度和大量位錯，此方法不符合現有的市場對於磷化銦晶圓之要求。
近年來，因垂直梯度凝固法（Veritical gradient freeze, VGF）具有穩固性較佳、缺陷率較低、明確的製造溫度曲線及高品質晶體等優點，其常被用於製造生長磷化銦晶體。
惟，前述VGF製法之晶體生長速度慢、難以控制，且磷化銦比其他半導體更為脆弱，其堆垛層錯能（stacking fault energy）很低，很容易形成孿晶。此外，VGF製法在拉晶過程中，晶體的前端易形成凸形，其凸形通常導致多晶和導致更高的熱應力產生，如此將造成晶體前端較高的偏轉（deflection），影響晶體的品質。
為解決上述課題，本發明提供一種磷化銦晶體生長裝置，其以轉子在熔體內部低速旋轉，進而增強磷化銦熔體的流動，並能夠將晶體前端的潛熱去除，達到降低熱應力以及提高晶體的生長速度之功效。
為達上述目的，本發明提供一種磷化銦晶體生長裝置，其包括一本體、一坩鍋、一加熱模組、一轉子。坩鍋係設置於本體內，坩鍋具有一晶種放置區及一熔體區，晶種放置區位於熔體區之下方，晶種放置區係用以放置一磷化銦晶種，熔體區係用以放置一磷化銦熔體；加熱模組係設置於本體內且位於坩鍋的周緣；轉子係沿著坩鍋的長度方向位移，且轉子可轉動地設置於熔體區，用以對磷化銦熔體進行旋轉攪拌。
於本發明另一項實施例中，轉子具有一轉軸及一攪拌部位於轉軸之末端，攪拌部的外徑大於轉軸之外徑。
於本發明另一項實施例中，攪拌部包括複數個間隔設置的圓盤，每兩個圓盤之間具有一環槽。
於本發明另一項實施例中，圓盤的數量為3個，圓盤的寬度為50mm，圓盤的厚度5mm，轉軸的外徑為5mm，環槽的深度為5mm。
於本發明另一項實施例中，轉子的材質為熱解氮化硼（PBN）。
於本發明另一項實施例中，轉子於熔體區的轉動速度為2rpm。
於本發明另一項實施例中，加熱模組係為中空圓筒狀，其具有一頂端及一底端，加熱模組之加熱溫度係由底端朝頂端遞增。
於本發明另一項實施例中，更具有一坩鍋支撐件，坩鍋支撐件係支撐設置於坩鍋下方，且坩鍋支撐件下方更設有一底層絕緣件，坩鍋上方更設有一頂層絕緣件。
於本發明另一項實施例中，坩鍋與加熱模組之具有一石英筒。
於本發明另一項實施例中，坩鍋之材質為熱解氮化硼（PBN），加熱模組之材質為石墨。
藉此，本發明以轉子在磷化銦熔體內部旋轉，使轉子增強了磷化銦熔體與轉子之間的摩擦，因而增進了磷化銦熔體的流動，此流動係為強制對流，使晶體生長過程中會以均勻的溫度溶化，使晶體前端形成平坦，有效去除晶體前端的潛熱，減少熱應力，有利於提高晶體的生長速度和完善晶體的品質與結構。
為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製。
本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是圖式的方向；因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明，合先敘明。
請參閱圖1所示，為本發明提供一種磷化銦晶體生長裝置100，其基於習用VGF（Veritical gradient freeze）製法而提出一種以熔體調節垂直梯度凝固製法MCVGF（Melt-Conditioned Vertical Gradient Freeze），據以提高晶體生長速度及速率。磷化銦晶體生長裝置100包括一本體10、一坩鍋20、一加熱模組30及一轉子40。
本體10，其係為一中空圓柱體，本體10的材質為不銹鋼，其用以隔絕外界對晶體生長環境之干擾。
坩鍋20，其係設置於本體10內，坩鍋20具有一晶種放置區21及一熔體區22，晶種放置區21位於熔體區22之下方。其中，晶種放置區21為一細長形圓管，熔體區22為一中空圓筒，晶種放置區21與熔體區22之連接處係呈一漏斗狀，晶種放置區21係用以放置一磷化銦晶種1，熔體區22係用以放置一磷化銦熔體2；於本發明實施例中，坩鍋20之材質為熱解成型氮化硼（Pyrolytic boron nitride, PBN），熱解成型氮化硼為一種具高電阻且不易變形，同時擁有絕佳熱傳導率的高溫陶瓷材料。
加熱模組30，係呈一中空圓筒狀，加熱模組30係設置於本體10內且位於坩鍋20的周緣，加熱模組30係對於坩鍋20進行加溫加熱。其中，加熱模組30之材質為石墨，且加熱模組30具有一頂端31及一底端32，加熱模組30經控制使其加熱溫度由底端32朝頂端31遞增，以產生軸向溫度梯度，控制晶體生長。
轉子40係沿著坩鍋20的長度方向位移，且轉子40可轉動地設置於熔體區22，用以對磷化銦熔體2進行旋轉攪拌。較佳地，轉子40係受一驅動組件（未繪出）驅使而軸向位移及旋轉位移。於本發明實施例中，在初始凝固階段，轉子40與坩鍋20底端的距離為25mm或25mm以上。於本發明實施例中，轉子40具有一轉軸41及一攪拌部42位於轉軸41之末端，攪拌部42的外徑大於轉軸41之外徑。進一步地，轉子40的材質為熱解氮化硼（PBN），且轉子40於熔體區22的轉動速度為2rpm，即轉子40以低速旋轉對於磷化銦熔體2進行攪拌。由於熱解氮化硼（PBN）與磷化銦具有相似的熱膨脹並且化學性質呈中性，且熱解氮化硼（PBN）在高溫下具有良好的機械性能和耐熱性。
於本發明實施例中，攪拌部42包括複數個間隔設置的圓盤421，每兩個圓盤421之間具有一環槽422，相較於完全平整的圓柱形而言，圓盤421與環槽422的結構設置，更能增進對於熔體的攪拌，使其增加流動性。其中，圓盤421的數量為3個，圓盤421的寬度為50mm，圓盤421的厚度5mm，轉軸41的外徑為5mm，環槽422的深度為5mm。
於本發明實施例中，更包括一坩鍋支撐件50、一底層絕緣件60及一頂層絕緣件70。坩鍋支撐件50為不銹鋼，係支撐設置於坩鍋20下方，坩鍋支撐件50下方有底層絕緣件60，而坩鍋20上方有頂層絕緣件70。透過這些絕緣件，有效隔絕內部的熱量，而磷化銦晶體生長裝置100內部係以氬氣填充。
於本發明實施例中，加熱模組30與坩鍋20之間更具有一石英筒80。
接著，基於前述結構並開始進行晶體生長作業，並經加熱模組30維持溫度梯度後，以使磷化銦晶種1開始定向凝固而向上生長，而本發明係以轉子40在磷化銦熔體2中低速旋轉，使轉子40與其熔體之間的摩擦增強，增加了磷化銦熔體2的運動，使磷化銦熔體2會強制對流而非自然對流，如此一來，晶體生長過程中會以均勻的溫度溶化，有效去除晶體前端的潛熱，減少熱應力。且由於晶體的生長速度係由冷卻速率和晶體前端周圍的軸向熱度梯度決定，是以，凝固的潛熱在晶體前端釋放及帶走，確保具有均勻晶體前端的高生長速度，有利於提高晶體之生產速度和完善晶體的結構，提升晶體的品質。
如圖2所示，係表示VGF製法以及本發明MCVFG製法的晶體前端偏轉線形。由圖2中可看出，晶體的長度分別在10cm、17.5cm和25cm時，在VGF製法過程中，晶體前端形成凸形，而相較於本發明MCVGF製法，晶體前端有小凹形，但幾乎是平坦。此外，VGF製法相應前述晶體的長度，最大偏轉達到8mm、23mm和36mm，而MCVGF製法相應前述晶體的長度，最大偏轉僅為達到1.3mm、1.8mm和2.1mm。當晶體前端具有凸面形狀時，通常會導致多晶並導致更高的熱應力，因此可知，使用本發明MCVGF製法及圖1所示的磷化銦晶體生長裝置100相較於習知的VFG製法，晶體前端的偏轉明顯減少了92%。
為更進一步了解轉子40對於晶體生長的影響，請參閱圖3及圖4所示，係分別描繪了VGF製法以及本發明MCVFG的熔體流動情形。其中，在圖3及圖4中，包括了模擬熔體的流線和流動方向頭，以及晶體中的溫度梯度，晶體長度為：(a)2.5cm，(b)10cm，(c)17.5cm和(d)25cm。流線顏色和寬度表示速度大小，箭頭顯示流向。
如圖3所示，對於VGF製法，熔體從坩堝的壁開始流動以形成浮力和馬倫哥尼（Marangoni）力，馬倫哥尼（Marangoni）力有助於在熔體表面形成順時針渦流，以產生熱側區域到較冷中心區域的流動。且在較低的凝固百分比下，熔體流動形成兩個環形渦流，其中上部渦流的強度大於下部渦流，下部渦流在坩堝的壁附近向下流動，而上部渦流則為分流。在晶體前端附近形成的向下渦流導致固液界面處的凸形。通過進行結晶和接近過程結束時，由於熔體的體積減少，自由對流之力也減少，使得熔體僅形成一個渦流，據此晶體前端附近的弱渦流導致界面附近的熔體混合不良。
如圖4所示，對於本發明之MCVGF製法而言，轉子對熔體產生角剪切，在這種情況下，角速度分量優於由浮力和馬倫哥尼（Marangoni）力產生的垂直和徑向之熔體速度分量。且熔體流動具有垂直旋轉的環形形式，故可確認的是，在VGF製法中，晶體生長過程的最大熔體速度約為0.005mm/s，而在MCVGF製法，最大熔體速度提高到約0.048mm/s；而在VGF製法過程中，最大熔體速度在晶體前端的遠距離處累積，對於MCVGF製法而言，最大熔體速度位於靠近晶體前端的轉子附近。因此，高速熔體確保從晶體前端穩定高效地去除潛熱，即使在長晶體長度下也能提供平坦均勻的晶體前端。此外，雖然MCVGF製法過程中的熔體的流動呈環形分佈，但並沒有出現不規則的湍流。
在VGF製法過程中，晶體長度分別為2.5cm、10cm、17.5cm和25cm，分別對應獲得最大熔體溫差約為44.6
oC、29.3
oC、26.1
oC和10.9
oC。對於 MCVGF製法而言，晶體長度分別為2.5cm、10cm、17.5cm和25cm，分別對應獲得最大熔體溫差約為38.6
oC、22.1
oC、14.5
oC和 8.7
oC，據此顯示在MCVGF製法過程中，存在更均勻的熔體。
為了進一步理解，熱應力對於晶體在生長過程產生位錯之影響，請參閱圖5及圖6所示，係分別顯示在VGF製法以及本發明MCVFG製法中，在晶體長度為2.5cm、10cm、17.5cm和25cm的條件下，其晶體位錯引起的熱應力。如圖5所示，對於VGF製法而言，最大熱應力位於晶體界面處，這種現象增強了位錯的形成，因為晶體前端是晶體生長過程中晶體最熱的區域，並且對於熱應力的機械抵抗力最低。
如圖6所示，對於MCVGF製法，熔體吸收釋放的潛熱並將其分散，然後在晶體表面有一個更均勻的溫度場，它減少了熱應力，因此在MCVGF製法中，可觀察到晶體前端有更均勻的熱應力。其中，VGF製法和MCVGF製法的熱應力最大值分別為1MPa和0.42MPa。因此，透過本發明，最大應力從晶體前端轉移到晶體的錐形區域，如此將較高應力區域轉移到晶體的較冷區域是非常有益的，因為在較低溫度下晶體的機械強度更高並且可以抵抗熱應力。
習知的VGF製法的效率和晶體質量，很大程度上係取決於熔體流動、溫度梯度和晶體前端的形狀。當初始晶種開始定向凝固時，潛熱在靠近晶體前端的熔體中釋放。如果這種熱量沒有被熔體流動帶走，晶體前端將受到熱熔體的影響而形成凸形，致使無法生長出更長、更高且生長速度快的磷化銦晶體。
於是乎，本發明提供了一種MCVGF製法，其係於液態磷化銦在凝固前使用轉子40進行攪拌旋轉，轉子40在磷化銦熔體2內部提供高剪切，熔體的運動模式在這種的條件下完全改變，具有均勻的熔體溫度和平坦的晶體前端，使磷化銦晶體生長中具有高生長速率和更長的晶體長度，進而改善習知VGF製法，降低晶體生成的成本。
綜合前述，本發明具有下列技術優點：
(1)將熔體的自然對流轉化為強制對流，提供了更多的加工自由度，不僅可以控制熔體流動，還可以控制加熱器溫度。
(2)將高熔體速度可從VGF製法中的上部渦流轉移到靠近晶體前端。
(3)由於熔體的強制對流，從晶體前端提取更高的潛熱。
(4)更均勻的溫度梯度和隨後更低的熱應力，其最大熱應力降低了 50%以上。
(5)在保持晶體前端平坦的同時提高生長速度。此種方法顯示出更高的效率來平坦化晶體前端。
(6)在保持晶體品質的同時使晶體生長速度提高一倍。
以上所舉實施例僅用以說明本發明而已，非用以限制本發明之範圍。舉凡不違本發明精神所從事的種種修改或變化，俱屬本發明意欲保護之範疇。
100:磷化銦晶體生長裝置
10:本體
20:坩鍋
21:晶種放置區
22:熔體區
30:加熱模組
31:頂端
32:底端
40:轉子
41:轉軸
42:攪拌部
421:圓盤
422:環槽
50:坩鍋支撐件
60:底層絕緣件
70:頂層絕緣件
80:石英筒
1:磷化銦晶種
2:磷化銦熔體
圖1為本發明之結構剖面示意圖。
圖2為VGF製法以及本發明MCVFG製法之晶體前端偏轉線形。
圖3為以VGF製法的四種晶體長度之熔體流動示意圖。
圖4為以本發明MCVFG製法的四種晶體長度之熔體流動示意圖。
圖5為以VGF製法的四種晶體長度之熱應力示意圖。
圖6為以本發明MCVFG製法的四種晶體長度之熱應力示意圖。
100:磷化銦晶體生長裝置
10:本體
20:坩鍋
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31:頂端
32:底端
40:轉子
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421:圓盤
422:環槽
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80:石英筒
1:磷化銦晶種
2:磷化銦熔體
Claims (10)
- 一種磷化銦晶體生長裝置，其包含： 一本體； 一坩鍋，其係設置於該本體內，該坩鍋具有一晶種放置區及一熔體區，該晶種放置區位於該熔體區之下方，該晶種放置區係用以放置一磷化銦晶種，該熔體區係用以放置一磷化銦熔體； 一加熱模組，其係設置於該本體內且位於該坩鍋的周緣；以及 一轉子，係沿著該坩鍋的長度方向位移，且該轉子可轉動地設置於該熔體區，用以對該磷化銦熔體進行旋轉攪拌。
- 如請求項1所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該轉子具有一轉軸及一攪拌部位於該轉軸之末端，該攪拌部的外徑大於該轉軸之外徑。
- 如請求項2所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該攪拌部包括複數個間隔設置的圓盤，每兩個該圓盤之間具有一環槽。
- 如請求項3所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該圓盤的數量為3個，該圓盤的寬度為50mm，該圓盤的厚度5mm，該轉軸的外徑為5mm，該環槽的深度為5mm。
- 如請求項1或4所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該轉子的材質為熱解氮化硼（PBN）。
- 如請求項1所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該轉子於該熔體區的轉動速度為2rpm。
- 如請求項1所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該加熱模組係為中空圓筒狀，其具有一頂端及一底端，該加熱模組之加熱溫度係由該底端朝該頂端遞增。
- 如請求項7所述之磷化銦晶體生長裝置，更具有一坩鍋支撐件，該坩鍋支撐件係支撐設置於該坩鍋下方，且該坩鍋支撐件下方更設有一底層絕緣件，該坩鍋上方更設有一頂層絕緣件。
- 如請求項8所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該坩鍋與該加熱模組之具有一石英筒。
- 如請求項9所述之磷化銦晶體生長裝置，其中，該坩鍋之材質為熱解氮化硼（PBN），該加熱模組之材質為石墨。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2023
- 2023-05-03 TW TW112116489A patent/TWI832757B/zh active
Patent Citations (4)
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