TWI833617B - 晶體生長裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種晶體生長裝置，其包含一絕緣器、一加熱器、一坩鍋及一溫度感測件。加熱器係設置於絕緣器內，加熱器具有一第一加熱段及一第二加熱段，第一加熱段之厚度小於第二加熱段之厚度；坩鍋係設置於加熱器內，坩鍋具有一晶種放置區及一液體放置區，晶種放置區係用以放置一磷化銦晶種，液體放置區係用以放置一熔融磷化銦液體；溫度感測件係設置於加熱器與坩鍋之間。藉此，本發明僅需一個加熱器便可滿足垂直梯度凝固法所需之晶體生長條件，降低垂直梯度凝固法之成本，並簡化晶體生長的控溫過程。
Description
本發明係關於一種晶體生長裝置，尤其是指一種應用於垂直梯度凝固法之晶體生長裝置。
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。
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。
為了更好地控制晶體生長，目前的垂直梯度凝固法包含至少六個以上的加熱器，加熱器之間以熱電耦連接，每個加熱器皆裝有一溫度感測件，並需要個別控制每個加熱器。於晶體生長期間，控制系統會根據溫度感測件回傳的溫度分佈，來控制每個加熱器的功率。然而，如此龐大複雜的控制系統往往需要高昂的費用才能達成，複雜的控制過程本身及昂貴的控制系統為垂直梯度凝固法最顯著的缺點。
為解決上述課題，本發明提供一種晶體生長裝置，其僅需使用一個加熱器，便可滿足垂直梯度凝固法所要求之晶體生長條件，因而降低使用垂直梯度凝固法之成本，並簡化晶體生長的控溫過程。
為達上述目的，本發明提供一種晶體生長裝置，其係應用於垂直梯度凝固法，晶體生長裝置包含一絕緣器、一加熱器、一坩鍋及一溫度感測件。加熱器係設置於絕緣器內，加熱器具有一第一加熱段及一第二加熱段，第一加熱段位於第二加熱段之上方，第一加熱段之厚度小於第二加熱段之厚度；坩鍋係設置於加熱器內，坩鍋具有一晶種放置區及一液體放置區，晶種放置區位於液體放置區之下方，晶種放置區係用以放置一磷化銦晶種，液體放置區係用以放置一熔融磷化銦液體；溫度感測件係設置於加熱器與坩鍋之間。
於其中一項實施例中，第一加熱段具有三個第一加熱壁，第二加熱段具有一第二加熱壁、一第三加熱壁及一第四加熱壁，由加熱器之頂端至底端依序設有三個第一加熱壁、第二加熱壁、第三加熱壁及第四加熱壁。
於其中一項實施例中，第一加熱壁之厚度為10毫米，第二加熱壁之厚度為10.1至10.3毫米，第三加熱壁之厚度為10.4至10.7毫米，第四加熱壁之厚度為11至11.3毫米。
於其中一項實施例中，第一加熱壁、第二加熱壁、第三加熱壁及第四加熱壁之高度皆為12.5公分，加熱器中沿軸向每隔1公分的溫度梯度係小於攝氏253度。
於其中一項實施例中，本發明更具有一坩鍋支撐件，坩鍋支撐件係設置於溫度感測件與坩鍋之間。
於其中一項實施例中，加熱器之材質為石墨。
於其中一項實施例中，坩鍋之材質為熱解成型氮化硼。
於其中一項實施例中，溫度感測件之材質為石英。
於其中一項實施例中，液體放置區為一中空圓筒，晶種放置區為一細長形圓管，液體放置區與晶種放置區之連接處係呈一漏斗狀。
於其中一項實施例中，晶體生長裝置內部係以氬氣填充。
藉由上述，本發明透過第一加熱段之厚度小於第二加熱段之厚度，使熱能較難傳遞至第二加熱段，進而使溫度梯度由坩鍋之底端至頂端沿軸向遞增，因此只需一個加熱器即可滿足垂直梯度凝固法所要求之晶體生長條件，降低使用垂直梯度凝固法之成本，解決習知技術中至少需要六個加熱器之高成本問題，並改善習知技術中複雜的控溫過程。
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至圖3所示，本發明提供一種晶體生長裝置100，其係應用於垂直梯度凝固法，並藉由一微處理機系統來控制加熱功率，晶體生長裝置100包含一絕緣器10、一加熱器20、一坩鍋30、一溫度感測件40及一坩鍋支撐件50。加熱器20係設置於絕緣器10內，坩鍋30係設置於加熱器20內，溫度感測件40係設置於加熱器20與坩鍋30之間，坩鍋支撐件50係設置於坩鍋30與溫度感測件40之間。
絕緣器10，其係為一中空圓柱體，絕緣器10係用以隔絕外界對晶體生長環境之干擾；於本發明實施例中，絕緣器10之直徑為30公分，絕緣器10之高度為130公分。
加熱器20，其係概呈一中空圓筒狀，加熱器20係沿軸向設置於絕緣器10內，加熱器20具有一第一加熱段21及一第二加熱段22，第一加熱段21位於第二加熱段22之上方，第一加熱段21之厚度小於第二加熱段22。
於本發明實施例中，加熱器20之材質為石墨，第一加熱段21具有三個第一加熱壁211，第二加熱段22具有一第二加熱壁221、一第三加熱壁222及一第四加熱壁223，由加熱器20之頂端至底端依序設有三個第一加熱壁211、第二加熱壁221、第三加熱壁222及第四加熱壁223，其中，第一加熱壁211之厚度為1公分，第二加熱壁221之厚度為1.01至1.03公分，第三加熱壁222之厚度為1.04至1.07公分，第四加熱壁223之厚度為1.1至1.13公分，第一加熱壁211、第二加熱壁221、第三加熱壁222及第四加熱壁223之高度皆為12.5公分。
坩鍋30，其係沿軸向設置於加熱器20內，坩鍋30係位於第一加熱壁211與第三加熱壁222之間，坩鍋30具有一晶種放置區31及一液體放置區32，晶種放置區31位於液體放置區32之下方，其中，晶種放置區31為一細長形圓管，液體放置區32為一中空圓筒，晶種放置區31與液體放置區32之連接處係呈一漏斗狀，晶種放置區31係用以放置一磷化銦晶種1，液體放置區32係用以放置一熔融磷化銦液體2；於本發明實施例中，坩鍋30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。
溫度感測件40，其係為一中空圓筒，溫度感測件40係沿軸向設置於加熱器20與坩鍋30之間，溫度感測件40之高度大於加熱器20，溫度感測件40係用以感測加熱器20各段之溫度並回傳至微處理機系統，以使微處理機系統可根據加熱器20之溫度分佈控制軸向溫度梯度；於本發明實施例中，溫度感測件40之材質為石英，石英為一種對振動、加速度等外界干擾不敏感且穩定性好之材料。
坩鍋支撐件50，其係設置於坩鍋30與溫度感測件40之間，坩鍋支撐件50係用以支撐固定坩鍋30；於本發明實施例中，坩鍋支撐件50之材質為不鏽鋼，不鏽鋼為一種抗蝕性強、機械性佳，且適用於各種高溫、低溫環境之材料。
於本發明實施例中，晶體生長裝置100可生長晶體之最大直徑為10公分，可生長晶體之最大長度為20公分。此外，晶體生長裝置100內部係以氬氣填充，以防止水氧等氣體雜質影響晶體生長過程。
本發明係於加熱器20之第一加熱段21提供一熱源，且第一加熱段21之厚度小於第二加熱段22，使得熱能較不易傳遞至第二加熱段22，因此能夠實現溫度梯度由加熱器20之底端至頂端沿軸向遞增，進而使溫度梯度也由坩鍋30之底端至頂端沿軸向遞增，藉此，本發明僅需一個加熱器，便可滿足垂直梯度凝固法所要求之晶體生長條件，因而降低使用垂直梯度凝固法之成本，並簡化晶體生長的控溫過程。
再者，於本發明實施例中，坩鍋30中每隔1公分的軸向溫度梯度係小於攝氏253度，此範圍之溫度梯度可使熔融磷化銦液體2於坩鍋30內形成渦流，渦流能夠幫助移除晶體生長過程中產生的潛熱，使生長中晶體前緣之表面能保持平坦，增加生成晶體之同質性及均一性。
此外，上述範圍之溫度梯度還能使生長過程中產生之熱應力小於20兆帕斯卡，避免因熱應力過大，產生差排問題（dislocation），造成晶體局部不規則排列之缺陷。
藉由上述，本發明透過第一加熱段21之厚度小於第二加熱段22之厚度，使熱能較難以傳遞至第二加熱段22，實現溫度梯度由坩鍋30之底端至頂端沿軸向遞增，進而達成只需一個加熱器即可滿足垂直梯度凝固法所要求之晶體生長條件，因而降低使用垂直梯度凝固法之成本，解決習知技術中至少需要六個加熱器之高成本問題，並改善習知技術中複雜的控溫過程。
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。
1:磷化銦晶種
2:熔融磷化銦液體
100:晶體生長裝置
10:絕緣器
20:加熱器
21:第一加熱段
211:第一加熱壁
22:第二加熱段
221:第二加熱壁
222:第三加熱壁
223:第四加熱壁
30:坩鍋
31:晶種放置區
32:液體放置區
40:溫度感測件
50:坩鍋支撐件
圖1為本發明之立體剖面示意圖。
圖2為本發明加熱器之立體示意圖。
圖3為本發明沿軸向之溫度梯度示意圖。
1:磷化銦晶種
2:熔融磷化銦液體
100:晶體生長裝置
10:絕緣器
20:加熱器
21:第一加熱段
211:第一加熱壁
22:第二加熱段
221:第二加熱壁
222:第三加熱壁
223:第四加熱壁
30:坩鍋
31:晶種放置區
32:液體放置區
40:溫度感測件
50:坩鍋支撐件
Claims (10)
- 一種晶體生長裝置，其係應用於垂直梯度凝固法，該晶體生長裝置包含： 一絕緣器； 一加熱器，其係設置於該絕緣器內，該加熱器具有一第一加熱段及一第二加熱段，該第一加熱段位於該第二加熱段之上方，該第一加熱段之厚度小於該第二加熱段之厚度； 一坩鍋，其係設置於該加熱器內，該坩鍋具有一晶種放置區及一液體放置區，該晶種放置區位於該液體放置區之下方，該晶種放置區係用以放置一磷化銦晶種，該液體放置區係用以放置一熔融磷化銦液體；以及 一溫度感測件，其係設置於該加熱器與該坩鍋之間。
- 如請求項1所述之晶體生長裝置，其中，該第一加熱段具有三個第一加熱壁，該第二加熱段具有一第二加熱壁、一第三加熱壁及一第四加熱壁，由該加熱器之頂端至底端依序設有三個該第一加熱壁、該第二加熱壁、該第三加熱壁及該第四加熱壁。
- 如請求項2所述之晶體生長裝置，其中，該第一加熱壁之厚度為10毫米，該第二加熱壁之厚度為10.1至10.3毫米，該第三加熱壁之厚度為10.4至10.7毫米，該第四加熱壁之厚度為11至11.3毫米。
- 如請求項2所述之晶體生長裝置，其中，該第一加熱壁、該第二加熱壁、該第三加熱壁及該第四加熱壁之高度皆為12.5公分，該加熱器中沿軸向每隔1公分的溫度梯度係小於攝氏253度。
- 如請求項1所述之晶體生長裝置，更具有一坩鍋支撐件，該坩鍋支撐件係設置於該溫度感測件與該坩鍋之間。
- 如請求項1所述之晶體生長裝置，其中，該加熱器之材質為石墨。
- 如請求項1所述之晶體生長裝置，其中，該坩鍋之材質為熱解成型氮化硼。
- 如請求項1所述之晶體生長裝置，其中，該溫度感測件之材質為石英。
- 如請求項1所述之晶體生長裝置，其中，該液體放置區為一中空圓筒，該晶種放置區為一細長形圓管，該液體放置區與該晶種放置區之連接處係呈一漏斗狀。
- 如請求項1所述之晶體生長裝置，該晶體生長裝置內部係以氬氣填充。
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