一种晶体生长单晶炉、坩埚及晶体生长方法技术

本发明专利技术涉及半导体生产领域，公开了一种晶体生长单晶炉、坩埚及晶体生长方法，包括压力容器，压力容器内设置有加热器，加热器包括加热器外壳，所述加热器外壳内部中心位置设置炉芯组；所述炉芯组外套设有加热丝，所述加热丝与加热器外壳之间设置有第一控温组和第二控温组，所述第一控温组和第二控温组沿炉芯组的中心线对称设置；所述第一控温组包括若干个第一热电偶组，所述第二控温组包括若干个第二热电偶组；所述加热器外壳与炉芯组之间设置有氧化铝粉，所述第一热电偶组和第二热电偶组均位于炉芯组的外壁上，所述炉芯组的中部设置有容纳腔，所述炉芯组的端部设置杜热陶瓷纤维毯。本发明专利技术能够降低晶体生长时多晶的产生，提升单晶生长的成晶率。晶生长的成晶率。晶生长的成晶率。

A crystal growth single crystal furnace, crucible and crystal growth method

【技术实现步骤摘要】
一种晶体生长单晶炉、坩埚及晶体生长方法


[0001]本专利技术涉及半导体生产
，尤其涉及一种晶体生长单晶炉、坩埚及晶体生长方法。

技术介绍

[0002]磷化铟是重要的化合物半导体材料，目前磷化铟生长单晶的成晶率普遍在30％左右，是制约磷化铟材料快速发展的重要因素。5G时代技术革新带来以磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料的蓬勃发展。InP晶体具有饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高等诸多优点，被广泛应用于光通信、高频毫米波器件、光电集成电路和外层空间用太阳能电池等领域。磷化铟半导体材料具有电子极限漂移速度高、耐辐射性能好、导热好的优点，与砷化镓半导体材料相比，它具有击穿电场、热导率、电子平均速度高的特点。此外，目前光通信器件主要采用磷化铟基材料，数码率很高、波长单色性很好的磷化铟基激光器、调制器、探测器及其模块已广泛应用于光网络，从而推动互联网数据信息传输量的飞速发展，不断满足人们对网络向更高速度和更宽带宽方向发展的要求。
[0003]目前生长磷化铟单晶主要是将籽晶放入氮化硼坩埚籽晶腔内，将多晶料、氮化硼、红磷等放入坩埚体内，然后将其用石英管抽真空后焊接密封，装入单晶炉内升温，将多晶料全部、籽晶上部融化，然后降温使其沿籽晶向上生长，向上过程中超过籽晶腔开始放肩生长，生长4寸磷化铟单晶直径由大约10mm逐步扩大至100mm左右；在放肩过程中由于直径扩大，扩大过程中由于固液界面由很小逐渐扩大，固液界面的形状控制非常困难，当晶体在界面边缘与氮化硼坩埚接触的地方开始形核时，非常容易产生向内生长的孪晶线，当两条孪晶线向晶体内部延伸交汇，交汇处直接产生多晶，导致整个晶体成为多晶。根据实际生产统计，在全部未长成单晶的晶棒中，有80％是由于上述情况造成的，可见解决这个问题对提升成晶率有很大的作用。
[0004]在原始的生长工艺中，装料使用的石英管和坩埚都需要制定为特定的形状，这就增加了坩埚的制作费用，且原来的小籽晶不利于生长完成后的脱模，脱模过程中晶棒与氮化硼坩埚之间的氧化硼难以溶解，延长了脱模时间；另外在脱模过程中对籽晶腔的损坏数量也比较大，原始工艺炉芯组制作需要将细长石英棒包裹在湿毡中央，石英棒周围制作两根测温热电偶，外边包裹多层湿毡和石英套管，将其制作为和石英管相吻合的形状，制作的工艺极其复杂，制作完成大约需要十天左右的周期，这种工艺制作的炉芯组复杂，在生产过程中极易受到损坏，损坏后基本需要重新制作，无法维护。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种晶体生长单晶炉、坩埚及晶体生长方法，能够降低晶体生长时多晶的产生，提升单晶生长的成晶率。
[0006]本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题：
[0007]一种晶体生长单晶炉，包括压力容器，所述压力容器内设置有加热器，所述加热器包括加热器外壳，所述加热器外壳内部中心位置设置炉芯组；所述炉芯组外套设有加热丝，所述加热丝与加热器外壳之间设置有第一控温组和第二控温组，所述第一控温组和第二控温组沿炉芯组的中心线对称设置；所述第一控温组包括若干个第一热电偶组，所述第二控温组包括若干个第二热电偶组；所述加热器外壳与炉芯组之间设置有氧化铝粉，所述第一热电偶组和第二热电偶组均位于炉芯组的外壁上，所述炉芯组的中部设置有容纳腔，所述炉芯组的端部设置杜热陶瓷纤维毯。
[0008]进一步，所述炉芯组包括石英棒，所述石英棒外设置有湿毡，所述湿毡外套设有炉膛管，所述石英棒的直径为炉膛管内径的50％
‑
80％。如此，在制备炉芯组时，制备工艺简单，且将石英棒的直径比现有技术的石英棒直径大大增加，使炉体中心热传导更加充分，在生长降温过程中同一水平线上晶体中心温度偏低，优先形成晶核，形成微凸的固液界面，避免了部分在坩埚壁开始形核并开始向内生长的孪晶或多晶，进一步提高晶体生长的成晶率。
[0009]进一步，所述第一控温组包括第一控温区、第二控温区、第三控温区和第四控温区，所述第一控温区的中央设置有第一控温热电偶，所述第二控温区的中央设置有第二控温热电偶，所述第三控温区的中央设置有第三控温热电偶，所述第四控温区的中央设置有第四控温热电偶，所述第一控温热电偶、第二控温热电偶、第三控温热电偶和第四控温热电偶均设置在炉膛管的外壁上。本专利技术在炉膛管的外壁一侧设置四个控温区域，能够对炉膛管进行精确控温，提升单晶生长的成晶率和质量。
[0010]进一步，所述第二控温组包括均位于炉膛管的外壁上的第五控温热电偶、第六控温热电偶、第七控温热电偶、第八控温热电偶和第九控温热电偶，所述第五控温热电偶设置于石英棒位于炉膛管内的端部处的炉膛管外侧，所述第五控温热电偶、第六控温热电偶、第七控温热电偶、第八控温热电偶和第九控温热电偶的相邻两个测温热电偶之间的距离为30mm。本专利技术在炉膛管的外壁另一侧设置五个测温点，对炉膛管内的容纳腔温度进行精确测温，通过精确的温度控制来提升单晶生长的成晶率和质量。
[0011]进一步，所述第一控温区内加热丝的间距为150mm，所述第二控温区内加热丝的间距为250mm，所述第三控温区内加热丝的间距为150mm，所述第四控温区内加热丝的间距为150mm。如此，能够达到对各个控温区的温度精确控制。
[0012]进一步，所述炉膛管外设置有耐高温水泥层，所述加热丝设置于耐高温水泥层内。耐高温水泥层可以对加热丝进行固定，避免加热丝在过程中发生移动。
[0013]进一步，所述加热器外壳与压力容器之间设置有加热器支架。加热器支架对整个加热器进行稳定的支撑。
[0014]本专利技术还公开了一种晶体生长坩埚，所述坩埚应用于上述的晶体生长单晶炉，所述坩埚为氮化硼材料的圆柱形平底坩埚。
[0015]本专利技术还公开了利用上述晶体生长单晶炉和坩埚的晶体生长方法，包括以下步骤：
[0016]S1、将多晶料、籽晶、氧化硼和红磷原料处理好后装入氮化硼平底坩埚；
[0017]S2、将氮化硼平底坩埚放入石英坩埚内，使用氢氧焰烧结将氮化硼平底坩埚真空密封至石英坩埚内；
[0018]S3、准备石英棒，将石英棒用硅酸铝的湿毡包裹，然后放入炉膛管，烘烤定形为炉芯组；将炉芯组装入加热器内部，端部空隙使用杜热陶瓷纤维毯填充；
[0019]S4、对加热器进行升温，通过第一控温热电偶、第二控温热电偶、第三控温热电偶和第四控温热电偶对四个温区进行温度控制，待籽晶熔化，并使第五控温热电偶、第六控温热电偶、第七控温热电偶、第八控温热电偶和第九控温热电偶依次升高温度，然后降温使晶体自下而上生长，固液界面逐渐上移，完成晶体生长完成。
[0020]进一步，所述炉芯组的烘烤温度为1000
‑
1200℃，所述第一控温热电偶、第二控温热电偶、第三控温热电偶和第四控温热电偶的设置温度为1000
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1090℃。加热时，加热到450℃左右氮化硼熔化将晶体包裹液封，1070℃左右多晶料全部融化，使得籽晶上部熔化。
[0021]本专利技术的有益效果：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶体生长单晶炉，包括压力容器，所述压力容器内设置有加热器，所述加热器包括加热器外壳，所述加热器外壳内部中心位置设置炉芯组；其特征在于：所述炉芯组外套设有加热丝，所述加热丝与加热器外壳之间设置有第一控温组和第二控温组，所述第一控温组和第二控温组沿炉芯组的中心线对称设置；所述第一控温组包括若干个第一热电偶组，所述第二控温组包括若干个第二热电偶组；所述加热器外壳与炉芯组之间设置有氧化铝粉，所述第一热电偶组和第二热电偶组均位于炉芯组的外壁上，所述炉芯组的中部设置有容纳腔，所述炉芯组的端部设置杜热陶瓷纤维毯。2.根据权利要求1所述的一种晶体生长单晶炉，其特征在于：所述炉芯组包括石英棒，所述石英棒外设置有湿毡，所述湿毡外套设有炉膛管，所述石英棒的直径为炉膛管内径的50％
‑
80％。3.根据权利要求1所述的一种晶体生长单晶炉，其特征在于：所述第一控温组包括第一控温区、第二控温区、第三控温区和第四控温区，所述第一控温区的中央设置有第一控温热电偶，所述第二控温区的中央设置有第二控温热电偶，所述第三控温区的中央设置有第三控温热电偶，所述第四控温区的中央设置有第四控温热电偶，所述第一控温热电偶、第二控温热电偶、第三控温热电偶和第四控温热电偶均设置在炉膛管的外壁上。4.根据权利要求1所述的一种晶体生长单晶炉，其特征在于：所述第二控温组包括均位于炉膛管的外壁上的第五控温热电偶、第六控温热电偶、第七控温热电偶、第八控温热电偶和第九控温热电偶，所述第五控温热电偶设置于石英棒位于炉膛管内的端部处的炉膛管外侧，所述第五控温热电偶、第六控温热电偶、第七控温热电偶、第八控温热电偶和第九控温热电偶的相邻两个测温热电偶之间的距离为30mm。5.根据权利要求2所述的一种晶体生长单晶炉，其特征在于：所述第一控温区内加热丝的间距...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡昌勇，孙中华，李勇，
申请(专利权)人：威科赛乐微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：