一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法技术

一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法，属于半导体材料的制备领域，所述方法包括以下步骤：步骤1、将籽晶和多晶分离设置；步骤2、加热籽晶和多晶远端的端面，端面温度小于半导体的熔点；步骤3、加热籽晶端面是籽晶部分融化，在籽晶端面中心形成初始熔区；步骤4、在垂直于晶籽的方向施加交变磁场；步骤5、在初始熔区区域施加约束磁场；步骤6、多晶与籽晶接触；步骤7、控制远端面温度，多晶持续融化，熔池向多晶方向移动，单晶向多晶方向生长，实现半导体单晶的制备。本发明专利技术提出的方法，无需坩埚、生长界面稳定且不受半导体晶体的尺寸的影响，本发明专利技术还适用于氧化镓等熔点高且易于与坩埚反应的晶体制备。晶体制备。晶体制备。

【技术实现步骤摘要】
一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法


[0001]本专利技术属于半导体材料的制备领域，涉及大尺寸半导体单晶的制备，尤其是无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法。

技术介绍

[0002]大尺寸单晶能够制备出更多的大尺寸半导体单晶衬底，这样会大幅降低后续器件的成本；单晶的纯度越高，衬底的物理性能就越高。目前几乎所有的半导体单晶都在向着大尺寸、高纯度的方向发展。
[0003]传统的垂直布里奇曼法、垂直温度梯度凝固法、直拉法均需要在坩埚内生长，单晶尺寸越大，坩埚尺寸越大，坩埚边缘的温度就越高，热场尺寸就越大，制造难度相应的大幅增加。另外，制作坩埚对原料也有要求，如制备氧化镓等高温活性熔体的大尺寸半导体单晶，需要铱坩埚，但是铱价格极为昂贵，并且大尺寸的坩埚制备难度极大。
[0004]晶体尺寸的增加也将带来晶体生长过程中应力的增加，甚至导致晶体出炉后直接断裂，如碳化硅、硅、锗、氧化镓等半导体。同时，生长大尺寸单晶需要较高的温度梯度，也会带来位错密度的大幅增加。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法。
[0006]为实现专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法，包括以下步骤：步骤1、将籽晶和多晶分离设置；步骤2、加热籽晶和多晶远端的端面，籽晶端面的温度为T1，多晶端面的温度为T2，T1<Tm ，T2<Tm，Tm为所述半导体的熔点；步骤3、加热籽晶接近多晶的近端端面，温度大于Tm，籽晶部分融化，在所述籽晶端面中心形成初始熔区后停止加热；步骤4、在垂直于晶籽的方向施加交变磁场；步骤5、在初始熔区区域施加约束磁场；步骤6、多晶与籽晶接触；步骤7、逐渐升高多晶远端的端面温度，逐渐降低籽晶远端的端面温度，单晶向多晶方向生长，多晶持续融化，形成熔池，熔池向多晶方向移动，保持约束磁场在熔池区域，实现半导体单晶的制备。
[0007]进一步地，本专利技术还提出了无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置实现，所述装置包括晶体支撑、多晶夹持、上电阻加热器、下电阻加热器、交变磁场发生器、电磁约束器、辅助加热器、红外测温仪。
[0008]进一步地，本专利技术还提出了使用上述装置制备大尺寸半导体的方法。
[0009]本专利技术首先给半导体多晶和单晶籽晶整体施加温度梯度，加热使得半导体单晶籽晶表面形成初始熔区，初始熔区与半导体多晶接触；给半导体多晶和单晶籽晶整体施加交变磁场，由于半导体的特性，交变磁场在半导体多晶和单晶中产生微弱的感应电流，不能熔化半导体，在初始熔区形成感应电流，持续给初始熔区发热，在半导体单晶籽晶与多晶之间形成稳定的横向熔区；调节温度梯度，实现横向熔区垂直迁移和半导体单晶籽晶长大，实现单晶制备。
[0010]有益效果：本专利技术提出的方法，无需坩埚、生长界面稳定且不受半导体晶体的尺寸的影响，通过调整温度梯度，实现横向熔区垂直迁移和半导体单晶籽晶长大；利用半导体的特性，使用交变磁场对熔区进行加热，保持熔区温度，同时不影响整体的温度梯度。另外，可以生长界面的温度梯度大幅降低临界剪切应力晶体的位错密度。本专利技术适用高纯大尺寸单晶的制备，制备单晶尺寸越大，该方法越具有优势，只要满足磁场要求，就可以生长任意尺寸的单晶。本专利技术还适用于氧化镓等熔点高且易于与坩埚反应的晶体制备。
附图说明
[0011]图1为开始时的状态及温度梯度示意；图2为初始熔区形成后的状态及温度梯度示意；图3为单晶生长过程中的状态及温度梯度示意。
[0012]其中，1：半导体单晶籽晶；2：半导体单晶；3：半导体多晶块；4：横向熔区；5：交变磁场发生器；6：下电阻加热器；7：上电阻加热器； 8
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1：上冷却系统；8
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2：下冷却系统；9：晶体支撑；10：多晶夹持；10
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1：多晶夹持驱动机构；11：交变磁场；12：感应电场；13：涡流；14：电磁约束器；14
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1：电磁约束器驱动机构；15：辅助加热器；15
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1：辅助加热器机构；16：初始熔区；17
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1：上红外测温仪；17
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2：下红外测温仪，18：炉体外壳；19：真空管路；20：水冷管路。
具体实施方式
[0013]一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法，包括以下步骤：步骤1、将籽晶和多晶分离设置。
[0014]步骤2、加热籽晶和多晶远端的端面，籽晶端面的温度为T1，多晶端面的温度为T2，T1<Tm ，T2<Tm，Tm为所述半导体的熔点。在籽晶和多晶远端的端面加热，在较长距离形成温度梯度。本实施例中，800℃<T1<T2。
[0015]步骤3、加热籽晶接近多晶的近端端面，温度大于Tm，籽晶部分融化，在所述籽晶端面中心形成初始熔区后停止加热。
[0016]步骤4、在垂直于晶籽的方向施加交变磁场，保持初始熔区的温度。
[0017]步骤5、在初始熔区区域施加约束磁场，约束初始熔区中熔体。
[0018]步骤6、多晶与籽晶接触，此时，在初始熔区至籽晶远端端面、初始熔区至多晶远端端面形成两个温度梯度区间。
[0019]步骤7、逐渐升高多晶远端的端面温度，逐渐降低籽晶远端的端面温度，单晶向多晶方向生长，多晶持续融化，形成熔池，熔池向多晶方向移动，保持约束磁场在熔池区域，实现半导体单晶的制备。形成初始熔区时，T1<T2，随着多晶远端的端面温度的升高和籽晶远端的端面温度的降低，多晶降低了散热，籽晶及生长的单晶增加了散热，单晶在温度变化期
间持续生长。
[0020]本专利技术还提出了无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置，参看图1，所述装置包括组成密封炉体的炉体外壳18，穿过炉体外壳18的真空管路19，穿过炉体外壳18的水冷管路20，上红外测温仪17
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1、下红外测温仪17
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2，炉体内设置晶体支撑9、多晶夹持10及多晶夹持驱动机构10
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1、下电阻加热器6、上电阻加热器7、交变磁场发生器5、电磁约束器14及电磁约束器驱动机构14
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1、辅助加热器15及辅助加热器机构15
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1、：上冷却系统8
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1、下冷却系统8
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2。
[0021]多晶夹持10经多晶夹持驱动机构10
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1设置在炉体外壳18上，多晶夹持驱动机构10
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1带动多晶夹持10沿炉体外壳18上下移动。
[0022]电磁约束器14经电磁约束器驱动机构14
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1设置在炉体外壳18上，电磁约束器驱动机构14
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1带动电磁约束器14沿炉体外壳18上下移动。
[0023]辅助加热器15经辅助加热器机构15
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1设置在炉体外壳18上，辅助加热器机构15
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将籽晶和多晶分离设置；步骤2、加热籽晶和多晶远端的端面，籽晶端面的温度为T1，多晶端面的温度为T2，T1<Tm ，T2<Tm，Tm为所述半导体的熔点；步骤3、加热籽晶接近多晶的近端端面，温度大于Tm，籽晶部分融化，在所述籽晶端面中心形成初始熔区后停止加热；步骤4、在垂直于晶籽的方向施加交变磁场；步骤5、在初始熔区区域施加约束磁场；步骤6、多晶与籽晶接触；步骤7、逐渐升高多晶远端的端面温度，逐渐降低籽晶远端的端面温度，单晶向多晶方向生长，多晶持续融化，形成熔池，熔池向多晶方向移动，保持约束磁场在熔池区域，实现半导体单晶的制备。2.根据权利要求1所述的无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法，其特征在于，所述T1、T2的关系为：800℃<T1<T2。3.根据权利要求1或2所述的无坩埚制备大尺寸半导体晶体的方法，其特征在于，使用无坩埚制备大尺寸半导体晶体的装置实现，所述装置包括晶体支撑（9）、多晶夹持（10）、下电阻加热器（6）、上电阻加热器（7）、交变磁场发生器（5）、电磁约束器（14）、辅助加热器（15）、上红外测温仪（17
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1）、下红外测温仪（17
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2）；所述方法具体为：步骤1、通过多晶夹持（10）夹持半导体多晶块（3），将半导体籽晶（1）置于晶体支撑（9）上，籽晶（1）和半导体多晶块（3）分离设置；步骤2、通过上电阻加热器（7）加热半导体多晶块（3）上表面至T1，通过下电阻加热器（6）加热籽晶（1）下表面至T2，800℃<T1<T2<Tm，在半导体多晶块...

【专利技术属性】
技术研发人员：王书杰，孙聂枫，邵会民，徐森锋，李晓岚，王阳，史艳磊，姜剑，李亚旗，赵红飞，谷伟侠，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：