一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法技术

本发明专利技术提出了一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法，属于晶体制备技术领域，本发明专利技术通过控制多段加热系统，在液封提拉系统坩埚的熔体中生长磷化铟晶体，当晶体尺寸大于所需尺寸以后，向熔体中注入铟，同时降低熔体温度使得熔体与磷化铟晶体保持近似平衡，过程中保持晶体微微长大，直至降至室温；降温过程中，在系统温度为

【技术实现步骤摘要】
一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法


[0001]本专利技术属于晶体制备
，具体为一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法
。

技术介绍

[0002]InP
（磷化铟）材料是一种重要的化合物半导体材料，是制备高频和高速器件的首选材料之一，在
100GHz
以上频段体现出巨大的优势，
InP
基微电子器件具有高频
、
低噪声
、
高效率
、
抗辐照等特点
。
半绝缘磷化铟衬底在
5G
网络
、
太赫兹通信
、
毫米波通信与探测等领域应用广泛
。
[0003]晶体制备基本上可分为水平布里奇曼法（
Horizontal Bridgman
，
HB
）
、
液封直拉法（
Liquid Encapsulating Czochralski
，
LEC
）
、
蒸气压控制切克劳斯基法（
Vaporpressure Controlled Czochralski
，
VCZ
）
、
垂直布里奇曼法（
Vertical Bridgman
，
VB
）或垂直温度梯度凝固技术（
Vertical Gradient Freeze
，
VGF
）等<br/>。
[0004]1、
水平布里奇曼法（
HorizontalBridgman, HB
）
HB
法中单晶的生长可通过水平移动装料安培瓶或加热炉体来实现，其装置和操作均较为简单，因此优点和缺点也较为鲜明：（1）优点：
HB
单晶炉制作简单
、
成本低，熔体化学计量比控制较好；晶体生长温度梯度小
、
晶体位错少
、
应力小；引晶和晶体生长可观察，有利于提高晶体成晶率；（2）缺点：晶体截面为
D
形，如加工为圆形则将造成浪费；存在
Si
沾污
。
[0005]2、
液封直拉法（
LiquidEncapsulating Czochralski
，
LEC
）
LEC
法采用多加热器生长炉以及可重复使用的
PBN
坩埚，在特定气氛下进行晶体生长
。
该方法的主要优缺点是：（1）优点：可靠性高
、
适合规模生产；晶体引晶和生长均可见，成晶情况可控，成品率高；（2）缺点：晶体温度梯度大，生长晶体的位错密度高
、
残留应力高；晶体等径控制和化学计量比控制较差；单晶炉制造成本高
。
[0006]3、
蒸气压控制切克劳斯基法（
VaporpressureControlled Czochralski
，
VCZ
）
VCZ
单晶生长工艺为
LEC
法的改进工艺
。
相比于
LEC
法，
VCZ
法降低了温度场非线性，减少了位错产生的几率，并增加了晶体轴向和径向位错分布的均匀性
。
[0007]（1）优点：位错密度和残留应力较
LEC
法低；晶体的化学计量比可控；（2）缺点：单晶炉构造复杂，制造成本高；工艺操作难度大
、
运行费用高；晶体碳含量不可控；晶体长度短，不适合规模化生产
。
[0008]4、
垂直布里奇曼法（
VerticalBridgman
，
VB
）或垂直温度梯度凝固技术（
VerticalGradient Freeze
，
VGF
）
VGF/VB
法是
20
世纪
80
年代末开发并逐步发展起来的
、
能生长大直径
、
低位错
、
低热应力
、
高质量
III
‑
V
族半导体单晶的生长方法
。
其生长原理是将多晶
、B2O3
及籽晶真空封入
石英管中，炉体和装料的石英管垂直放置，熔融多晶接触位于下方的籽晶后，缓慢冷却，进行单晶生长
。
该方法的主要优缺点是：（1）优点：位错密度和残留应力较
LEC
法低；晶体等径好
、
材料利用率高；减少了籽晶杆升降和转动装置，单晶炉制造成本低；既易于生长单晶材料，也易于生长半绝缘单晶材料；对操作人员要求低，适合规模生产；（2）缺点：易产生双晶和花晶；晶体生长不可见，依赖于单晶生长系统的一致性和稳定性；晶体尾部易被液封的氧化硼粘裂；成品率低
。
[0009]具体到
InP
晶体的生长，常用的方法有两种：一种是垂直温度梯度凝固技术（
VGF
），一种是液封直拉法（
LEC
），同样存在上述问题：
VGF
晶体制备技术可以生长低缺陷晶体，但是成品率很低；
LEC
晶体生长系统生长的晶体成品率高，但缺陷密度高
。
[0010]如果可以将
LEC
和
VGF
两种方法结合，获得两种方法的优点，可以制备高成品率
、
低缺陷的
InP
晶体
。
[0011]但是，传统意义上，在
LEC
晶体生长系统中不能应用
VGF
技术制备磷化铟晶体，这是因为按照现有的工艺过程，磷化铟本身凝固膨胀会被坩埚约束，造成涨裂，并且氧化硼的凝固也会对接触的晶体内部产生很大的应力，造成晶体直接断裂
。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的是克服现有技术的缺陷
。
[0013]本专利技术采用以下技术方案以实现专利技术目的：
、
一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法，基于晶体制备装置实现，所述晶体制备装置包括炉体
、
坩埚
、
第一加热器
、
第二加热器
、
第三加热器和下加热器
、
籽晶杆
、
坩埚外围设置的热电偶组
、
观察棒
、
压力表和充放气管道；关键在于，所述装置还包括铟注入系统，所述铟注入系统包括吸液上管
、
氧化硼暂存室
、
吸液管
、
吸液管阀门
、
驱动装置和辅助加热器
。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法，基于晶体制备装置实现，所述晶体制备装置包括炉体（1）
、
坩埚（
10
）
、
第一加热器（5）
、
第二加热器（6）
、
第三加热器（7）和下加热器（8）
、
籽晶杆（2）
、
坩埚（
10
）外围设置的热电偶组
、
观察棒（
23
）
、
压力表（
21
）和充放气管道（
22
）；其特征在于，所述装置还包括铟注入系统，所述铟注入系统包括吸液上管（3）
、
氧化硼暂存室（4）
、
吸液管（
15
）
、
吸液管阀门（
30
）
、
驱动装置（
24
）和辅助加热器（
25
）；所述方法包括以下步骤：步骤1：装炉，将磷化铟多晶料
、
固体氧化硼放置在坩埚（
10
）中，将籽晶（
11
）安装至籽晶杆（2）上，将观察棒（
23
）安装在炉体（1）上，将磷化铟多晶（
20
）置入氧化硼暂存室（4）中；步骤2：通过充放气管道（
22
）给炉体（1）抽真空至
10
‑5Pa
‑
10Pa
，然后充入惰性气体至
2.8
‑
5MPa
；步骤3：通过第一加热器（5）
、
第二加热器（6）
、
第三加热器（7）和下加热器（8）给磷化铟多晶料
、
氧化硼加热，形成熔体（
14
）和液态氧化硼（
12
）；步骤4：下降籽晶杆（2），使得籽晶（
11
）与熔体（
14
）接触，调节第一加热器（5）
、
第二加热器（6）
、
第三加热器（7）和下加热器（8），使得熔体（
14
）自坩埚（
10
）底部到熔体（
14
）表面获得
0.5K/cm
‑
50K/cm
的温度梯度；逐渐降低熔体（
14
）的整体温度直至籽晶（
11
）上长出磷化铟晶体（
13
），且保持磷化铟晶体（
13
）不接触坩埚（
10
）内壁；步骤5：当磷化铟晶体（
13
）生长到满足所需尺寸时，通过辅助加热器（
25
）给氧化硼暂存室（4）加热，使得磷化铟多晶（
20
）分解为磷气体和铟，铟（
31
）进入熔体（
14
）中；步骤6：通过第一加热器（5）
、
第二加热器（6）
、
第三加热器（7）和下加热器（8）给熔体（
14
）降温；步骤7：在熔体（
14
）的温度降至
700
‑
900K
时，停止降温，观察铟的注入情况，直至注入完成；步骤8：吸液管（
15

【专利技术属性】
技术研发人员：王书杰，孙聂枫，徐森锋，邵会民，史艳磊，李晓岚，王阳，李亚旗，赵红飞，张鑫，薛静，
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：