高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，涉及晶體生長裝置【技術(shù)領(lǐng)域】。所述晶體生長系統(tǒng)包括壓力控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)件清洗系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、真空密封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和爐體，所述爐體包括爐底座、爐腔和爐頂蓋，所述晶體生長系統(tǒng)還包括籽晶桿升降機(jī)構(gòu)、揮發(fā)性元素放置源升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、揮發(fā)性元素放置源重量感應(yīng)器、測溫系統(tǒng)、坩堝桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)和爐體升降系統(tǒng)、帶刻度的坩堝等系統(tǒng)。在所述系統(tǒng)適用于III-V和II-IV族化合物半導(dǎo)體的合成與晶體生長，尤其適用于含有揮發(fā)性元素的二元或者多元熔體的合成及成分的精確控制，可適用于多種不同的晶體生長方法，具有使用方便，控制精確度高的特點。
【專利說明】高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及晶體生長裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]含有揮發(fā)性元素的半導(dǎo)體材料(如磷化銦、磷化鎵和砷化鎵等)在太赫茲、光通信、微波、毫米波器件、抗輻射太陽能電池、制導(dǎo)與導(dǎo)航等許多高【技術(shù)領(lǐng)域】有著廣泛的應(yīng)用。高質(zhì)量、大尺寸的半導(dǎo)體單晶是這些應(yīng)用的基礎(chǔ)。而對于含有易揮發(fā)元素的注入合成過程來說，傳統(tǒng)的高壓合成爐并不能實現(xiàn)熔體成分的精確控制。熔體配比情況直接影響著晶體質(zhì)量，尤其對于大直徑、長尺寸的晶體，將出現(xiàn)很大的晶體浪費，目前尚缺乏合成過程合成效果的監(jiān)測系統(tǒng)。合成過程中，熔體的溫度也直接影響著合成的好壞。因而熔體成分的控制需要對熔體溫度進(jìn)行較為精確的控制。目前大質(zhì)量的多晶料合成也需要精確控制熔體的溫度和熔體內(nèi)的熱場分布。
[0003]另外，不同的晶體生長方式有不同的優(yōu)勢，如LEC法(液封直拉法)生長工藝的成晶率高，生長效率高；原位合成LEC法生長晶體的純度較高；VGF法(垂直梯度凝固法)生長晶體的位錯密度低等。在一個系統(tǒng)中可以實現(xiàn)多種晶體工藝的生長也可以節(jié)約生產(chǎn)成本。因此，需要能夠克服上述已知系統(tǒng)的新的晶體生長系統(tǒng)。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，所述系統(tǒng)適用于II1-V和I1-1V族化合物半導(dǎo)體的合成與晶體生長，尤其適用于含有揮發(fā)性元素的二元或者多元熔體的合成，可適用于多種不同的晶體生長方法，具有使用方便，控制精確度高的特點。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采取的技術(shù)方案是:一種高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，所述晶體生長系統(tǒng)包括壓力控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)件清洗系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、真空密封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和爐體，所述爐體包括爐底座、爐腔和爐頂蓋，其特征在于:所述晶體生長系統(tǒng)還包括籽晶桿升降機(jī)構(gòu)、揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)和爐體升降系統(tǒng)，所述爐體升降系統(tǒng)中的升降缸一端與爐體支架固定連接，所述升降缸的動力輸出端與支撐板固定連接，籽晶桿升降機(jī)構(gòu)立柱固定在支撐板上，所述籽晶桿升降機(jī)構(gòu)通過籽晶桿升降機(jī)構(gòu)立柱進(jìn)行固定，連接管的一端與支撐板固定連接，連接管的另一端與爐頂蓋固定連接并與爐腔相聯(lián)通，籽晶桿的一端與籽晶桿升降機(jī)構(gòu)的動力輸出端連接，籽晶桿的另一端經(jīng)連接管進(jìn)入爐腔；所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)固定在所述爐頂蓋上，揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上的揮發(fā)性元素放置源位于爐腔內(nèi)，揮發(fā)性元素放置源在所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動力作用下可升降和旋運動，所述測溫系統(tǒng)的測溫部件延伸至爐腔內(nèi)，并在測溫系統(tǒng)動力的作用下可升降運動，用于測量爐腔內(nèi)不同位置的溫度，坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)固定在爐體支架上，坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)的動力輸出端與坩禍桿的一端固定連接，坩禍桿在坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)的帶動下可升降和旋轉(zhuǎn)運動。
[0006]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述爐腔內(nèi)設(shè)有坩禍、石墨托、加熱器、坩禍桿和石墨氈，所述坩禍桿的一端位于爐底座之外，坩禍桿的另一端延伸至爐腔內(nèi)，石墨托與坩禍桿固定連接，所述坩禍位于石墨托上，所述坩禍的外周設(shè)有加熱器，坩禍與加熱器保持間隔設(shè)置，所述加熱器與爐腔的內(nèi)壁之間設(shè)有石墨氈，所述坩禍上設(shè)有刻度線。
[0007]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述加熱器包括上加熱器，中加熱器和下加熱器。
[0008]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述籽晶桿上設(shè)有第一重量傳感器，所述籽晶桿的出料口朝向所述坩禍。
[0009]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括升降電機(jī)、支座、第一絲杠、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、升降座、第一密封組件、放置源桿、揮發(fā)性元素放置源、放置源管和第二重量傳感器，所述升降電機(jī)通過支座固定在爐頂蓋上，第一絲杠的一端與升降電機(jī)的動力輸出端固定連接，所述升降座通過絲母與第一絲杠連接，第一絲杠的另一端與爐頂蓋軸連接，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在升降座上，放置源桿的外周設(shè)有第一密封組件，所述第一密封組件與爐頂蓋固定連接，所述放置源桿的一端與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的動力輸出端連接，放置源桿的另一端與位于爐腔內(nèi)部的揮發(fā)性元素放置源固定連接，所述放置源管與所述揮發(fā)性元素放置源相連通，并向爐腔的內(nèi)部延伸，揮發(fā)性元素放置源內(nèi)部裝有揮發(fā)性元素，通過放置源管將揮發(fā)性元素注入熔體中，用于多晶合成，所述重量傳感器用于測量揮發(fā)性元素放置源內(nèi)的揮發(fā)性元素的質(zhì)量。
[0010]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:揮發(fā)性元素放置源上的第二重量傳感器數(shù)值與坩禍上設(shè)有刻度線綜合考慮可以精確計算合成熔體的成分及合成效率，并實現(xiàn)熔體成分的精確控制。
[0011]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述支座、第一絲杠、升降座和放置源桿均用不銹鋼制成；揮發(fā)性元素放置源、放置源管均用高純石英制成。
[0012]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述測溫系統(tǒng)包括固定臺、位置指針、標(biāo)尺、熱偶管、第二密封組件、第二絲杠、升降架、傳動組件、動力源和熱偶絲，所述固定臺為中空部件，固定在爐頂蓋上，第二絲杠位于固定臺內(nèi)，第二絲杠的一端與爐頂蓋軸連接，所述傳動組件固定在所述第二絲杠上，所述動力源位于固定臺的外側(cè)，動力源的動力輸出端與傳動組件相嚙合，所述升降架通過第二絲母與絲杠配合，熱偶管的一端與升降架固定連接，熱偶管的另一端延伸至爐腔內(nèi)，熱偶管與所述爐頂蓋的交匯處設(shè)有第二密封組件，所述位置指針固定在所述升降架上，所述標(biāo)尺固定在所述固定臺上，所述標(biāo)尺與所述位置指針相對設(shè)置，所述熱偶絲位于所述熱偶管內(nèi)并延伸至爐腔內(nèi)。
[0013]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述動力源為調(diào)節(jié)手柄或電動機(jī)。
[0014]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述固定臺固定于爐頂蓋上方，呈90°垂直，固定臺上配有限位裝置，且一側(cè)為開放式設(shè)計，設(shè)有觀察口。
[0015]進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述固定臺、位置指針、標(biāo)尺和升降架均為不銹鋼材質(zhì)，所述熱偶管為剛玉材料制成。
[0016]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可上下升降和水平旋轉(zhuǎn)，完成揮發(fā)性元素的注入，保證在高壓情況下爐體密閉，防止高壓下氣體泄漏，提高合成晶體的材料純度，有助于減少雜質(zhì)補(bǔ)償，提高材料迀移率，合成前可移入多晶熔體，合成后可移出摻雜好揮發(fā)元素的多晶熔體，保證有足夠的空間用于晶體生長，提供較大的觀察視野。
[0017]所述測溫系統(tǒng)可監(jiān)控和測量熔體內(nèi)不同位置的溫度，進(jìn)行在線精確測量，得到爐腔和多晶熔體的實際溫度，從而改善加熱器和保溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)加熱器功率，建立良好的熱場，使多晶熔體內(nèi)溫度梯度更加合理，生長出殘余應(yīng)力小、位錯密度低、電學(xué)參數(shù)均勻的高質(zhì)量多晶體，并能利用測量溫度與相關(guān)仿真模擬軟件的模擬溫度進(jìn)行對比。
[0018]所述系統(tǒng)適用于II1-V和I1-1V族化合物半導(dǎo)體的合成與晶體生長，尤其適用于含有揮發(fā)性元素的二元或者多元熔體的合成，可適用于多種不同的晶體生長方法，具有使用方便，控制精確度高的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0020]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本實用新型在原位法合成多晶時爐體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本實用新型中揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本實用新型中測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是本實用新型在原位合成連續(xù)LEC法晶體生長時爐體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6是本實用新型在多晶料LEC法單晶生長時爐體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖7是本實用新型在VGF法和DS法單晶生長時爐體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]其中:1、籽晶桿升降機(jī)構(gòu)2、揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)21、升降電機(jī)22、支座23、第一絲杠24、旋轉(zhuǎn)電機(jī)25、升降座26、第一密封組件27、放置源桿28、揮發(fā)性元素放置源29、放置源管210、第二重量傳感器3、測溫系統(tǒng)31、固定臺32、位置指針33、標(biāo)尺34、熱偶管35、第二密封組件36、第二絲杠37、升降架38、傳動組件39、動力源310、熱偶絲4、坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)5、爐體升降系統(tǒng)6、底座7、爐腔8、爐頂蓋9、爐體支架10、支撐板11、籽晶桿升降機(jī)構(gòu)立柱12、連接管13、籽晶桿14、坩禍桿15、坩禍16、石墨托17、加熱器171、上加熱器172、中加熱器173、下加熱器18、石墨氈19、第一重量傳感器20、晶體。

【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0029]在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本實用新型，但是本實用新型還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本實用新型內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。
[0030]如圖1-2所示，本實用新型公開了一種高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，所述晶體生長系統(tǒng)包括壓力控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)件清洗系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、真空密封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和爐體，所述爐體包括爐底座6、爐腔7和爐頂蓋8，以上內(nèi)容可以與現(xiàn)有技術(shù)相同，在此不做贅述。
[0031]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處在于:如圖1-2所示，所述晶體生長系統(tǒng)還包括籽晶桿升降機(jī)構(gòu)1、揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2、測溫系統(tǒng)3、坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)4和爐體升降系統(tǒng)5。爐腔內(nèi)充入氬氣，爐體壓力可以在0-9.6MPa內(nèi)調(diào)整。所述爐體升降系統(tǒng)5用于根據(jù)需要升降爐體，所述爐體升降系統(tǒng)5中的升降缸一端與爐體支架9固定連接，所述升降缸的動力輸出端與支撐板10固定連接。籽晶桿升降機(jī)構(gòu)I用于升降籽晶桿，籽晶桿升降機(jī)構(gòu)立柱11固定在支撐板10上，所述籽晶桿升降機(jī)構(gòu)I通過籽晶桿升降機(jī)構(gòu)立柱11進(jìn)行固定，連接管12的一端與支撐板10固定連接，連接管12的另一端與爐頂蓋8固定連接并與爐腔7相聯(lián)通，籽晶桿13的一端與籽晶桿升降機(jī)構(gòu)I的動力輸出端連接，籽晶桿13的另一端經(jīng)連接管12進(jìn)入爐腔7。所述籽晶桿13上設(shè)有第一重量傳感器19，所述籽晶桿13的出料口朝向所述坩禍15。第一重量傳感器19可以計算生長過程中生長晶體的質(zhì)量。
[0032]所述爐腔內(nèi)設(shè)有坩禍15、石墨托16、加熱器17、坩禍桿14和石墨氈18。所述坩禍桿14的一端位于爐底座6之外，i甘禍桿14的另一端延伸至爐腔7內(nèi)，石墨托16與i甘禍桿14固定連接，所述坩禍15位于石墨托16上，所述坩禍15的外周設(shè)有加熱器17，坩禍15與加熱器17保持間隔設(shè)置，所述加熱器17與爐腔7的內(nèi)壁之間設(shè)有石墨氈18，所述加熱器17包括上加熱器171，中加熱器172和下加熱器173，加熱器采用多段加熱裝置，可以精確調(diào)整加熱區(qū)域的溫度分度及坩禍內(nèi)的熔體分布，控制原位合成過程和晶體生長過程。所述坩禍15上設(shè)有刻度線，用于觀察晶體液面高度。帶有刻度的大尺寸坩禍，可以隨時根據(jù)熔體液面的刻度計算原位合入磷等揮發(fā)性元素的質(zhì)量。
[0033]所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2和測溫系統(tǒng)3固定在所述爐頂蓋8上，揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2上的揮發(fā)性元素放置源28位于爐腔7內(nèi)，揮發(fā)性元素放置源28在所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)2的動力作用下可升降和旋運動。所述測溫系統(tǒng)3的測溫部件延伸至爐腔7內(nèi)，并在測溫系統(tǒng)動力的作用下可升降運動，用于測量爐腔內(nèi)不同位置的溫度，坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)4固定在爐體支架9上，坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)4的動力輸出端與坩禍桿14的一端固定連接，坩禍桿14在坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)4的帶動下可升降和旋轉(zhuǎn)運動。
[0034]如圖3所示，所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括升降電機(jī)21、支座22、第一絲杠23、旋轉(zhuǎn)電機(jī)24、升降座25、第一密封組件26、放置源桿27、揮發(fā)性元素放置源28、放置源管29和第二重量傳感器210，所述揮發(fā)性元素放置源28用于放置磷或砷和硫等揮發(fā)性元素。所述支座22、第一絲杠23、升降座25和放置源桿27均用不銹鋼制成；揮發(fā)性元素放置源28、放置源管29均用高純石英制成。
[0035]所述升降電機(jī)21通過支座22固定在爐頂蓋8上，第一絲杠23的一端與升降電機(jī)21的動力輸出端固定連接，所述升降座25通過絲母與第一絲杠23連接，第一絲杠23的另一端與爐頂蓋8軸連接，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)24固定在升降座25上，放置源桿27的外周設(shè)有第一密封組件26，所述第一密封組件26與爐頂蓋8固定連接，所述放置源桿27的一端與旋轉(zhuǎn)電機(jī)24的動力輸出端連接，放置源桿27的另一端與位于爐腔內(nèi)部的揮發(fā)性元素放置源28固定連接。所述放置源管29與所述揮發(fā)性元素放置源28相連通，并向爐腔的內(nèi)部延伸，揮發(fā)性元素放置源28內(nèi)部裝有揮發(fā)性元素，通過放置源管29將揮發(fā)性元素注入熔體中，用于多晶合成，所述重量傳感器210用于測量揮發(fā)性元素放置源28內(nèi)的揮發(fā)性元素的質(zhì)量。
[0036]所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可上下升降和水平旋轉(zhuǎn)，完成揮發(fā)性元素的注入，保證在高壓情況下爐體密閉，防止高壓下氣體泄漏，提高合成晶體的材料純度，有助于減少雜質(zhì)補(bǔ)償，提高材料迀移率，合成前可移入多晶熔體，合成后可移出摻雜好揮發(fā)元素的多晶熔體，保證有足夠的空間用于晶體生長，提供較大的觀察視野。
[0037]如圖4所示，所述測溫系統(tǒng)包括固定臺31、位置指針32、標(biāo)尺33、熱偶管34、第二密封組件35、第二絲杠36、升降架37、傳動組件38、動力源39和熱偶絲310，所述動力源39為調(diào)節(jié)手柄或電動機(jī)。所述固定臺31、位置指針32、標(biāo)尺33和升降架37均為不銹鋼材質(zhì)，所述熱偶管34為剛玉材料制成。
[0038]所述固定臺31為中空部件，固定于爐頂蓋8上方，呈90°垂直，固定臺31上配有限位裝置，且一側(cè)為開放式設(shè)計，設(shè)有觀察口。第二絲杠36位于固定臺31內(nèi)，第二絲杠36的一端與爐頂蓋8軸連接，所述傳動組件38固定在所述第二絲杠36上。所述動力源39位于固定臺31的外側(cè)，動力源39的動力輸出端與傳動組件38相嚙合，所述升降架37通過絲母與第二絲杠36配合，熱偶管34的一端與升降架37固定連接，熱偶管34的另一端延伸至爐腔內(nèi)，熱偶管34與所述爐頂蓋8的交匯處設(shè)有第二密封組件35。所述位置指針32固定在所述升降架37上，所述標(biāo)尺33固定在所述固定臺31上，所述標(biāo)尺33與所述位置指針32相對設(shè)置，所述熱偶絲310位于所述熱偶管34內(nèi)并延伸至爐腔內(nèi)。
[0039]所述測溫系統(tǒng)可監(jiān)控和測量熔體內(nèi)不同位置的溫度，進(jìn)行在線精確測量，得到爐腔和多晶熔體的實際溫度，從而改善加熱器和保溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)加熱器功率，建立良好的熱場，使多晶熔體內(nèi)溫度梯度更加合理，生長出殘余應(yīng)力小、位錯密度低、電學(xué)參數(shù)均勻的高質(zhì)量多晶體，并能利用測量溫度與相關(guān)仿真模擬軟件的模擬溫度進(jìn)行對比。
[0040]爐腔主室的直徑為700mm，整個爐體高1330mm。設(shè)備投料量最高可達(dá)15-20 Kg，可拉制3?6"單晶。爐腔最高耐壓為9.6 MPa，最高熔煉溫度可達(dá)1500°C。所述生長系統(tǒng)可以實現(xiàn)整個合成系統(tǒng)的自動運行，通過揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和帶有刻度的大尺寸坩禍的刻度變化精確控制合入量，可以用于高壓原位合成20Kg多晶料、高壓原位合成LEC法連續(xù)單晶生長、單個和多個VGF單晶生長及定向凝固。
[0041]本實用新型適用于II1-V和I1-1V族化合物半導(dǎo)體的合成與晶體生長，如:磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁(AlP)、銻化鎵(GaSb)、銻化鋁(AlSb)、砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、砷化鋁(AlAs)、硫化鎘(CdS)、砸化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)、砸化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)、氧化鋅(ZnO)、砸化鋅(ZnSe)或者碲化鋅(ZnTe)等，尤其適用于磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁(AlP)等含有揮發(fā)性元素且需在高壓高溫體系中合成與生長的化合物。合成過程中爐腔內(nèi)充入的保護(hù)氣體要大于配比熔體中揮發(fā)元素的飽和蒸汽壓。
[0042]下面以磷化銦為例，詳細(xì)介紹使用該系統(tǒng)不同晶體制造工藝的應(yīng)用。
[0043]應(yīng)用例一，如圖2所示為使用所述系統(tǒng)的原位法合成多晶料爐體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]將裝有紅磷的揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)放入爐腔內(nèi)，加熱器由上加熱器，中加熱器和下加熱器構(gòu)成。加熱器外部用石墨氈進(jìn)行保溫。坩禍至于石墨托之上，其可以隨坩禍桿進(jìn)行升降和轉(zhuǎn)動。將純銦放入坩禍中，同時放入摻雜劑。然后在放入氧化硼。關(guān)閉爐體，抽真空至5Pa，充入高純氬氣至2.0MPa。對加熱器進(jìn)行加熱，坩禍轉(zhuǎn)動。加熱至該化合物半導(dǎo)體的熔點之上50K，通過測溫系統(tǒng)直接測定熔體的溫度。然后將揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的放置源管插入熔體中，對磷源爐進(jìn)行加熱。紅磷受熱液化或揮發(fā)，以液態(tài)或者氣態(tài)的形式注入至熔體中。液態(tài)或氣態(tài)的磷與熔體迅速反應(yīng)形成合金熔體。在注入過程中，部分與熔體為反應(yīng)的磷會以氣態(tài)的形式溢出。第二重量傳感器可以記錄注入磷的量從而控制熔體的化學(xué)配比情況，同時坩禍上的刻度也可以估計熔體的化學(xué)配比情況。二者結(jié)合可以較為精確地判斷熔體的化學(xué)配比情況。當(dāng)達(dá)到該化合物的化學(xué)配比時，揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提起，合成結(jié)束。停止加熱，降溫至常溫，取出多晶料，清理爐體。
[0045]應(yīng)用例二，如圖5所示為原位合成連續(xù)LEC晶體生長法時爐體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]在應(yīng)用例一的基礎(chǔ)上，合成獲得化學(xué)配比的熔體時，揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提起，并轉(zhuǎn)動遠(yuǎn)離坩禍上部，調(diào)節(jié)三段加熱器功率，以便獲得熔體下部溫度高表面溫度低的負(fù)溫度梯度。將帶有籽晶的籽晶桿降下，直至籽晶浸入合金熔體中，逐步減少三段加熱器的功率，直至籽晶頭部開始長出晶體，之后提拉籽晶桿，為保證熱場和液面的穩(wěn)定，坩禍桿開始上升。隨著提拉和熔體的溫度的降低，晶體長出。第一重量傳感器可以估計長出晶體的質(zhì)量。當(dāng)晶體生長到足夠尺寸，晶體拉出熱區(qū)。停止加熱，降溫至常溫，取出單晶，清理爐體。
[0047]應(yīng)用例三，如圖6所示為多晶料LEC法單晶生長時爐體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]將磷化銦或者其他的II1-V和I1-1V族化合物多晶料和摻雜劑至于坩禍中，然后將氧化硼放入坩禍內(nèi)。關(guān)閉爐體，抽真空至5Pa，充入高純氬氣至2.0MPa。對加熱器進(jìn)行加熱，加熱至該化合物半導(dǎo)體的熔點之上50-100K，通過測溫系統(tǒng)直接測定熔體的溫度，調(diào)節(jié)三段加熱器功率，以便獲得熔體下部溫度高表面溫度低的負(fù)溫度梯度。將帶有籽晶的籽晶桿降下，直至籽晶浸入合金熔體中，減少加熱器的功率，直至籽晶頭部開始長出晶體，之后提拉籽晶桿，隨著提拉和熔體的溫度的降低，晶體長出。第一重量傳感器可以估計長出晶體的質(zhì)量。當(dāng)晶體生長到足夠尺寸，晶體拉出熱區(qū)。停止加熱，降溫至常溫，取出單晶，清理爐體。
[0049]應(yīng)用例四，如圖7所示為VGF法和DS法(定向凝固法)單晶生長時爐體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0050]將裝有籽晶、多晶料、氧化硼及摻雜劑的坩禍放置在石墨托上。關(guān)閉爐體，抽真空至5Pa，充入高純氬氣至2.0MPa0對加熱器進(jìn)行加熱，氧化硼開始軟化，然后覆蓋住多晶料，當(dāng)溫度超過多晶料的熔點時，多晶料開始熔化，加熱至熔點之上，通過測溫系統(tǒng)直接測定熔體的溫度，調(diào)節(jié)三段加熱器功率，以便獲得熔體上部溫度高表面溫度高的溫度梯度。此時由于高溫籽晶部分會熔化，但是由于籽晶低端溫度較低，此時熔體中存在溫度梯度，會保留部分籽晶。保溫1.5小時后，坩禍以10-15轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，同時降低逐步降低整個加熱系統(tǒng)的功率或者坩禍桿向下移動(VGF和DS法單晶生長)，由于靠近籽晶端的溫度優(yōu)先降低，籽晶開始長大，當(dāng)達(dá)到預(yù)定尺寸時。生長結(jié)束，停止加熱，降溫至常溫，取出單晶，清理爐體。
[0051]所述系統(tǒng)適用于II1-V和I1-1V族化合物半導(dǎo)體的合成與晶體生長，尤其適用于含有揮發(fā)性元素的二元或者多元熔體的合成，可適用于多種不同的晶體生長方法，具有使用方便，控制精確度高的特點。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，所述晶體生長系統(tǒng)包括壓力控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)件清洗系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、真空密封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和爐體，所述爐體包括爐底座(6)、爐腔(7)和爐頂蓋(8)，其特征在于:所述晶體生長系統(tǒng)還包括籽晶桿升降機(jī)構(gòu)(1)、揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)、測溫系統(tǒng)(3)、坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)(4)和爐體升降系統(tǒng)(5)，所述爐體升降系統(tǒng)(5)中的升降缸一端與爐體支架(9)固定連接，所述升降缸的動力輸出端與支撐板(10)固定連接，籽晶桿升降機(jī)構(gòu)立柱(11)固定在支撐板(1 )上，所述籽晶桿升降機(jī)構(gòu)(I)通過籽晶桿升降機(jī)構(gòu)立柱(11)進(jìn)行固定，連接管(12)的一端與支撐板(10)固定連接，連接管(12)的另一端與爐頂蓋(8)固定連接并與爐腔(7)相聯(lián)通，籽晶桿(13)的一端與籽晶桿升降機(jī)構(gòu)(I)的動力輸出端連接，籽晶桿(13)的另一端經(jīng)連接管(12)進(jìn)入爐腔(7);所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)和測溫系統(tǒng)(3)固定在所述爐頂蓋(8)上，揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)上的揮發(fā)性元素放置源(28)位于爐腔(7)內(nèi)，揮發(fā)性元素放置源(28)在所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(2)的動力作用下可升降和旋運動，所述測溫系統(tǒng)(3)的測溫部件延伸至爐腔(7)內(nèi)，并在測溫系統(tǒng)動力的作用下可升降運動，用于測量爐腔內(nèi)不同位置的溫度，坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)(4)固定在爐體支架(9)上，坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)(4)的動力輸出端與坩禍桿(14)的一端固定連接，坩禍桿(14)在坩禍桿旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)(4)的帶動下可升降和旋轉(zhuǎn)運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述爐腔內(nèi)設(shè)有坩禍(15)、石墨托(16)、加熱器(17)、坩禍桿(14)和石墨氈(18)，所述坩禍桿(14)的一端位于爐底座(6)之外，坩禍桿(14)的另一端延伸至爐腔(7)內(nèi)，石墨托(16)與坩禍桿(14)固定連接，所述坩禍(15)位于石墨托(16)上，所述坩禍(15)的外周設(shè)有加熱器(17)，坩禍(15)與加熱器(17)保持間隔設(shè)置，所述加熱器(17)與爐腔(7)的內(nèi)壁之間設(shè)有石墨氈(18 )，所述坩禍(15 )上設(shè)有刻度線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述加熱器(17)包括上加熱器(171)，中加熱器(172)和下加熱器(173)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述籽晶桿(13)上設(shè)有第一重量傳感器(19)，所述籽晶桿(13)的出料口朝向所述坩禍(15)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述揮發(fā)性元素升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括升降電機(jī)(21)、支座(22)、第一絲杠(23)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)(24)、升降座(25)、第一密封組件(26)、放置源桿(27)、揮發(fā)性元素放置源(28)、放置源管(29)和第二重量傳感器(210)，所述升降電機(jī)(21)通過支座(22)固定在爐頂蓋(8)上，第一絲杠(23)的一端與升降電機(jī)(21)的動力輸出端固定連接，所述升降座(25)通過絲母與第一絲杠(23)連接，第一絲杠(23)的另一端與爐頂蓋(8)軸連接，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)(24)固定在升降座(25)上，放置源桿(27)的外周設(shè)有第一密封組件(26)，所述第一密封組件(26)與爐頂蓋(8)固定連接，所述放置源桿(27)的一端與旋轉(zhuǎn)電機(jī)(24)的動力輸出端連接，放置源桿(27)的另一端與位于爐腔內(nèi)部的揮發(fā)性元素放置源(28)固定連接，所述放置源管(29)與所述揮發(fā)性元素放置源(28 )相連通，并向爐腔的內(nèi)部延伸，揮發(fā)性元素放置源(28 )內(nèi)部裝有揮發(fā)性元素，通過放置源管(29)將揮發(fā)性元素注入熔體中，用于多晶合成，所述重量傳感器(210)用于測量揮發(fā)性元素放置源(28)內(nèi)的揮發(fā)性元素的質(zhì)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述支座(22)、第一絲杠(23)、升降座(25)和放置源桿(27)均用不銹鋼制成；揮發(fā)性元素放置源(28)、放置源管(29)均用高純石英制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述測溫系統(tǒng)包括固定臺(31)、位置指針(32)、標(biāo)尺(33)、熱偶管(34)、第二密封組件(35)、第二絲杠(36)、升降架(37)、傳動組件(38)、動力源(39)和熱偶絲(310)，所述固定臺(31)為中空部件，固定在爐頂蓋(8)上，第二絲杠(36)位于固定臺(31)內(nèi)，第二絲杠(36)的一端與爐頂蓋(8 )軸連接，所述傳動組件(38 )固定在所述第二絲杠(36 )上，所述動力源(39 )位于固定臺(31)的外側(cè)，動力源(39)的動力輸出端與傳動組件(38)相嚙合，所述升降架(37)通過絲母與第二絲杠(36)配合，熱偶管(34)的一端與升降架(37)固定連接，熱偶管(34)的另一端延伸至爐腔內(nèi)，熱偶管(34)與所述爐頂蓋(8)的交匯處設(shè)有第二密封組件(35)，所述位置指針(32)固定在所述升降架(37)上，所述標(biāo)尺(33)固定在所述固定臺(31)上，所述標(biāo)尺(33)與所述位置指針(32)相對設(shè)置，所述熱偶絲(310)位于所述熱偶管(34)內(nèi)并延伸至爐腔內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述動力源(39)為調(diào)節(jié)手柄或電動機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述固定臺(31)固定于爐頂蓋(8)上方，呈90°垂直，固定臺(31)上配有限位裝置，且一側(cè)為開放式設(shè)計，設(shè)有觀察口。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任意一項所述的高壓原位合成多功能晶體生長系統(tǒng)，其特征在于:所述固定臺(31)、位置指針(32)、標(biāo)尺(33)和升降架(37)均為不銹鋼材質(zhì)，所述熱偶管(34)為剛玉材料制成。
【文檔編號】C30B11/04GK204237887SQ201420718788
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】孫聶楓, 孫同年, 王書杰, 劉惠生, 史艷磊, 邵會民, 李曉嵐, 王陽, 付莉杰 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所