一种基于VGF法的InP晶体生长炉的制作方法

本发明涉及半导体晶体生长设备技术领域，具体地，特别涉及一种基于VGF法的InP晶体生长炉。

背景技术：

磷化铟(InP)是由III族元素铟(In)和V族元素磷(P)化合而成III-V族化合物半导体材料，在半导体材料领域具有非常重要的战略性地位，是目前光电器件和微电子器件不可替代的半导体材料。与锗、硅材料相比，InP具有许多优点：直接跃迁型能带结构，具有高的电光转换效率；电子迁移率高，易于制成半绝缘材料，适合制作高频微波器件和电路；工作温度高；具有强的抗辐射能力；作为太阳能电池材料的转换效率高等。因此，InP材料被广泛应用在固态发光、微波通信、光纤通信、微波、毫米波器件、抗辐射太阳能电池等高技术领域。InP单晶已成为一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光纤通信用的激光器、探测器、网络光通信用的集成电路以及高频微波器件。

图1是现有技术中基于VGF(垂直梯度凝固法)法的InP晶体生长炉示意图，如图1所示，坩埚5底部细径处放置有引导InP晶体生长所用籽晶17，上方的InP多晶料18被加热元件7加热融化。加热元件7有多段，在坩埚5外围垂直等间隔分布。通过供给加热元件7各段不同的加热功率，使坩埚内形成温度由下至上逐渐升高的温度梯度。在此温度梯度的驱动下，InP熔体在籽晶处吸附，形核，长大从而得到所需直径及质量的InP晶体。因此，坩埚内温度及温度梯度的稳定对于生长高质量的InP晶体至关重要。图1中热电偶保护管15内含有单条热电偶，可探测籽晶17处的温度，通过供给从下到上不同位置处加热元件7不同的加热功率，形成由下至上温度增加的温度梯度，例如温度梯度为0.1℃～10℃/cm，每段加热元件7的加热功率根据热电偶实时反馈的数据而改变，其中，每段加热元件7均通过两个左右对称的加热电极8支撑(图1中只显示了其中一根)。

现有基于VGF法的InP晶体生长炉，相邻两段加热元件之间因自然对流及热辐射的原因，会影响加热元件的加热温度稳定。此外，InP生长时，晶体表面在高温下因解离会产生部分磷蒸气，虽然InP晶体上方的液封剂氧化硼及高压腔体内的惰性气体能抑制InP的解离，但因高温下解离迅速，仍会有部分磷蒸气溢出，从而对坩埚内已经形成的温度分布产生扰动。以上两个原因，使现有VGF法的InP单晶生长炉内的温度及温度梯度不稳定，从而影响InP晶体的生长质量。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种基于VGF法的InP晶体生长炉，以解决相邻两段加热元件之间自然对流和热辐射对炉内温度分布稳定性影响的问题，有利于生长出高质量的InP晶体。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述基于VGF法的InP晶体生长炉，包括炉底座，炉壁，且炉底座与炉壁形成密闭空间，在炉底座开设通气口，在炉底座上表面固定连接有坩埚托，在坩埚托上方放置有坩埚，在坩埚托与坩埚外侧同轴放置有无底面的隔离筒，在隔离筒外周垂直方向间隔设置有多段加热元件，每段加热元件均固定有电极安装座，加热电极通过电极安装座与加热元件连接，并延伸至所述炉底座外部，在每段加热元件底部均固定连接有加热器安装板，用于隔离两个相邻的加热元件。

优选的，在加热元件与炉壁之间设置有保温筒，且保温筒上端设置有密封盖。

进一步地，优选的，加热器安装板为圆环状结构，内环直径比隔离筒外径大1～2mm，外环直径比保温筒内径小1～2mm。

优选的，加热元件为圆环状结构，材质为高纯石墨，加热器安装板的材质为耐热保温材料。

优选的，在加热元件与加热器安装板之间安装有绝缘环，防止加热元件和加热器安装板之间导电。

进一步地，位于最下端的加热器安装板固定连接有加热器支撑座，加热器支撑座通过多个支撑杆与炉底座上表面固定连接。

进一步地，加热器安装板之间通过多个连接杆固定连接。

进一步地，电极安装座位于加热元件的同一端。

优选的，在炉底座垂直安装有保护套管，在保护套管内包裹有多根热电偶，垂直安装于加热元件内圆柱侧，每根热电偶对应一个加热元件，探测加热元件的温度。

优选的，隔离筒上端固定连接有密封盖，隔离筒与密封盖形成密闭空间，在隔离筒底端开设有通气孔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

一、在每段加热元件底部固定连接有加热器安装板，阻隔相邻加热元件之间的热对流及热辐射，使加热元件的加热温度保持稳定；

二、隔离筒上端用密封盖密封，且在隔离筒底端开设通气孔，使InP晶体表面受高温解离的解离蒸气被引导至隔离筒底部，在底部遇冷沉积，避免了解离蒸气对加热元件的干扰。

附图说明

图1是现有基于VGF法的InP晶体生长炉示意图；

图2是现有InP晶体生长炉中加热元件的安装示意图；

图3是本发明所述基于VGF法的InP晶体生长炉优选实施例剖面示意图；

图4是本发明所述InP晶体生长炉优选实施例的加热元件安装示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，以便于本发明更加清楚和易于理解。

图3是本发明所述基于VGF法的InP晶体生长炉优选实施例剖面示意图，如图3所示，本发明所述基于VGF法的InP晶体生长炉包括：炉底座1，炉壁2，且炉底座1与炉壁2固定连接，通过安装在炉底座1轴向凹槽处的密封环形成密闭空间。在炉底座1开设通气口3，通过通气口3向炉内通入惰性气体或实现腔体内抽真空，以实现必要的InP晶体的生长工艺条件。在炉底座1的上表面中央位置固定连接有坩埚托4，在坩埚托4上方放置有坩埚5，在坩埚托4与坩埚5外侧同轴放置有无底面的隔离筒6，隔离筒6为耐高温材料，例如金属钼、陶瓷和高纯石墨等，隔离筒6的底端与炉底座1凸出的台阶配合定位。

图3中显示，隔离筒6外周垂直方向等间距排列有四个加热元件7，加热元件7为圆环状结构，供给四个加热元件不同的加热功率，使坩埚5内形成由下至上温度逐渐增加的温度梯度，在此温度梯度的驱动下，促进InP晶体的生长。在四段加热元件7的外圆环上的不同位置均固定有电极安装座71，加热电极8通过电极安装座71与加热元件7连接，并延伸至炉底座1的外部。每个加热元件7底部均固定连接有加热器安装板9，且加热器安装板9之间间距相等，将两个相邻的加热元件7隔离开，阻隔了相邻不同加热温度的加热元件7之间的热对流及热辐射，使加热元件7的加热温度稳定。

此外，在加热元件7与炉壁2之间设置有保温筒10，保温筒10的材质为耐热保温材料，本发明优选为石墨毡，且保温筒10上端设置有密封盖，下端可直接放置在炉底座1的上表面，便于维护时拆卸，在保温筒10的底部开设有一个通气孔101，以使保温筒10内外侧的腔体保持连通。

加热器安装板9为圆环状结构，其中，加热器安装板9的内径与隔离筒6外径相近，本发明优选加热器安装板9的内环直径比隔离筒6外径大1～2mm，加热器安装板9的外径与保温筒10内径相近，本发明优选加热器安装板9的外环直径比保温筒内径小1～2mm。加热器安装板9的内环和外环分别与隔离筒6的外环和保温筒10的内环保持一定间隙，既便于安装，也能有效阻止相邻加热元件7之间的热对流和热辐射，从而避免不同加热温度的加热元件7之间的相互干扰。

在本发明中，加热元件7的材质为高纯石墨，加热器安装板9为耐高温保温材料，本发明优选为石墨毡，两者都为导电材料，则在加热元件7与加热器安装板9之间安装有绝缘环11，以防止加热元件7和加热器安装板9之间导电，从而避免加热电极8传递给加热元件7的电流流向加热器安装板9，使加热安装板8导电发热，对炉内温度分布造成不良影响。

图2是现有InP晶体生长炉中加热元件的安装示意图，图2中显示，加热元件7通过左右对称的电极安装座71被两个加热电极81支撑，此时，加热电极8在传递加热电流的同时还起到支撑相应加热元件7的作用。加热元件7通过不同长度的加热电极8支撑，加热电极8下端连接加热电源，供给加热元件7不同的加热功率，以形成炉内的温度梯度。此种加热元件的安装方式亦可用于本发明生长较小尺寸的InP晶体。

在本发明中，如图3和图4所示，位于最下端的加热器安装板9固定连接有加热器支撑座12，加热器支撑座12通过多个支撑杆13与炉底座1的上表面固定连接。其中，支撑杆13均匀分布以实现稳定支撑，支撑杆13的数量可为3个、4个或6个，本发明优选3个支撑杆13均匀分布，连接加热器支撑座12和炉底座1。此外，在各个加热器安装板9之间通过多个连接杆14固定连接。其中，连接杆14在加热器安装板9上均匀分布，连接杆14的数量可为3个、4个或6个，本发明优选为3个连接杆均匀分布，通过3个螺纹孔c1与加热器安装板9固定连接。为了实现整个炉体的密封，加热电极8与炉底座1之间嵌有密封绝缘套20。为了实现加热电极8与加热器支撑座12之间的绝缘，加热器支撑座12与加热电极8之间嵌有绝缘套21。

如图4所示，两个电极安装座71位于加热元件7的同一端，与分布在加热元件7一端的电极安装座71通过上下两个螺母711锁紧。此时，加热电极8可以只传递加热电流，不起支撑加热元件7的作用，加热元件7通过支撑杆13和连接杆14以及加热器安装板9的平面稳定支撑，使加热电极8安装方便且避免了一些锁紧绝缘零件的安装，简化结构，且即使生长大尺寸InP晶体时，支撑也会稳定。

图4中显示，最上面的加热元件7与最长的一对加热电极81连接，加热电极81通过通孔a1贯穿四块加热器安装板9，并延伸至炉底座1的外部。与最底下加热元件7相连的加热电极82为最短的一对，通过加热器安装板9的通孔a4延伸至炉底座1的外部。另外两个加热电极8分别穿过通孔a3和a4与中间相应的两个加热元件7相连。由不同的加热电极8供给各段加热元件7不同的加热功率，便于形成InP晶体生长所需的温度梯度。

此外，在炉底座1上垂直安装有保护套管15，在保护套管15内包裹有多根热电偶16，垂直安装于加热元件7内圆柱侧，每根热电偶16对应一个加热元件7，探测加热元件7的温度。在图3中保护套管15贯穿四个加热元件7延伸至炉底座1，在保护套管15内对应四个加热元件7包裹了四根高低不同的热电偶16，分别贴近四个加热元件7，检测上下四段加热元件7的加热温度，从而可以根据炉内温度以及温度梯度的要求，通过加热电极8分别向四个加热元件7提供不同的加热功率，且通过不同的热电偶16实时反馈相应加热元件7的加热温度，通过不同的温度控制器分别控制每一段加热元件7的加热功率，实现坩埚5内由下至上温度逐渐增加的轴向温度梯度分布，满足InP晶体的生长条件。

在生长InP晶体时，通过不同的加热电极8供给加热元件7不同的加热功率，在坩埚外形成由下至上逐渐升高的温度梯度，籽晶在此温度梯度的驱动下逐渐完成晶体的生长，在加热元件11底部固定连接的加热器安装板9阻隔了两个相邻的加热元件，避免了相邻加热元件之间的热对流和热辐射对温度分布造成干扰。

此外，如图3所示，在坩埚托4上端中央开一个凹盲孔，凹盲孔上端倒成锥形，坩埚5为圆柱形且底端嵌入凹盲孔，使整个坩埚5精确稳固的放置于坩埚托4上。在坩埚5的细径腔体处可放置引导晶体生长用的籽晶17，在籽晶17上方是用于生长晶体用的InP多晶料18，InP多晶料18上方覆盖有一层液封剂氧化硼19，InP多晶料及氧化硼在大于1040℃高温下融化，融化后因氧化硼液体密度比熔融的InP多晶料低，可覆盖于InP的融体之上。InP晶体生长时，晶体表面处于高温时，单晶很容易离解：6InP(s)→6In(l)+P₂(g)+P₄(g)；其中P₂(g)、P₄(g)分别为较高温度下及较低温度下的红磷解离蒸气，覆盖的氧化硼作为液封剂可防止InP的解离，但在高温下解离迅速时仍会有部分红磷解离蒸气溢出。因此，在隔离筒6上端固定连接有密封盖61，隔离筒6与密封盖61形成密闭空间，在隔离筒6底端开设有通气孔62，使上述解离红磷蒸气被引导至隔离筒6底部，因底部为低温区，蒸气遇冷沉积，避免了解离蒸气对坩埚内已经形成的温度分布产生扰动。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。