一种14英寸砷化镓单晶炉的制作方法

本实用新型涉及单晶制备技术领域，尤其涉及一种14英寸砷化镓单晶炉及其拉1-13根单晶生长方法。

背景技术：

砷化镓(gallium arsenide)，属Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，具有高频率、高电子迁移率、高输出功率、低噪音以及线性度良好等优越特性。主要涉及高端军事电子应用、光纤通信系统、宽带卫星无线通信系统、测试仪器、汽车电子、激光、照明等领域。作为重要的半导体材料，GaAs的电子迁移率为硅和氮化镓的5倍，用于中小功率微波器件具有更低的功率损耗，因此在手机通讯、局域无线网、GPS 和汽车雷达等领域中占主导地位。

单晶生长方法采用的是垂直梯度凝固法(VGF)。将砷化镓多晶放在PBN坩埚内，再放在石英管内抽真空后密封，然后再放入单晶炉内，通过调整炉内各温区的温度变化，促使生长界面移动生成单晶。该方法通常是一次性生长一根晶棒，无法做到一次性批量式生长，即一炉拉制多跟晶棒。这是由于垂直梯度凝固法拉制单晶对温度控制要求较高，必须具有一整套完整、成熟的温控方案才能生长出质量较高的晶棒。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种14英寸砷化镓单晶炉及其拉1-13根单晶生长方法，大大提高砷化镓晶棒的生产效率，温控方案成熟，可一次性批量式生长得到1-13根单晶。

根据本实用新型实施例的一种14英寸砷化镓单晶炉，包括14英寸炉膛、2 英寸PBN组件、保温棉、炉芯、石英管、环形加热片、封盖；

所述14英寸炉膛呈圆筒状，所述14英寸炉膛内沿其高度方向分为3-10段温场，所述3-10段温场的3-10段区域内设有多个温控点，所述石英管设置在 14英寸炉膛内的底部，所述炉芯设置在石英管内，所述石英管与炉芯之间设有保温棉，所述环形加热片固定在14英寸炉膛的内壁上，并且环形加热片靠近石英管的一面呈锯齿状，所述2英寸PBN组件整体呈圆柱状，其底部呈漏斗状，安装在石英支撑内部，所述封盖设置在14英寸炉膛的顶部开口处。

进一步的，温控点的数量为21-35个，3-10段温场的上段区域内均匀分布有10个温控点，3-10段温场的中段区域内均匀分布有15个温控点，3-10段温场的下段区域内均匀分布有10个温控点。

进一步的，所述2英寸PBN组件的数量为13个，以3-2-3-2-3的任意排列方式均匀排列。

一种14英寸砷化镓单晶炉拉1-13根单晶的生长方法，包括以下步骤：

(1)用1.5小时加热升温到3-10段温场的上段区域1150-1200℃、中段区域1280-1350℃、3-10段温场的下段区域1220-1260℃，然后保温1.5小时；

(2)将砷化镓多晶、籽晶装入2英寸PBN组件中，再放在石英管内抽真空，当真空度为6.5×10^-3Pa后，通过氢氧焰对石英管进行封焊，然后将石英管放入 14英寸炉膛内；

(3)通过温控点控制3-10段温场内的生长温度，加热升温到3-10段温场的下段区域1200℃、3-10段温场的中段区域1300℃、3-10段温场的下段区域 1240℃，保温1.5小时，使原料熔融，然后保持3-10段温场的上、中段区域温度不变，3-10段温场的下段区域稳定降低为1180℃，降温时间为24小时，使晶体肩部稳定生长，然后匀速降低温度，使3-10段温场的下段区域1160℃、3-10 段温场的中段区域1280℃、3-10段温场的下段区域1220℃，降温时间为12小时，使晶体等径部分稳定生长；

(4)当砷化镓晶体结晶结束后，炉内温度降低至1150℃，保温12h，然后以25℃/小时将至室温，晶体生长完毕，得到1-13根2英寸砷化镓单晶。

本实用新型中，设备精度高，其中分布在3-10段温场的温控点有10个，稳定控制温场，建立合适的温场梯度，进而有效掌握多个2英寸单晶棒同时生长的合适的温控规律，可以大大提高砷化镓晶棒的生产效率，且成形率较高，可达 80％-100％，3-10段温场温控点超过50个，稳定控制温场，顶部铺设保温棉并封盖，以密闭保温，节约能源，使用环形加热片，使热场均匀节能，可一次性批量式生长得到1-13根14英寸单晶。

进一步地，砷化镓单晶的长度为120-350mm。

本实用新型3-10段温场的环形加热片的设置对热场均匀性起到重要作用；大大提高单晶良率；对单晶质量提高的作用。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型14英寸砷化镓单晶炉的剖面结构示意图；

图2为本实用新型14英寸砷化镓单晶炉的上部横截面示意图；

图3为环形加热片的部分结构示意图。

图中：1 14英寸炉膛、2 2英寸PBN组件、3保温棉、炉芯4、5石英管、6 环形加热片、7封盖、8 3-10段温场。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

参照图1-3，一种14英寸砷化镓单晶炉，包括14英寸炉膛1、2英寸PBN 组件、保温棉3、炉芯4、石英管5、环形加热片6、封盖7；

14英寸炉膛呈圆筒状，14英寸炉膛内沿其高度方向分为3段温场8，3-10 段温场8的区域内设有多个温控点，石英管5设置在14英寸炉膛1内的底部，炉芯4设置在石英管5内，石英管5与炉芯4之间设有保温棉3，环形加热片6 固定在14英寸炉膛1的内壁上，并且环形加热片6靠近石英管5的一面呈锯齿状，增加环形加热片6面积，使得热场均匀并节能，2英寸PBN组件2整体呈圆柱状，其底部呈漏斗状，安装在石英支撑5内部，封盖7设置在14英寸炉膛1 的顶部开口处。

进一步的，温控点的数量为21个，3段温场8的下段区域内均匀分布有3 个温控点，3-10段温场8的中段区域内均匀分布有15个温控点，3-10段温场8 的下段区域内均匀分布有3个温控点。

进一步的，2英寸PBN组件2的数量为13个，以3-2-3-2-3的任意排列方式均匀排列。

一种14英寸砷化镓单晶炉拉1-13根单晶的生长方法，包括以下步骤：

(1)用1.5小时加热升温到3-10段温场8的上段区域1150℃、中段区域 1280℃、3-10段温场8的下段区域1220℃，然后保温1.5小时；

(2)将砷化镓多晶、籽晶装入2英寸PBN组件2中，再放在石英管5内抽真空，当真空度为6.5×10^-3Pa后，通过氢氧焰对石英管5进行封焊，然后将石英管放入14英寸炉膛内；

(3)通过温控点控制3-10段温场8内的生长温度，加热升温到3-10段温场8的下段区域1200℃、3-10段温场8的中段区域1300℃、3-10段温场8的下段区域1240℃，保温1.5小时，使原料熔融，然后保持3-10段温场8的上、中段区域温度不变，3-10段温场8的下段区域稳定降低为1180℃，降温时间为24 小时，使晶体肩部稳定生长，然后匀速降低温度，使3-10段温场8的下段区域 1160℃、3-10段温场8的中段区域1280℃、3-10段温场8的下段区域1220℃，降温时间为12小时，使晶体等径部分稳定生长；

(4)当砷化镓晶体结晶结束后，炉内温度降低至1150℃，保温12h，然后以25℃/小时将至室温，晶体生长完毕，得到1-13根2英寸砷化镓单晶。

砷化镓单晶的长度为120mm

本实用新型14英寸砷化镓单晶炉设备精度高，其中分布在3-10段温场8 的温控点有10个，稳定控制温场，建立合适的温场梯度，进而有效掌握多个2 英寸单晶棒同时生长的合适的温控规律，可以大大提高砷化镓晶棒的生产效率，且成形率较高，可达80％-100％，3-10段温场8温控点超过20个，稳定控制温场，顶部铺设保温棉并封盖，以密闭保温，节约能源，使用环形加热片，使热场均匀节能。

实施例2

一种14英寸砷化镓单晶炉拉1-13根单晶的生长方法，方法步骤同实施例1，不同工艺参数在于：

温控点的数量为35个，3-10段温场的上段区域内均匀分布有10个温控点， 3-10温场的中段区域内均匀分布有15个温控点，3-10段温场的下段区域内均匀分布有10个温控点。

(1)用1.5小时加热升温到3-10段温场8的上段区域1200℃、中段区域 1350℃、3-10段温场8的下段区域1260℃，然后保温1.5小时；

实施例3

一种14英寸砷化镓单晶炉拉1-13根单晶的生长方法，方法步骤同实施例1，不同工艺参数在于：

温控点的数量为30个，3-10段温场的上段区域内均匀分布有7个温控点， 3-10温场的中段区域内均匀分布有15个温控点，3-10段温场的下段区域内均匀分布有8个温控点。

(1)用1.5小时加热升温到3-10段温场8的上段区域1155℃、中段区域 1300℃、3-10段温场8的下段区域1245℃，然后保温1.5小时；

砷化镓单晶的长度为350mm

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。