一种半导体制备装置以及砷化镓半导体制备装置的制作方法

本实用新型属于半导体制备技术领域，具体涉及一种半导体制备装置，尤其涉及一种用于水平布里奇曼法半导体制备装置的炉体的改进。

背景技术：

半导体材料的导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在 1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内，是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

例如，砷化镓(GaAs)凭借着高频率、高电子迁移率、低噪音、输出功率高、耗电量小、效益高以及线性度良好、不易失真等优越的特性，开发前景令人鼓舞。而要获得砷化镓材料的前提是生长砷化镓单晶，砷化镓单晶的获得又依赖于砷化镓多晶的合成。砷化镓多晶合成通常有水平布里奇曼法，低压氧化硼液封砷注入合成法、高压氧化硼液封原位合成法等方法。

采用水平布里奇曼法合成砷化镓多晶时，通常情况下，由于热辐射等原因，高温区与低温区的温度不易控制，经常出现石英管变形和开裂等导致的多晶料氧化或砷泄露，以及多晶料尾部合成不完全等问题；此外，高温区与中温区之间没有适当的保温措施，导致蒸发后的砷部分冷凝，从而难以得到配比均匀的砷化镓晶体。

技术实现要素：

[要解决的技术问题]

本实用新型的目的在改善现有技术的上述状况。本实用新型公开了调整炉体高温区与低温区的布置方式，更独立地控制高温区与低温区的温度，同时，保证高温区与低温区之间的连接处能够具备适当的温度，从而改善半导体产物的品质和产率。

[技术方案]

本实用新型的第一方面提供了一种半导体制备装置，应用于水平布里奇曼法半导体制备，包括第一炉体和第二炉体，所述第一炉体和第二炉体分别单独设置温度控制装置，所述第一炉体和所述第二炉体由中间管道连接，其中，在所述中间管道的外周包覆有保温材料。

本实用新型的第二方面提供了一种砷化镓半导体制备装置，包括本实用新型第一方面所述的装置，所述第一炉体为低温区炉体，以及所述第二炉体为高温区炉体。

[有益效果]

本实用新型提供的半导体制备装置通过第一炉体和第二炉体分别单独设置温度控制装置，且第一炉体和所述第二炉体由外周包覆有保温材料的中间管道连接，实现了有效地独立控制高温区与低温区的温度，减少不期望的热辐射影响，以及，防止因石英管变形和开裂等导致的多晶料氧化或砷泄露。由于高温区与低温区之间设置适当的保温措施，使得蒸发的组分得以完全与其他组分反应，得到配比均匀、性能良好的半导体化合物。

附图说明

图1为根据本实用新型一实施例的制备装置示意图；以及

图2为根据本实用新型另一实施例的制备装置示意图。

具体实施方式

下文结合附图描述本实用新型的实施方式。通篇附图中采用相似的附图标记描述相似或相同的部件。这里披露的不同特征可以单独使用，或者彼此改变组合，没有规定将本实用新型限定于文中描述的特定组合。由此，所描述的实施方式不用于限定权利要求的范围。

说明中可能采用短语“在一实施方式中”、“在实施方式中”、“在一些实施方式中”，或者“在其他实施方式中”，分别可以各指根据本文披露的一个或多个相同或者不同的实施方式。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[实施例1]

如图1所示，本实用新型实施例提供的半导体制备装置，应用于水平布里奇曼法半导体制备，包括第一炉体1和第二炉体2，第一炉体 1和第二炉体2分别单独设置温度控制装置9-1、9-2，第一炉体1和第二炉体2由中间管道8连接，其中，在中间管道8的外周包覆有保温材料10。

第一炉体1、中间管道8、第二炉体2共同限定内部腔体，承载反应舟5、6和反应物的石英安瓿瓶4放置在内部腔体中。

提供1000℃以下加热的温度控制装置9-1包括2-4段控温单元，提供高于1000℃加热的温度控制装置9-2包括5-7段控温单元。

控温单元用来控制炉体的温度，可包括加热单元和测温单元。加热单元可通过高频感应线圈或电阻加热炉加热，测温单元可通过热电偶进行。

[实施例2]

如图2所示，本实用新型实施例提供的半导体制备装置，应用于水平布里奇曼法砷化镓半导体制备，包括第一炉体1和第二炉体2，第一炉体1和第二炉体2分别单独设置温度控制装置9-1、9-2，第一炉体1为低温区炉体和第二炉体2为高温区炉体，第一炉体1和第二炉体2由中间管道8连接，其中，在中间管道8的外周包覆有保温材料 10。

用石英安瓿瓶4密封的砷舟5和镓舟6分别放置在第一炉体1内和第二炉体2内。

第二炉体2由6段控温组成，第一炉体1由3段控温组成。

由于在半导体合成时高温区的温度与低温区的温度差太大，常规技术中，通常采用同一个炉体，由于热扩散和热辐射等原因很难进行低温区的温度控制，经常出现用来密封的石英管变形开裂甚至出现石英管炸裂等安全问题。本实用新型通过在加热方式上采用双炉的加热结构，将低温区和高温区分别用炉体进行温度控制，并且设置外周包覆有保温材料的中间管道，从而使得合成半导体时温度易于控制，实现了炉体温度的精确控制，籍此，合成的半导体如多晶或单晶的配比均匀，合格率高。

对于实施例1和2的进一步的变化实施方式如下。

可选地，第一炉体1和第二炉体2至少之一的内侧壁进一步设置间隔层3，以在间隔层3包围空间内限定均匀加热的炉腔，用来改善内部热场均匀性，以更有利于合成的半导体产品配比的均匀性和进一步提高合格率。

可选地，间隔层3构造为石英管、碳化硅管、莫来石管或其组合套管，优选为碳化硅管、莫来石管或其组合套管，更耐用，同时可更有效地降低内部径向温度的不均匀性。

可选地，石英安瓿瓶4在第一炉体1和第二炉体2中放置时，与内侧壁之间由间隔层3隔开。

可选地，第一炉体1和第二炉体2之间的间距为15-20cm。

两个炉室之间隔开一定距离，可避免由于热扩散和热辐射等原因导致的难以进行低温区的温度控制。然而，该距离太长如大于20cm，易造成中部过冷，太短如小于15cm，达不到低温区和高温区的温度控制，本发明人通过研究发现，上述范围的间距可实现低温区和高温区的温度控制同时使得中部连接处温度始终在合适范围内，保证反应顺利进行，获得配比均匀的半导体产品。

可选地，在中间管道8的外周包覆的保温材料10为低密度保温材料，其包覆厚度为3cm-5cm。该材料的厚度太薄，不能有效保温，太厚浪费原料，因此选择上述范围即可满足保温要求同时使得成本最小化。

所述低密度保温材料为由包含二氧化硅和/或氧化铝的组分制得的材料。保温材料也称为保温隔热材料，是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体，保温隔热材料的共同特点是轻质、疏松，呈多孔状或纤维状，以其内部不流动的空气阻隔热的传导其中无机材料有不燃、使用温度宽、耐化学腐蚀性较好等。本实用新型使用的保温材料例如为包含二氧化硅组分制得的保温材料，包含氧化铝组分制得的保温材料，包含二氧化硅和氧化铝组分制得的保温材料。具体制备方法及产品可参照本领域已知的方法，如CN101671158A、CN102795781A 等公开的方法制备的产品。

可选地，制备装置还包括第一炉体1和第二炉体2两端的保温密封材料板7。保温密封材料板7可例如为保温棉板、硅酸纤维板等。第一炉体和第二炉体的保温密封材料可以使用相同材料也可以使用不同材料，例如第一炉室的保温材料可使用适合于提供较低温度炉体的保温材料，第二炉室的保温材料可使用适合于提供较高温度炉体的保温材料。

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面以砷化镓的多晶合成为例进行说明。

[实施例3]

如图2所示，所用的半导体制备装置包括第一炉体1和第二炉体 2，第一炉体1和第二炉体2分别单独设置温度控制装置9-1、9-2，第一炉体1为低温区炉体和第二炉体2为高温区炉体，第一炉体1和第二炉体2由长度为15-20cm中间管道8连接，其中，在中间管道8的外周包覆有3cm-5cm低密度保温材料10。

用石英安瓿瓶4密封的砷舟5和镓舟6分别放置在第一炉体1内和第二炉体2内。第二炉体2由6段控温组成，第一炉体1由3段控温组成。

第一炉体1和第二炉体2内侧壁设置连通第一炉体1和第二炉体 2的碳化硅管间隔层3；石英安瓿瓶4与内侧壁之间由间隔层3隔开。

第一炉体1和第二炉体2两端设置保温密封材料板7。

砷化镓的多晶生长方法包括如下步骤：

(1)用氢氟酸、硝酸的混合酸及去离子水将石英安瓿、PBN舟等物料清洗干净，并用乙醇脱水风干备用；将清洗干净的PBN舟放入干净的石英烤炉内进行烘烤，烘烤温度为600-900℃左右，烘烤时间为 2-4小时，然后自然冷却至室温待用；

(2)称取约2000g的6N镓放置在一个PBN舟中，推入石英反应管底部；称取约2170g的6N砷放置在一个PBN舟中，并将该舟放入洗干净的石英反应管端口，最后盖上石英帽；

(3)将安装好的石英反应管移至烤炉上，抽真空，并加热至温度在150-300℃，保温3-4小时后关闭电源，并进行真空密封焊接，并自然冷却至室温；

(4)将装有砷和镓并密封好的石英反应管装入HB水平炉体内，装砷的舟一端放在低温区，装镓的舟的一端放在高温区；

(5)加热，将低温区的温度控制在620-650℃左右(砷的升华点 613℃)，高温区炉体的温度在1250-1255℃(高于砷化镓的熔点1238 ℃)，并保温1-3h，从低温端的砷不断升华为气体与高温区的镓发生化合反应形成砷化镓，直至砷蒸发完毕，待反应完全后，降温至室温获得砷化镓多晶；

(6)从炉体内取出石英反应管，从砷端将石英管切开，将合成好的半圆形多晶棒取出并进行检测。

反应过程中没有出现石英管变形和开裂现象。平行进行三次合成出的多晶棒表面光泽，致密、无孔洞、无富镓、合成比例佳；三次合成的多晶的合格率在93％以上，同一晶棒的头部载流子浓度和尾部载流子浓度近似，可见制得晶体的均匀性非常好。

本实用新型的装置在加热方式上采用双炉的加热结构，将低温区和高温区分别用炉体进行温度控制，且连接处采用低密度材料进行保温，从而实现了炉体温度的精确控制，获得产品的合格率高，晶体性能均匀性好。

本实用新型至少包括如下的概念：

概念1.一种半导体制备装置，应用于水平布里奇曼法半导体制备，包括第一炉体和第二炉体，所述第一炉体和第二炉体分别单独设置温度控制装置，所述第一炉体和所述第二炉体由中间管道连接，其中，在所述中间管道的外周包覆有保温材料。

概念2.根据概念1所述的半导体制备装置，其中，所述第一炉体、所述中间管道、所述第二炉体共同限定内部腔体，承载反应舟和反应物的石英安瓿瓶放置在内部腔体中。

概念3.根据概念1或2所述的半导体制备装置，其中，第一炉体和所述第二炉体至少之一的内侧壁进一步设置间隔层，以在间隔层包围空间内限定均匀加热的炉腔。

概念4.根据概念3所述的半导体制备装置，其中，所述间隔层构造为石英管、碳化硅管、莫来石管或其组合套管。

概念5.根据概念3所述的半导体制备装置，其中，所述石英安瓿瓶在第一炉体和所述第二炉体中放置时，与所述内侧壁之间由所述间隔层隔开。

概念6.根据概念1或2所述的装置，其中，提供1000℃以下加热的温度控制装置包括2-4段控温单元，提供高于1000℃加热的温度控制装置包括5-7段控温单元。

概念7.根据概念1或2所述的半导体制备装置，其中，所述第一炉体和所述第二炉体之间的间距为15-20cm。

概念8.根据概念1或2所述的半导体制备装置，其中，在所述中间管道的外周包覆的保温材料为低密度保温材料，其包覆厚度为3 cm-5cm。

概念9.一种砷化镓半导体制备装置，其中，包括根据概念1-8 中任一项所述的装置，所述第一炉体为低温区炉体和所述第二炉体为高温区炉体。

概念10.根据概念9所述的砷化镓半导体制备装置，其中，用石英安瓿瓶密封的砷舟和镓舟分别放置在所述低温区炉体内和所述高温区炉体内。

概念11.根据概念10所述的砷化镓半导体制备装置，其中，所述高温区炉体由6段控温组成，所述低温区炉体由3段控温组成。

可以理解的是，以上实施例及其优选/可选的实例仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。