一种高纯半导体单晶热等静压连接的装配结构的制作方法

本实用新型属于半导体材料制备领域，具体涉及将多块小尺寸单晶通过热等静压方式制备成大尺寸单晶的装配结构。

背景技术：

半导体材料广泛应用于在集成电路、通信系统、光伏发电等领域应用等领域，在半导体产业链处于核心环节。半导体单晶衬底在芯片的生产制造中起到关键性的作用。半导体单晶衬底的尺寸越大，所制备器件的成本就越低，单晶尺寸的增大是半导体行业发展的方向之一。

目前半导体尺寸增加主要是通过设备的增大、热场的增大来实现的，但是尺寸越大，制备成单晶的难度也越大。例如对于一些化合物半导体，像砷化镓、磷化铟等是在高压气氛下制备，增加了设备尺寸，因此热场对流会非常强烈，制备的难度和单晶成本会大幅增加。碳化硅主要通过物理气相沉积来制备，生长温度高，因此大尺寸设备的要求更高，晶体热场对称性变大。熔体法制备大尺寸单晶时，坩埚的尺寸也会相应的增加，为了建立温度梯度，坩埚边缘的温度也就越来越高，这会导致坩埚强度降低甚至不能承受高温而污染熔体。

热等静压已经广泛应用于粉末冶金、陶瓷高压烧结、铸件缩孔缺陷等领域，其主要通过金属或氧化硼、玻璃等包套在高温高压下压制材料。半导体单晶连接过程中的金属包套原子容易污染半导体材料，带来电学特性的变化，例如铁原子可以使得磷化铟转变为半绝缘。而液态包套的方法，容易使得液态物质进入连接界面处，导致夹杂物的形成，在降温过程中导致缺陷甚至半导体的断裂。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种新的思路，将多块小尺寸单晶，采用热等静压方法，以固态连接方式制备大尺寸高纯半导体单晶。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种高纯半导体单晶热等静压连接的装配结构，结构中包括包套和置于包套内部的晶块单元，所述包套由包套主体和包套上盖组成，所述包套主体或包套上盖上设置抽气孔，包套主体和包套上盖的内表面设置包套保护层。

所述晶块单元包括多个单晶块，单晶块间通过连接面组合，根据单晶体组合的情况，并使用夹具和/或填充块进行固定，固定的单晶块组合的外表面设置石英包裹层。

采用本实用新型提供的装置，小块单晶切割后，选取物理特性整体将近或者分布相近且拼接面晶向精度较高的单晶块，连接面经处理后装配在一起，在热等静压炉体内中进行加热和压力处理，进而实现半导体单晶块之间的高精度、高均匀物理特性的界面固态连接，从而完成更大尺寸单晶的制备。

有益效果：1、可以实现将小尺寸的单晶块连接制备成大尺寸的单晶，2、制备过程中，热等静压方式使得各单晶块之间各向受力一致，不必考虑位错、孪晶、多晶化等在传统单晶生长过程中需要注意的问题，3、设备简单，4、理论上可以制备任意尺寸的单晶。

附图说明

图1是热等静压连接单晶块的装配实施例，

图2是热等静压连接单晶块的另一个装配实施例，

图3是但晶体拼接装配示意图，

图4是多块单晶体精密拼接装配示意图。

其中：1：单晶块；2：紧固卡圈；3：包套上盖；3-1：包套上盖封边；3-2：抽气孔；4：卡具；5；石英包裹层；6：半导体粉层；7：包套保护层；8：包套主体；8-1：包套主体封边；9；紧固卡圈保护层；10：连接面；11：基板，12：填充块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

一种高纯半导体单晶热等静压连接的装配结构，结构中包括包套和置于包套内部的晶块单元，所述包套由包套主体8和包套上盖3组成，包套主体8或包套上盖3上设置抽气孔3-2，包套主体8和包套上盖3的内表面设置包套保护层7。

本实施例中，抽气孔3-2设置在包套上盖3上。

晶块单元包括多个单晶块1，多个单晶块1间通过连接面10组合，根据单晶体组合的情况，使用夹具4和/或填充块12进行固定，并使用夹具4进行固定。固定后，外表面设置石英包裹层5。

石英包裹层5外设置有紧固卡圈2和紧固卡圈保护层9，紧固卡圈2的表面有氧化硼涂层，氧化硼涂层的厚度为0.5-1mm。

晶块单元置于包套主体8中央位置，周围使用与单晶块1同质的半导体材料粉末填充。

单晶块1连接面10的表面粗糙度为0.3nm-10nm，平整度为1-10微米，粉末6的粒径大于连接面的平整度。

结构的装配过程如下：

1：加工出单晶块1及其连接面10，相互连接的两个单晶块1的连接面10为两个单晶块1的共用晶面，保持晶面上任取两个不同晶向保持基本一致（晶向差小于0.05°），实现不同单晶块上总体晶格排列的周期性近似一致。

对连接面10进行机械化学抛光，连接面10的表面粗糙度为0.3nm-10nm，平整度为1-10微米。

如需要夹具4固定，则在单晶块1上加工出卡槽，并加工出卡具4，卡具4的尺寸根据多个单晶块1组合后的大小确定。

卡具4使用与晶块1相同材质的半导体材料切制，与单晶快1配合装配，防止不同材质的热膨胀系数的不同产生应力缺陷。

加工卡槽的位置要保证夹具4的方向与连接面10的方向垂直，以保证夹具4作用力的方向垂直于连接面10。

用卡具4将单晶块1连接在一起，如图3所示，在单晶块1组合的上下位置分别设置卡具4，这样保证了连接的精度，又保证了连接面10不易在热等静压下相对移动。

图3是将两个单晶块1拼接在一起的示意图。

图4是另一个实施例，将多个单晶块1拼接在一起的示意图。图4的实施例中，使用填充块12填充最外侧单晶块1的外围，使整体形状适合包裹。填充块12使用与晶块1相同材质的半导体材料切制。

为了保证组合固定后单晶块1在包裹过程中不发生错位，固定的单晶块1组合下面有基板11，基板11使用与晶块1相同材质的半导体材料，可为单晶或者多晶材料。

石英布或者石英纤维线经过有机溶剂洗涤、高温真空处理，去除表面的油污，同时经过振动及吹扫去除易脱落石英丝。效果是防止污染，防止连接面进入液体和其他杂质。

用石英包裹层5将组合固定好的单晶块1紧密包裹。

包裹完成后用紧固卡圈2紧固，紧固卡圈2外有紧固卡圈保护层9，紧固卡圈2的表面有厚度为0.5-1mm的氧化硼涂层，氧化硼涂层可以防止金属污染半导体材料。

完成上述装配后得到晶块单元，晶块单元。

将晶块单元放入包套主体8中，四周利用与单晶块1同质的半导体材料粉末填充，形成半导体粉层6，使晶块单元位于包套主体8中央位置（不要求精准，大概在中央即可），压实半导体粉末，如图1、2、4所示。

图1中，由于单晶块1上下均设置了卡具4，可以不设置基板11；图2中设置了基板11。

图4中，没有设置夹具4，设置有基板11。

图4的实施例中，也可以同时使用夹具4固定单晶块1的组合。

图1、2中，包套保护层7为厚度为0.5-1mm的氧化硼涂层，包套上盖封边3-1和包套主体封边8-1处无氧化硼涂层。

包套上盖封边3-1与包套主体封边8-1利用激光或者电子束焊接，完成结构的装配。

预处理：

结构装配完成后，通过抽气孔3-2对整个包套进行抽真空至10^-3至10^-6pa，并在400℃温度下进行预热处理。

对抽气孔3-2进行挤压，然后激光或者电子束焊接密封抽气孔3-2，检漏。

完成预处理后，将整体结构放置于热等静压炉体中进行加热和压力处理，使得连接面10的原子在高温高压环境下实现扩散连接。

整个热等静压过程中，保持好位置：高纯半导体单晶热等静压连接的装配结构始终按着单晶块1位于同质半导体基板11上方的方向放置在热等静压炉中。