一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法与流程

本发明属于晶体制备，具体为一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法。

背景技术：

1、inp（磷化铟）材料是一种重要的化合物半导体材料，是制备高频和高速器件的首选材料之一，在100ghz以上频段体现出巨大的优势，inp基微电子器件具有高频、低噪声、高效率、抗辐照等特点。半绝缘磷化铟衬底在5g网络、太赫兹通信、毫米波通信与探测等领域应用广泛。

2、晶体制备基本上可分为水平布里奇曼法（horizontal bridgman，hb）、液封直拉法（liquid encapsulating czochralski，lec）、蒸气压控制切克劳斯基法（vaporpressurecontrolled czochralski，vcz）、垂直布里奇曼法（vertical bridgman，vb）或垂直温度梯度凝固技术（vertical gradient freeze，vgf）等。

3、1、水平布里奇曼法（horizontalbridgman, hb）

4、hb法中单晶的生长可通过水平移动装料安培瓶或加热炉体来实现，其装置和操作均较为简单，因此优点和缺点也较为鲜明：

5、（1）优点：hb单晶炉制作简单、成本低，熔体化学计量比控制较好；晶体生长温度梯度小、晶体位错少、应力小；引晶和晶体生长可观察，有利于提高晶体成晶率；

6、（2）缺点：晶体截面为d形，如加工为圆形则将造成浪费；存在si沾污。

7、2、液封直拉法（liquidencapsulating czochralski，lec）

8、lec法采用多加热器生长炉以及可重复使用的pbn坩埚，在特定气氛下进行晶体生长。该方法的主要优缺点是：

9、（1）优点：可靠性高、适合规模生产；晶体引晶和生长均可见，成晶情况可控，成品率高；

10、（2）缺点：晶体温度梯度大，生长晶体的位错密度高、残留应力高；晶体等径控制和化学计量比控制较差；单晶炉制造成本高。

11、3、蒸气压控制切克劳斯基法（vaporpressurecontrolled czochralski，vcz）

12、vcz单晶生长工艺为lec法的改进工艺。相比于lec法，vcz法降低了温度场非线性，减少了位错产生的几率，并增加了晶体轴向和径向位错分布的均匀性。

13、（1）优点：位错密度和残留应力较lec法低；晶体的化学计量比可控；

14、（2）缺点：单晶炉构造复杂，制造成本高；工艺操作难度大、运行费用高；晶体碳含量不可控；晶体长度短，不适合规模化生产。

15、4、垂直布里奇曼法（verticalbridgman，vb）或垂直温度梯度凝固技术（verticalgradient freeze，vgf）

16、vgf/vb法是20世纪80年代末开发并逐步发展起来的、能生长大直径、低位错、低热应力、高质量iii-v族半导体单晶的生长方法。其生长原理是将多晶、b2o3及籽晶真空封入石英管中，炉体和装料的石英管垂直放置，熔融多晶接触位于下方的籽晶后，缓慢冷却，进行单晶生长。该方法的主要优缺点是：

17、（1）优点：位错密度和残留应力较lec法低；晶体等径好、材料利用率高；减少了籽晶杆升降和转动装置，单晶炉制造成本低；既易于生长单晶材料，也易于生长半绝缘单晶材料；对操作人员要求低，适合规模生产；

18、（2）缺点：易产生双晶和花晶；晶体生长不可见，依赖于单晶生长系统的一致性和稳定性；晶体尾部易被液封的氧化硼粘裂；成品率低。

19、具体到inp晶体的生长，常用的方法有两种：一种是垂直温度梯度凝固技术（vgf），一种是液封直拉法（lec），同样存在上述问题：vgf晶体制备技术可以生长低缺陷晶体，但是成品率很低；lec晶体生长系统生长的晶体成品率高，但缺陷密度高。

20、如果可以将lec和vgf两种方法结合，获得两种方法的优点，可以制备高成品率、低缺陷的inp晶体。

21、但是，传统意义上，在lec晶体生长系统中不能应用vgf技术制备磷化铟晶体，这是因为按照现有的工艺过程，磷化铟本身凝固膨胀会被坩埚约束，造成涨裂，并且氧化硼的凝固也会对接触的晶体内部产生很大的应力，造成晶体直接断裂。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的缺陷。

2、本发明采用以下技术方案以实现发明目的：、一种温度梯度凝固制备化合物晶体的均衡凝固方法，基于晶体制备装置实现，所述晶体制备装置包括炉体、坩埚、第一加热器、第二加热器、第三加热器和下加热器、籽晶杆、坩埚外围设置的热电偶组、观察棒、压力表和充放气管道；关键在于，所述装置还包括铟注入系统，所述铟注入系统包括吸液上管、氧化硼暂存室、吸液管、吸液管阀门、驱动装置和辅助加热器。

3、所述方法包括以下步骤：

4、步骤1：装炉，将磷化铟多晶料、固体氧化硼放置在坩埚中，将籽晶安装至籽晶杆上，将观察棒安装在炉体上，将磷化铟多晶置入氧化硼暂存室中；

5、步骤2：通过充放气管道给炉体抽真空至10-5pa-10pa，然后充入惰性气体至2.8-5mpa；

6、步骤3：通过第一加热器、第二加热器、第三加热器和下加热器给磷化铟多晶料、氧化硼加热，形成熔体和液态氧化硼；

7、步骤4：下降籽晶杆，使得籽晶与熔体接触，调节第一加热器、第二加热器、第三加热器和下加热器，使得熔体自坩埚底部到熔体表面获得0.5k/cm-50k/cm的温度梯度；

8、逐渐降低熔体的整体温度直至籽晶上长出磷化铟晶体，且保持磷化铟晶体不接触坩埚内壁；

9、步骤5：当磷化铟晶体生长到满足所需尺寸时，通过辅助加热器给氧化硼暂存室加热，使得磷化铟多晶分解为磷气体和铟熔体，铟熔体进入熔体中；

10、步骤6：通过第一加热器、第二加热器、第三加热器和下加热器给熔体降温；

11、步骤7：在熔体的温度降至700-900k时，停止降温，观察铟的注入情况，直至注入完成；

12、步骤8：吸液管移动至氧化硼与熔体界面上方1mm处，打开吸液管阀门，氧化硼通过吸液管进入氧化硼暂存室中；关闭吸液管阀门，上升铟注入系统，使得吸液管底部脱离残余的氧化硼液面，关闭辅助加热器；

13、步骤9：继续调节第一加热器、第二加热器、第三加热器和下加热器的功率，直至炉体内部达到室温温度；

14、步骤10：放气，拆炉，取出磷化铟晶体。

15、进一步的，步骤1中，置入氧化硼暂存室中磷化铟多晶的量为加入坩埚中磷化铟多晶料的5-20%。

16、进一步的，步骤9中，降温过程中，保持炉体内部压力不变。

17、本发明通过控制多段加热系统，在液封提拉系统坩埚的熔体中生长磷化铟晶体，当晶体尺寸大于所需尺寸以后，通过铟注入系统向熔体中注入铟，熔体的结晶点随之降低，同时降低熔体温度使得熔体与磷化铟晶体保持近似平衡，降温时通过观察窗观测生长界面的变化，过程中保持晶体微微长大，直至系统温度达到室温；降温过程中，在系统温度为700-900k时将氧化硼移除。最终坩埚中的熔体为纯铟，熔体凝固后晶体被纯铟包裹。

18、有益效果：采用本发明提出的方法，1：在晶体完全凝固前移除大部分氧化硼；2：降温过程中，向熔体注入铟，形成非配比熔体，最终熔体中只包含铟。

19、磷化铟凝固时会发生膨胀，而铟凝固会发生收缩，同时因为铟有良好的可塑性，且在200℃仍为液态，减少了坩埚对晶体的束缚，可以实现晶体不被氧化硼和坩埚涨裂。