一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构，套管式腔体采用多层管子相套而成的结构，内管形成的腔体为材料制备提供需要的工艺环境和条件。通过选择套管的层数，控制套管之间的间隙和各层套管的长度，并采用在套管开口处加塞等辅助手段，该工艺腔体能有效减小腔体内源材料的泄漏，改善材料制备工艺的稳定性和工艺状态的均匀性。通过对外层套管的设计，并适当选择工艺腔体各部分的温度分布，套管式工艺腔体还具有对泄漏出来的源材料进行收集的功能，减少源材料泄漏对材料制备系统的污染。本发明弥补了普通开管式材料制备工艺中源材料泄漏量大的不足，规避了闭管式材料制备工艺的高成本，特别适用于材料的批生产制备工艺。
【专利说明】
一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构
技术领域
[0001]本发明涉及一种半导体材料制备工艺用的腔体结构，特别涉及一种套管式的腔体结构，它用于开管式半导体材料制备系统，为半导体材料制备系统提供所需的生长(包括外延)腔体、热处理腔体和源材料提纯腔体等工艺腔体。
技术背景
[0002]众所周知，半导体材料和由它制造的电子器件、光电子器件和各种传感器已成为国民经济的支柱产业，它也是物联网、智能化机器人、无人操作系统等未来新兴产业不可或缺的重要组成部分。经过半个多世纪的发展，半导体材料的制备已形成一个相对比较完备的体系，制备工艺包含原材料提纯、源材料合成、晶体生长或外延以及半导体材料的热处理等，这些材料制备工艺都需要在纯净的、具有一定温度和气相分压的腔体中进行。
[0003]常用的材料制备系统一般分为闭管和开管两种方式，闭管系统米用石英管真空封管技术来提供纯净的工艺环境，工艺在密闭的石英安瓿(腔体)中进行;开管系统则通过高真空或高纯气体保护的方式为系统提供纯净的工艺环境，工艺在开管系统内构建的工艺腔体内进行。在石英安瓿内进行的材料制备工艺具有无泄漏、腔体内气体分压稳定和均匀性好等优点，缺点是石英安瓿不能提供流动的氢气或其他保护性气体的工艺环境，不利于很好地去除材料的表面氧化层，其次，石英安瓿只能一次性使用，成本很高，如需增加材料的尺寸和批量生产，石英管的制作成本和封管技术的难度也随之大幅度增加。相比而言，开管式材料制备系统具有操作方便，工艺成本低，适合于批量化生产等优点，缺点是无法为那些平衡蒸汽压很高的材料提供所需的气体分压，对于气体分压较小的材料(如小于0.1atm)，开管式材料制备系统一般通过在系统内设置一个相对封闭的工艺腔体来维持工艺所需的气体分压。材料制备工艺经常使用的腔体结构有两种，一种是在开孔处加盖子的石英腔体，另一种是用封闭的石墨盒(盖板用螺丝压紧)构建的腔体。由于这类腔体结构的封闭性较差，且每次工艺中腔体的封闭性很难一致，腔体盒内的气相分压存在着均匀性和重复性较差的问题，从腔体中泄漏出来的源材料对制备系统的污染也比较严重。以采用石墨盒作为CdZnTe材料热处理腔体的工艺为例，如将Cd源温度设置为570 °C(对应的Cd分压约为
0.065atm)，经过3天时间的热处理，盒内Cd原子的泄漏量将大于10克，甚至几十克，Cd原子的泄漏将对热处理系统造成严重污染。又如，在采用石墨盒作为生长腔体的富碲HgCdTe液相外延工艺(腔体内Hg分压在0.05atm左右)中，由于石墨盒的密闭性问题，HgCdTe外延材料的厚度会出现20%左右的波动，分压不均匀也会导致外延层材料的组分和厚度的均匀性变差。据调查，目前尚未见到能够在开管式材料制备系统中形成封闭性更好的腔体结构。
[0004]为了解决半导体材料制备工艺中因气相原子泄漏造成的工艺不稳定性和对生长腔体造成污染的问题，本发明提出了一种低泄漏的套管式工艺腔体结构，即采用多层套管构建材料制备所需的工艺腔体，利用原子泄漏量与套管缝隙大小成正比，且与缝隙的通道长度成反比的原理，有效减少开管式材料制备工艺中腔体内气相源材料的泄漏，并通过套管结构设计进一步减少泄漏对系统的污染，使得套管内部的气体分压更加均匀，更加接近气相源材料的平衡蒸汽压，进而有效提高制备工艺的稳定性以及所制备材料的均匀性和成品率。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种半导体材料制备工艺用的套管式腔体结构，解决了现有开管式材料制备工艺腔体存在的腔内气相原子泄漏量大且稳定性差的问题。
[0006]本发明一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构包括内层管1、次内层管2、次外层管3和外层管4，其结构为:
[0007]所述的套管式腔体中的内层管1、次内层管2、次外层管3和外层管4的一端为开口，另一端为闭口，里面一层管的开口端对着外面一层的闭口端，一层套一层，在多层套管的内部形成一个相对封闭的腔体，套管之间的缝隙在0.5_?1.5_之间;所述的内层管I的内部空间为半导体材料制备工艺的腔体，腔体的一端为材料制备区，放置被制备的材料8，另一端为源材料区，放置提供气相分压的源材料9，放置源材料9的管子5为一端封闭的管子;次外层管子3和外层管子4的长度大于内层管子的长度，在长出部分的一端放置供气体沉积的盘子10;次内层管2的开口端放置有内层管塞6，次外层管3的开口端放置有外层管塞7;各层管子长度方向尺寸设计使得各层管子之间能相互顶住，并采用卡套将次外层管3与外层管4固定在一起，整个套管式工艺腔体形成固定的整体。
[0008]所述的内层管I的内径由被制备材料8的大小决定，内腔体的长度在400mm?500mm之间，具体长度由工艺要求的材料制备区长度、材料制备区与源材料区的温度差以及对源材料泄漏的控制要求来确定。
[0009]所述的次内层管(2)的闭口端有一根能顶到外层管塞(7)的支撑杆。
[0010]所述的次外层管3和外层管4的长度在600mm?800mm之间。
[0011]所述的套管式腔体各部件均采用石英、石墨或氮化硼材料。
[0012]所述的套管式腔体的套管层数不限于4层。
[0013]本发明提出的套管式腔体结构由套管构建的工艺腔体、阻挡气体原子泄漏的塞子、泄漏气体原子的收集装置和套管式腔体的固定机构组成。具体说明如下:
[0014]I套管构建的工艺腔体
[0015]套管构建的工艺腔体由多层管子相套而成，图1(1)为一个四层套管式腔体结构的示意图(其它层数的套管在加工方法和使用原理及方法上是一样的)，它由四层管子组成，每一层管子的一端被封死，另一端为开口，将每一层管子的开口端插入另一层管子形成套管。内层管I的内部为材料制备工艺腔体，左侧为材料制备区，放置要制备的材料8，右侧为源材料区，放置提供气相分压的源材料9。放置气相源材料9的管子5也是一端为封闭的管子，气相源材料9放置在管子的闭口端，即内层管I右侧的开口端。内层管I的左侧处于高温区Tl(见图1(2))，右侧为设置气相源的低温区T2，反之，源材料9将全部迀移到材料制备区。通过调节气相源材料9的温度T2，可为工艺腔体内部提供特定分压的气相环境。
[0016]内层管I外面依次套上次内层管2、次外层管3和外层管4，对于这样的套管系统，内层管I中的气相分压接近气相源材料9的平衡蒸汽压，而在套管的外部，气相源材料的分压近似等于零，气相原子将向套管外部扩散和迀移，原子的迀移量取决于气相原子的温度，各层管子之间的缝隙、原子从内管到外管出口的迀移距离和材料制备工艺的时间。材料温度、气体分压和工艺时间的长短由工艺条件所决定，不能选择，但通过选择和控制套管的层数、长度和套管之间的缝隙，可以改变套管内部气相源材料9的泄漏量。套管层数越多，缝隙越小，内部气相原子向外泄漏的量就越小。材料制备区到气相源材料的距离越长，气相原子从内管迀移到套管外的距离就越长，内部气相原子的泄漏量也越小。
[0017]套管之间的缝隙在0.5mm?1.5mm之间，缝隙越小越好，以内层管能够插入相邻外层管子为准。腔体的内径由被制备材料8的大小决定，内腔体的长度由工艺要求的材料制备区长度、材料制备区与源材料区的温度差以及对源材料泄漏的控制要求来确定，一般在400mm ?500mm 之间。
[0018]2阻挡气体原子泄漏的塞子
[0019]在套管中每一层管子的开口端增设塞子(见图1(1)中的内层管塞6和外层管塞7)，用以阻挡内部气体向外迀移的速度。由于塞子尺寸较短，它与石英管的缝隙可以做得很小，原子从管内向管外迀移时不仅会在正面受到阻挡，穿越细狭缝也会给原子的迀移增加了阻挡作用。气相源材料管5在套管中也起到了类似塞子的作用。
[0020]3泄漏气体原子的收集装置
[0021]次外层管3和外层管4的长度比内层管I和次内层管2长出一截，在长出部分的一端放置供气体沉积的盘子10，目的在于使外层套管右侧端的温度T3低于气相源材料9的温度T2，让从内层管中泄漏出来的气相原子在盘子10处发生过饱和沉积，大幅度地减少气相原子泄漏到整个套管(或腔体)的外面，以避免材料制备工艺对材料制备系统造成污染。外层管子长度的总长度一般在600mm?800mm之间；
[0022]4套管式腔体的固定机构
[0023]为防止一些工艺步骤(如摇摆、抽真空和向真空腔体中充气等)导致各层管子之间发生强烈碰撞，各层管子的长度需要有一个合理的选取，使得各层套管之间正好相互顶住。为了固定次内层管2，从次内层管2引出一根支撑杆，使其左侧被内层管的内层管塞6顶住，右侧被外层管的外层管塞7顶住;次外层管3的固定则通过增设固定卡套(见图2)来实现，SP通过将端面封闭的固定卡套11上的卡头12插入外层管4上的卡槽13并旋转，固定卡套11的端面正好顶住次外层管3，在另一端，外层管4正好顶住外层管塞7，从而实现套管的整体固定。
[0024]如果工艺中套管式腔体需要竖直使用，腔体内沉积气体的盘子10需固定在次外层管3的内壁上，也可固定在内层管2引出的支撑杆上。要制备的材料8也需使用工夹具加以固定。
[0025]为了满足半导体材料制备工艺对材料纯度的要求，构建套管式腔体的管子、塞子和卡套等部件采用石英、石墨和氮化硼等纯度较高且热稳定性好的材料制作。
[0026]本发明的有益效果是大幅度减少开管式半导体材料制备工艺中源材料的泄漏，减少泄漏出来的源材料对系统造成污染，改善工艺腔体中气体分压的均匀性，提高工艺条件的可重复性，进而提尚被制备材料的性能和成品率。
【附图说明】
[0027]图1(1)是四层套管式腔体结构的示意图；图1(2)是四层套管式腔体各部分温度分布的示意图。
[0028]图2是固定套管式腔体的外卡套结构示意图。
【具体实施方式】
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[0029]1.套管的制备
[0030]I)材料的选用
[0031]石英、石墨和BN是目前半导体材料和介电材料制备工艺中的三种常用材料，它们能同时具备耐高温、高纯和高稳定性(无挥发物)等材料制备工艺的要求。从材料成本和加工成本和可烧结特性来考虑，采用石英管来制备本发明中的套管式材料制备工艺腔体最为合适，当然，石墨盒BN材料也具有加工精度高，套管缝隙更小的优点。
[0032]2)套管式腔体尺寸的选择
[0033]套管的层数和内层管子的长度取决于气相源材料的分压，分压越高，套管需要层数就越多，长度也需相应增加。内层管子的内径取决于材料制备系统(被制备材料8)所需要的空间大小，长度的选取与被制备材料的数量以及材料温度和源材料温度的差值大小有关，被制备的材料越多，温度差值越大，内层管子的长度就越长，通常在400mm?500mm之间。管子壁厚的选择与材料尺寸、材料工艺的温度和管子长度有关，对于100tC以内、套管总长度800以内的常用半导体材料制备工艺，管子的壁厚可选择在Imm?1.5_。按目前石英管的加工制作水平，套管之间的缝隙控制在0.5mm?1.5mm之间，如长度增加，缝隙需要适当增加，缝隙越小越好，以内层管能够插入外层管子为准。
[0034]3)塞子的制作
[0035]为了阻挡气相原子的外泄，在各套管的开口端加设塞子(如图1中的内层管塞6和外层管塞7)，因为塞子长度较短，与套管的缝隙可以做得更小，盖子带翻边，盖在管子开口的边沿上。
[0036]4)气相源材料管的设计
[0037]气相源材料管5也是一端封闭的管子，它的长度较内层管子要短一些，为材料制备区留有空间，管子的外径与内层管内壁之间的缝隙也是尽量做得小一点;气相源材料管5的闭口端可放置一个盛放气相源材料的石英小舟，或直接在管子上加工一个小池子放置气相源材料9;管子闭口端的外侧加工一个套环，用于阻挡源材料气体原子向外泄漏，同时也使得管子不能继续向内插入，以免损坏被制备材料8。
[0038]5)外套管的增长设计
[0039]外套管增长是为了让泄漏到外层管子中的气相原子能沉积到外层套管右侧的低温区T3，防止泄漏出来的气相原子流出套管，对开管式材料制备系统造成污染。为使外层套管右侧的T3明显低于源材料温度T2，夕卜层管子一般比内层管子长出200mm?300mm;
[0040]6)套管式腔体固定机构的制作
[0041]根据工艺需要确定内层管I和次外层管3的长度之后，其它管子的长度的选取需使得各层管子之间相互顶住，为此，需从次内层管2上引出一根支撑杆，顶住外层管的外层管塞7，次外层管3与外层管4之间的固定则需采用固定卡套来实现(见图2)，即通过将端面封闭的固定卡套11上的卡头12插入外层管4上的卡槽13并旋转，固定卡套11的端面正好顶住次外层管3，在另一端，外层管4正好顶住外层管塞7，从而实现套管的整体固定。供气体沉积的盘子10可直接烧结在次外层管3的内壁上或固定在内层管2引出的支撑杆上。
[0042]2.套管部件的清洗
[0043]石英套管放入开管式材料制备的外腔体前需对各部件按高纯工艺的要求进行清洗，即用三氯乙烯或铬酸去掉石英管表面吸附的油，用王水去表面粘附的金属离子，用稀释的氢氟酸腐蚀石英管的表面层，各清洗工艺后均用去离子水进行冲洗。烘干后放入真空除气炉中除气(温度高于材料制备工艺的最高温度)，将清洗工艺后吸附在表面的杂质原子去除。
[0044]3.抽真空与充气
[0045]将设计和加工好的套管式腔体安装好，同时将需制备的材料8和气相源材料9放入套管中的指定位置，然后将套管式腔体装入开管式材料制备系统中。接着对系统进行抽真空，由于套管间缝隙较小，层数较多，抽真空的时间应长于普通的材料制备工艺，抽完真空后将高纯气体放入腔体，通过多次抽真空和充气过程，使得套管内不再存在残留的空气。系统配备的高纯气体包括H2气、N2气和Ar气，H2气用于还原材料表面的氧化层、Ar气用于抑制气相原子的迀移速率，％气用于装样和取样时对腔体高纯环境的保护，开管式外腔体工作时可以是常压或正压。
[0046]4.加热和降温
[0047]加热和降温除了要达到材料制备工艺要求的设定参数(如样品温度、气相源材料温度和原子沉积区温度)外，其过程中还应保证样品温度Tl始终高于气相源温度T2，气相源温度T2始终高于低温沉积区温度T3，T3温度的设定应使得气相原子主要沉积在盘子10中，以免大量气体原子沉积在管子的缝隙中，使工艺后套管的拆卸发生困难。根据需要在工艺过程中可对设定的温度参数进行调整，工艺结束后将工艺腔体降温到室温，并在N2气氛的保护下将腔体中的材料取出。
[0048]将上述方法制备的套管式材料制备工艺腔体用于CdZnTe材料的热处理工艺，取腔体的内径为70mm，内腔体长度为400mm，外管长度为650mm，热处理工艺条件为650°C (材料温度)/570°C(Cd源温度)/400°C (盘子10的温度)/72小时(热处理时间)。结果显示，热处理工艺后Cd源的损失量小于I克，套管外几乎看不到Cd源泄漏的痕迹。在原来采用密闭石墨盒作为热处理腔体的工艺中，热处理后Cd源的损失量大于10克，大量的Cd原子泄漏到石墨盒外面，部分Cd原子还与CdZnTe材料中泄漏的Te原子形成CdTe粉末，对开管式材料制备系统造成的污染十分严重。与原工艺相比，采用本发明提出的套管式热处理腔体后，Cd源泄漏量呈数量级减少，这也意味着腔体内Cd分压的均匀性得到了明显的改善。
【主权项】
1.一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构，包括内层管(I)、次内层管(2)、次外层管(3)和外层管(4)，其特征在于: 所述的套管式腔体中的内层管(I)、次内层管(2)、次外层管(3)和外层管(4)的一端为开口，另一端为闭口，里面一层管的开口端对着外面一层的闭口端，一层套一层，在多层套管的内部形成一个相对封闭的腔体，套管之间的缝隙在0.5mm?1.5mm之间；所述的内层管(I)的内部空间为半导体材料制备工艺的腔体，腔体的一端为材料制备区，放置被制备的材料(8)，另一端为源材料区，放置提供气相分压的源材料(9)，放置源材料(9)的管子(5)为一端封闭的管子;次外层管子(3)和外层管子(4)的长度大于内层管子的长度，在长出部分的一端放置供气体沉积的盘子(10);次内层管(2)的开口端放置有内层管塞(6)，次外层管(3)的开口端放置有外层管塞(7);各层管子长度方向的尺寸设计使得各层管子之间能相互顶住，并采用卡套将次外层管(3)与外层管(4)固定在一起，整个套管式工艺腔体形成固定的整体。2.根据权利要求1所述的一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构，其特征在于:所述的内层管(I)的内径由被制备材料(8)的大小决定，内腔体的长度在400mm?500mm之间，具体长度由工艺要求的材料制备区长度、材料制备区与源材料区的温度差以及对源材料泄漏的控制要求来确定。3.根据权利要求1所述的一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构，其特征在于:所述的次内层管(2)的闭口端有一根能顶到外层管塞(7)的支撑杆。4.根据权利要求1所述的一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构，其特征在于:所述的次外层管(3)和外层管(4)的长度在600mm?800mm之间。5.根据权利要求1所述的一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构，其特征在于:所述的套管式腔体各部件均采用石英、石墨或氮化硼材料。6.根据权利要求1所述的一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构，其特征在于:所述的套管式腔体的套管层数不限于4层。
【文档编号】C30B25/08GK105908254SQ201610406792
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】杨建荣, 徐超
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所