专利名称：晶体生长装置及方法
技术领域：
本发明主要涉及in-v族、n-vi族以及相关的单晶化合物的生长的系
统和方法，尤其涉及用于生长这种具有减少的体嵌晶(body lineage)的化合 物的系统和方法。
背景技术：
电子和光电器件制造商通常需要可商业化生长的、大面积且均匀的单 个半导体晶体，其经过切片及抛光后，能够作为制造樣i电子器件的基片。 半导体晶体的生长包括将多晶原材料加热至熔点(通常超过1200°C )以形 成多晶原材料的熔体，使熔体与高质量的籽晶接触，从而使得熔体在与籽 晶接触时发生结晶。熔体的结晶形成沿垂直轴向的基本为圆柱状的晶体 (晶锭)，且籽晶位于多晶原材料之下。形成半导体晶体所需的设备包括 晶体生长炉、安瓿、坩埚以及坩埚架。坩埚还有一较低且窄的部分，称为 籽井(seed well )。
在常规晶体生长工艺和晶体生长设备中均存在缺陷。例如已知的晶体 生长工艺会形成具有体嵌晶缺陷的晶体，其缩短了采用常规晶体生长工艺 所生长出晶体的可用总长度。生长晶体总长度的降低导致产量更低。因此， 需要一种能够克服诸如上述这些已知系统的缺陷的晶体生长装置及方法。
发明内容
与本发明相一致的单晶化合物生长的系统和方法。
在一个示例性的实施例中，提供了一种方法，所述方法包括将装有原材料 的安^i认具有加热源的炉中，采用垂直梯度凝固工艺生长晶体，其中所述结 曰曰曰温度梯度相对于所述晶体或炉移动，从而熔化所述原材料并转化成单晶化合
物，以及采用垂直布里奇曼法在坩埚上生长晶体，其中所述安i^y加热源可以 进行相对移动，以继续熔化所述原材料并转化成单晶化合物。
应该理解，前述的扭克括描述和以下的具体描述仅为示例及说明性的， 而非对本发明的限制性。除了在此所描述的，还可以提供进一步特征和/或变化。例如本发明可以用于具有已公开特征的多种组合物及次组合物，
和/或一些具有在以下具体描述中所7>开的进一步特征的组合物及次组合物。
作为说明书的一部分，附图示意说明本发明的多种实现方式以及多个
方面，并与说明书一起共同对本发明的基本原理进行解释。在图中
图1为与本发明某些特征相一致的示例性的晶体生长装置20的截面
图2示例说明与本发明某些特征相一致的具有体嵌晶的晶锭；
图3示例说明与本发明某些特征相一致的使用垂直梯度凝固(VGF)
以及垂直布里奇曼法(VB)工艺步骤的晶体生长方法；以及
图4示例说明与本发明某些特征相一致的图1所示晶体生长炉的使用方法。
具体实施例方式
以下参考附图所示的例子，对本发明进行详细阐述。在以下描述中所 提到的实施例不代表所有与要求保护的发明相符的实施例。相反地，它们 仅是一些在某些方面与本发明相符的例子。无论在何种情况下，在所有附 图中使用相同的附图标记代表相同或类似的部件。
该装置及方法尤其适用于砷化镓(GaAs)晶体生长，本文将在此上下 文中对这种装置及方法进行描述。然而应该理解，该装置及方法还可以用 于制造其他III-V族、II-VI族以及相关的单晶化合物，因此其还有更广泛 的用途。
图1为一种晶体生长装置20的例子的截面图。该装置包括在炉子24 中的坩埚架22,比如建立起结晶温度梯度的炉子，可用于垂直梯度凝固法 (VGF)或垂直布里奇曼法(verticalBridgman,VB)晶体生长，并且/或如果 该炉为可移动的，还可用于垂直布里奇曼斯托克巴杰(vertical Bridgman-Stockbarger)工艺。坩埚架22为装有坩埚27的安瓿26 (在一 个实施方式中安瓿26由石英制成)提供物理支撑，并允许对其进行热梯 度控制。当炉子工作时，该坩埚架22可以在晶体生长过程中移动。另一 种选择是，坩埚架为固定的，并且在工作时炉子可以在晶体生长过程中移动。坩埚27可包含籽晶28、在籽晶顶端形成的已生长出的单晶晶体/化合 物30以及熔体原材料32。在一个实施例中，坩埚27可以是热解氮化硼 (pBN)材料，且具有圓柱状晶体生长部分34、直径更小的籽井圓柱体36 以及锥形过渡部分44。晶体生长部分34的直径等于晶体产品所期望的直 径。目前工业标准的晶体直径为能够切割成晶圓的2英寸、3英寸、4英 寸、5英寸、6英寸以及8英寸晶锭。在一个实施例中，位于坩埚27底部 的籽井圓柱体36具有封闭的底端，其直径稍大于高质量籽晶28,例如约 6-25mm,其长度大约在30-100mm。柱状晶体生长部分34以及籽井圆柱 体36具有直壁，或者以大约一度到几度的角度向外呈锥状，以方便将晶 体从坩埚27中取出。位于生长部分34和籽井圆柱体36之间的锥形过渡 部分38具有呈一定角度的侧壁，倾斜在例如约45-60度之间，直径较大的 一端等于并连接于生长区壁，而直径较窄的一端等于并连接于籽井壁。呈 一定角度的侧壁还可以为其他比45-60度更陡或更緩的角度。
在插入晶体生长炉24前，在坩埚27中装入原材料并插入到安瓿26 中。安瓿26可由石英制成，其具有类似于坩埚27的形状。坩埚的晶体生 长区40为圆柱状，其籽井区42也为圓柱状且具有较窄的直径，而在这两 个区域之间为锥形过渡区44。将坩埚27装入安瓿26中并在它们之间留有 狭窄的裕量。安瓿26在其籽井区42的底部为封闭的，并且类似于坩埚， 在填入坩埚和原材料后将其顶端密封。安瓿26底部具有与坩埚27相同的 漏斗形状。
' 由于安瓿-坩埚组合为漏斗形，这要求坩埚架22能够容纳这样的漏斗 形状，保持安瓿26的稳固，并在炉24中是竖直向上的。在其他的实现方 式中，安瓿-坩埚组合也可以保持不同的形状，而坩埚架22的基本结构应 进行相应的改变以适合特定的不同形状。根据一个实施例，通过坩埚架22 的固态、薄壁的圆柱体50对安瓿及其填充物的稳定性、强度提供支撑。 该固态、薄壁的圆柱体50可以容纳安瓿结构26的漏斗状末端。在一个实 施例中，坩埚架圆柱体50是由导热材料制成，优选为石英。在其他实施 例中，也可以使用碳化硅或陶资来形成坩埚架圆柱体50。圆柱体50与安 瓿26之间为环状接触，圆柱体50的上部边缘与安瓿锥形区38的肩部接 触。这种构造使固体与固体的接触最小化，从而保证较少发生或不发生非 颠望的、相对无法控制的热传导。因此，热量由其他更受控制的方法所产 生。将诸如陶瓷纤维的低密度绝缘材料填入大部分支撑圆柱体50的内部， 并只在绝缘材料大约中心的位置留出中空轴向核心52,来接收安瓿26的 籽井42。在其他实施例中，低密度绝缘材料还包括氧化铝纤维(1800°C )、 氧化铝-二氧化硅纤维(1426°C )和/或氧化锆纤维(2200°C )。将绝缘材料 小心地力l置在坩埚架22中。当安瓿26坐于圆柱体50顶端时，安吾瓦26的 重量将绝缘材料向下压，然后形成倾斜的绝缘材料边缘54。在大部分圆柱 体内部填入低密度绝缘材料可以降低空气流动，其能保证较少发生或不发 生非期望的、相对无法控制的对流流动。类似于传导，对流是一种无法控 制的传热方法，其会对VGF以及其他生长工艺造成破坏。
直径约等于安瓿籽井42的中空核心52，向下延伸到距离安瓿籽井42 底部一小段距离的地方。在另一个实施例中，中空核心52穿过坩埚架从 籽井的底部延伸到炉子装置24的底部。中空核心52提供了 一条自晶体中 心的冷却通道。其对籽井以及生长中的晶体的中心起冷却作用。利用此结 构，热量向下穿过固态晶体以及籽的中心散出，并向下穿过晶体支撑物22 中绝缘材料的中空核心52。如果没有中空核心52，冷却中的晶锭中心温 度通常会高于与外表面接近的晶体材料的温度。在这种情况下，任意水平 横截面上的晶锭中心将在其周边固化之后结晶。在这些条件下无法制成具 有均匀电学性能的晶体。通过将中空核心52包括进晶体支撑物的方法， 热量通过安瓿26的底部以及中空核心52向下传导，乂人辐射通道56传出。 降低晶体生长中心的热量很重要，因为这样使等温层在晶体直径范围内保 持平坦，保持平坦的晶体熔化界面可以使晶体产品具有均匀的电学及物理 ，f生能。
圆柱体50中的低密度绝缘材料阻碍热辐射从一组炉子加热组件60到 籽晶区42中安瓿26的流动，因此该方法需要形成多个穿过绝缘材料的水 平的辐射通道/开口/隧道56。辐射通道56穿过绝缘材料以提供热辐射输 出，以便可控制地将热从炉加热组件60传导到安瓿籽井42。辐射通道56 的数量、形状及直径根据具体条件而变化。辐射通道还可以是倾斜的、弯 曲的或波紋状的。辐射通道也不一定必须为连续的，因为其可以仅延伸并 部分地穿过绝缘材料，这有助于将对流最小化。在一个实施例中，这些通 道的直径很小，约为铅笔的宽度，这样空气对流就可以忽略。根据本发明 的其他实施例，也可以使用横截面积约为1平方英寸或更大尺寸的较大的 孔。穿过绝缘材料的辐射通道56也可以与位于绝缘材料中心的中空核心52协同工作，从而将辐射热量从晶体的中心引出，并利用平面等温温度梯 度层冷却晶体。辐射通道56能够实现温度控制从而直接与晶体生长的产 量相关。
图1所示的炉子24是一可用于垂直梯度凝固(VGF)以及垂直布里 奇曼(VB)或垂直布里奇曼斯托克巴杰(VBS )晶体生长工艺的炉子的例子， 还可以使用其他的炉子。在VGF晶体生长工艺中，位于自身静止的热源 中的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。在VB晶体生长工艺中，热 源及其固定的结晶温度梯度保持静止，而晶体进行移动。在VBS晶体生 长工艺中，热源及其固定的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。
图2示意出具有体嵌晶72的晶锭70。如图2所示，当在多于一个不 同生长面发生晶体生长时，通常形成体嵌晶。当体嵌晶发生时，位于该体 嵌晶及其上的晶体是不可用的，必须回收。体嵌晶使晶体生长工艺的产量 降低，因此人们期望能减少体嵌晶。 一些炉子和工艺改变炉子的锥形部分 的角度，但这不能解决体嵌晶的问题。对于给定的炉子，能够克服体嵌晶 问题的炉子和晶体生长工艺导致更长的晶体，从而获得更大的产量。
图3示意出使用垂直梯度凝固(VGF)以及垂直布里奇曼(VB)工艺步 骤的用于晶体生长的方法80,其能够减少体嵌晶从而获得更长的晶体及更 大的产量。在晶体生长的过程中，按如上所述制做用于晶体生长(82)的 炉子。使用VGF工艺(84)从籽开始进行最初的晶体生长。在晶体生长 过程中的某点上，使用VB工艺(86)或VBS工艺来完成晶体生长。在使 用VB或VBS工艺时，熔/固线保持在一定水平，然后工艺在固定的条件 下继续进行，因为并不需要像VGF工艺那样，后者通常随体积减小而改 k工艺。在该工艺的一个实现方式中，VB工艺可以在如图1所示的锥形 区38上方约12-15mm ( 1/2英寸)处使用。VGF和VB工艺的结合能够获 得具有较少体嵌晶的更长的晶体。以上方法还可以与在图l所示的炉子一 起使用，但也可以与其他晶体生长的炉子使用。该方法可以用来生长直径 为2英寸-6英寸或更大的晶体。
如图4所示，装载坩埚90位于坩埚27上方，使坩埚27能够装载更 多的原材料。具体地说，砷化镓原材料92为固态的，因此不能紧凑地安 放在坩埚27中待熔化。于是使用装载坩埚来携带额外的原材料，使其熔 化并向下流入坩埚中，从而导致在坩埚27中填装更多的砷化镓，因而获 得更长的砷化镓晶体。例如最初将大约65%的原材料填入装载坩埚卯中，35%的原材料直接填入坩埚27中。作为非限制性的例子，上述用于填装晶 体生长炉的方法，可将15千克的原料装入炉中，生产出115mm的没有系 语的晶锭，从而获得115个晶圆。
以下对^^用以上晶体生长炉及方法(VGF和VB组合的)所生长的直 径为6" ( 150mm)的砷化镓的例子进行详细描述。为了生长出一个示例性 的晶体，坩埚尺寸为直径150mm，晶体生长区40的长度为170mm。蚶埚 籽井区42的直径为7mm。在该例子中，将14千克的GaAs多晶材料装入 其中，用来生长非掺杂的GaAs晶锭。在操作过程中，首先将GaAs的籽 晶插入到pBN坩埚27的底部。然后，将14千克的GaAs多晶材料、作为 液态密封胶的100克的三氧化二硼加入。再将装好料的PBN坩埚插入到 石英安瓿中。使用石英盖在降低的压力下密封石英安瓿。然后将石英安瓿 装入炉中，置于坩埚架上。
一旦安瓿放入炉中，就以约270。C/小时的速度对石英安瓿进行加热。 在一个示例性的工艺中，当温度超过GaAs的熔点(1238°C) 27-28。C时， 就保持该温度点直到全部的多晶GaAs材料熔化(约10小时)。只要多晶 GaAs材料一熔化，就首先使用VGF方法开始晶体生长。然后在较低的加 热区域緩慢地降低温度，以便让晶体在籽晶部分开始生长，并通过过渡区 继续，直到晶体生长区以0.3-0.47。C/小时的冷却速度冷却，同时保持温度 梯度为从1.2至1.8°C/cm。
根据该示例性的工艺，当晶体在晶体生长区生长到约1英寸高时，开 始使用VB工艺。在VB工艺中，精确控制坩埚的下降速度以便获得0.29 。C/小时的冷却速度以及从1.8至5.2°C/cm的温度梯度。通过这样的工艺即 可从105mm长的晶锭中获得81mm长的高质量的晶体，晶体产率为77%。 单个晶基片从开始生长部分到生长部分末端的载流子浓度为9.02 x 106/cm3(9.02E6/cm3)$5.30 x 106/^113,其电阻率为1.33 x 108Qxm( 1.33E8 acm)到1.64x io8Q.cm。进一步地，开始部分的位错密度为3000/cm2, 生长部分的末端的位错密度为5000/cm2。在本领域中所熟知的是，技术人 员可以在本发明的范围内通过对各个系统参数做适当的变化进行工艺操 #，并不限于实施例中所作出的明确描述。
尽管上面参照本发明具体实施例对本发明进行了描述，但对于本领域 的技术人员来说还应该知道，在不脱离本发明的原则、精神，以及附后的 权利范围内，可以对实施例作各种修改。
权利要求
1.一种用于晶体生长的装置，包括具有加热源以及可移动坩埚架的晶体生长炉，所述坩埚架支撑具有原材料并包含有籽晶的坩埚；以及耦合于所述晶体生长炉的控制器，所述控制器用于控制所述加热源以及所述可移动坩埚架，以便当在所述炉子中时，在所述坩埚中进行晶体生长工艺，其中可对所述加热源进行调整以使结晶温度梯度相对于所述静止的坩埚移动，从而熔化所述原材料并重新将其制成单晶化合物；以及在到达预定的晶体生长长度时，在所述坩埚上进行晶体生长工艺，其中所述坩埚相对于所述静止加热源移动，以便继续熔化所述原材料并将其转化为单晶化合物。
2. 如权利要求l所述的装置，其中所述加热源为静止的加热源。
3. 如权利要求1所述的装置，其中所述晶体生长炉具有锥形晶体生长 区并且其中所述预定的晶体生长长度为在所述锥形晶体生长区之上约0.25 到约50mm。
4. 如权利要求l所述的装置，其中所述炉子还包括垂直梯度凝固炉。
5. 如权利要求3所述的装置，其中所述晶体生长炉制备出没有体嵌晶 的晶锭。
6. 如权利要求5所述的装置，其中所述晶锭为砷化镓。
7. 如权利要求1所述的装置，其中所述垂直梯度凝固工艺以约0.1到 约10.0。C/小时的冷却速率以及在约0.5到约10.0。C/cm之间的温度梯度的 条件下生长所述晶体。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述垂直布里奇曼工艺以冷却速率 为约0.1到约10.0。C/小时，温度梯度为从约0.5到约10.0°C/cm生长所述 晶体。
9. 如权利要求1所述的装置，还包括装载有砷化镓原材料的装载坩 埚，所述砷化镓原材料被熔化到所述坩埚中，以便向所述坩埚提供更大量 的砷化镓原材料。
10. —种用于晶体生长的装置，包括具有可移动加热源以及固定的坩埚架的晶体生长炉，所述固定的坩埚 架支撑具有原材料并包含有籽晶的坩埚；以及耦合于所述晶体生长炉的控制器，所述控制器用于控制所述可移动的 加热源，以便当在所述炉子中时，在所述坩埚上进行晶体生长工艺，其中 可对所述静止的加热源进行调整以使结晶温度梯度相对于所述静止的坩埚移动，从而熔化所述原材料并将其转化成单晶化合物；以及在到达预定 的晶体生长长度时在所述坩埚上进行晶体生长工艺，其中所述加热源相对 于所述静止的坩埚移动，从而继续熔化所述原材料并转化成单晶化合物。
11. 如权利要求IO所述的装置，其中所述晶体生长炉具有锥形晶体生 长区，并且其中所述预定的晶体生长长度为在所述锥形晶体生长区上方约 0.25到50mm。
12. 如权利要求IO所述的装置，其中所述炉还包括垂直梯度凝固炉。
13. 如权利要求11所述的装置，其中所述晶体生长炉生产出没有体嵌 晶的晶锭。
14. 如权利要求13所述的装置，其中所述晶锭为砷化镓。
15. 如权利要求IO所述的装置，其中所述垂直梯度凝固工艺以冷却速 率为约0.1到约10.0。C/小时，温度梯度介于约0.5到约10.0。C/cm之间生 长所述晶体。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述垂直布里奇曼斯托克巴杰工 艺以冷却速率为约0.1到约10.0。C/小时，温度梯度约0.5到约10.0°C/cm 生长所述晶体。
17. 如权利要求IO所述的装置，还包括装载有砷化镓原材料的装载坩 埚，所述砷化镓原材料熔化到所述坩埚中，以便向所述坩埚提供更大量的 砷化镓原材料。
18. —种用于晶体生长的方法，包括将带有坩埚的安瓿插入具有加热源的炉中，其中所述坩埚中具有籽晶 和原材料；采用垂直梯度凝固工艺生长晶体，其中将加热源内的所述结晶温度梯 度相对于所述静止的坩埚移动，以便熔化所述原材料并转化成单晶化合 物；以及在预定的晶体生长长度下，在所述炉子中的安瓿上采用垂直布里奇曼 工艺生长晶体，其中所述安瓿相对于所述静止的加热源移动，以便继续熔 化所述原材料并转化成单晶化合物。
19. 如权利要求18所述的方法，其中所述加热源为静止的加热源。
20. 如权利要求18所述的方法，其中所述炉具有锥形晶体生长区，并 且其中所述预定的晶体生长长度为在所述锥形晶体生长区上方约0.25到 约50mm。
21. 如权利要求18所述的方法，其中所述炉子还包括垂直梯度凝固炉。
22. 如权利要求20所述的方法，还包括生产出没有体嵌晶的晶锭。
23. 如权利要求22所述的方法，其中所述晶锭为砷化镓。
24. 如权利要求18所述的方法，其中采用所述垂直梯度凝固工艺生长 所述晶体还包括在冷却速率为约0.1到约10.0。C/小时，以及在温度梯度介 于约0.5到约10.0。C/cm之间的条件下生长所述晶体。
25. 如权利要求24所述的方法，其中釆用所述垂直布里奇曼工艺生长 所述晶体还包括在冷却速率为约0.1到约10.0。C/小时，以及在温度梯度介 于约0.5到约10.0°C/cm的条件下生长所述晶体。
26. 如权利要求18所述的方法，还包括装载，采用装载坩埚，将砷化 镓原材料的料装入坩埚，以便向所述坩埚提供更大量的砷化镓原材料。
27. —种用于晶体生长的方法，包括将带有坩埚的安瓿插入具有加热源的炉中，其中所述坩埚中具有籽晶 和原材料；采用垂直梯度凝固工艺生长晶体，其中在静止的加热源中的所述结晶 温度梯度相对于所述静止的坩埚移动，以便熔化所述原材料并转化成单晶 化合物；以及在预定的晶体生长长度下，在所述炉中的安瓿上采用垂直布里奇曼斯 托克巴杰工艺生长晶体，其中包含所述结晶温度梯度的所述加热源相对于 所述静止的安瓿移动，以便继续熔化所述原材料并转化成单晶化合物。
28. 如权利要求27所述的方法，其中所述炉具有锥形晶体生长区，并 且其中所述预定的晶体生长长度为在所述锥形晶体生长区上方约0.25到 约50mm。
29. 如权利要求27所述的方法，其中所述炉还包括垂直梯度凝固炉。
30. 如权利要求28所述的方法，还包括生产出没有体嵌晶的晶锭。
31. 如权利要求30所述的方法，其中所述晶锭为砷化镓。
32. 如权利要求27所述的方法，其中釆用所述垂直梯度凝固工艺生长 所述晶体还包括在冷却速率为约0.1到约10.0。C/小时，以及温度梯度介于约0.5到约10.(TC/cm之间的条件下生长所述晶体。
33. 如权利要求32所述的方法，其中采用所述垂直布里奇曼斯托克巴 杰工艺生长所述晶体还包括在冷却速率为约0.1到约10.0。C/小时以及温度 梯度从约0.5到约10.0°C/cm的条件下生长所述晶体。
34. 如权利要求27所述的方法，还包括装载，采用装载坩埚，将砷化 镓原材料的料装入坩埚，以便向所述坩埚提供更大量的砷化镓原材料。
全文摘要
本发明公开一种采用VGF和VB生长工艺进行晶体生长的系统和方法减少体嵌晶。在一个示例性的实施例中，提供一种将装有原材料的安瓿插入到具有加热源的炉中，采用垂直梯度凝固工艺生长晶体，其中所述结晶温度梯度可以相对于所述晶体和/或炉移动，从而熔化所述原材料并转化成单晶化合物，以及采用垂直布里奇曼工艺在坩埚上生长晶体，其中所述安瓿/加热源可以进行相对移动，以继续熔化所述原材料并转化成单晶化合物。
文档编号C30B11/00GK101555620SQ20081008954
公开日2009年10月14日 申请日期2008年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者G·A·艾里奥特, W·刘 申请人:Axt公司