一种用于制备半导体材料的套管式腔体结构制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。常用的材料制备系统一般分为闭管和开管两种方式，闭管系统采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℃(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。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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：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0.5mm～1.5mm之间；所述的内层管1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。所述的内层管1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。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。所述的次外层管3和外层管4的长度在600mm～800mm之间。所述的套管式腔体各部件均采用石英、石墨或氮化硼材料。所述的套管式腔体的套管层数不限于4层。本专利技术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：1套管构建的工艺腔体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1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1右侧的开口端。内层管1的左侧处于高温区T1(见图1(2))，右侧为设置气相源的低温区T2，反之，源材料9将全部迁移到材料制备区。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。内层管1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1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迁移，原子的迁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迁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，气相原子从内管迁移到套管外的距离就越长，内部气相原子的泄漏量也越小。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。2阻挡气体原子泄漏的塞子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迁移的速度。由于塞子尺寸较短，它与石英管的缝隙可以做得很小，原子从管内向管外迁移时不仅会在正面受到阻挡，穿越细狭缝也会给原子的迁移增加了阻挡作用。气相源材料管5本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)，其特征在于：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0.5mm～1.5mm之间；所述的内层管(1)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。

【技术特征摘要】
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(1)、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(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0.5mm～1.5mm之间；所述的内层管(1)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建荣，徐超，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31