一种超临界流体状态下生长晶体的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了超临界流体状态下生长晶体的装置及方法，属于半导体材料的制备领域，所述装置包括炉体、上下设置在炉体内部的高温室、生长室和贯穿高温室、生长室的反应气体通道；在高温室中的坩埚中放置单质熔体，将超临界流体通过反应气体通道注入到熔体中，在高温下，熔体原子混合进入高温超临界流体中，超临界流体然后进入生长室中，遇到温度较低的籽晶，开始生长化合物晶体。采用本发明专利技术提出的装置和方法，原料不使用多晶料而使用纯元素A，反应气体即起到携带纯元素A的作用，在生长室还与纯元素A合成晶体，提高效率；反应气体在反应过程中从外部注入，速度和数量可控，加快晶体生长。生长。生长。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界流体状态下生长晶体的装置及方法


[0001]本专利技术属于半导体材料的制备领域，具体为一种超临界流体状态下生长晶体的装置及方法。

技术介绍

[0002]化合物半导体是制备半导体器件的基础，在信息领域具有重要作用。但是很多化合物半导体很难制备。例如氧化镓、碳化硅很难通过熔体法直接制备，需要物理气相沉积等手段进行生长，生长成本高、效率低；磷化铟、磷化镓需要在高压环境下制备，晶体尺寸很难长大，且成品率很低。
[0003]另外，以生长磷化铟晶体为例，目前的技术手段是先生成化合物，再生长单晶。虽然可以实现同位生长，但仍存在周期长等问题。
[0004]随着温度和压力的变化，部分物质会相应的呈现出固态、液态、气态三种相态。三态之间相互转化的温度和压力称为三相点，除三相点外，分子量不太大的稳定物质还存在一个临界点，临界点由临界温度、临界压力和临界密度构成，当把处于气液平衡的物质升温升压时，热膨胀引起液体密度减少，压力升高使气液两相的界面消失，成为均相体系，这一点成为临界点。
[0005]高于临界温度和临界压力以上的流体是超临界流体。超临界流体处于气液不分的状态，没有明显的气液分界面，既不是液体也不是气体。当水的温度和压强升高到临界点 (t=374.3 ℃，p=22.05 MPa) 以上时，就处于一种既不同于气态，也不同于液态和固态的新的流体态——超临界态，该状态的水即称之为超临界水。
[0006]由于超临界流体处于超临界状态，对温度和压力的改变十分敏感，具有十分独特的物理性质，它的黏度低、密度大，有良好的流动、传质、传热和溶解性能，因此被广泛用于节能、天然产物萃取、聚合反应、超微粉和纤维的生产，喷料和涂料、催化过程和超临界色谱等领域。
[0007]在制备氮化镓单晶的工艺中，有利用超临界状态物质的方法。
[0008]氮化镓单晶的生长方法有氢化物气相外延法、高压氮气溶液法、水热法、氨热法、Na助熔剂法等。水热法和氨热法均属于溶剂热法，是指在超临界状态或亚临界状态，或两种状态共存状态下的溶剂结晶制造方法，以水为溶剂时称为水热法，以氨为溶剂时称为氨热法。如中国专利申请CN112048771 A披露，其工艺过程为：将氮化镓多晶料、矿化剂和籽晶分别放置在不同容腔内，容腔中充入氨气，封闭容腔并分别加热，利用容腔间的温度差使氨气在不同的容腔间流动，氨气获取多晶料并携带多晶料到籽晶所处的容腔，在籽晶处生长单晶。
[0009]在生长磷化铟、碳化硅、氧化镓等工艺中，未见类似方法。并且，上述工艺中，原料是多晶料，氨气只是携带反应物质，并不参与反应；氨气的运动速度取决于容腔间的温度差，不能从外部控制。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种装置和使用该装置生长半导体晶体的方法，以解决上述问题。
[0011]为实现专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0012]一种超临界流体状态下生长晶体的装置，包括封闭的炉体、连接管路的平衡气阀、连接管路的真空阀门，关键在于，所述炉体顶部设置进气口、进气口中设置有注入管，所述注入管的下端对准高温室内的坩埚中央，高温室设置在生长室上方，所述高温室和生长室之间有流体通道连通，所述生长室内部设置生长基板，炉体底部设置出气口，出气口内设置排出管，排出管上端进入生长室，排出管上设置气通阀和泄放阀。
[0013]高温室外围设置主加热体，流体通道外围设置第一辅助加热体，生长室外围设置第二辅助加热体。
[0014]所述高温室外侧、流体通道外侧和生长室外侧分别设置第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶。
[0015]进一步的，所述注入管通过第一单向阀连接气源盒，所述排出管通过气体加压泵连接第二单向阀，第二单向阀连接注入管，气体加压泵连接气源盒。
[0016]基于上述装置，本专利技术还提出了一种超临界流体状态下生长晶体的方法，包括以下步骤：步骤1、将纯元素A放置到坩埚中，将片状籽晶固定到生长基板；步骤2、装配超临界流体状态下生长晶体的装置；步骤3、打开真空阀门给炉体抽真空，打开泄放阀给高温室和生长室抽真空，抽真空至10
‑5Pa
‑
10Pa；关闭真空阀门和泄放阀；步骤4、通过主加热体加热高温室至T1，通过第一辅助加热体加热传输恒温管（2
‑
4）至T1；通过第二辅助加热体加热生长室至T2；T1大于纯元素A的熔点，T2是适合化合物的生长温度，T1>T2；步骤5、提升注入管至纯元素A上方，关闭气通阀，打开平衡气阀向炉体中充入惰性气体，使炉体内部压力达到P1，同时通过注入管向高温室中充入反应气体，保持高温室内外压力一致；高温室的温度和压力达到T1和P1后，停止充入惰性气体，保持温度；P1和T1大于等于反应气体的临界条件；步骤6、下降注入管插入纯元素A的熔体中，通过注入管向纯元素A熔体中注入反应气体；打开气通阀，使得生长室内的气体流出；保持生长室内的温度T2；反应气体A处于超临界流体状态，富含纯元素A，遇到生长基板上的片状籽晶开始生长形成化合物晶体；步骤7、生长结束后，停止注入反应气体，上升注入管，打开泄放阀，关闭气通阀，同时逐渐减低高温室、生长室与炉体内的压力至炉体外的环境压力；向高温室充入惰性气体直至排尽反应气体；停止主加热体、第一辅助加热体和第二辅助加热体的加热，待达到室温后，切割拆除设备，取出晶体；所述纯元素A和反应气体反应后生成半导体材料。
[0017]本专利技术将超临界流体状态的反应气体注入纯元素A的熔体中，利用超临界流体的
特质，反应气体溢出熔体后携带丰富的纯元素A，在进入生长室后，遇到低温环境下的籽晶，生长形成化合物晶体。
[0018]有益效果：采用本专利技术提出的装置和方法，可以生长一些难以通过熔体法生长的晶体；相较传统的物理气相法、化学气相法，可以快速生长晶体；本专利技术不使用矿化剂，原料不使用多晶料而使用纯元素A，反应气体即起到携带纯元素A的作用，在生长室还与纯元素A合成晶体，提高效率；反应气体在反应过程中从外部注入，速度和数量可控，加快晶体生长。
[0019]下面结合附图对本专利技术做进一步说明。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的装置示意图；图2为高温室的结构示意图；图3为生长室的结构示意图；图4为炉体外的气体管路示意图；图5为炉体外的气体管路另一个示意图。
[0021]其中，1：炉体；2：高温室；2
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1：进气管；2
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2：高温室上盖；2
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3高温主体室；2
‑
4：传输恒温管；3：进气口；4：主加热体；5：坩埚；5
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1：坩埚支撑；5
‑
2：坩埚支撑通气孔；6：纯元素A熔体；7：平衡气阀；8：真空阀门；9：第一辅助加热体； 10
‑
1：第一热电偶；10
‑
2：第二热电偶；10
‑
3：第三热电偶；11：生长室；11
‑
1：生长室上盖；11
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超临界流体状态下生长晶体的装置，所述装置包括封闭的炉体（1）、平衡气阀（7）、真空阀门（8），其特征在于，所述炉体（1）顶部设置进气口（3）、进气口（3）中设置有注入管（17），所述注入管（17）的下端对准高温室（2）内的坩埚（5）中央，高温室（2）设置在生长室（11）上方，所述高温室（2）和生长室（11）之间有流体通道连通，所述生长室（11）内部设置生长基板（12），炉体（1）底部设置出气口（15），出气口（15）内设置排出管（16），排出管（16）上端进入生长室（11），排出管（16）上设置气通阀（19）和泄放阀（20）；所述高温室（2）外围设置主加热体（4），所述流体通道外围设置第一辅助加热体（9），所述生长室（11）外围设置第二辅助加热体（14）；所述高温室（2）外侧、流体通道外侧和生长室（11）外侧分别设置第一热电偶（10
‑
1）、第二热电偶（10
‑
2）和第三热电偶（10
‑
3）。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高温室（2）包括高温主体室（2
‑
3）、高温室上盖（2
‑
2）、高温室上盖（2
‑
2）中部设置的供注入管（17）通过的进气管（2
‑
1）以及传输恒温管（2
‑
4），所述传输恒温管（2
‑
4）为流体通道。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生长室（11）包括生长主体室（11
‑
3）、生长室上盖（11
‑
1）、生长室上盖（11
‑
1）中部设置的与流体通道的接口（11
‑
2）以及生长主体室（11
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3）底面中部设置的供排出管（16）通过的传输出口（11
‑
4）。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注入管（17）通过第一单向阀（22
‑
1）连接气源盒（23），所述排出管（16）通过气体加压泵（21）连接第二单向阀（22
‑
2），第二单向阀（22
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2）连接注入管（17），气体加压泵（21）连接气源盒（23）。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述排出管（16）和气体加压泵（21）之间设置冷凝室（24）。6.一种超临界流体状态下生长晶体的方法，其特征在于，使用权利要求1
‑
5任一所述的超临界流体状态下生长晶体的装置实现，包括以下步骤：步骤1、将纯元素A放置到坩埚（5）中，将片状籽晶（13）固定到生长基板（12）；步骤2、装配超临界流体状态下生长晶体的装置；步骤3、打开真空阀门（8）给炉体（1）抽真空，打开泄放阀（20）给高温室（2）和生长室（11）抽真空，抽真空至10
‑5Pa
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10Pa；关闭真空阀门（8）和泄放阀（20）；步骤4、通过主加热体（4）加热高温室（2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：王书杰，孙聂枫，史艳磊，王阳，徐森锋，顾占彪，张晓丹，康永，赵红飞，李亚旗，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：