[发明专利]锗晶体生长的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及锗(Ge)单晶材料生长的方法和装置。

背景技术

电装置及光电装置制造商通常需要尺寸较大并电性能均匀的半导体 单晶材料，将所述单晶材料经切片和抛光后，作为生产微电装置的基材。 对于半导体晶体的生长，其工艺包括多晶原料熔化（通常超过1,200℃） 从而产生一种多晶原料熔融体，使该熔融体与该材料制成的晶种接触， 并使该熔融体在与所述晶种接触面上进行结晶。为完成此目的所采用方 法有多种，可见于文献的有：提拉（Czochralski）(Cz)法及其衍生的 液封直拉（Liquid Encapsulated Czochralski）(LEC)法、水平布里 奇曼和坩埚下降（Horizontal Bridgman and Bridgman-Stockbarger） (HB)法及其垂直变型(VB)，以及梯度冷凝(GF)法及其变型、垂直梯度 冷凝(VGF)法。参见，例如《光、电及光电材料的本体晶体生长》（Bulk  Crystal Growth of Electronic,Optical and Optoelectronic  Materials，P.Clapper,Ed.,John Wiley and Sons Ltd,Chichester, England,2005），其中对这些技术及它们在多种材料的生长中的应 用有广泛讨论。

目前使用提拉技术并用于商业生产的，直径为152.4mm的，无位错 锗单晶生长已见报道，但尚未经证实(Vanhellemont and Simoen,J. Electrochemical Society,154(7)H572-H583(2007))。但是，直 径为101.6mm（4英寸）的锗单晶已由VGF和VB技术方法生长出来， 如文献中所述(Ch.Frank-Rotsch,et al.,J.Crystal Growth (2008)，doi：10.1016/j.jcrysgro.2007.12.020)。

如文献中报道的许多研究所表明，同Cz/LEC技术相比，VB/VGF 生长技术一般是使用较小的热梯度和较低的生长速率，从而生产出的 单晶位错密度低得多(参见:A.S.Jordan et al.,J.Cryst.Growth  128(1993)444-450，M.Jurisch et al.,J.Cryst.Growth275 (2005)283-291，和S.Kawarabayashi,6^th Intl.Conf.on InP and  Related Materials(1994),227-230)。所以，用VB/VGF方法生长 大直径、低位错密度（或无位错）锗单晶为优选方法。

在所有商业单晶生长生产中，晶棒（ingot）的低成本生长和晶棒 切片的高产出是追求的目标，即由单一晶棒上切出最大数目的可用单晶。 因而，如果希望在具有其他限制条件下尽可能生长出较长的晶棒，则意 味着需要使用一个大尺寸坩埚。通常由于待装的多晶块料形状不等，原 料之间余留的空隙很多，填充系数很低。当所述的装添料熔化后，熔融 体仅填充部分坩埚。考虑到熔融体的体积需要和现有坩埚的结构，用附 加的材料来补充熔融体是工艺重要的组成部分，也是一个复杂的工艺过 程。对于某些材料例如锗尤其如此：与Si(热导率和密度分别为 1.358W cm^-1℃^-1和2.3332gcm^-3)相比，锗具有低的热导率(0.58W cm^-1℃^-1)和高的密度(5.32gcm^-3)，因而受到特别的方法限制。

已知在晶体生长中补充熔融体已有几种尚未成熟的工艺，例如将 未熔化的多晶原料加至用于生长Si单晶的Si熔体中的工艺，及将原料 装入用来生长Cz单晶坩埚的工艺。类似这些的技术工艺均可实行，因 为Cz(或LEC)体系为开放系统，而且相对容易给坩埚添料。但是，对 于坩埚被封装在安瓿中的VGF和VB技术，所述方法则行不通。此外， 对于特殊掺杂的锗单晶生长特殊要求，也限制了上述一般方法的使 用，例如砷（As）作为掺杂剂的掺杂工艺、由于砷具有的毒性及挥发 性使锗单晶的掺砷工艺受到了限制。

发明内容

本发明提供一种方法，该方法在原始装入的原料已熔化而晶体尚未 开始生长之前，可在VGF或VB方法中将其他原料的熔融体添加至坩埚中， 从而长出更大的单晶晶棒。