[发明专利]一种用于晶体生长的垂直管式炉设备及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶体生长技术，具体涉及一种用于晶体生长的垂直管式炉设备及其使用方法。 

背景技术

利用布里奇曼法(Bridgman)进行晶体生长是近年来人们在探索新型半导体晶体材料生长方法初期所广泛采用的方法。该方法主要有以下优点：一是利用该方法进行晶体生长可无需籽晶的引导，而是根据晶体生长的几何淘汰机制自行淘汰出具有生长优势的籽晶，这在实验初期缺少籽晶的情况下显得尤为重要；二是该方法工艺简单，比较容易控制，对生长炉的要求也不是很高，通常情况下，自行设计的管式电阻炉只需满足晶体生长所需的温场要求，就可以用于布里奇曼法晶体生长，且在晶体生长过程中，只需控制好安瓿或温场移动的速率；三是该方法采用的封闭安瓿系统，使晶体生长不容易受到外界环境的污染，有利于高品质晶体的生长；四是通用性强。因此，通过对该方法的适当改进，可大大拓展该方法的适用范围，改善晶体质量。 

目前，人们通过对传统布里奇曼生长法进行改进，形成了一系列形式各样的生长方法。其中较典型的有垂直坩埚下降法(VB)，水平坩埚移动法(HB)，垂直温度梯度冷凝法(VGF)和水平温度梯度冷凝法(HGF)。垂直坩埚下降法(VB法)是先将多晶料装在一个下端带有籽晶袋的封闭安瓿中，生长前安瓿及其内部的多晶料处于高温区，多晶料在高温下熔融，然后使熔体随安瓿一起从高温区经过梯度区下降到低温区，在下降的过程中，熔体从底部籽晶袋开始结晶并逐渐往上生长，待固液界面穿过整个熔体之后，开始降温，晶体生长结束。水平坩埚移动法(HB)跟垂直坩埚下降法(VB)一样，都是将坩埚移动使熔体 从高温区依次通过梯度区进行晶体生长，但不同的是该方法的坩埚是采用水平方法移动，生长炉的温场设置也采用水平的方式。另外在VB和HB两种方法中还衍射出了另外一种方法，那就是安瓿不动，通过移动炉子的方法来达到同样的目的，其生长机理与VB和HB一样。VGF和HGF是固定安瓿和炉子不动，采用各温区逐次降温的方式进行生长，该方法的优点是安瓿和生长炉固定不懂，避免机械运动带来的干扰，但是这两种方法需要具备多温区单独控温的生长炉，对生长炉和降温工艺的要求比较高。 

但是，各个生长方法对提纯的效果尤其是杂质含量较多时的效果却不一样。VB和VGF都是自下向上生长，其生长方向与重力方向相反，因此对一些密度小于熔体密度的杂质比较容易排出。对一些密度大于熔体密度的杂质虽然也有一定的排出功效，但如果这类杂质浓度过高或是在生长过程中逐渐聚集形成一些第二相沉淀物，则很难被排出，从而在晶体内部形成生长条纹或包裹体，严重影响晶体的质量。HB和HGF则对密度大于熔体和小于熔体的杂质都有较好的排出效果，但在杂质密度较大的情况下，仍然难以达到理想的效果，使得所生长晶体尾部的质量都比较差。 

发明内容

[要解决的技术问题] 

本发明的目的是为了能够更好地排出组分中的高密度杂质，提供了一种用于晶体生长的垂直管式炉设备及其使用方法，解决了传统方法进行晶体生长时对高密度杂质排出不彻底的问题。该方法大大拓宽了垂直布里奇曼法生长晶体的适用范围，为高品质晶体的生长提供新的解决方案。 

[技术方案] 

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案： 

为了能够更好地排出组分中的高密度杂质，本发明设计了一种至上而下的生长方法，即生长方向与重力方向一致。这样即使存在杂质的聚集和沉淀，由于受重力向下的作用，也不需要很大的驱动力就能够将杂质排出晶体之外。本发明采用一种哑铃式的生长安瓿设计方法，用以解决传统生长安瓿，由于籽晶袋处于安瓿的上端，难以使熔体填满籽晶袋进行淘汰成核的问题。 

一种用于晶体生长的垂直管式炉设备，它包括套管、提拉装置和生长安瓿，所述套管内壁覆盖一层炉内保温层，所述炉内保温层内嵌入加热元，并且加热元靠近炉内保温层内壁，所述加热元形成一层加热元件；所述生长安瓿与提拉装置通过牵引线连接，生长安瓿在提拉装置的牵引下在套管内上下运动，其特征在于所述生长安瓿由挂钩、上放肩区、下放肩区、安瓿的上半区、安瓿的下半区和籽晶袋组成，所述的挂钩置于安瓿的上半区顶部并连接牵引线使生长安瓿与提拉装置连接；所述的籽晶袋在安瓿的上半区和安瓿的下半区之间，并通过上放肩区与安瓿的上半区连接，通过下放肩区与安瓿的下半区连接；所述安瓿的上半区柱内径和安瓿的下半区柱内径相同，且大于籽晶袋的柱内径；整个生长安瓿形似哑铃；所述加热元件使生长炉内从上至下分为低温区，梯度区和高温区三个温。 

根据本发明的一个优选实施方式，所述的加热元为静止的加热元。