阅读说明：本技术 一种InSb晶体生长固液界面控制方法及装置 (InSb crystal growth solid-liquid interface control method and device ) 是由 赵超 董涛 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种InSb晶体生长固液界面控制方法及装置,晶体生长装置包括：炉体、容器、加热组件、提拉组件和冷却组件。容器设于炉体内,加热组件用于加热容器,以熔融容器内的原材料。提拉组件可活动地设于炉体内,提拉组件用于将籽晶与容器内熔融的原材料进行熔接,以进行晶体生长。冷却组件靠近晶体设置,冷却组件用于对晶体进行冷却。根据本发明的晶体生长装置,在晶体生长过程中,可以利用冷却组件对晶体进行冷却降温,以控制晶体生长过成中的温度,从而可以对晶体生长时固液界面的形状进行有效控制,使固液界面有效控制为微凸界面,从而可以降低锑化铟晶体的位错密度,提高锑化铟径向电学参数,进而提高锑化铟晶体材料的质量。(the invention provides a method and a device for controlling a solid-liquid interface for InSb crystal growth, wherein the crystal growth device comprises: furnace body, container, heating element, carry and draw subassembly and cooling module. The container is arranged in the furnace body, and the heating assembly is used for heating the container so as to melt the raw materials in the container. The pulling assembly is movably arranged in the furnace body and is used for fusing the seed crystal and the raw material melted in the container so as to grow the crystal. The cooling assembly is disposed proximate to the crystal and is configured to cool the crystal. According to the crystal growth device, in the crystal growth process, the cooling assembly can be used for cooling the crystal to control the temperature of the crystal during growth, so that the shape of a solid-liquid interface during crystal growth can be effectively controlled, the solid-liquid interface is effectively controlled to be a slightly convex interface, the dislocation density of the indium antimonide crystal can be reduced, the radial electrical parameters of indium antimonide are improved, and the quality of the indium antimonide crystal material is improved.)

一种InSb晶体生长固液界面控制方法及装置

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种InSb晶体生长固液界面控制方法及装置。

背景技术

InSb(锑化铟)是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，因其极高的电子迁移率、非常窄的禁带宽度、具备红外探测能力等优点，被应用于热成像、自由空间通讯、光电子集成电路等领域。目前红外探测领域已经将该材料大规模的用于制造3～5μm波长范围的焦平面阵列探测器，由最早的单元光敏器件发展到现在的2048×2048焦平面阵列(FPA)。现如今随着InSb探测器制备技术的日渐成熟，对于更大规模、更高性能探测器的需求日益增长，而更大尺寸的探测器意味着其需要在更大尺寸的，质量更优的材料上进行制备，所以研制更大尺寸更高质量的InSb材料迫在眉睫。

InSb晶体的位错密度，径向电学参数均匀性是影响FPA性能的重要因素。其中，位错是晶体结构中的不连续性，会产生应变场和/或悬挂的键点，从而中断电荷在位错附近区域的传输。这种效应会降低探测器连接处的迁移率和少数载流子寿命，从而导致更高的电阻、较差的信噪比，以及在有位错的区域中探测器响应的均匀性较差。

对于FPA成像器件，由于晶圆质量较低而导致的性能下降表现为死点或暗点像素和像素簇，或在晶圆的不同部分的不均匀光响应。径向电学参数不均匀会导致PN结建立后结深的不同，从而导致最终制备成的FPA性能的不均匀，有时会导致其无法使用。因此，必须尽量减少材料中的位错，提高径向电学参数均匀性。

位错的重要产生原因之一是生长界面的应力。当应力大于屈服应力时，位错产生。InSb晶体中径向电学参数分布不均匀主要是因为局部“小平面”效应造成的，该效应在InSb晶体生长过程中尤为严重。在晶体生长过程中平坦的固液界面能够最小化生长界面应力以及全局化“小平面”效应。但是平坦的固液界面在生长过程中极不稳定，很难一直保持，所以固液界面的控制目标是微凸形状，同时在生长过程中固液界面需要被仔细的控制，来获得高质量的InSb材料。

InSb晶体主流制备技术Czochralski法。Czochralski法是将高纯原材料装入炉膛，充入氢气气氛，使用电阻或者感应加热将装在高纯度石英坩埚中的原材料熔化，然后将籽晶***熔体表面进行熔接，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、缩颈、转肩、等径生长、收尾等过程，生长出晶体。之前InSb晶体生长时，因其特殊的性质，无有效的固液界面调整方法。

然而上述方法中，未能有效降低位错密度和提高径向电学参数均匀性，最终影响InSb材料的质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是降低锑化铟晶体的位错密度，提高锑化铟径向电学参数，进而提高锑化铟晶体材料的质量。本发明提出了一种InSb晶体生长固液界面控制方法及装置。

根据本发明实施例的晶体生长装置，包括：

炉体；

容器，所述容器设于所述炉体内，所述容器内盛有原材料；

加热组件，所述加热组件用于加热所述容器，以熔融所述容器内的原材料；

提拉组件，所述提拉组件可活动地设于所述炉体内，所述提拉组件用于将籽晶与所述容器内熔融的原材料进行熔接，以进行晶体生长；

冷却组件，所述冷却组件靠近所述晶体设置，所述冷却组件用于对所述晶体进行冷却。

根据本发明实施例的晶体生长装置，在晶体生长过程中，可以利用冷却组件对晶体进行冷却降温，以控制晶体生长过成中的温度，从而可以对晶体生长时固液界面的形状进行有效控制，使固液界面有效控制为微凸界面，从而可以降低锑化铟晶体的位错密度，提高锑化铟径向电学参数，进而提高锑化铟晶体材料的质量。

根据本发明的一些实施例，所述籽晶固定于所述提拉组件的下方，所述冷却组件包括：

冷却流道，所述冷却流道位于所述提拉组件内；和

冷媒，所述冷媒在所述冷却流道内流动，以冷却所述晶体。

在本发明的一些实施例中，所述装置还包括：

保温罩，所述保温罩罩设于所述容器上方，所述保温罩的顶部设有开口，所述提拉组件可活动地穿过所述开口。

根据本发明的一些实施例，所述保温罩的顶壁被构造为朝向所述容器延伸的锥形。

根据本发明的一些实施例，所述炉体设有进气口和出气口，所述进气口位于所述晶体的上方，所述出气口位于所述晶体的下方。

根据本发明的一些实施例，所述晶体包括等径段，所述等径段的直径与所述容器内径的之比的范围为1：1.5～1：4。

根据本发明实施例的InSb晶体生长固液界面控制方法，采用上述所述的晶体生长装置进行晶体生长，所述晶体生长包括：引晶阶段、放肩阶段、等径段生长阶段和收尾阶段。

根据本发明实施例的InSb晶体生长固液界面控制方法，可以根据晶体生长过程中各阶段的固液界面形状，针对性的设计形状控制步骤，最终将全程的晶体生长固液界面稳定控制，优化了晶体质量。

根据本发明的一些实施例，在所述引晶阶段到所述放肩阶段，所述提拉组件带动所述晶体以第一转速转动；

在所述放肩阶段到所述等径段生长阶段，所述提拉组件带动所述晶体以第二转速转动；

在所述等径段生长阶段到所述收尾阶段，所述提拉组件带动所述晶体以第三转速转动；

其中，所述第一转速大于所述第二转速，所述第二转速大于所述第三转速。

在本发明的一些实施例中，在所述引晶阶段到所述放肩阶段，所述容器位于所述炉体内的第一位置；

在所述放肩阶段到所述等径段生长阶段，所述容器位于所述炉体内的第二位置；

在所述等径段生长阶段到所述收尾阶段，所述容器位于所述炉体内的第三位置；

其中，所述第一位置高于所述第二位置，所述第二位置高于所述第三位置。

根据本发明的一些实施例，在所述引晶阶段到所述放肩阶段，所述冷却组件内的冷媒的流量为第一流量；

在所述放肩阶段到所述等径段生长阶段，所述冷却组件内的冷媒的流量为第二流量；

在所述等径段生长阶段到所述收尾阶段，所述冷却组件内的冷媒的流量为第三流量；

其中，所述第一流量小于所述第二流量，所述第二流量小于所述第三流量。

附图说明

图1是晶体生长时固液界面形状示意图；

图2是根据本发明实施例的晶体生长装置结构示意图；

图3是根据本发明实施例的晶体生长装置结构示意图；

图4是根据本发明实施例的晶体生长装置的容器的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的晶体生长装置的保温罩的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的晶体生长方法流程图。

附图说明：

装置100，炉体10，进气口110，出气口120，容器20，原材料210，加热组件30，提拉组件40，冷却组件50，冷却流道S1，冷媒510，保温罩60，开口610，支撑组件70，籽晶80，晶体90。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

如图1所示，晶体在生长过程中，晶体与熔体之间形成固液界面，固液界面的形状可能为图1中所示的凸界面、凹界面、微凸界面以及不稳定界面等。而在晶体生长过程中，如InSb(锑化铟)晶体生长，保持微凸固液界面，可以有效降低位错密度和提高径向电学参数均匀性，从而提高InSb材料的质量相关技术中，未曾有提出针对晶体生长固液界面进行有效控制的方法。

如图2所示，根据本发明实施例的晶体生长装置100，包括：炉体10、容器20、加热组件30、提拉组件40和冷却组件50。

具体而言，容器20设于炉体10内，容器20内盛有原材料210。加热组件30用于加热容器20，以熔融容器20内的原材料210。

需要说明的是，本发明的晶体生长装置100可以用于InSb(锑化铟)晶体的生长。容器20内可以盛有InSb原材料210，InSb在容器20内可以被加熔融至液态。可以理解的是，本发明还可以用于其他具有类似晶体的生长，上述InSb晶体生长仅是举例说明。

提拉组件40可活动地设于炉体10内，提拉组件40用于将籽晶80与容器20内熔融的原材料210进行熔接，以进行晶体90生长。这里所述的“可活动”可以理解为提拉组件40可以在炉体10内移动和转动。例如，当采用本发明的装置100进行InSb晶体的生长时，提拉组件40可以将籽晶80移动至容器20内熔融的液态InSb原材料210的液面，使籽晶80与液态InSb熔接，以进行晶体90的生长。

冷却组件50靠近晶体90设置，冷却组件50用于对晶体90进行冷却。需要说明的是，通过冷却组件50对晶体90进行冷却，可以控制晶体90的温度。

根据本发明实施例的晶体生长装置100，在晶体生长过程中，可以利用冷却组件50对晶体进行冷却降温，以控制晶体生长过成中的温度，从而可以对晶体生长时固液界面的形状进行有效控制，使固液界面有效控制为微凸界面，从而可以降低锑化铟晶体的位错密度，提高锑化铟径向电学参数，进而提高锑化铟晶体材料的质量。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，籽晶80可以固定于提拉组件40的下方。由此，可以通过提拉组件40带动籽晶80运动，以便于晶体90生长。冷却组件50可以包括：冷却流道S1和冷媒510。

其中，如图1所示，冷却流道S1可以位于提拉组件40内，冷媒510可以在冷却流道S1内流动，以冷却晶体90。例如，冷媒510可以为冷却水或其他冷媒510介质。冷却水可以在提拉组件40内的冷却流道S1内循环流动，在晶体90生长过程中，通过控制冷却水的温度和流量可以控制晶体90轴向的温度梯度，从而可以控制晶体90生长过程中的固液界面形状。

在本发明的一些实施例中，如图2和图5所示，装置100还可以包括：保温罩60，保温罩60罩设于容器20上方，保温罩60的顶部设有开口610，提拉组件40可活动地穿过开口610。需要说明的是，如图2所示，容器20可以为坩埚，保温罩60设于坩埚的上方。保温罩60能够阻挡来自坩埚侧壁、热的熔体对于晶体90的辐射，提高晶体90轴向的温度梯度，加速晶体90内部热量的导出，从而可以降低晶体90径向温度梯度，得到平坦微凸的固液界面，提升晶体90的质量。

根据本发明的一些实施例，如图5所示，保温罩60的顶壁可以被构造为朝向容器20延伸的锥形。经过实验验证，将保温罩60的顶壁设置为朝向容器20内延伸的锥形，有利于提高保温罩60的保温效果，降低晶体90径向温度梯度，从而在晶体90生长过程中，维持图1中所示的微凸固液界面效果，提升晶体90的质量。

在本发明的一些实施例中，保温罩60的顶壁与保温罩60的侧壁之间的夹角范围为0°～60°。如图5所示，保温罩60的顶壁与侧壁之间的夹角为α，满足：0°≤α≤60°。经过实验验证，当满足：0°≤α≤60°时，便于保温罩60的加工制造，而且，有利于位置晶体90生长时的微凸固液界面，从而可以提高晶体90的质量。

根据本发明的一些实施例，如图3所示，炉体10可以设有进气口110和出气口120，进气口110位于晶体90的上方，出气口120位于晶体90的下方。例如，在进行InSb晶体90生长时，可以通过进气口110向炉体10内通入氢气，使晶体90在氢气氛围内生长。由此，可以避免晶体90生长时被污染，提高了晶体90的质量。

如图3所示，进气口110可以设于炉体10的顶壁，出气口120可以设于炉体10的底壁。可以理解的是，氢气的密度较轻，通过将进气口110设在炉体10的顶壁，出气口120设在炉体10的底壁，有利于使炉体10内充满氢气，从而提高晶体90的生长质量。

在本发明的一些实施例中，在晶体90生长过程中，气体以流速范围为0.02L/min～10L/min由进气口110流入炉体10。经过实验验证，当气体流速范围在0.02L/min～10L/min时，能够为晶体90生长提供相应的气体氛围，而且，可以减弱气体流动对于晶体90和生长界面处的吹扫，从而降低炉体10内气体对晶体90固液界面的影响，提高固液界面的稳定性。

根据本发明的一些实施例，如图2和图3所示，晶体90可以包括等径段，等径段的直径与容器20内径的之比d3/d1的范围为1：1.5～1：4。需要说明的是，晶体90的等径段可以理解为，晶体90的直径相等的圆柱段。晶体90的等径段与容器20的内径之比设置的过大，在晶体90生长过程中，晶体90容易触碰到容器20，不利于晶体90的生长。晶体90的等径段与容器20的内径之比设置的过小，不利于固液界面形状的控制。经过实验验证，通过设置晶体90的等径段的直径与容器20内径的比的范围设置为1：1.5～1：4，便于晶体90的生长，而且，有利于控制晶体90生长时的固液界面形状。

根据本发明实施例的InSb晶体生长固液界面控制方法，采用上述的晶体生长装置100进行晶体生长，晶体生长包括：引晶阶段、放肩阶段、等径段生长阶段和收尾阶段。

根据本发明实施例的InSb晶体生长固液界面控制方法，可以根据晶体生长过程中各阶段的固液界面形状，针对性的设计形状控制步骤，最终将全程的晶体生长固液界面稳定控制，优化了晶体质量。

根据本发明的一些实施例，在引晶阶段到放肩阶段，提拉组件40带动晶体90以第一转速转动；

在放肩阶段到等径段生长阶段，提拉组件40带动晶体90以第二转速转动；

在等径段生长阶段到收尾阶段，提拉组件40带动晶体90以第三转速转动；

其中，第一转速大于第二转速，第二转速大于第三转速。

需要说明的是，如图2所示，在晶体90生长过程中，提拉组件40可以带动晶体90转动和沿上下方向移动。当增加晶体90转速，可以使固液界面由凸变平变凹。

在晶体90生长过程中，在引晶到放肩初始阶段，固液界面的形状是凸向熔体的，即图1中所示的凸界面。从放肩后端到等径初始阶段，固液界面形状逐渐由凸形变至平坦，从等径后段到收尾阶段固液界面形状由平坦逐渐变为凹形，即图2中所示的凹界面。

为了使晶体90生长过程中，晶体90生长的固液界面保持平坦微凸形状，即图1中所示的微凸界面，在引晶阶段到放肩阶段，提拉组件40带动晶体90以速度较大的第一转速转动；在放肩阶段到等径段生长阶段，提拉组件40带动晶体90降低至小于第一转速的第二转速转动；在等径段生长阶段到收尾阶段，提拉组件40带动晶体90降低至小于第二转速的第三转速转动。由此，可以使晶体90生长过程中，晶体90生长的固液界面保持图1中所示的微凸界面，提高晶体90质量。

在本发明的一些实施例中，在引晶阶段到放肩阶段，容器20位于炉体10内的第一位置；

在放肩阶段到等径段生长阶段，容器20位于炉体10内的第二位置；

在等径段生长阶段到收尾阶段，容器20位于炉体10内的第三位置；

其中，第一位置高于第二位置，第二位置高于第三位置。

需要说明的是，如图2所示，在晶体90生长过程中，可以通过支撑组件70带动调整容器20的位置。当容器20位置较高时，因晶体90向外的热辐射较大，会形成凹向熔体的固液界面，即图1中所示的凹界面。

在晶体90生长过程中，在引晶到放肩初始阶段，固液界面的形状是凸向熔体的，即图1中所示的凸界面。从放肩后端到等径初始阶段，固液界面形状逐渐由凸形变至平坦，从等径后段到收尾阶段固液界面形状由平坦逐渐变为凹形，即图2中所示的凹界面。

为了使晶体90生长过程中，晶体90生长的固液界面保持平坦微凸形状，即图1中所示的微凸界面，在引晶阶段到放肩阶段，通过将支持组件将容器20调整至较高的第一位置；在放肩阶段到等径段生长阶段，通过支撑组件70将容器20调整至第一位置的第二位置；在等径段生长阶段到收尾阶段，通过支撑组件70将容器20调整至低于第二位置的第三位置。由此，可以使晶体90生长过程中，晶体90生长的固液界面保持图1中所示的微凸界面，提高晶体90质量。

根据本发明的一些实施例，在引晶阶段到放肩阶段，冷却组件50内的冷媒510的流量为第一流量；

在放肩阶段到等径段生长阶段，冷却组件50内的冷媒510的流量为第二流量；

在等径段生长阶段到收尾阶段，冷却组件50内的冷媒510的流量为第三流量；

其中，第一流量小于第二流量，第二流量小于第三流量。

需要说明的是，在晶体90生长过程中，可以通过调整冷却组件50内的冷媒510的流量调整晶体90的轴向温度梯度。随着冷媒510流量的增加，晶体90生长时的固液界面由凹界面向凸界面过渡。

在晶体90生长过程中，在引晶到放肩初始阶段，固液界面的形状是凸向熔体的，即图1中所示的凸界面。从放肩后端到等径初始阶段，固液界面形状逐渐由凸形变至平坦，从等径后段到收尾阶段固液界面形状由平坦逐渐变为凹形，即图2中所示的凹界面。

为了使晶体90生长过程中，晶体90生长的固液界面保持平坦微凸形状，即图1中所示的微凸界面，在引晶阶段到放肩阶段，冷却组件50内的冷媒510流量为较小的第一流量；在放肩阶段到等径段生长阶段，冷媒510流量升高至大于第一流量的第二流量；在等径段生长阶段到收尾阶段，冷媒510流量增大至大于第二流量的第三流量。由此，可以使晶体90生长过程中，晶体90生长的固液界面保持图1中所示的微凸界面，提高晶体90质量。

下面以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的InSb晶体生长方法：

首先根据晶体直径计算需要的原材料210量以及坩埚尺寸，设计坩埚形状，晶体等径段直径与坩埚比保持1：1.5～1：4。

然后选用高纯等静压石墨材料制作石墨保温罩60，保温罩60内径与石墨坩埚相等，罩在石墨坩埚上，顶部有开孔，开孔直径d2为晶体90等径段直径d3的1.5-2倍，顶部结构为倒锥形，其顶部与侧壁夹角为0°～60°，保温罩60能够阻挡来自坩埚侧壁、热的熔体对于晶体90的辐射，提高晶体90轴向的温度梯度，加速晶体90内部热量的导出，从而降低径向温度梯度，得到平坦微凸的固液界面。同时保温罩60还能够减少保温罩60下晶体90侧面的热辐射，从而保持固液界面径向的形状。

炉体10的顶壁设有进气口110，底壁设有出气口120。使用炉体10上面进气，下面出气的方式通入氢气气氛，气体流速为0.02～10L/min。因氢气密度低，该方法能够减弱气氛流动对于晶体90和生长界面处的吹扫，从而降低对晶体90固液界面的影响，提高固液界面的稳定性。该气体流速既能够防止固液界面处氧化浮渣的形成，还能够不影响固液界面的稳定性。

籽晶夹头处通有循环冷却水，通过控制循环冷却水的温度和流量可以控制晶体90轴向的温度梯度，从而控制固液界面形状。石墨坩埚在加热器中的位置会根据晶体90生长过程中的固液界面形状进行调节，一般来说当坩埚处于加热器中较高位置时，因晶体90向外的热辐射大，会形成凹向熔体的固液界面，相反则得到凸向熔体的固液界面。在生长过程中还可以通过控制晶体90和坩埚转速来控制固液界面形态，对于InSb直拉法生长，增加晶体90转速固液界面由凸变平变凹，减小相对转速，可以使液面更平坦。随着晶转的增大，界面逐渐变凹。增加坩埚转速的效果与增加晶体90转速效果相反。

例如在InSb晶体90生长过程中，固液界面的变化趋势是在引晶到放肩初始阶段固液界面形状是凸向熔体的，从放肩后段到等径初始阶段固液界面形状逐渐由凸形变至平坦，从等径后段到收尾阶段固液界面形状由平坦逐渐变为凹形。

为了保持晶体90生长固液界面保持平坦微凸形状，需要根据各个阶段固液界面形状特点，使用前面提到的工艺参数进行调整。在前段增加晶体90旋转速度，同时将石墨坩埚放置在加热器中的相对高的位置，同时减小籽晶80杆中的循环冷却水流量，以调整凸的固液界面至平坦微凸的固液界面。在中段逐渐减小晶体90旋转速度，同时将石墨坩埚逐渐降低，逐渐增加籽晶80杆中的循环冷却水流量，从而保持微凸的固液界面。在后段继续减小晶体90旋转速度，同时将石墨坩埚继续逐渐降低，继续逐渐增加循环冷却水流量，以调整凹的固液界面至平坦微凸的固液界面。最终完成整个晶体90生长过程中平坦微凸的固液界面控制。

综上所述，本发明提出的晶体的生长方法包含：籽晶旋转控制、坩埚旋转控制、保温结构控制等多个步骤，形成完整的技术方案。根据晶体生长过程中各阶段的固液界面形状，针对性的设计形状控制步骤，最终将全程的晶体生长固液界面稳定控制，优化了晶体质量。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。