一种氮化铝籽晶高温粘接方法
阅读说明：本技术 一种氮化铝籽晶高温粘接方法 (High-temperature bonding method for aluminum nitride seed crystals ) 是由 吴亮 雷丹 王琦琨 李哲 黄嘉丽 张刚 赵寅廷 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氮化铝籽晶高温粘接方法。将氮化铝籽晶、籽晶支撑件、以及高纯氮化铝原料放置于一封闭结构的坩埚内,籽晶支撑件及籽晶置于坩埚底部、氮化铝原料固定于籽晶上方位置；在高温炉中完成粘接。粘接工艺主要包括以下步骤(1)高温炉抽真空,通入高纯氮气,升温至一定温度,且该过程籽晶温度大于原料温度；(2)继续升温,但原料升温速度大于籽晶升温速度,形成籽晶温度小于原料温度的梯度,升温至设定高温后,保温,保温期间籽晶与籽晶支撑件热粘接,同时籽晶表面有氮化铝沉积；(3)最后降温至室温。本发明的高温粘接方法,解决了籽晶化学粘接及机械固定方法中易脱落、形成孔洞、受杂质污染、生长面受到破坏等技术问题。(The invention discloses a high-temperature bonding method for aluminum nitride seed crystals. Placing aluminum nitride seed crystals, seed crystal supporting pieces and high-purity aluminum nitride raw materials in a crucible with a closed structure, placing the seed crystal supporting pieces and the seed crystals at the bottom of the crucible, and fixing the aluminum nitride raw materials above the seed crystals; and (4) completing bonding in a high-temperature furnace. The bonding process mainly comprises the following steps of (1) vacuumizing a high-temperature furnace, introducing high-purity nitrogen, heating to a certain temperature, wherein the seed crystal temperature is higher than the raw material temperature in the process; (2) continuing to heat, but the heating speed of the raw material is higher than that of the seed crystal, forming a gradient that the temperature of the seed crystal is lower than that of the raw material, keeping the temperature after the temperature is raised to a set high temperature, thermally adhering the seed crystal to the seed crystal support during the heat preservation, and simultaneously depositing aluminum nitride on the surface of the seed crystal; (3) and finally, cooling to room temperature. The high-temperature bonding method solves the technical problems that the seed crystal is easy to fall off, form holes, be polluted by impurities, damage to a growth surface and the like in the chemical bonding and mechanical fixing method of the seed crystal.)
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种物理气相传输法生长晶体中籽晶固定方法。
背景技术
氮化铝（AlN）是极具应用潜力的宽禁带半导体材料，禁带宽度高达6.2eV，同时具有较高的击穿场强、较高的饱和电子漂移速率及优良的导热、抗辐射性能，是紫外/深紫外LED的最佳衬底材料及GaN功率器件的理想衬底材料。自然界中存在丰富的Al元素与N元素，却不存在自然形态的AlN矿物质。目前，物理气相传输法（PVT）被公认为是制备AlN晶体的最佳方法，其中基于高质量AlN籽晶的同质外延工艺是获得高质量、大尺寸AlN晶体的最理想途径。
基于物理气相传输法的籽晶外延生长是制备大尺寸AlN单晶的常用方法，其中籽晶固定是关键环节。目前，籽晶化学粘结或机械固定是AlN籽晶片固定普遍采用的方案。然而，化学粘结的方法容易在高温下产生气泡，一方面容易导致脱落；另一方面气泡在温梯的驱动下，从低温区往高温的晶体内部反窜，导致晶体内部形成大量孔洞危害晶体质量。同时化学粘接剂容易籽晶表面受杂质污染、导致生长表面受到破坏，且在后续高温过程，生长表面杂质进入晶体内部而增加点缺陷，影响晶体的光学性质等。机械固定籽晶的方案容易在长晶过程中因两者之间不可避免的空隙存在导致产生大量孔洞，同时会因两种材料热失配而导致晶锭出现裂纹。
发明内容
基于现有技术中上述问题，本发明拟提供一种氮化铝籽晶高温粘结方法，解决籽晶化学粘接及机械固定方法中上述容易脱落、形成孔洞、受杂质污染、生长表面受到破坏等技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。
一种氮化铝籽晶高温粘接方法，使用高温炉，以及高温炉中使用的具有封闭式结构的坩埚，具体包括以下步骤：
S1、待粘接件为籽晶支撑件和氮化铝籽晶，将所述籽晶支撑件搁置在坩埚内底部，所述氮化铝籽晶搁置于籽晶支撑件表面，将高纯氮化铝原料固定于坩埚内所述氮化铝籽晶上方，然后将装配好待粘接件和氮化铝原料的坩埚放入高温炉中。其中氮化铝籽晶选自氮化铝晶片、氮化铝体块晶粒或晶锭。所述坩埚为钨、钽、钼、碳化钽、碳化钨、氮化硼、石墨中的一种或几种耐高温材料制成。所述籽晶支撑件可以是钨、钽、钼、碳化钽、碳化钨、氮化硼、石墨中的任一种耐高温材料制成。高纯氮化铝原料选自氮化铝粉末、氮化铝陶瓷料、氮化铝多孔晶化料或氮化铝体块晶体。所述高纯氮化铝原料的固定方法为搁置法、悬挂法、热粘结法、化学粘结法、结晶法或磁悬浮法中的任意一种。
S2、对所述高温炉抽真空至设定真空度，向所述高温炉中通入氮气，炉内气压达到设定恒压后，然后籽晶处和原料处进行正梯度升温，将籽晶处温度T1、原料处温度T2升至第一设定温度，其中所述正梯度升温指在此升温过程中始终保持T1＞T2，且两者温差在10-100℃范围内；所述炉内气压一直保持在所述设定恒压直至整个粘接工艺过程结束。这个过程中，由于正温度梯度的作用，可有效去除籽晶表面的杂污、有机物、颗粒杂质与残余损伤层；这都为后面步骤中籽晶表面氮化铝晶体沉积层提供了质量保证。
进一步地，步骤S2中对所述高温炉抽真空至真空度小于1Pa；其中设定恒压为0.3-1.5bar；第一设定温度为1600-1900℃。
S3、继续对籽晶处和原料处进行反转梯度升温，即原料处升温速率高于籽晶处升温速率，最终达到T1＜T2，形成温度反梯度； T1升至第二设定温度，原料处温度T2高于籽晶处温度T1约10℃-100℃，在该温度条件下保温一段时间。在保温过程中，一方面，籽晶背部在高温及温梯的作用下，与籽晶支撑件发生热粘结，另一方面，原料发生物质分解与升华，产生气相物质Al气与N2气向籽晶方向传输，在籽晶表面沉积形成低速生长的高质量晶体表面。
进一步地，步骤S3中所述第二设定温度为1900-2350℃；所述保温一段时间指保温0.5-100h；
S4、保温结束后开始降温，降温过程中保持T2≥T1，且形成小温差，T2-T1≤10℃。在降温过程中，籽晶表面仍为物质沉积状态，同时小温差避免降温过程中产生应力、裂纹等问题。降温后，从炉体内取出粘接好的氮化铝籽晶。
技术效果：1）采用氮气环境下高温粘结的方法，能有效将籽晶牢固得固定在籽晶支撑件表面，不易脱落，籽晶本身和表面不受其他杂质的污染，相比传统籽晶固定方法有效减少了气孔等缺陷的产生；2）在籽晶粘接的过程中，还同时有效去除了籽晶表面有机物质、氧化物膜、颗粒杂质和抛光损伤层；提高了籽晶的质量，为后续外延生长晶体时减少杂质、位错、失配等缺陷；3）且进一步在籽晶表面低速生长了一层高质量AlN单晶，为后续晶体生长提供一个自然的高质量生长表面，有利于后续高质量晶锭生长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例中使用的坩埚结构示意图。
图2为本发明实施例中籽晶粘接工艺执行前的装配示意图。
图3为本发明的氮化铝籽晶高温粘接的工艺曲线示意图。
图4为根据本发明实施例方法进行粘接的M取向氮化铝籽晶片经高温粘接后的结果图。
图5为根据本发明实施例方法进行粘接的C取向氮化铝籽晶片经高温粘接后的结果图。
其中：1为坩埚盖；2为氮化铝原料；3为多孔钨片；4为氮化铝籽晶；5为套筒；6为底部容器；7为籽晶支撑件。
具体实施方式
本发明的氮化铝籽晶高温粘接方法，粘接工艺过程在高温炉中完成。粘接工艺过程中，将待粘接的氮化铝籽晶、籽晶支撑件、以及高纯氮化铝原料放置于一坩埚内，坩埚为封闭式结构，且为耐高温材料制备。粘接工艺主要包括以下步骤：1.籽晶支撑件置于坩埚底部、籽晶置于籽晶支撑件表面，将高纯氮化铝原料固定于坩埚内籽晶上方的位置；然后将坩埚置于高温炉中；2.高温炉抽真空，通入高纯氮气，开始正梯度升温，即籽晶温度大于原料温度；3.反转梯度升温形成温度反梯度，反转梯度升温指原料升温速度大于籽晶升温速度，温度反梯度指籽晶温度T1小于原料温度T2，反转梯度升温至设定高温后，保温一段时间，保温期间籽晶与籽晶支撑件热粘接，同时籽晶表面有氮化铝沉积；4.降温至室温并开炉。
在本发明的实施例中，采用的坩埚如图1所示，坩埚包括底部容器、套筒和坩埚盖三部分，其中套筒置于底部容器内，坩埚盖通过一台阶面搭接在套筒上，形成一封闭式结构。本发明实施例中，执行粘接工艺时，籽晶支撑件置于坩埚的底部容器、氮化铝籽晶置于籽晶支撑件表面，套筒搁置于籽晶支撑件上；氮化铝原料通过搁置法放置于一多孔钨片上，多孔钨片尺寸相应的与坩埚的套筒和坩埚盖相匹配，多孔钨片搁置套筒上，坩埚盖搭接在多孔钨片上，装配好原材料的坩埚如图2所示。
以下将结合附图及具体实施例对本发明进行更为详细的描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例的氮化铝籽晶高温粘接工艺，采用图1的坩埚装置，按照图2方式进行原材料装配，整个工艺过程包括以下步骤：
（1）本实施例氮化铝籽晶选取为氮化铝籽晶片，为直径15mm的氮化铝圆片，其厚度为1mm，并经过双面精细抛光，其生长面的面粗糙度（Ra）达到0.5nm。
将氮化铝籽晶片放置到钨材质的籽晶支撑件的表面，所述支撑件表面经过磨光处理呈镜面；氮化铝原料选用高纯的氮化铝晶化块状料，将其放置在多孔钨片上，且尽量居中放置，保证物质挥发且传输均匀。将放置好籽晶片的籽晶支撑件放置于底部容器中，并将套筒置于籽晶支撑件上，然后将安放了氮化铝原料的多孔钨片置于套筒上，最后将坩埚盖搭接到多孔钨片上。装配完成，坩埚内整体形成一密闭的环境；
（2）将装配完成好原材料的坩埚放置到高温炉中，对高温炉抽真空至1*10-3Pa以下。参考图3是氮化铝籽晶高温粘接的工艺曲线示意图。抽真空完成后，高温炉开始升温，当红外测温仪对底部容器的底部温度显示高于900-1200℃时，向炉体中通入高纯氮气达到恒压50Kpa，该恒压一直维持到整个粘接工艺过程结束。
（3）继续对籽晶处和原料处进行升温，将籽晶处温度T1、原料处温度T2升至1600-1900℃，在此升温过程中保持T1＞T2，即正梯度升温，且两者温差在10-100℃范围内。该过程中，正梯度升温可以去除籽晶表面杂质和残余损伤层，并且避免籽晶表面杂污而导致杂晶、寄生形核等问题。
（4）继续对籽晶处和原料处进行反转梯度升温，即原料处升温速率高于籽晶处升温速率，最终达到T1＜T2，形成温度反梯度；籽晶表面温度T1升至2100-2200℃，原料处温度高于籽晶处温度50-60℃。在该温度条件下保温10h。在保温过程中，籽晶背部在高温及温梯的作用下，与籽晶支撑件发生热粘结，同时原料物质升华并向籽晶表面沉积形成低速高质量长晶。
（5）保温结束后开始降温，炉体内氮气压不变，降温过程中保持T2高于T1，温差在5℃之内。降温后，从炉体内取出粘接好的氮化铝籽晶。
采用本实施例的高温粘接方法，不同取向（M向与C向）的氮化铝籽晶片都能得到高质量的籽晶粘结效果，如图4及图5所示分别为本实施例方法进行粘接的M取向氮化铝籽晶片和C取向氮化铝籽晶片经高温粘接后的结果图。氮化铝籽晶透光性很好，从肉眼可见，没有气泡、籽晶内及表面没有气泡、孔隙、杂质等缺陷，氮化铝籽晶与籽晶支撑件的粘接界面可以看到粘接均匀、也没有空洞等缺陷。另外，发明人使用本实施例粘接好的氮化铝籽晶进行了后续的AlN晶锭生长，后续生长得到的AlN晶锭，相比使用常规粘接技术的籽晶进行后续生长得到的晶锭，在杂质、位错、失配等缺陷方面均有改善，达到了本发明的发明目的。
与现有技术相比，本发明实施例的从以下几个方面实现发明目的。采用正梯度升温可有效去除籽晶表面有机物质、氧化物膜、颗粒杂质和抛光损伤层，进一步优化籽晶表面质量，避免籽晶加工过程造成的缺陷影响籽晶外延质量；采用高纯块状原料不仅可为籽晶粘接提供物质传输原料，还可避免原料升华过程原料外表面物质脱落污染籽晶表面；反梯度保温可使原料升华沉积至籽晶表面，避免籽晶升华；高温热粘接能有效将籽晶牢固地固定在籽晶支撑件表面，不易脱落，籽晶本身和表面不受其他杂质的污染。总之，高温籽晶粘接工艺是一种稳定的籽晶粘接工艺且能为后续晶体生长提供一个光滑的高质量生长表面，有利于后续高质量晶锭生长外延。
在上述实施例的基础上，本发明的技术方案可在一定范围调节其中的工艺参数，如上述步骤（2）中对高温炉抽真空，其真空度可控制在小于1Pa的范围内；其中高纯氮气达到恒压0.3-1.5bar范围内；步骤（4）籽晶表面温度T1升温至1900-2350℃范围内，保温0.5-100h，原料处温度高于籽晶处温度10-100℃；步骤（5）中降温过程中保持T2高于T1约10℃以内。这些参数在上述范围内调整，同样能实现与本发明上述实施例相当的氮化铝籽晶粘接效果。
本发明的技术方案，不限于氮化铝晶体的生长，也可应用于其它的晶体生长，比如氮化铝基晶体，更为具体比如AlScN晶体。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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