一种单晶再生长方法
阅读说明：本技术 一种单晶再生长方法 (Single crystal regrowth method ) 是由 胡昌勇 李勇 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种单晶再生长方法,包括以下步骤：S1、将单晶生长所需的籽晶和物料封装在石英管中,投入单晶炉中完成一次单晶生长后出炉；S2、检查石英管密封性是否完好,若完好即进入S3,否则进入S9；S3、对石英管顶部进行加热处理,使石英帽内壁附着的物料气化转移；S4、透过石英帽观察晶体尾部是否存在缺陷,若存在缺陷则进入S5,否则进入S9；S5、将石英管重新投入单晶炉中,调高温度使晶体熔化；S6、改变单晶再生长的生长参数；S7、控制单晶再生长时籽晶的熔融深度；S8、完成单晶再生长后出炉。本发明在一次单晶生长完成的基础上,判断达到再生长的条件后,再次投炉进行单晶再生长的过程。提高了单晶体的纯度的同时也提高了原料利用率。(The invention relates to a method for regrowing a single crystal, comprising the following steps: s1, encapsulating seed crystals and materials required by single crystal growth in a quartz tube, putting the quartz tube into a single crystal furnace to finish single crystal growth, and discharging the quartz tube from the furnace; s2, checking whether the sealing performance of the quartz tube is intact, if the sealing performance of the quartz tube is intact, entering S3, and if not, entering S9; s3, heating the top of the quartz tube to gasify and transfer the materials attached to the inner wall of the quartz cap; s4, observing whether the tail part of the crystal has defects through the quartz cap, if yes, entering S5, and if not, entering S9; s5, putting the quartz tube into the single crystal furnace again, and adjusting the temperature to melt the crystal; s6, changing the growth parameters of the regrowth of the single crystal; s7, controlling the melting depth of the seed crystal during the single crystal regeneration; and S8, discharging the monocrystal after the regrowth is finished. The invention judges that the condition of regrowth is reached on the basis of finishing the growth of the single crystal, and then the single crystal is put into the furnace again for regrowth. The purity of the single crystal is improved, and the utilization rate of raw materials is also improved.)
技术领域
本发明涉及晶体生产技术领域，具体涉及一种单晶再生长方法。
背景技术
单晶生长是晶体生产过程中的一个重要环节，也是直接决定晶体生产效率的一个环节。目前单晶生长的一种主流方法是垂直温度梯度凝固法，该方法首先将单晶生长所需的原料装入氮化硼坩埚中，然后将氮化硼坩埚整个竖直放入石英管中抽真空密封，再将密封好的石英管放入单晶炉中经加热、生长、冷却等工艺步骤进行单晶生长，单晶生长完成后将石英管取出并使用切割机切开，最后通过超声波脱模后得到单晶体。
但由于单晶生长的堆垛层错能较低，故而需要非常严格的生长环境条件，同时其成晶率也非常低，只有30%左右。目前，单晶生长完成后便直接进入后续工序进行切割、脱模，而进行后续工艺时会经历原料红磷燃烧、石英管碰撞、超声波脱模时受力等等过程，都很容易造成昂贵的氮化硼坩埚损坏，使石英管、籽晶、氧化硼等原材料一次使用后报废，极大地浪费了这些原材料；且在切割脱模后，未长成或者存在缺陷的单晶会经过切割、酸洗、超声等工艺，再将其融化后分离出原料，供后续生长单晶所用，这一过程会造成原料污染，降低了后续所长成单晶的纯度。故目前的方法在成晶率不高的同时还造成物料浪费，导致生产成本高。
发明内容
为了解决上述单晶生长后原料浪费的技术问题，本发明设计了一种单晶再生长方法，主要在切割之前选出经过一次单晶生长后未成晶的，将其进行一系列前期处理后再次投炉生长，节约了单晶生长的原料并提高了成晶率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下。
一种单晶再生长方法，包括以下步骤：
S1、将单晶生长所需的籽晶和物料封装在石英管中，将石英管投入单晶炉中完成一次单晶生长后出炉；
S2、检查一次单晶生长完成后的所述石英管密封性是否完好，若密封性完好即进入步骤S3，否则进入步骤S9；
S3、对所述石英管顶部的石英帽进行加热处理，使所述石英帽内壁附着的物料气化转移，直至所述石英帽呈现透明状态；
S4、透过所述石英帽观察一次单晶生长完成的晶体尾部是否存在缺陷，若存在缺陷则进入步骤S5，否则进入步骤S9；
S5、将所述石英管重新投入所述单晶炉中，调高单晶炉内的温度,使晶体熔化为所需物料；
S6、根据一次单晶生长后的结果，改变单晶再生长的生长参数；
S7、控制单晶再生长时籽晶的熔融深度；
S8、根据生长参数设定完成单晶再生长后出炉；
S9、对出炉的所述石英管开管脱模，进行后续晶体加工处理。
采用上述方案，为了提高原料的利用率，在一次单晶生长完成后判断石英管密封性，如若石英管密封性不好，无论单晶体是否长成，都直接切割石英管取出晶体；密封性完好的石英管再观察晶体是否有不良现象，判断同时满足石英管密封性完好和晶体尾端有不良现象无法长出产品的情况，投炉进行单晶再生长；通过分析产生缺陷的原因，在一次生长的基础上，重新设定再生长的生长参数，从而增加再生长的成晶率。
进一步地，步骤S1中所述物料包括多晶料、籽晶、氧化硼、红磷和掺杂剂，所述籽晶竖直放置在所述石英管的底部。
上述方案中，籽晶为单晶生长的原料，籽晶通过氮化硼坩埚竖直放置在石英管底部，单晶生长时晶体从籽晶顶部沿着氮化硼坩埚的模型生长。在单晶生长的过程中，红磷会在高温下气化，充分跑到石英管空间中。当石英管从单晶炉中取出后冷却完成，红磷会附着在石英管内壁，使原本透明的石英管呈现红色，不便于观察石英管内部。步骤S3中，加热石英管顶部使红磷气化后跑到其他地方，此时石英管便呈现透明状态。
进一步地，步骤S4中所述缺陷包括杂乱的多晶、枝蔓晶体以及不平行的孪晶线。
进一步地，所述单晶炉从下至上设有第一温区、第二温区、第三温区和第四温区，步骤S5中所述控制籽晶熔融深度的方法为：
S51、将所述第一温区、第二温区的温度调至晶体熔点以下，将所述第三温区、第四温区的温度调至熔点；
S52、保持所述第一温区、第二温区的温度恒定不变，再按梯度逐步升高第三温区、第四温区的温度，使所述晶体从上至下逐步熔化，直至晶体完全熔化；
S53、所述晶体熔化完成后，保持所述第一温区、第二温区、第三温区和第四温区恒温5-8h。
采用上述方案，再生长过程中的需要先将生长出的不合格晶体熔化，由于是直接在密闭石英管中熔化，熔化完全后石英管中的物料与一次生长时相同。本方案将第一温区、第二温区的温度设置远低于第三温区、第四温区，达到晶体熔化过程中籽晶不被熔化的效果，且按梯度逐步升高第三温区、第四温区的温度，能使晶体缓慢而充分地熔化。
更进一步地，所述单晶炉第三温区、第四温区逐步升温的梯度为每十分钟上升2℃。
更进一步地，所述晶体完全熔化的判断依据为：温度上调后，所述单晶炉第三温区、第四温区的温度在十分钟内稳定，同时温度值上升了1.9-2.1℃。
采用上述方案，晶体为固体，当晶体熔化为液体时会吸热，当晶体未完全熔化时，温度会存在波动，短时间无法稳定。故而当温度在十分钟内稳定时，即代表晶体熔化完全。
进一步地，步骤S7中，所述籽晶熔融深度的控制方法为：
S71、保持所述步骤S53后所述单晶炉第三温区、第四温区的温度不变；
S72、分次同步上调第一温区、第二温区的温度，共上调20-40℃，使籽晶熔化到目标长度；
S73、籽晶熔化到目标长度后，保持第一温区、第二温区、第三温区和第四温区的温度恒温8-12h。
采用上述方案，单晶再生长过程的调熔种是为了将籽晶上部熔化到合适位置，保证籽晶的顶部没有杂乱晶体，确保单晶再生长的纯度与质量。
更进一步地，步骤S72中所述籽晶熔化的目标长度为10-25mm。
更进一步地，所述单晶的熔点为1064℃。
更进一步地，所述单晶再生长的程序调控为：通过分析一次生长后出现不良现象的原因，调整再生长的生长温场和生长速率。
采用上述方案，根据单晶一次生长的结果，若晶体尾端出现孪晶，其原因是生长速度过快，单晶再生长时采用增加生长步骤时间来降低生长速率；若晶体尾端出现杂乱多晶或者枝蔓晶体，其原因为一次生长过程的温度梯度不够，即再生长时需升高温度加快生长速率，从而控制单晶生长的温场；如若晶体尾端凹凸不平甚至开裂，则说明需调整单晶生长时第一、二、三、四温区的温度设定值，但也应将温度保持在1065-1085℃区间内，保证单晶正常生长。
有益效果：本发明在一次单晶生长完成的基础上，判断达到再生长的条件后，再次投炉进行单晶再生长的过程。避免了开管过程中红磷燃烧、石英管碰撞、脱模受外力等等因素导致氮化硼坩埚损坏，也避免了重复装料过程对原料的污染和浪费，提高了单晶体的纯度的同时也提高了原料利用率。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是单晶炉的结构示意图。
图中，1-单晶炉，2-籽晶，3-晶体，4-石英管，5-石英帽。
具体实施方式
以下将结合附图1-2和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的单晶再生长方法主要用于垂直温度梯度法生长磷化铟单晶，同时也适用于垂直温度梯度法生长砷化镓单晶。
实施例：如图1所示，一种单晶再生长方法，包括以下步骤：
S1、将单晶生长所需的籽晶2和物料封装在石英管4中，投入单晶炉1完成一次单晶生长后出炉。
所述一次单晶生长的工艺如下：
S11、如图2所示，将原料籽晶2竖直放置在氮化硼坩埚底部，将多晶料、氧化硼、红磷和掺杂剂等物料一同装入氮化硼坩埚中，将氮化硼坩埚竖直放入石英管4内，抽取真空后将石英帽55焊接在所述石英管4顶部密封，焊接密封后冷却至室温，检测石英管4的真空度，真空度合格后投入单晶炉1中升温。
本实施例中，所述单晶炉1中升温分为三个阶段，其中第一阶段为抽真空，使单晶炉1内部保持真空状态，该阶段中单晶炉1和石英管4内温度较低，石英管4内的红磷还未开始气化；第二阶段为进气阶段，即在单晶炉1中送入惰性保护气体，升高单晶炉1中的气压，该过程中单晶炉1中的温度逐步升高，红磷开始缓慢气化，石英管4内的气压缓慢升高，使单晶炉1内气压与石英管4内红磷气化气压基本持平；第三阶段停止进气，对单晶炉1进行正常升温。
S12、对石英管4进行局部控温使多晶料熔化：如图2，所述单晶炉1从下至上设有四个温区，首先升高第三温区、第四温区的温度，使第三温区、第四温区的温度大于等于多晶料的熔点，使氮化硼坩埚上部的多晶料熔化，熔化后的多晶料顺着空隙流至籽晶2的位置。此时，多晶料与籽晶2接触，会使籽晶2的温度快速上升5-15℃，为了保证籽晶2不被熔化，第一温区、第二温区的温度应设定远小于籽晶2的熔点。
S13、控制籽晶22熔化：多晶料熔化完全后，保持单晶炉1的第三温区、第四温区温度不变，缓慢升高第一温区、第二温区的温度达到籽晶2熔点1064℃，使籽晶2的顶部熔化，其熔化深度为1-10mm，籽晶2熔化到合适位置后，保持第一温区、第二温区、第三温区、第四温区的温度不变保持8-12h，使单晶炉1中热场均匀。
S14、设定单晶生长参数，按设定好的的生长速率和温场进行单晶生长。
S2、检查一次单晶生长完成后的所述石英管4密封性是否完好，若密封性完好即进入步骤S3，否则进入步骤S9。
S3、对所述石英管4顶部的石英帽5进行加热处理，使所述石英帽5内壁附着的物料气化转移，直至所述石英帽5呈现透明状态。
S4、透过所述石英帽5观察一次单晶生长完成的晶体3尾部是否存在缺陷，若存在缺陷则进入步骤S5，否则进入步骤S9。
S5、将所述石英管4重新投入所述单晶炉1中，调高单晶炉1内的温度,使晶体3熔化后成为原始物料。
所述控制晶体3熔化的方法为：
S51、将所述第一温区、第二温区的温度调至晶体3熔点以下，将所述第三温区、第四温区的温度调至熔点。
S52、保持所述第一温区、第二温区的温度恒定不变，再按梯度逐步升高第三温区、第四温区的温度，使所述晶体3从上至下逐步熔化，直至晶体3完全熔化。
S53、所述晶体3熔化完成后，保持所述第一温区、第二温区、第三温区和第四温区恒温5-8h。
S6、根据一次单晶生长后的结果，改变单晶再生长的生长参数。
本实施例中，所述单晶再生长的程序调控为：通过分析一次生长后出现不良现象的原因，调整再生长的生长温场和生长速率。再生长程序的调控方法为：相对于一次单晶生长，若晶体3尾端出现孪晶，其原因是生长速度过快，单晶再生长时采用增加生长步骤时间来降低生长速率；若晶体3尾端出现杂乱多晶或者枝蔓晶体，其原因为一次生长过程的温度梯度不够，即再生长时需升高温度加快生长速率，从而控制单晶生长的温场；如若晶体3尾端凹凸不平甚至开裂，则说明需调整单晶生长时一、二、三、四温区的温度设定值，根据具体情况上调或下调，但也应将温度保持在1065-1085℃区间内，保证单晶正常生长。
S7、控制单晶再生长时籽晶2的熔融深度。
所述籽晶2熔融深度控制方法为：
S71、保持所述步骤S53后所述单晶炉1第三温区、第四温区的温度不变。
S72、分次同步上调第一温区、第二温区的温度，共上调20-40℃，使籽晶2熔化到目标长度。
本实施例中，第一次单晶生长时熔种的熔融深度为1-10mm，为了保证单晶再生长出的晶体纯度，再生长时籽晶2熔化的目标深度应大于一次单晶生长，约为10mm-25mm。
S73、籽晶2熔化到目标长度后，保持第一温区、第二温区、第三温区和第四温区的温度恒温8-12h。
S8、根据生长参数设定完成单晶再生长后出炉。
S9、对出炉的所述石英管4开管脱模，进行后续晶体3加工处理。
本实施例中，籽晶2的原始总长度为30-45mm。在籽晶2长度和石英管4寿命满足时，可重复进行上述单晶再生长方法，以提高单晶生长的成晶率。
以上实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
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