本實用新型涉及晶體生長制備裝置，特別涉及用于Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料的可實現(xiàn)單晶在線退火的生長設(shè)備。

背景技術(shù)：

我國人工晶體材料工業(yè)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，在廣大科技工作者的共同努力下，取得了巨大的成就，已具有較高的技術(shù)水平和較大的生產(chǎn)能力，而為之配套服務(wù)的晶體生長設(shè)備—單晶爐也隨之得到了飛速的發(fā)展。

目前常用的單晶生長方法有垂直梯度凝固法，簡稱VGF法。美國貝爾實驗室與上世紀(jì)80年代首次使用VGF法制備Ⅲ-Ⅴ族化合物，該方法是將裝有磷化銦多晶原料的容器垂直置于爐中設(shè)定的相應(yīng)溫度梯度部位，待長晶材料全溶后，從下部一端緩慢結(jié)晶并延續(xù)到上部一端的晶體生長方法。國產(chǎn)單晶爐和進口單晶爐相比存在有一定的差距，主要表現(xiàn)在設(shè)備的自動化程度和元器件的穩(wěn)定可靠程度上。

人工晶體材料不斷向大直徑、高質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，這就要求與之相適應(yīng)的人工晶體生長設(shè)備向大型化方向發(fā)展，具備穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、自動化程度高、操作使用方便等優(yōu)點。

單晶是重要的襯底材料，生長出來的單晶材料需要切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的晶片，然后經(jīng)過倒角、研磨、拋光、清洗等加工過程，成為商品晶片供用戶使用。在整個加工過程中，保持晶片的機械強度、避免破碎對于提高生產(chǎn)成品率、降低成本是至關(guān)重要的。缺退火可以減少和消除單晶材料中的殘余應(yīng)力，獲得高質(zhì)量的單晶材料。

但當(dāng)前主流的爐只能進行單晶生長，需要另外的退火爐進行單晶退火。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種可實現(xiàn)單晶在線退火的生長設(shè)備，能在生長過程中精密控制溫度，顯著減少晶體缺陷以滿足生產(chǎn)高質(zhì)量單晶材料的要求。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的可實現(xiàn)在線退火的單晶生長設(shè)備包括：爐體、充氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)，

所述爐體，頂部配有罐門，爐體從外部向內(nèi)部依次為殼體、保溫層、加熱器、石英管、坩堝，所述石英管兩端鑲嵌密封法蘭，并配有管路開口，上部連接充氣系統(tǒng)，下部連接排氣系統(tǒng)和抽空系統(tǒng)；

所述充氣系統(tǒng)，由壓力傳感器和兩路充氣管路組成，其中一路連接到特氣管道，另一路連接到氯氣管道；

所述真空系統(tǒng)由真空管路構(gòu)成，真空管路通過爐體底部連接到石英管內(nèi)部，真空管道另一端連接到真空泵，真空泵出口連接到尾氣回收管道。

所述排氣系統(tǒng)，由排氣管道、排氣閥組成，排氣管道一端連接到爐體底部，另一端連接到尾氣回收管道。

優(yōu)選地，所述加熱器分有5個控溫器，分別控制爐體內(nèi)五個溫區(qū)。

優(yōu)選地，所述五個溫區(qū)，相比現(xiàn)有的三個溫區(qū)，添加了第Ⅰ和第Ⅴ溫區(qū)，其中第Ⅰ和Ⅱ溫區(qū)控制溫度相近，Ⅳ和Ⅴ溫區(qū)控制溫度相近，相當(dāng)于延長了Ⅱ和Ⅳ溫區(qū)，使得Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ溫區(qū)兩端熱量流失的更少，能夠更好的保持Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ溫區(qū)間溫度梯度的穩(wěn)定。

優(yōu)選地，所述真空系統(tǒng)還包括抽空閥、真空計、真空泵組成，在真空管道上依次連接。

優(yōu)選地，所述排氣系統(tǒng)與所述真空系統(tǒng)共用排氣管路，與爐體底部連接。

優(yōu)選地，所述殼體和所述法蘭板為不銹鋼材料。

本實用新型所述可實現(xiàn)在線退火的單晶生長設(shè)備，采用雙層不銹鋼殼體，通過冷卻水進行降溫，內(nèi)層環(huán)保耐火材料保溫隔熱設(shè)計，外壁表面溫度低，溫場控制精確、可直接通入氯氣進行退火工藝，升溫速率快、高效節(jié)能。本實用新型操作簡單，控溫精度高，能夠生長多種半導(dǎo)體材料和實現(xiàn)退火功能，產(chǎn)品質(zhì)量高。

附圖說明

通過結(jié)合下面附圖對其實施例進行描述，本實用新型的上述特征和技術(shù)優(yōu)點將會變得更加清楚和容易理解。

圖1是可實現(xiàn)在線退火的單晶生長設(shè)備的示意圖。

圖2是利用本實用新型的可實現(xiàn)在線退火的單晶生長設(shè)備的檢測溫度曲線圖。

附圖標(biāo)記說明：不銹鋼罐體1，底部密封法蘭2，支撐座3，石墨襯塊4，加熱器件5，保溫層6，鎖緊法蘭7，提升氣缸8，頂部密封法蘭9，罐門10，充氣管11，壓力傳感器12，充氣閥13，充氣閥14，特氣管道15，氯氣管道16，石英管17，坩堝18，氧化硼19，長晶材料20，籽晶21，熱偶22，熱偶23，熱偶24，熱偶25，排氣管路26，排氣閥27，抽空閥28，真空計29，真空泵30

具體實施方式

下面將參考附圖來描述本實用新型所述的可實現(xiàn)在線退火的單晶生長設(shè)備的實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)識到，在不偏離本實用新型的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式或其組合對所描述的實施例進行修正。因此，附圖和描述在本質(zhì)上是說明性的，而不是用于限制權(quán)利要求的保護范圍。此外，在本說明書中，附圖未按比例畫出，并且相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。

下面結(jié)合圖1和圖2來詳細(xì)說明本實施例。本實施例所述的線退火的單晶生長設(shè)備包括：參見圖1，本實用新型所述的可實現(xiàn)單晶在線退火的生長設(shè)備包括爐體、充氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)。

所述爐體，由雙層不銹鋼殼體構(gòu)成，頂部配有罐門，爐體從外部向內(nèi)部依次為不銹鋼殼體、保溫層、加熱器、英管，石坩堝。其中所述加熱器分有5個控溫器。所述石英管兩端鑲嵌密封不銹鋼頂部密封法蘭9和底部密封法蘭2，并配有管路開口，頂部密封法蘭9和底部密封法蘭2均中心位置開孔連接充氣系統(tǒng)，底部密封法蘭2和罐體均靠近邊緣位置開孔連接排氣系統(tǒng)和抽空系統(tǒng)。坩堝放置在石英管下部的底部密封法蘭2上，坩堝內(nèi)部存放晶體生長材料。

所述爐體包括不銹鋼罐體1，底座2，支撐座3，石墨襯塊4，加熱器件5，保溫層6，鎖緊法蘭7，提升氣缸8，密封法蘭帽9，罐門10，石英管17，坩堝18，熱偶22，熱偶23，熱偶24，熱偶25。

不銹鋼罐體1處于爐體最外圍，從底部向上分有5個溫區(qū)，分別為第I溫區(qū)，第Ⅱ溫區(qū)、第Ⅲ溫區(qū)、第Ⅳ溫區(qū)、第Ⅴ溫區(qū)用于提供梯度溫度，由5個控溫器分別控制。

底座2在不銹鋼罐體1內(nèi)部下部，用于坩堝18和支撐座3等的支撐。

支撐座3固定于底座2上，其上端放置石墨襯塊4，用于支撐坩堝18，坩堝18外壁連接4個熱偶(從上至下依次為22、23、24、25)。

石英管17包圍于坩堝18之外，底部位于底座2上，上部連接密封法蘭帽9，加熱器件5環(huán)繞于石英管17側(cè)。

保溫層6用于加熱器件5外圍，進行保溫和隔熱。

鎖緊法蘭7配置于不銹鋼罐體1頂部，用于鎖緊不銹鋼罐體1。

罐門10，位于不銹鋼罐體1頂部，用于不銹鋼罐體1開合。

提升氣缸8，用于控制罐門10的松開鎖緊和提升下降。

所述充氣系統(tǒng)，由壓力傳感器，兩路充氣管路組成。其中一路連接到特氣管道，另一路連接到氯氣管道。每路充氣管路由一個充氣閥和金屬軟管構(gòu)成。所述充氣系統(tǒng)包括充氣管11，壓力傳感器12，充氣閥13，充氣閥14，特氣管道15，氯氣管道16。

充氣管11一端連接到不銹鋼罐體1頂部通孔，并貫通罐門10、密封法蘭帽9，另一端連接壓力傳感器12，之后分別連接充氣閥13到特氣管道15，以及連接充氣閥14到氯氣管道16，用于提供晶體生長過程中的不同氣體氛圍，以及退火氛圍。

所述真空系統(tǒng)由真空管路、真空計、抽空閥、真空泵組成，控制爐體內(nèi)部的真空度。真空管路通過爐體底部連接到石英管內(nèi)部，真空計和抽空閥安裝在真空管道上，真空管道另一端連接到真空泵，真空泵出口連接到尾氣回收管道。所述真空系統(tǒng)包括排氣管路26，抽空閥28，真空計29，真空泵30。

排氣管路26一端連接不銹鋼罐體1底部通孔貫通底部密封法蘭2另一端依次連接抽空閥28、真空計29和真空泵30，抽空閥28和真空泵30通過真空計29控制，使罐內(nèi)真空度處于生產(chǎn)工藝要求之中，抽出的尾氣排放到尾氣回收管道。

所述排氣系統(tǒng)，由排氣管道、排氣閥組成。所述排氣系統(tǒng)包括排氣管路26和排氣閥27。排氣系統(tǒng)與真空系統(tǒng)共用排氣管路26，排氣管道26一端連接到爐體底部，另一端連接到尾氣回收管道。通過排氣閥27的開閉將罐內(nèi)氣體排放到尾氣回收管道。

本實用新型所述的具有在線退火的單晶生長爐，可用于生長和退火Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，生產(chǎn)過程如下：將籽晶21、多晶材料20、氧化硼19放入坩堝，通過垂直梯度溫度方法生長單晶棒，生長結(jié)束后通入氯氣，單晶棒表面附著的氧化硼與氯氣反應(yīng)變成氣體，通過真空泵排出罐外，同時對單晶棒進行退火升溫工藝，實現(xiàn)生長單晶在線退火。

具體如下：取出坩堝18將磷化銦籽晶21放于坩堝底部，然后填入磷化銦多晶材料20，再裝入氧化硼19，將坩堝15放入石英管17之內(nèi)，封緊密封法蘭帽9，關(guān)閉罐門10。第Ⅰ、Ⅱ溫區(qū)控制在1030℃，第Ⅲ、Ⅳ溫區(qū)控制在1070℃左右，并充入20～30kg/cm2高純氮氣，以平衡磷化銦生長過程由于分解而產(chǎn)生的壓力。

晶體進過5天左右的生長周期后，進行退火。將罐內(nèi)壓力泄壓，排出氮氣，并進行抽空。待罐內(nèi)真空度為100Pa以下時，關(guān)閉抽空，通入氯氣，其中退火按以下速率加溫，室溫-500℃，100℃/小時；500-800℃，60℃/小時；800-950℃，30℃/小時；950，恒溫5小時；然后按以下速率降溫：950-800℃，30℃/小時；800-500℃，60℃/小時；500-室溫，100℃/小時；完成退火處理，取出檢測。

圖2為利用本實用新型的可實現(xiàn)在線退火的單晶生長設(shè)備的檢測溫度曲線圖，

圖2所示的退火控溫曲線，垂直坐標(biāo)軸表示溫度，單位攝氏度(℃)，水平坐標(biāo)軸表示時間，單位小時(h)，曲線表示加熱進程為：室溫-500℃，100℃/小時；500-800℃，60℃/小時；800-950℃，30℃/小時；950，恒溫5小時；然后按以下速率降溫：950-800℃，30℃/小時；800-500℃，60℃/小時；500-室溫，100℃/小時，垂直坐標(biāo)軸最低點為室溫。

本實用新型提供的單晶生長方法得到的單晶平均錯位密度低，并且成晶率高。同時具備在線退火功能，操作簡單、節(jié)能高效。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。