專利名稱：鍺晶體生長(zhǎng)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍺(Ge)單晶材料生長(zhǎng)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
電裝置及光電裝置制造商通常需要尺寸較大并電性能均勻的半導(dǎo)體單晶材料，將所述單晶材料經(jīng)切片和拋光后，作為生產(chǎn)微電裝置的基材。對(duì)于半導(dǎo)體晶體的生長(zhǎng)，其工藝包括多晶原料熔化(通常超過(guò)1，200°C )從而產(chǎn)生一種多晶原料熔融體，使該熔融體與該材料制成的晶種接觸，并使該熔融體在與所述晶種接觸面上進(jìn)行結(jié)晶。為完成此目的所采用方法有多種，可見(jiàn)于文獻(xiàn)的有提拉(Czochralski) (Cz)法及其衍生的液封直拉(LiquidEncapsulated Czochralski) (LEC)法、水平布里奇曼禾口坩堝下降(Horizontal Bridgmanand Bridgman-Stockbarger) (HB)法及其垂直變型(VB)，以及梯度冷凝(GF)法及其變型、垂直梯度冷凝(VGF)法。參見(jiàn)，例如《光、電及光電材料的本體晶體生長(zhǎng)》(BulkCrystalGrowth of Electronic, Optical and OptoelectronicMaterials， P.Clapper, Ed. ， JohnWiley and Sons Ltd, Chichester, England, 2005)，其中對(duì)這些技術(shù)及它們?cè)诙喾N材料的生長(zhǎng)中的應(yīng)用有廣泛討論。 目前使用提拉技術(shù)并用于商業(yè)生產(chǎn)的，直徑為152.4mm的，無(wú)位錯(cuò)鍺單晶生長(zhǎng)已見(jiàn)報(bào)道，但尚未經(jīng)證實(shí)(Vanhellemont and Simoen， J. Eiectrochemical Society, 154 (7)H572-H583(2007))。但是，直徑為101.6mm(4英寸)的鍺單晶已由VGF和VB技術(shù)方法生長(zhǎng)出來(lái)，如文獻(xiàn)中所述(Ch. Frank-Rotsch， et al. ， J. Crystal Growth (2008) ， doi :10. 1016/j. jcrysgro. 2007. 12. 020)。 如文獻(xiàn)中報(bào)道的許多研究所表明，同Cz/LEC技術(shù)相比，VB/VGF生長(zhǎng)技術(shù)一般是使用較小的熱梯度和較低的生長(zhǎng)速率，從而生產(chǎn)出的單晶位錯(cuò)密度低得多(參見(jiàn)A. S. Jordan et al. ， J. Cryst. Growthl28 (1993) 444-450， M. Jurisch et al. ， J. Cryst.Growth 275(2005)283-291， 禾口 S. Kawarabayashi， 6th Intl. Conf. on InP andRelatedMaterials (1994) ，227-230)。所以，用VB/VGF方法生長(zhǎng)大直徑、低位錯(cuò)密度(或無(wú)位錯(cuò))鍺單晶為優(yōu)選方法。 在所有商業(yè)單晶生長(zhǎng)生產(chǎn)中，晶棒(ingot)的低成本生長(zhǎng)和晶棒切片的高產(chǎn)出是追求的目標(biāo)，即由單一晶棒上切出最大數(shù)目的可用單晶。因而，如果希望在具有其他限制條件下盡可能生長(zhǎng)出較長(zhǎng)的晶棒，則意味著需要使用一個(gè)大尺寸坩堝。通常由于待裝的多晶塊料形狀不等，原料之間余留的空隙很多，填充系數(shù)很低。當(dāng)所述的裝添料熔化后，熔融體僅填充部分坩堝?？紤]到熔融體的體積需要和現(xiàn)有坩堝的結(jié)構(gòu)，用附加的材料來(lái)補(bǔ)充熔融體是工藝重要的組成部分，也是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程。對(duì)于某些材料例如鍺尤其如此與Si (熱導(dǎo)率和密度分別為1. 358W cm—"C —1和2. 3332gcm—3)相比，鍺具有低的熱導(dǎo)率(0. 58Wcm——0和高的密度(5. 32gcm—3)，因而受到特別的方法限制。 已知在晶體生長(zhǎng)中補(bǔ)充熔融體已有幾種尚未成熟的工藝，例如將未熔化的多晶原料加至用于生長(zhǎng)Si單晶的Si熔體中的工藝，及將原料裝入用來(lái)生長(zhǎng)Cz單晶坩堝的工藝。類似這些的技術(shù)工藝均可實(shí)行，因?yàn)镃z (或LEC)體系為開(kāi)放系統(tǒng)，而且相對(duì)容易給坩堝添 料。但是，對(duì)于坩堝被封裝在安瓿中的VGF和VB技術(shù)，所述方法則行不通。此外，對(duì)于特殊 摻雜的鍺單晶生長(zhǎng)特殊要求，也限制了上述一般方法的使用，例如砷(As)作為摻雜劑的摻 雜工藝、由于砷具有的毒性及揮發(fā)性使鍺單晶的摻砷工藝受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種方法，該方法在原始裝入的原料已熔化而晶體尚未開(kāi)始生長(zhǎng)之 前，可在VGF或VB方法中將其他原料的熔融體添加至坩堝中，從而長(zhǎng)出更大的單晶晶棒。
本發(fā)明的生長(zhǎng)單晶鍺(Ge)晶體的方法包括 將第一 Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝帶有能放置晶種的晶種槽；
將第二Ge原料裝入一個(gè)將置于安瓿內(nèi)的用以補(bǔ)充Ge原料的裝載容器中；
將所述坩堝和裝載容器密封在一個(gè)安瓿內(nèi)； 將密封有所述坩堝和裝載容器的安瓿放入一個(gè)具有可移動(dòng)的安瓿支座的晶體生 長(zhǎng)熔爐中，所述支座支承安瓿； 熔化坩堝中的第一 Ge原料從而生成一種熔融體；
熔化容器中的第二 Ge原料，并將第二 Ge原料添至熔融體中； 控制熔融體的結(jié)晶溫度梯度，使熔融體與晶種接觸的時(shí)候結(jié)晶形成單晶鍺晶棒；
和
冷卻單晶鍺晶棒。
在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，形成單晶鍺晶棒的過(guò)程包括在晶棒生長(zhǎng)區(qū) 建立0. 3-2. 5°C /cm的溫度梯度。 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，以0. 2-0. 5°C /小時(shí)的速率冷卻單晶鍺晶 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，還包括在結(jié)晶溫度梯度移動(dòng)過(guò)程中，保持 坩堝穩(wěn)定。在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，鍺晶棒具有50.8-203.2mm(2至8英寸)的直徑。 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，鍺晶棒具有152. 4mm(6英寸)的直徑。
在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，所得到的單晶鍺晶棒的位錯(cuò)量小于300位 錯(cuò)/cm 優(yōu)選小于250位錯(cuò)/cm 進(jìn)一步優(yōu)選小于200位錯(cuò)/cm3。
本發(fā)明還提供能用于生長(zhǎng)大直徑單晶鍺晶體的裝置，包括
—個(gè)包括多個(gè)加熱區(qū)提供熱源的晶體生長(zhǎng)熔爐，禾口 —個(gè)用以放入熔爐中的安瓿，其中所述安瓿包括一個(gè)裝載容器和一個(gè)帶晶種槽的 坩堝； —個(gè)可移動(dòng)的安瓿支座；禾口 —個(gè)偶聯(lián)至晶體生長(zhǎng)熔爐和可移動(dòng)安瓿支座上的控制器，該控制器控制熱源的一 個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)和可移動(dòng)的安瓿支座，用以當(dāng)坩堝位于熔爐中時(shí)在坩堝上實(shí)施垂直梯度冷 凝法。 在本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，晶體生長(zhǎng)熔爐具有六個(gè)加熱區(qū)。
4
在本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，坩堝具有50.8-203.2mm(2至8英寸)的內(nèi)徑。 在本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，坩堝具有152.4mm(6英寸)的內(nèi)徑。


圖1A-1D為說(shuō)明有關(guān)本發(fā)明某些方面的一個(gè)示例性晶體生長(zhǎng)過(guò)程的鍺晶體制備 裝置的縱向橫切面示圖。 圖2為展示有關(guān)本發(fā)明某些方面的使用裝載原料的pBN(熱解氮化硼)容器進(jìn)行 晶體生長(zhǎng)的一個(gè)示例性狀態(tài)示圖。 圖3為符合有關(guān)本發(fā)明某些方面的所生長(zhǎng)的直徑150mm的鍺晶棒頭部的EPD(腐 蝕坑密度)圖(57point EPD， average EPD :186)的一個(gè)實(shí)例。 圖4為符合有關(guān)本發(fā)明某些方面的所生長(zhǎng)的直徑150mm的鍺晶棒尾部的EPD圖 (57point EPD， average EPD :270)的一個(gè)實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的生長(zhǎng)單晶鍺(Ge)晶體的方法包括 將第一 Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝帶有放置有晶種的晶種槽；
將第二Ge原料裝入一個(gè)將置于安瓿內(nèi)的用以補(bǔ)充Ge原料的裝載容器中；
將所述坩堝和裝載容器密封在一個(gè)安瓿內(nèi)； 將密封有所述坩堝和裝載容器的安瓿放入一個(gè)具有可移動(dòng)的安瓿支座的晶體生 長(zhǎng)熔爐中，所述支座支承安瓿； 熔化坩堝中的第一 Ge原料從而生成一種熔融體；
熔化容器中的第二 Ge原料，并將第二 Ge原料添至熔融體中； 控制熔融體的結(jié)晶溫度梯度，使熔融體與晶種接觸的時(shí)候結(jié)晶形成單晶鍺晶棒；
和
冷卻單晶鍺晶棒。
在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，形成單晶鍺晶棒的過(guò)程包括在晶棒生長(zhǎng)區(qū) 建立0. 3-2. 5°C /cm的溫度梯度。 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，以0. 2-0. 5°C /小時(shí)的速率冷卻單晶鍺晶 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，還包括在結(jié)晶溫度梯度移動(dòng)過(guò)程中，保持 坩堝穩(wěn)定。 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，鍺晶棒具有50.8-203.2mm(2至8英寸)的 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，鍺晶棒具有152. 4mm(6英寸)的直徑。
在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，所得到的單晶鍺晶棒的位錯(cuò)密度小于350 位錯(cuò)/cm3，優(yōu)選小于300位錯(cuò)/cm3，進(jìn)一步優(yōu)選不高于250位錯(cuò)/cm3，再進(jìn)一步優(yōu)選不高于 200位錯(cuò)/cm3。 本發(fā)明還提供一種能用于生長(zhǎng)大直徑單晶鍺晶體的裝置，包括
—個(gè)包括多個(gè)加熱區(qū)提供熱源的晶體生長(zhǎng)熔爐，禾口 —個(gè)用以放入熔爐中的安瓿，其中所述安瓿包括一個(gè)裝載容器和一個(gè)帶晶種槽的坩堝； —個(gè)可移動(dòng)的安瓿支座；禾口 —個(gè)偶聯(lián)至晶體生長(zhǎng)熔爐和可移動(dòng)安瓿支座上的控制器，該控制器控制熱源的一個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)和可移動(dòng)的安瓿支座，用以當(dāng)坩堝位于熔爐中時(shí)在坩堝上實(shí)施垂直梯度冷凝法。 在本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，晶體生長(zhǎng)熔爐具有六個(gè)加熱區(qū)。在本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，坩堝具有50.8-203.2mm(2至8英寸)的內(nèi)徑。 在本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，坩堝具有152.4mm(6英寸)的內(nèi)徑。
對(duì)于本發(fā)明的方法和裝置，本說(shuō)明書結(jié)合152. 4mm(6英寸)直徑鍺晶棒晶體的生長(zhǎng)進(jìn)行說(shuō)明和描述。但是，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是，所述方法和裝置可用于生產(chǎn)其他尺寸的鍺晶棒，例如50. 8、101. 6、152. 4mm、203. 2mm(2、4、6、8英寸)直徑或更大的鍺(Ge)晶棒。
以下結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明進(jìn)行示例性說(shuō)明。 圖1A-1D為說(shuō)明有關(guān)本發(fā)明某些方面的一個(gè)示例性晶體生長(zhǎng)過(guò)程的鍺晶體生產(chǎn)裝置的縱向橫切面示圖。其中，圖1A說(shuō)明晶體生長(zhǎng)裝置的一個(gè)實(shí)例的橫切面視圖。該裝置例如為在垂直梯度冷凝(VGF)生長(zhǎng)法，或垂直布里奇曼(VB)生長(zhǎng)法中使用的熔爐，可包括一個(gè)位于熔爐1中的安瓿支座11，其中加熱器2由多個(gè)區(qū)組成，每一區(qū)由受控制系統(tǒng)控制的一臺(tái)計(jì)算機(jī)單獨(dú)控制。調(diào)節(jié)每一區(qū)的溫度，以提供控制熔體固化所需的溫度分布和溫度梯度，調(diào)整爐中溫度分布和溫度梯度，使結(jié)晶界面按預(yù)期向上移動(dòng)慣穿熔融體，例如在晶棒生長(zhǎng)區(qū)建立0. 3-2. 5°C /cm的溫度梯度。安瓿支座11提供對(duì)含有坩堝12的安瓿3 (在一個(gè)實(shí)施方案中，由石英制成)的物理支持并對(duì)其進(jìn)行熱梯度控制，安瓿中的坩堝12有一個(gè)晶種槽18用于存放晶種。在熔爐運(yùn)行時(shí)，所述安瓿支座ll可在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中軸向上下移動(dòng)。坩堝12可含有一個(gè)晶種17，晶體沿晶種頂部生長(zhǎng)出單晶。在一個(gè)實(shí)施方案中，坩堝12可為一個(gè)熱解氮化硼(PBN)結(jié)構(gòu)體，具有一個(gè)圓筒狀晶體生長(zhǎng)部分13、一個(gè)較小直徑的晶種槽圓筒18和一個(gè)錐形過(guò)渡部分7。晶體生長(zhǎng)部分13在坩堝12的頂部是開(kāi)放的，其直徑等于所需晶體產(chǎn)物的直徑。當(dāng)前工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的晶體直徑為50. 8、76. 2、 101. 6和152. 4mm(2英寸、3英寸、4英寸和6英寸)的可切成晶片的晶棒。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，在坩堝12的底部的晶種槽圓筒18可具有一個(gè)封閉的底部和稍大于優(yōu)質(zhì)晶種17的直徑，例如約6-25mm，以及約30-100mm的長(zhǎng)度。圓筒狀晶體生長(zhǎng)部分13和晶種槽圓筒18可具有直壁，或錐形向外逐漸擴(kuò)張約一至若干度，以利于移出坩堝12中的晶體。生長(zhǎng)部分13和晶種槽圓筒18之間的錐形過(guò)渡部分7具有一個(gè)傾斜例如約45-60度的帶傾角的側(cè)壁，其較大的直徑等于生長(zhǎng)區(qū)的直徑并連接生長(zhǎng)區(qū)的壁，較小的直徑等于晶種槽的直徑并連接晶種槽的壁。該帶傾角的側(cè)壁也可以為比45-60度更陡或陡度更小的其他角度。 在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，安瓿3可由石英制成。安瓿3具有一個(gè)類似于坩堝12的形狀。安瓿3在晶種生長(zhǎng)區(qū)域19為圓筒狀——在安瓿3的晶種槽區(qū)域19中圓筒具有狹小直徑，并且在所述兩區(qū)域之間具有一個(gè)錐形過(guò)渡區(qū)域8。坩堝12適配于安瓿3的內(nèi)部并且在它們之間具有一個(gè)狹窄空隙。作為第二個(gè)原料容器，位于頂部的裝載容器4置于石英基座6上。石英基座6封裝在安瓿3的中間部分。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該第二容 器4由pBN構(gòu)成。大部分原料5裝入該第二容器4中。在加熱過(guò)程中，原料熔化并從第二 容器4的底部孔滴入主坩堝12中。而安瓿3在其晶種槽區(qū)域19的底部是封閉的，并在裝 入坩堝和原料之后在頂部密封。 由于安瓿-坩堝組合體具有漏斗形狀，需要安瓿支座ll來(lái)適應(yīng)該漏斗形狀并保持 安瓿12穩(wěn)定并直立于熔爐內(nèi)部。在其他實(shí)施方案中，安瓿-坩堝組合體可保持不同形狀， 并且安瓿支座11的基本結(jié)構(gòu)將根據(jù)不同形狀而改變。依據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，對(duì)安瓿及其內(nèi)容 物的穩(wěn)定和支持強(qiáng)度通過(guò)安瓿支座11的強(qiáng)力的薄壁圓筒16提供。所述強(qiáng)力的薄壁圓筒16 容納安瓿結(jié)構(gòu)3的漏斗狀底部。在一個(gè)實(shí)施方案中，坩堝支座圓筒16由導(dǎo)熱材料、優(yōu)選石 英構(gòu)成。在其他實(shí)施方案中，碳化硅或陶瓷也可用于形成坩堝支座圓筒16。所述圓筒16與 安瓿3圓周接觸，其中圓筒16的上部邊緣接觸安瓿的錐形區(qū)域8的肩狀部分。所述構(gòu)型導(dǎo) 致固體對(duì)固體的接觸最小化，這樣可確保很少的甚至沒(méi)有不希望的、相對(duì)不可控的熱傳導(dǎo) 發(fā)生。因此，可用其他更可控的方法加熱。 低密度絕緣材料，例如陶瓷纖維，填充支座圓筒11內(nèi)部的大部分，僅在所述絕緣 材料的約中心處有一個(gè)中空的軸心20保持空的狀態(tài)，用以容納安瓿3的晶種槽19。在
其他實(shí)施方案中，低密度絕緣材料還可含有氧化鋁纖維a，80(TC )、氧化鋁-氧化硅纖維 (1， 426°C )，和/或氧化鋯纖維(2， 200°C )。將絕緣材料小心地放在安瓿支座11中。安瓿 3的重量——當(dāng)其置于圓筒16的頂部時(shí)一推動(dòng)絕緣材料向下并形成傾斜的絕緣材料邊緣
9。 用低密度絕緣體填充圓筒內(nèi)的大部分能減少空氣流動(dòng)，這可確保很少的或沒(méi)有不需要 的、相對(duì)不可控的對(duì)流的發(fā)生。同傳導(dǎo)類似，對(duì)流是一種對(duì)VGF及其他晶體生長(zhǎng)方法不利的 不可控的熱傳遞過(guò)程。 直徑約等于安瓿晶種槽19的空芯20，向下伸至安瓿晶種槽19底部以下一小段距 離。在另一個(gè)實(shí)施方案中，空芯20從晶種槽的底部穿過(guò)坩堝支座延伸至熔爐裝置1的底 部?？招?0提供一種自晶體中心冷卻的途徑。該途徑有助于晶種槽和所生長(zhǎng)晶體中心的 冷卻。采用該構(gòu)造，熱能可向下逃逸穿過(guò)固態(tài)晶體和晶種的中心、向下穿過(guò)晶體支座11中 絕緣材料中的空芯20。沒(méi)有空芯20的話，所冷卻晶棒中心的溫度將理所當(dāng)然地高于接近 外表面的晶體材料。在此情況下，晶棒任一水平橫切面中的中心將在該晶棒周邊已固化后 才更遲地結(jié)晶。在這樣的條件下不可能制備具有均一電性能的晶體。通過(guò)在晶體支持方法 中包括空芯20，熱能向下傳導(dǎo)穿過(guò)安瓿3和空芯20的底部，并由此幅射回并穿出幅射通道
10。 降低生長(zhǎng)晶體中心處的熱能很重要，這樣才能保持等溫層在整個(gè)晶體直徑方向上的平 直(flat)。保持平直的晶體-熔融體界面能產(chǎn)生具有均一電性能和物理性能的晶體。
圓筒11內(nèi)的低密度絕緣材料阻礙熱輻射從一組熔爐加熱元件2流動(dòng)至安瓿3中 晶種槽區(qū)域19，所以該方法需要形成多個(gè)貫穿絕緣材料的水平輻射通道/開(kāi)口 /管道10。 輻射通道10貫穿絕緣材料從而提供熱輻射出口 ，以可控地將熱量從熔爐加熱元件2轉(zhuǎn)移至 安瓿晶種槽19。輻射通道10的數(shù)目、形狀和直徑根據(jù)具體情況而變。輻射通道也可以是傾 斜的、彎曲的或波狀的。輻射通道也不必是連續(xù)的，因?yàn)樗鼈兛梢灾徊糠值卮┻^(guò)絕緣材料。 這有助于對(duì)流最小化。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些通道的直徑較小，約一支鉛筆的寬度，所以 對(duì)流氣流不顯著。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方案，也可使用橫切面面積約6. 4516cm2( —平方 英寸)或更大的大孔。穿過(guò)絕緣材料的輻射通道10也可和絕緣材料中心的空芯20結(jié)合起作用，從而輻射來(lái)自晶體中心的熱能，并冷卻具有二維等溫溫度梯度層的晶體。輻射通道10能控制溫度并直接與晶體生長(zhǎng)的產(chǎn)率有關(guān)。 在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，在晶棒生長(zhǎng)階段，爐溫以0. 2-0. 5°C /小時(shí)
的速率冷卻使鍺晶棒得以生長(zhǎng)。 圖1A至圖ID的繪制序列說(shuō)明一個(gè)示例性的熔化并供給鍺的方法。圖1A說(shuō)明初始狀態(tài)，其中固態(tài)鍺存在于裝載容器4和坩堝12中。作為新的加熱技術(shù)特征和方法上的進(jìn)步，鍺熔融體的中間狀態(tài)緊接著示于圖IB中，圖IB說(shuō)明固態(tài)鍺在坩堝12中已熔化為液態(tài)的一種狀態(tài)， 調(diào)整爐子不同加熱區(qū)加熱元件的功率，使位于上部的裝載容器得到所需的熱量。具體而言，通過(guò)對(duì)上部的裝載容器實(shí)施加熱裝載容器內(nèi)的鍺料開(kāi)始熔化，熔化的料沿裝載容器3最底端的孔流入坩堝12。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，在爐內(nèi)有裝載容器的區(qū)域溫度被加熱至94(TC到955t:攝氏度范圍內(nèi)，該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直至裝載容器內(nèi)的原料全部注入坩堝12。 圖1A-1D中所示熔爐1為可用于垂直梯度冷凝(VGF)晶體生長(zhǎng)方法的熔爐的一個(gè)實(shí)例。也可使用其他熔爐和構(gòu)型，例如垂直布里奇曼方法。在VGF晶體生長(zhǎng)方法中，固定熱源的結(jié)晶溫度梯度經(jīng)電控制方式而移動(dòng)，而晶體固定。 為實(shí)施垂直梯度冷凝生長(zhǎng)(VGF) (32)，需在爐內(nèi)建立所需的溫度梯度分布，而熔爐的加熱區(qū)功率大小則通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分別并單獨(dú)地控制，該計(jì)算機(jī)被編程為加熱和降溫以適合熔爐結(jié)晶溫度和溫度梯度需要。對(duì)于生產(chǎn)鍺晶棒，例如，熔爐的溫度波動(dòng)可能需要控制在< ±0. 1°C。熔爐準(zhǔn)備過(guò)程中，將鍺多晶原料按所述裝載入安瓿3中，更詳細(xì)的參見(jiàn)圖2。
如圖中所示，將在錐形部分具有一個(gè)孔的pBN裝載容器4固定在安瓿3中，置于由石英制成的、位于坩堝12之上的支座6上。裝載容器4使坩堝12將裝載更多原料。特別是，鍺原料5為固態(tài)的塊或片，因此不能緊密地填充入坩堝12中進(jìn)行熔化。因此，所述裝載容器用于存放額外的可進(jìn)行熔化的原料，然后將其向下排至坩堝12中，這使坩堝12中更多的鍺裝料，從而獲得較長(zhǎng)的鍺晶體。例如，初始時(shí)可將約65%的原料裝入裝載容器4中，將35%的原料直接裝入坩堝12中。在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，將5. 115kg原料量裝入坩堝12中，將9. 885kg原料量裝入裝載容器4中，裝入15000g(15kg)料產(chǎn)生了 125mm長(zhǎng)的直徑為152.4mm(6英寸)的鍺晶棒。 在一個(gè)實(shí)施例中，使用砷(As)作為摻雜物。將〈100〉取向的晶種裝入坩堝種槽內(nèi)，然后再裝料。將原料和合適量的摻雜劑裝入坩堝中，并將坩堝和裝載容器放在石英安瓿3中。將裝有坩堝和裝載容器的安瓿接入抽真空系統(tǒng)，當(dāng)安瓿內(nèi)真空度達(dá)到約2. 00x10—4帕斯卡(1.5x10—6托)時(shí)，將安瓿密封。將密封的安瓿并隨即裝入熔爐，如圖1中所示。開(kāi)啟加熱爐，使安瓿及其內(nèi)含物受熱，以使坩堝12中所填充的原料熔化。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，熔爐為100(TC溫度左右，因?yàn)殒N的熔點(diǎn)約為94(TC。結(jié)晶界面的溫度梯度可根據(jù)晶棒的不同位置調(diào)為0. 5-10°C /cm。調(diào)節(jié)整個(gè)溫度分布至使給出l-2mm/小時(shí)的結(jié)晶速率。固化完成之后，將熔爐以20-40°C /小時(shí)進(jìn)行冷卻。所得鍺晶棒具有以下特征
使用以上方法生產(chǎn)的鍺晶體可具有小于300位錯(cuò)/cm3的密度。
在另 一個(gè)實(shí)施例中，單晶生長(zhǎng)容器由石英安瓿瓶及一個(gè)放置pBN裝載容器的基座6構(gòu)成，石英安瓿內(nèi)將放置pBN裝載容器和坩堝。坩堝在晶體生長(zhǎng)區(qū)域直徑為152. 4mm、長(zhǎng)度為160mm，和晶種區(qū)域直徑為7mm。將一個(gè)〈100〉取向的鍺晶種置入pBN坩堝的晶種槽中，并將96g作為液體密封劑的三氧化二硼放入pBN坩堝中晶種之上。然后，將總計(jì)14， 974g的Ge多晶材料分別裝入pBN坩堝和pBN裝載容器中，并將pBN裝載容器及坩堝放入石英安瓿中，并將該石英安瓿在2.00x10—4帕斯卡(1.5x10—6托)的真空條件下用石英蓋密封。然后將密封的安瓿裝入熔爐并放置在安瓿支座上。 將以上所述石英安瓿以約27(TC/小時(shí)的速率加熱。當(dāng)溫度在熔點(diǎn)之上3(TC時(shí)，進(jìn)行加熱直至所有多晶材料熔化。 使用VGF方法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。首先在最底部加熱區(qū)降低加熱器功率以開(kāi)始由晶種生長(zhǎng)晶體，然后在過(guò)渡區(qū)域降低功率，該區(qū)域中的冷卻速率為0. 3-0. 4°C /小時(shí)。保持該冷卻速率約70小時(shí)。 一旦結(jié)晶作用到達(dá)主要生長(zhǎng)區(qū)域，即降低該區(qū)域中的加熱器功率至提供0. 4-0. 7°C /小時(shí)的冷卻速率和1. 2-3. 0°C /cm的結(jié)晶界面溫度梯度，所述兩者均保持約120小時(shí)，結(jié)晶完成之后，將熔爐以20-40°C /小時(shí)進(jìn)行冷卻至室溫。 所得晶體具有125mm晶體長(zhǎng)度，并且為完全單晶。從起始生長(zhǎng)部分至終端生長(zhǎng)部分，晶體具有9. 05X 1017至4. 86X 1018/cm3的自由載流子(carrier)濃度和7. 29 X 10—3至2. 78X10—3 Q的'cm電阻率及955cm7Vs至467cm7Vs遷移率。位錯(cuò)密度在起始部分為186/cm2，如圖3中所示，在終端生長(zhǎng)部分為270/cm2，如圖4中所示。 雖然上述內(nèi)容已參照本發(fā)明的特定實(shí)施方案進(jìn)行了說(shuō)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是，在不偏離本發(fā)明原則和主旨的情況下可對(duì)所述實(shí)施方案進(jìn)行改變，本發(fā)明的范圍通過(guò)所附權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
一種生長(zhǎng)單晶鍺(Ge)晶體的方法，所述方法包括將第一Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝帶有放置有晶種的晶種槽；將第二Ge原料裝入一個(gè)將置于安瓿內(nèi)的用以補(bǔ)充Ge原料的裝載容器中；將所述坩堝和裝載容器密封在一個(gè)安瓿內(nèi)；將密封有所述坩堝和裝載容器的安瓿放入一個(gè)具有可移動(dòng)的安瓿支座的晶體生長(zhǎng)熔爐中，所述支座支承安瓿；熔化坩堝中的第一Ge原料從而生成一種熔融體；熔化容器中的第二Ge原料，并將第二Ge原料添至熔融體中；控制熔融體的結(jié)晶溫度梯度，使熔融體與晶種接觸的時(shí)候結(jié)晶形成單晶鍺晶棒；和冷卻單晶鍺晶棒。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中形成單晶鍺晶棒的過(guò)程包括在晶棒生長(zhǎng)區(qū)建立O. 3-2. 5°C/ cm的溫度梯度。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中以0. 2-0. 5°C /小時(shí)的速率冷卻單晶鍺晶棒。
4. 權(quán)利要求l的方法，還包括在結(jié)晶溫度梯度移動(dòng)過(guò)程中，保持坩堝穩(wěn)定。
5. 權(quán)利要求1-4之一的方法，其中鍺晶棒具有50. 8-203. 2mm的直徑。
6. 權(quán)利要求5的方法，其中鍺晶棒具有152. 4mm的直徑。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中，所得到的單晶鍺晶棒的位錯(cuò)量小于300位錯(cuò)/cm3。
8. —種用于生長(zhǎng)單晶鍺晶體的裝置，包括 一個(gè)包括一個(gè)熱源和多個(gè)加熱區(qū)的晶體生長(zhǎng)熔爐，禾口一個(gè)用以放入熔爐中的安瓿，其中所述安瓿包括一個(gè)裝載容器和一個(gè)帶晶種槽的坩堝；一個(gè)可移動(dòng)的安瓿支座；禾口一個(gè)偶聯(lián)至晶體生長(zhǎng)熔爐和可移動(dòng)安瓿支座上的控制器，該控制器控制熱源的一個(gè) 或多個(gè)加熱區(qū)和可移動(dòng)的安瓿支座，用以當(dāng)坩堝位于熔爐中時(shí)在坩堝上實(shí)施垂直梯度冷凝 法。
9. 權(quán)利要求8的裝置，其中晶體生長(zhǎng)熔爐具有六個(gè)加熱區(qū)。
10. 權(quán)利要求9的裝置，其中坩堝具有50. 8-203. 2mm的內(nèi)徑。
11. 權(quán)利要求10的裝置，其中坩堝具有152. 4mm的內(nèi)徑。
全文摘要
鍺晶體生長(zhǎng)的方法和裝置。所述方法包括將第一Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝帶有放置有晶種的晶種槽；將第二Ge原料裝入一個(gè)將置于安瓿內(nèi)的用以補(bǔ)充Ge原料的裝載容器中；將所述坩堝和裝載容器密封在一個(gè)安瓿內(nèi)；將密封有所述坩堝和裝載容器的安瓿放入一個(gè)具有可移動(dòng)的安瓿支座的晶體生長(zhǎng)熔爐中，所述支座支承安瓿；熔化坩堝中的第一Ge原料從而生成一種熔融體；熔化容器中的第二Ge原料，并將第二Ge原料添至熔融體中；控制熔融體的結(jié)晶溫度梯度，使熔融體與晶種接觸的時(shí)候結(jié)晶形成單晶鍺晶棒；冷卻單晶鍺晶棒。本發(fā)明還提供可用于實(shí)施該方法的裝置，其中包括一個(gè)裝載容器。
文檔編號(hào)C30B29/08GK101736401SQ20081017700
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者劉衛(wèi)國(guó) 申請(qǐng)人:Axt公司