一种感应区熔法生长氧化镓晶体的方法与流程

1.本发明涉及半导体晶体材料的制备，尤其涉及氧化镓单晶的制备，具体为一种感应区熔法生长氧化镓晶体的装置和方法。


背景技术：

2.氧化镓晶体是一种超宽禁带氧化物半导体材料，禁带宽度宽约为4.8ev，且击穿电场强度大，性能远优于碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料，其巴利加优值约为si的3400倍，约为sic的10 倍，可以减少器件在使用时的电力损耗，是未来高电压、大功率、低损耗电力电子器件的重要材料，是新一代化合物半导体材料，为未来器件的发展开拓了思路，应用前景广阔，有望推动信息领域进一步发展。
3.由于其饱和蒸气压低，氧化镓适用于熔体法进行生长，具有效率高的特点，目前主要的生长方法有：提拉法、导模法、布里奇曼法、光浮区法等。但是氧化镓的熔点在1793℃，熔体的活性高，需在氧化气氛下生长，因此大部分熔体法技术需要在铱坩埚中进行生长。金属铱的价格昂贵，致使氧化镓制备成本较高。光浮区法虽然不需要坩埚，但是受到光源大小的限制，生长直径仅为5-10mm，难以满足大尺寸单晶衬底的需求。因此，急需开发低成本的氧化镓单晶制备技术。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提出了一种感应区熔法生长氧化镓晶体的方法。
5.一种感应区熔法生长氧化镓晶体的方法，基于感应区熔法生长氧化镓晶体的装置实现，关键在于，所述装置包括炉盖、炉体组成的晶体生长密封空间和氧化镓添加装置，所述炉体内部设置连接多晶杆的多晶棒夹持，坩埚，坩埚周边设置的退火感应器，坩埚下面设置的第二感应线圈，连接感应线圈支撑杆的第一感应线圈，连接提升杆的隔热板；所述氧化镓添加装置包括炉体外部的可上下移动的镓熔炼室，所述镓熔炼室内部设置熔炼坩埚、设置在熔炼坩埚周边的辅助感应器；所述装置还包括穿过上炉盖、连通熔炼坩埚和坩埚的注入管；所述感应线圈支撑杆中空，内部设置全反射镜头。
6.所述方法包括以下步骤：步骤1、在籽晶的感应孔内放置铱棒，将籽晶放置在籽晶支撑的籽晶孔中；多晶棒夹持夹持氧化镓多晶棒材；将第二块体氧化镓放置在熔炼坩埚中；安装注入管；将炉盖安装在炉体上端。
7.步骤2、下降多晶棒夹持，使得氧化镓多晶棒材下端的接触头与感应孔接近；将隔热板下降至籽晶顶面下方，将第一感应线圈下降至籽晶顶面。
8.步骤3、炉体抽真空至10pa-10-5
pa，然后充入co2或ar+o2的混合气体，压力为1-20atm。
9.步骤4，启动第二感应线圈使得铱棒发热直至籽晶中形成初始熔区。
10.步骤5、下降多晶棒夹持使得接触头与初始熔区良好接触，然后逐渐减少第二感应
线圈的功率，使得初始熔区逐渐变小；待初始熔区缩小至接触头直径1倍至2倍的范围内后，启动第一感应线圈直至接触头开始熔化；降低第二感应线圈的功率直至0，同时调节第一感应线圈的功率保证初始熔区的尺寸恒定。
11.稳定10-20分钟，将第一感应线圈、隔热板以0.1mm/h-20mm/h的速率同步缓慢向上运动，使得初始熔区凝固完毕，逐渐形成稳定的熔池区。
12.通过感应线圈支撑杆中的全反射镜头观察初始熔区及接触头的熔化及大小情况。
13.步骤6、启动退火感应器和辅助感应器，使得第二块体氧化镓部分溶解形成第二富镓熔体，第二富镓熔体的温度保持在800-1200℃。
14.镓熔炼室充入co2或ar+o2的混合气体，使得第二富镓熔体沿着注入管持续注入坩埚中，根据第一感应线圈和隔热板的上移速度决定充入气体的速率，保持隔热板位于第一富镓熔体的上方。
15.第一富镓熔体的温度保持在800-1200℃。
16.步骤7、待氧化镓单晶生长完毕，将隔热板提升至氧化镓单晶的上端，继续向镓熔炼室充入co2或ar+o2的混合气体，使得氧化镓单晶完全被第一富镓熔体覆盖，停止向镓熔炼室充入co2或ar+o2的混合气体，停止向第一富镓熔体中注入第二富镓熔体。
17.保持第一富镓熔体的温度在800-1200℃，对氧化镓单晶退火10-20h。
18.停止第一感应线圈加热，使得熔池区凝固。
19.步骤8、通过第二压力平衡管给镓熔炼室缓慢抽真空，直至第一富镓熔体倒吸至熔炼坩埚中。
20.步骤9、上升镓熔炼室，使得注入管脱离第一富镓熔体；退火感应器逐渐减少功率，直至系统的温度达到室温，拆除装置，取出然后取出氧化镓单晶，切掉氧化镓多晶部分。
21.进一步的，步骤1中，将第一块体氧化镓放入坩埚底部。
22.步骤7完成后，执行步骤7.1：通过提拉多晶杆，使籽晶脱离第一块体氧化镓的堆积区域；逐渐增大第二感应线圈的功率，使得第一块体氧化镓所在区域熔体温度升高至1000℃-1300℃，第一块体氧化镓不断溶解，氧原子上浮，在低温区域的氧化镓单晶不断生长，使得氧化镓单晶在富镓环境下直径不断增大，直至第一块体氧化镓熔化完毕，停止第二感应线圈的加热。
23.本发明在籽晶中加入铱棒，利用感应加热铱棒，使得籽晶中心区域形成初始熔池，然后下降多晶棒材直至其头部的接触头与初始熔池接触，待熔化界面稳定以后，上移感应线圈，实现氧化镓单晶生长。同时，向生长坩埚中注入富镓熔体，坩埚内的氧化镓单晶与富镓熔体处于热力学平衡，实现对生长单晶的退火。
24.有益效果该方法不使用铱坩埚，仅使用一根铱棒作为在生长初期感应源，实现区熔法单晶生长，生长成本低，熔体污染少。
25.本发明进一步的技术方案中，待单晶生长完毕后，逐渐增大坩埚底部感应线圈的功率，使得块体氧化镓不断溶解，使得低温区的氧化镓单晶在富镓环境下直径不断增大。
附图说明
26.图1是本发明装置的组成示意图；
图2是开始生长晶体前装置的装配示意图；图3是初始熔区形成示意图；图4是熔池区形成示意图；图5是单晶生长示意图；图6是籽晶结构示意图；图7是退火时装置的示意图。
27.其中，1：炉盖；2：炉体；3：多晶杆；4：多晶棒夹持；5：氧化镓多晶棒材；5-1：接触头；6：感应线圈支撑杆；7：第一感应线圈；8：隔热板；9：氧化镓单晶；10：籽晶；10-1：初始熔区；10-2：感应孔；11：铱棒；12：第二感应线圈；13：第一块体氧化镓；14：第一富镓熔体；15：退火感应器；16：熔池区；17：保温系统；18：坩埚；19：注入管；20：镓熔炼室；21：辅助感应器；22：熔炼坩埚；23：第二富镓熔体；24：提升杆；25：电极；26：真空充气管；27：第一压力平衡管；28：第二压力平衡管；29：坩埚支撑；30：坩埚杆；31：第二块体氧化镓；32：热电偶；33：籽晶支撑；33-1：籽晶孔。
具体实施方式
28.一种感应区熔法生长氧化镓晶体的方法，基于感应区熔法生长氧化镓晶体的装置实现，参看图1，装置包括炉盖1、炉体2，炉盖1和炉体2连接后形成密封空间。炉体2内有连接坩埚杆30的坩埚支撑29、坩埚支撑29上面设置坩埚18、坩埚18周边设置的退火感应器15，炉体2侧面设置带阀门的真空充气管26和第一压力平衡管27。
29.装置还包括炉体2内部的设置在坩埚支撑29下面的第二感应线圈12、坩埚18底部中间位置的籽晶支撑33、连接多晶杆3的多晶棒夹持4、连接感应线圈支撑杆6的第一感应线圈7，第一感应线圈7环形设置。
30.籽晶支撑33中间设置籽晶孔33-1，在使用中放置籽晶10。
31.另外，炉体2内部还有连接提升杆24的隔热板8，隔热板8中间开孔，孔的直径大于工作时使用的籽晶10的直径，隔热板8位于第一感应线圈7的下方。
32.多晶杆3、感应线圈支撑杆6、提升杆24分别配置升降驱动机构（图中未表示）。
33.装置还包括炉体2外部的可上下移动的密闭的镓熔炼室20，所述镓熔炼室20内部设置熔炼坩埚22、设置在熔炼坩埚22周边的辅助感应器21、设置在镓熔炼室20侧面带阀门的第二压力平衡管28。注入管19穿过炉盖1，连通熔炼坩埚22和坩埚18。注入管19与镓熔炼室20一起上下移动。
34.镓熔炼室20的移动可以通过增加立柱和滑轨实现，或者在镓熔炼室20设置吊耳，通过电机实现起落，这里不再冗述。
35.隔热板8对应注入管19的位置开孔。
36.熔炼坩埚22的容积大于坩埚18容积的2/3。附图只是结构示意，未按比例给出。
37.装置还包括热电偶，本实施例中，炉体2侧面中部设置的热电偶32，热电偶32接近退火感应器15。
38.为了便于观察，本实施例中在感应线圈支撑杆6中空，内部设置全反射镜头。中空管内设置全反射镜头为现有技术，在图中没有给出。
39.基于上述装置，感应区熔法生长氧化镓晶体的方法包括以下步骤：
步骤1、本实施例使用的籽晶10中央设置有感应孔10-2，如图6所示。在籽晶10的感应孔10-2内放置铱棒11，铱棒11完全沉入感应孔10-2，将籽晶10放置在籽晶支撑33的籽晶孔33-1中；多晶棒夹持4夹持氧化镓多晶棒材5；将第二块体氧化镓31放置在熔炼坩埚22中，安装注入管19，装配镓熔炼室20；将炉盖1焊接安装在炉体2上端。
40.注入管19的下端穿过隔热板8对应注入管19位置的开孔，接近坩埚18的底部。
41.以上步骤完成了设备的安装准备工作。
42.步骤2、下降多晶棒夹持4，使得氧化镓多晶棒材5下端的接触头5-1与感应孔10-2接近；将隔热板8下降至籽晶10顶面下方，将第一感应线圈7下降至籽晶10顶面，如图2所示。
43.步骤3、通过真空充气管26给炉体2抽真空至10pa-10-5
pa，然后充入co2或ar+o2的混合气体，压力为1-20atm。
44.由于炉体2和镓熔炼室20通过注入管19连通，给炉体2抽真空和注入气体的同时，也完成了对镓熔炼室20相同的工作。
45.为了加快该步骤，可以同时通过第二压力平衡管28给镓熔炼室20抽真空至10pa-10-5pa，然后充入co2或ar+o2的混合气体，压力为1-20atm。
46.炉体2内部、镓熔炼室20通入气体，增加腔内的氧分压，抑制氧化镓的挥发分解。
47.步骤4，启动第二感应线圈12使得铱棒11发热直至籽晶10顶部中央形成初始熔区10-1。
48.步骤5、下降多晶棒夹持4使得接触头5-1与初始熔区10-1良好接触，如图3所示，然后逐渐减少第二感应线圈12的功率，使得初始熔区10-1逐渐变小；待初始熔区10-1缩小至接触头5-1直径1倍至2倍的范围内后，启动第一感应线圈7直至接触头5-1开始熔化。
49.首先形成范围比较大的初始熔区10-1，使接触头5-1与初始熔区10-1可以充分、良好接触，融掉一部分，籽晶10开始生长，然后再降温使得接触头5-1与初始熔区10-1中的熔体建立温度平衡。初始熔区10-1开始阶段越大，越容易控制整个过程。
50.降低第二感应线圈12的功率直至0，同时调节第一感应线圈7的功率保证初始熔区10-1的尺寸恒定。
51.稳定10-20分钟，将第一感应线圈7、隔热板8以0.1mm/h-20mm/h的速率同步缓慢向上运动，使得初始熔区10-1凝固完毕，逐渐形成稳定的熔池区16。
52.此过程中，通过感应线圈支撑杆6内的全反射镜头观察初始熔区10-1及接触头5-1的熔化及大小情况。
53.此时装置的状态图4所示。
54.步骤6、启动退火感应器15和辅助感应器21，使得第二块体氧化镓31部分溶解形成第二富镓熔体23，第二富镓熔体23的温度保持在800-1200℃；通过第二压力平衡管28向镓熔炼室20充入co2或ar+o2的混合气体，镓熔炼室20内部压力大于炉体2内部压力，压力差使得第二富镓熔体23沿着注入管19持续注入坩埚18中。持续向镓熔炼室20充入co2或ar+o2的混合气体，根据第一感应线圈7和隔热板8的上移速度决定充入气体的速率，保持隔热板8位于第一富镓熔体14的上方。
55.通过退火感应器15，使第一富镓熔体14的温度保持在800-1200℃。
56.氧化镓的熔点在1800℃附近。在熔点温度，熔体中的ga和o的比例与氧化镓分子式相同，在800-1200℃的范围内仅有部分o进入熔体中，o的比例要低于氧化镓分子式中的比
例。
57.单晶的生长从籽晶10中央的初始熔区10-1开始，随着初始熔区10-1凝固，单晶9在熔池区16生长。
58.保持上述状态，随着第二富镓熔体23的注入、第一感应线圈7和隔热板8的上移，熔池区16上移，单晶9逐步生长，如图5所示。
59.隔热板8将坩埚18分为不同温区，隔热板8下部第一富镓熔体14保持在800-1200℃，上部要保证熔池区16中的多晶料处于熔体状态。
60.步骤7、通过感应线圈支撑杆6内的全反射镜头进行观察，当熔池区16的上端和多晶棒夹持4之间的距离达到10-20mm左右时，生长过程结束。
61.待生长过程结束、氧化镓单晶9生长完毕，将隔热板8提升至氧化镓单晶9的上端。
62.继续向镓熔炼室20充入co2或ar+o2的混合气体，压力作用使第二富镓熔体23向第一富镓熔体14进入坩埚18，注入第一富镓熔体14，使得氧化镓单晶9完全被第一富镓熔体14覆盖后，停止向镓熔炼室20充入co2或ar+o2的混合气体，停止向第一富镓熔体14中注入第二富镓熔体23，如图7所示。
63.保持第一富镓熔体14恒温，温度800-1200℃，对氧化镓单晶9退火10-20h。
64.停止第一感应线圈7加热，使得熔池区16凝固。
65.此时氧化镓单晶9与氧化镓多晶棒材5之间通过熔池区16连接。
66.步骤8、通过第二压力平衡管28给镓熔炼室20缓慢抽真空，直至第一富镓熔体14倒吸至熔炼坩埚22中。
67.步骤9、；上升镓熔炼室20，使得注入管19脱离第一富镓熔体14；退火感应器15逐渐减少功率，直至系统的温度达到室温，拆除装置，取出然后取出氧化镓单晶9。此时还有部分氧化镓多晶棒材5通过凝固的熔池区16与氧化镓单晶9连接，需要切除氧化镓多晶部分。
68.上述步骤完成了氧化镓单晶的生长。
69.本发明还提出了以下实施例：首先，步骤1中，将第一块体氧化镓13放入坩埚18底部。
70.在晶体生长过程中，第一富镓熔体14在800-1200℃，处于热力学平衡状态，第一块体氧化镓13不会溶解。
71.退火步骤7完成后，执行步骤7.1：通过提拉多晶杆3，使籽晶10脱离第一块体氧化镓13的堆积区域；第一块体氧化镓13的堆积区域在坩埚18的底部，提拉多晶杆3，氧化镓多晶棒材5、凝固的熔池区16、氧化镓单晶9和籽晶10共同提升；使籽晶10脱离第一块体氧化镓13的堆积区域。
72.启动第二感应线圈12，逐渐增大功率，使得第一块体氧化镓13所在区域熔体温度升高至1000℃-1300℃，第一块体氧化镓13不断溶解，氧原子上浮。第一块体氧化镓13所在区域熔体温度（1000℃-1300℃）高于第一富镓熔体14上部的温度（800℃-1200℃），在低温区域的氧化镓单晶9不断生长，使得氧化镓单晶9在富镓环境下直径不断增大，直至第一块体氧化镓13熔化完毕，停止第二感应线圈12的加热。
73.第一块体氧化镓13在坩埚18底部，与第二感应线圈12接近；可以调节退火感应器5不同区域的温度，使得14中不同区域的温度不同。
74.本实施例使单晶9直径变大，进一步生长。
75.上述实施例中，ar+o2混合气体的比例为98%ar+2%o2。

技术特征：
1.一种感应区熔法生长氧化镓晶体的方法，基于感应区熔法生长氧化镓晶体的装置实现，其特征在于，所述装置包括炉盖（1）、炉体（2）组成的晶体生长密封空间和氧化镓添加装置，所述炉体（2）内部设置连接多晶杆（3）的多晶棒夹持（4），坩埚（18），坩埚（18）周边设置的退火感应器（15），坩埚（18）下面设置的第二感应线圈（12），连接感应线圈支撑杆（6）的第一感应线圈（7），连接提升杆（24）的隔热板（8）；所述氧化镓添加装置包括炉体（2）外部的可上下移动的镓熔炼室（20），所述镓熔炼室（20）内部设置熔炼坩埚（22）、设置在熔炼坩埚（22）周边的辅助感应器（21）；所述装置还包括穿过炉盖（1）、连通熔炼坩埚（22）和坩埚（18）的注入管（19）；所述感应线圈支撑杆（6）中空，内部设置全反射镜头；所述方法包括以下步骤：步骤1、在籽晶（10）的感应孔（10-2）内放置铱棒（11），将籽晶（10）放置在籽晶支撑（33）的籽晶孔（33-1）中；多晶棒夹持（4）夹持氧化镓多晶棒材（5）；将第二块体氧化镓（31）放置在熔炼坩埚（22）中；安装注入管（19）；将炉盖（1）安装在炉体（2）上端；步骤2、下降多晶棒夹持（4），使得氧化镓多晶棒材（5）下端的接触头（5-1）与感应孔（10-2）接近；将隔热板（8）下降至籽晶（10）顶面下方，将第一感应线圈（7）下降至籽晶（10）顶面；步骤3、炉体（2）抽真空至10pa-10-5
pa，然后充入co2或ar+o2的混合气体，压力为1-20atm；步骤4，启动第二感应线圈（12）使得铱棒（11）发热直至籽晶（10）中形成初始熔区（10-1）；步骤5、下降多晶棒夹持（4）使得接触头（5-1）与初始熔区（10-1）良好接触，然后逐渐减少第二感应线圈（12）的功率，使得初始熔区（10-1）逐渐变小；待初始熔区（10-1）缩小至接触头（5-1）直径1倍至2倍的范围内后，启动第一感应线圈（7）直至接触头（5-1）开始熔化；降低第二感应线圈（12）的功率直至0，同时调节第一感应线圈（7）的功率保证初始熔区（10-1）的尺寸恒定；稳定10-20分钟，将第一感应线圈（7）、隔热板（8）以0.1mm/h-20mm/h的速率同步缓慢向上运动，使得初始熔区（10-1）凝固完毕，逐渐形成稳定的熔池区（16）；通过感应线圈支撑杆（6）中的全反射镜头观察初始熔区（10-1）及接触头（5-1）的熔化及大小情况；步骤6、启动退火感应器（15）和辅助感应器（21），使得第二块体氧化镓（31）部分溶解形成第二富镓熔体（23），第二富镓熔体（23）的温度保持在800-1200℃；镓熔炼室（20）充入co2或ar+o2的混合气体，使得第二富镓熔体（23）沿着注入管（19）持续注入坩埚（18）中，根据第一感应线圈（7）和隔热板（8）的上移速度决定充入气体的速率，保持隔热板（8）位于第一富镓熔体（14）的上方；第一富镓熔体（14）的温度保持在800-1200℃；步骤7、待氧化镓单晶（9）生长完毕，将隔热板（8）提升至氧化镓单晶（9）的上端，继续向镓熔炼室（20）充入co2或ar+o2的混合气体，使得氧化镓单晶（9）完全被第一富镓熔体（14）覆盖，停止向镓熔炼室（20）充入co2或ar+o2的混合气体，停止向第一富镓熔体（14）中注入第二富镓熔体（23）；
保持第一富镓熔体（14）的温度在800-1200℃，对氧化镓单晶（9）退火10-20h；停止第一感应线圈（7）加热，使得熔池区（16）凝固；步骤8、通过第二压力平衡管（28）给镓熔炼室（20）缓慢抽真空，直至第一富镓熔体（14）倒吸至熔炼坩埚（22）中；步骤9、上升镓熔炼室（20），使得注入管（19）脱离第一富镓熔体（14）；退火感应器（15）逐渐减少功率，直至系统的温度达到室温，拆除装置，取出然后取出氧化镓单晶（9），切掉氧化镓多晶部分。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，将第一块体氧化镓（13）放入坩埚（18）底部；步骤7完成后，执行步骤7.1：通过提拉多晶杆（3），使籽晶（10）脱离第一块体氧化镓（13）的堆积区域；逐渐增大第二感应线圈（12）的功率，使得第一块体氧化镓（13）所在区域熔体温度升高至1000℃-1300℃，第一块体氧化镓（13）不断溶解，氧原子上浮，在低温区域的氧化镓单晶（9）不断生长，使得氧化镓单晶（9）在富镓环境下直径不断增大，直至第一块体氧化镓（13）熔化完毕，停止第二感应线圈（12）的加热。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述ar+o2混合气体的比例为98%ar+2%o2。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置还包括炉体（2）侧面中部设置的热电偶（32）。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述熔炼坩埚（22）的容积大于坩埚（18）容积的2/3。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，炉体（2）侧面设置的真空充气管（26）、第一压力平衡管（27）。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，镓熔炼室（20）侧面设置在第二压力平衡管（28）。

技术总结
本发明提出一种感应区熔法生长氧化镓晶体的方法，涉及半导体晶体材料的制备，所述装置包括供晶体生长的密封炉体、炉体外的氧化镓添加装置，炉体和氧化镓添加装置连通；首先在籽晶中加入铱棒，然后利用感应加热铱棒，使得籽晶中心区域形成初始熔池，然后下降多晶棒材直至其接触头与初始熔池接触，待熔化界面稳定以后，上移感应线圈，实现氧化镓单晶生长。同时，像生长坩埚中注入富镓熔体，坩埚内的氧化镓单晶与富镓熔体处于热力学平衡，实现对生长单晶的退火。本发明不使用铱坩埚，仅使用一根铱棒作为在生长初期感应源，实现区熔法单晶生长，生长成本低，熔体污染少。熔体污染少。熔体污染少。


技术研发人员：王书杰 孙聂枫 邵会民 李晓岚 顾占彪 梁庭敬 姜剑 康永 张鑫 谷伟侠
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十三研究所
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/25