VGF技术生长单晶
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VGF技术制备单晶工艺的优化
计算机模拟的结果优化 生长系统的优化 生长工艺的优化：固液界面、生长速率。
3.3 VGF单晶生长计算机模拟
在VGF法生长GaAs单晶中，计算机模拟主要有两 个目的:
指导热场系统的设计
通过设定不同的几何参数及材料的数据，来研究各加热器的功率及温场 分布。这个步骤可以在设备制造之前进行。
二、 GaAs单晶的发展现状
2.1 、产业现状
由于GaAs电子器件和高速集成电路的快速发展，对GaAs单晶材料的质量也 提出了更高的要求。目前6英寸GaAs渐成主流，而且要求晶片具有低的位 错密度，低的空位缺陷以及As沉淀等微观缺陷，要求晶片具有均匀的杂质 分布。目前在各种低温度梯度生长技术中,只有VGF技术能生长出位错密度 最低的非掺SI GaAs单晶，于是VGF垂直梯度凝固法也随着成为了生产大 直径、高质量GaAs单晶的主流工艺。 美国的AXT 公司，英国的MCP和日本的住友公司相继投入大量的资金研制 和开发Φ(4〞~6〞)的GaAs单晶生长技术，其中AXT公司已实现GaAs单晶 的产业化，能批量提供Φ(2〞~6〞)各种规格的VGF GaAs 单晶片。
2.2目前常用GaAs单晶生长方法
LEC（液封直拉法） HB（水平布里支曼法） VB（垂直布里支曼法） VGF（垂直梯度凝固法） VCZ（蒸气压控制直拉法）
四种常见化合物半导体材料生长技术简要对比
生长技术
晶体中位错 密度
位错分布均 匀性
化学配比控 制
晶体直径
技 术 晶体长度
特 背景杂质浓
点
度
工艺可行性
现状
产 投资 业 运行费用 特
LEC
HB
高
低
VGF／VB 低
VCZ 较低
中
好
好
好
一般
好
好
好
可生长较大直径 受限制
可生长较大直径 可生长较大直径
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可生长较长单晶 可生长较长单晶 可生长较长单晶 受限制
低
较低
低
低
好
100mm， 150mm单晶 批量生产， 直径200mm 单晶研制成 功
3.3、VGF技术目前研究热点
外场的引入
旋转磁场（RMF） VGF-RMF
外场的引入一般有两个作用： 一是抑制熔体温度波动，减小热应力，提高成晶率。 二是影响杂质的分凝，改善晶体中杂质分布。
生长晶体材料的多样性
最早的VGF技术用来生长GaAs及InP单晶材料，目前，VGF技术 也用于生长GaTe 、InSb、CdZnTe、InGaAs、ZnSe 等一些半导 体晶体和AgGaSe、CaF2一些光学晶体等。
由于它的物理模型简单，而且硬件之间不存在机械运动，是的它的单晶生长 条件很容易建立。
有着稳定的流体力学条件。
易于实现计算机控制
由于VGF技术是通过移动热场来实现晶体的生长条件，这样我们就完全 可以通过改变加热器的功率来实现我们所制定的工艺，所以这就为我们实行
创造了条件。 温度梯度较小
由于VGF技术中温度梯度较小（一般轴向5K/cm），晶体生长速率较慢 (2mm/h)，所以晶体生长过程中就会产生很小的热应力，通过热场优化易得 到大直径，低位错密度的单晶。
第四步：采用反向模型，计算设定条件下的温度分布，降温速率，制定单晶 生长工艺。
第一步
第二步 图2.1 GaAs单晶生长的模拟步骤
第三步
热流和质量流接近于单轴。 可在生长系统中及时进行生长后热处理。 易获得圆柱型的单晶，等径控制比较简单。 设备结构简单，造价低。
缺点
VGF技术也有一个天生的缺陷，就是晶体生长过程不可视。
任何由于晶体和坩埚之间的相互作用而引起的扰动，不能 够通过晶体回熔来消除掉。所以，在VGF技术生长晶体前 期，孪晶成为了一个困扰晶体良好生长的问题，现在通过 对晶体生长条件的优化和坩埚形状的改造，减少了孪晶的 形成。
VGF热场核心示意图
VGF技术单晶生长热场要满足以下条件
易实现小的温度梯度，低的生长速率； 易于实现计算机控制； 无机械振动，晶体生长稳定； 原位退火； 流体力学条件稳定，对流可忽略； 易获得圆柱形单晶； 热流、质量流接近单轴； 设备结构简单，造价低。
3.2、VGF技术特点
优点
能很好的适合计算机模拟
大
高
好 50～75mm单晶
批量生产， 直径100mm 单晶研制成 功
小 低
好 100m，150mm
单晶批量生 产，直径 200mm单晶 研制成功
小 低
可能 100mm、150mm
单晶研制成 功
很大 很高
3.1VGF单晶生长系统
VGF单晶生长系统有机械及运动系统、电器及控制系统、 热场系统、安全及辅助系统四大部分组成。
优化单晶生长工艺
可以计算出界面的位置形状 晶体的生长速率 熔体中的应力分布 热场的对称性
计算机模拟的固～液界面、应力分布
晶体生长模拟步骤
第一步：输入整个炉体结构的CAD图形； 第二步：定义各个部分的材料，输入相关的材料参数 ； 第三步：定义边界条件、加热器、控制点温度，进行网格化处理，开始计算。
计算机模拟的结果优化 生长系统的优化 生长工艺的优化：固液界面、生长速率。
3.3 VGF单晶生长计算机模拟
在VGF法生长GaAs单晶中，计算机模拟主要有两 个目的:
指导热场系统的设计
通过设定不同的几何参数及材料的数据，来研究各加热器的功率及温场 分布。这个步骤可以在设备制造之前进行。
二、 GaAs单晶的发展现状
2.1 、产业现状
由于GaAs电子器件和高速集成电路的快速发展，对GaAs单晶材料的质量也 提出了更高的要求。目前6英寸GaAs渐成主流，而且要求晶片具有低的位 错密度，低的空位缺陷以及As沉淀等微观缺陷，要求晶片具有均匀的杂质 分布。目前在各种低温度梯度生长技术中,只有VGF技术能生长出位错密度 最低的非掺SI GaAs单晶，于是VGF垂直梯度凝固法也随着成为了生产大 直径、高质量GaAs单晶的主流工艺。 美国的AXT 公司，英国的MCP和日本的住友公司相继投入大量的资金研制 和开发Φ(4〞~6〞)的GaAs单晶生长技术，其中AXT公司已实现GaAs单晶 的产业化，能批量提供Φ(2〞~6〞)各种规格的VGF GaAs 单晶片。
2.2目前常用GaAs单晶生长方法
LEC（液封直拉法） HB（水平布里支曼法） VB（垂直布里支曼法） VGF（垂直梯度凝固法） VCZ（蒸气压控制直拉法）
四种常见化合物半导体材料生长技术简要对比
生长技术
晶体中位错 密度
位错分布均 匀性
化学配比控 制
晶体直径
技 术 晶体长度
特 背景杂质浓
点
度
工艺可行性
现状
产 投资 业 运行费用 特
LEC
HB
高
低
VGF／VB 低
VCZ 较低
中
好
好
好
一般
好
好
好
可生长较大直径 受限制
可生长较大直径 可生长较大直径
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可生长较长单晶 可生长较长单晶 可生长较长单晶 受限制
低
较低
低
低
好
100mm， 150mm单晶 批量生产， 直径200mm 单晶研制成 功
3.3、VGF技术目前研究热点
外场的引入
旋转磁场（RMF） VGF-RMF
外场的引入一般有两个作用： 一是抑制熔体温度波动，减小热应力，提高成晶率。 二是影响杂质的分凝，改善晶体中杂质分布。
生长晶体材料的多样性
最早的VGF技术用来生长GaAs及InP单晶材料，目前，VGF技术 也用于生长GaTe 、InSb、CdZnTe、InGaAs、ZnSe 等一些半导 体晶体和AgGaSe、CaF2一些光学晶体等。
由于它的物理模型简单，而且硬件之间不存在机械运动，是的它的单晶生长 条件很容易建立。
有着稳定的流体力学条件。
易于实现计算机控制
由于VGF技术是通过移动热场来实现晶体的生长条件，这样我们就完全 可以通过改变加热器的功率来实现我们所制定的工艺，所以这就为我们实行
创造了条件。 温度梯度较小
由于VGF技术中温度梯度较小（一般轴向5K/cm），晶体生长速率较慢 (2mm/h)，所以晶体生长过程中就会产生很小的热应力，通过热场优化易得 到大直径，低位错密度的单晶。
第四步：采用反向模型，计算设定条件下的温度分布，降温速率，制定单晶 生长工艺。
第一步
第二步 图2.1 GaAs单晶生长的模拟步骤
第三步
热流和质量流接近于单轴。 可在生长系统中及时进行生长后热处理。 易获得圆柱型的单晶，等径控制比较简单。 设备结构简单，造价低。
缺点
VGF技术也有一个天生的缺陷，就是晶体生长过程不可视。
任何由于晶体和坩埚之间的相互作用而引起的扰动，不能 够通过晶体回熔来消除掉。所以，在VGF技术生长晶体前 期，孪晶成为了一个困扰晶体良好生长的问题，现在通过 对晶体生长条件的优化和坩埚形状的改造，减少了孪晶的 形成。
VGF热场核心示意图
VGF技术单晶生长热场要满足以下条件
易实现小的温度梯度，低的生长速率； 易于实现计算机控制； 无机械振动，晶体生长稳定； 原位退火； 流体力学条件稳定，对流可忽略； 易获得圆柱形单晶； 热流、质量流接近单轴； 设备结构简单，造价低。
3.2、VGF技术特点
优点
能很好的适合计算机模拟
大
高
好 50～75mm单晶
批量生产， 直径100mm 单晶研制成 功
小 低
好 100m，150mm
单晶批量生 产，直径 200mm单晶 研制成功
小 低
可能 100mm、150mm
单晶研制成 功
很大 很高
3.1VGF单晶生长系统
VGF单晶生长系统有机械及运动系统、电器及控制系统、 热场系统、安全及辅助系统四大部分组成。
优化单晶生长工艺
可以计算出界面的位置形状 晶体的生长速率 熔体中的应力分布 热场的对称性
计算机模拟的固～液界面、应力分布
晶体生长模拟步骤
第一步：输入整个炉体结构的CAD图形； 第二步：定义各个部分的材料，输入相关的材料参数 ； 第三步：定义边界条件、加热器、控制点温度，进行网格化处理，开始计算。