VGF技术生长单晶
vgf法生长晶体
vgf法生长晶体
VGFL法（Vapor Growth from Gaseous Layer）是一种用于生长晶体的方法。
该方法在低压下，利用气态层来生长晶体。
VGFL法的核心是通过在气体中加入所需的原始材料，使其在适当的温度、压力和浓度条件下发生热分解或反应，生成晶体材料的蒸汽。
然后，这些蒸汽通过扩散到降温的表面上，逐层地沉积形成晶体。
VGFL法的晶体生长过程主要分为三个步骤：预处理、生长和制备。
首先，原始材料经过预处理，去除杂质和控制精确的浓度。
然后，将处理后的气体通过气体控制系统引入生长室，保持适宜的温度和压力条件。
在生长室内，气体与衬底表面相互作用，使原子或分子沉积并逐层堆积，形成晶体结构。
最后，生长完毕的晶体经过处理和制备，可以进行进一步的研究、应用和测试。
VGFL法具有晶体生长速度快、晶体质量高、可控性强等优点。
它在材料科学、光电子学、生物医学等领域中得到广泛应用。
通过调节生长温度、气压和材料浓度等参数，可以获得不同性质和尺寸的晶体材料。
然而，VGFL法也存在一些挑战，例如需要精确控制生长条件、设备成本较高等。
总之，VGFL法是一种有效的晶体生长方法，在材料科学领域具有重要的应用价值。
随着技术的不断进步和对晶体材料需求的增加，我们对VGFL法的研究和应用将会更加深入。
vertical gradient freeze methods
vertical gradient freeze methods
垂直梯度凝固法，英文名为Vertical Gradient Freeze Method，简称VGF。
该方法是将装有物料的容器垂直放置在炉中，使物料在设定好的温度梯度下完全熔化，然后让其从下部一端缓慢结晶，并向上部一端延续，从而实现晶体生长。
VGF方法常用于生产单晶硅，其操作过程大致如下：首先，将需要结晶的材料放入特定形状的坩埚内，然后在结晶炉内加热熔化；接着，使坩埚缓慢下降，通过温度梯度较大的区域，使晶体从坩埚低端开始生长，并逐渐向上推移。
VGF方法的优点在于可以实现批量生产，且生产效率较高，一组源棒可以产出12到50个单晶硅棒不等。
VGF技术生长单晶
受限制
低 可能 100mm、150mm 单晶研制成 功
产 业 特
投资 运行费用
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。
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。
22目前常用gaas单晶生长方法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lechbvgfvbvcz晶体中位错密度较低位错分布均晶体直径可生长较大直径受限制可生长较大直径可生长较大直径晶体长度可生长较长单晶可生长较长单晶可生长较长单晶受限制背景杂质浓可能现状100mm150mm单晶批量生产直径200mm单晶研制成5075mm单晶批量生产直径100mm单晶研制成100m150mm单晶批量生产直径200mm单晶研制成功100mm150mm单晶研制成很大运行费用很高生产效率较高很低31vgf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
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。
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
一种vgf法生长磷化铟单晶的方法
一种vgf法生长磷化铟单晶的方法一、引言。
大家好呀！今天咱就来唠唠这个用vgf法生长磷化铟单晶的方法哈。
磷化铟单晶这玩意儿在很多领域都挺重要的，像光电领域啥的，那可是大有用处呢。
vgf法呢，又是生长它的一种挺不错的法子，下面咱就好好讲讲具体咋操作哈。
二、前期准备。
咱得先把各种材料和设备都准备好呀。
首先呢，原料肯定得有，那就是高纯的铟和磷啦，这纯度可不能低，不然长出来的单晶质量可就不咋地咯。
然后呢，还得有合适的坩埚，这坩埚得能承受住后面生长过程中的高温，一般用石英坩埚就挺不错的。
还有加热设备，像电阻炉这种，得能精准控制温度，不然温度一会儿高一会儿低的，那单晶可长不好。
另外，还得准备一些测量和监控的仪器，比如温度传感器啦，能实时知道炉子里的温度情况。
三、生长过程。
（一）装料。
把准备好的高纯铟和磷按照一定的比例放到坩埚里哈。
这比例可得拿捏准了，一般是根据磷化铟的化学计量比来配的。
放的时候也得小心点儿，别把原料撒得到处都是。
（二）加热熔化。
把装了原料的坩埚放到电阻炉里，然后慢慢升温。
升温速度可不能太快，不然原料可能会一下子反应得太剧烈，那就不好了。
一般是慢慢把温度升到合适的范围，让铟和磷充分熔化，形成均匀的熔体。
在这个过程中，得时刻盯着温度传感器，看看温度是不是正常。
（三）稳温生长。
等原料都熔化好了，就保持这个稳定的温度，让磷化铟单晶开始生长。
这时候啊，熔体里的原子就会慢慢排列成单晶的结构啦。
这个过程得持续一段时间，具体多长时间得根据要生长的单晶的大小和质量要求来定。
在生长的过程中，要保证炉子里的环境稳定，温度不能有大的波动，也不能有杂质进去，不然会影响单晶的质量的。
（四）降温冷却。
等单晶生长到差不多大小了，就可以慢慢降温啦。
降温速度也不能太快，不然单晶可能会因为热应力的作用而出现裂纹啥的。
就像冬天突然从暖和的屋里到寒冷的外面，人可能会感冒一样，单晶也得慢慢适应温度的变化。
降温到一定程度后，就可以把长好的磷化铟单晶从坩埚里取出来啦。
VGF法生长的低位错掺Si-GaAs单晶的缺陷和性质
ＰＡＣＣ： ７１ ５５
中 图分 类 号 ：Ｔ ０ ． ３ Ｎ３ ４ ２
பைடு நூலகம்
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ５ — １ ７ ２ ０ ） ９ １ ７ — ４ ２ ３ ４ ７ （ ０ ８ ０ — ７ ５０
的非 掺 半 绝 缘 Ｇａ 单 晶进 行 了 比较 ． 用 Ａ－ Ａｓ 利 Ｂ腐 蚀 显 微 方 法 比 较 了 两 种 材 料 中 的 微 沉 积 缺 陷 ， 其 形 成 原 因进 行 了 分 对
析． 利用荧光光谱研究 了掺 Ｓ． Ａｓ 晶 中 ｓ 原 子 和 Ｂ原 子 的 占位情 况 和 复合 体 缺 陷． ｌ测 量 结果 表 明 ， ｓ 低 阻 ｉ Ｇａ 单 ｉ Ｈａｌ 掺 ｉ
１ 引 言
目前 ， Ａｓ 晶 已成 为 一 种 重 要 的光 电子 和 微 电 Ｇａ 单 子基 础材 料 ． Ａｓ 有 高 电 子 迁 移 率 （ ｓ 的 ５至 ６ Ｇａ 具 为 ｉ 倍 ） 直接 带 隙 （ 温 带 宽 １ ４ ｅ 、 于 制 成 半 绝 缘 材 、 室 ． ３ Ｖ） 易 料（ 电阻 率 １ ０ Ｑ ・ ｍ） 抗 辐 射 性好 等特 性 ． Ａｓ ０ ～１ 。 ｃ 、 Ｇａ 单 晶衬底 已用 于 制 造 高 亮 度 Ｌ Ｄ、 功 率 Ｌ 微 波 功 Ｅ 大 Ｄ、 率器件 和 单 片 电路 等 ［ ］ 广 泛 应 用 在 发 光 显 示 、 存 １ ， 光 储 、 动通信、 移 国防装 备 、 天等 领 域 ． 外 ， Ａｓ 太 航 此 Ｇａ 基 阳能 电池 的转 换 效 率 高 ， 备 良好 的抗 辐 照 能 力 ， 为 具 成 新 一 代高 性 能 、 寿 命 空 间 主 电源【 ． 着 Ｇａ 长 ３ 随 ］ Ａｓ单 晶 衬 底 在 光 电 子 、 电 子 和 太 阳能 电 池 等 领 域 的 广 泛 应 微 用， 人们 对 单 晶质 量 的要 求 日益 提 高 ， 以不 断 提 高 器 件 的性能 和 可靠性 ． 作 为单 晶衬 底需 要具 备 低 的位 错 密度 、 良好 的 晶格 完 整性 、 合适 的 电学 参 数 和较 高 的 均 匀 性 ． 陷 是 影 响 缺 半 导 体 材 料 电 学 性 质 、 学 性 质 和完 整 性 等 的关 键 因 光 素， 然而 在生 长 过程 中由于 热应力 、 学配 比 、 杂 等 因 化 掺 素 的影 响 ， Ａｓ 晶 中易 产生 位错 、 缺 陷及其 复 合 体 Ｇａ 单 点 等 晶格 缺 陷 ， 些 缺 陷将 有 可能 由 衬 底 延 伸 到 外 延 层 ， 这 降低 其 品格 完整 性 ， 响器 件 的性 能 和 寿命 ． 影 因此 ， 研究 材料 缺 陷 的性 质 和形成 规 律对 于 提 高材 料 质 量 ， 制 缺 控 陷 产 生 是 必 不 可 少 的 工 作 ． 文 研 究 了 掺 Ｓ— 本 ｉ ＶＧＦ ． Ｇａ 单 晶 中 微 缺 陷 的 结 构 和 形 成 原 因 ， 析 了 掺 ｓ Ａｓ 分 ｉ ＶＧＦ Ｇａ 的缺 陷及其 对材 料 电学 性能 的影 响 ， 此基 ． Ａｓ 在 础 上 给 出 了降低 缺陷密 度 ， 高 晶体 质 量 的一 些 途径 和 提
10cm VGF法GaAs单晶生长过程中热应力的数值模拟
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１０ — ２ ６２ １ ）３ ０ １ — ３ ０ ７ ２ ７ （０ ００ — ４ １ ０
Ｎｕｍ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｔ ｉ ｈ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ｉ ｈ ｒ ｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｓｕｄ ｎｇ ｔ ｅ ｍ ｌｓ ｒ ｓ ｎ ｔ ｅ
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半导体材料与工艺之单晶半导体材料制备技术方案
半导体材料与工艺之单晶半导体材料制备技术方案单晶半导体材料制备技术是半导体材料与工艺中的一项重要内容，对于半导体器件的性能和可靠性有着直接的影响。
单晶半导体材料可以提供高电子迁移率、较低的电阻率和优异的光学性能，因此在微电子器件制造过程中被广泛应用。
本文将介绍单晶半导体材料制备的技术方案。
1.单晶生长技术单晶生长是制备单晶半导体材料的关键步骤，目前常用的单晶生长技术包括气相传输（CZ）法、流动增长法（VGF）和外延生长法（EPI）。
其中，CZ法是最常用的单晶生长技术，通过将高纯度的多晶硅加热熔化，再通过拉晶的方式生长单晶硅材料。
VGF法和EPI法则适用于其他半导体材料的生长，如GaAs、InP等。
2.杂质控制技术杂质是影响单晶半导体材料性能的重要因素，因此需要采取一系列的杂质控制技术。
首先是原材料的高纯度要求，通常使用区别于电子级的超高纯度材料，如电镀多晶硅。
其次是在生长过程中采用高纯度的保护气体和容器，以减少杂质的进入。
同时，可以通过控制生长条件和添加适量的掺杂源来控制杂质浓度和类型。
3.单晶取样技术单晶取样是制备单晶半导体材料的重要步骤，主要用于后续的材料表征和器件加工。
常用的单晶取样技术包括悬臂切割法、钻石切割法和溶剂蒸发法等。
悬臂切割法是一种常用且成本较低的单晶取样技术，通过机械切割单晶材料得到所需的单晶样品。
钻石切割法则是使用金刚石刀具进行切割，获得更加精密的单晶样品。
4.单晶材料的表征技术单晶材料的表征是了解其物理性质和化学成分的重要手段，常用的表征技术包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和拉曼光谱等。
XRD可以定性分析材料的晶体结构和晶格参数；SEM可以观察材料的表面形貌和粗细度；EDS可以分析材料的化学成分和杂质元素的存在；拉曼光谱可以分析材料的晶格振动信息。
综上所述，单晶半导体材料制备技术方案包括单晶生长技术、杂质控制技术、单晶取样技术和单晶材料表征技术等多个方面。
VGF法Si—GaAs单晶生长过程中产生位错的因素
VGF法Si—GaAs单晶生长过程中产生位错的因素作者：周铁军廖彬来源：《科技风》2018年第35期摘要：阐述了现有VGF法Si-GaAs单晶生长过程中影响位错产生、增殖的各种因素。
与掺入杂质Si浓度；熔体不润湿、与晶体热膨胀系数相近的PBN坩埚材料，低位错密度的籽晶可有效地抑制生长晶体的位错密度；固液界面的形状及晶体内的温度梯度是降低位错密度的关键控制因素，而两因素又受到炉膛温度梯度、长晶速率、气体等晶体生长工艺参数的影响。
关键词：位错密度；砷化镓单晶生长；VGF生长法1 绪论目前，GaAs 单晶已成为一种重要的光电子和微电子基础材料。
GaAs 具有高电子迁移率（为Si 的5 至6倍）、直接带隙（室温带宽1.43eV）、易于制成半绝缘材料（电阻率107 ～109 Ψ· cm）、抗辐射性好等特性.GaAs单晶衬底已用于制造高亮度LED 、大功率LD 、微波功率器件和单片电路等，[1，2]广泛应用在发光显示、光存储、移动通信、国防装备、航天等领域.此外，GaAs 基太阳能电池的转换效率高，具备良好的抗辐照能力，成为新一代高性能、长寿命空间主电源[3]。
随着GaAs 单晶衬底在光电子、微电子和太阳能电池等领域的广泛应用，人们对单晶质量的要求日益提高，以不断提高器件的性能和可靠性。
作为单晶衬底需要具备低的位错密度、良好的晶格完整性、合适的电学参数和较高的均匀性。
缺陷是影响半导体材料电学性质、光学性质和完整性等的关键因素，然而在生长过程中由于热应力、化学配比、掺杂等因素的影响，GaAs 单晶中易产生位错、点缺陷及其复合体等晶格缺陷，这些缺陷将有可能由衬底延伸到外延层，降低其晶格完整性，影响器件的性能和寿命。
因此，研究材料缺陷的性质和形成规律对于提高材料质量，控制缺陷产生是必不可少的工作。
本文研究分析了VGF法Si-GaAs单晶生长过程中产生位错的因素，在此基础上给出了降低缺陷密度，提高晶体质量的一些途径和建议。
VGF法生长半导体晶体的研究进展
Ａｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ ： Ａｓ ＶＧＦ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ ｒ ｅ ｐｅ ａ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ， ｉ ｎ ａ ｄｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ
成 果 。２ ０世 纪 ８ ０年代 中后 期 ， 美 国 贝 尔 实 验 室 的
Ｍｏ ｎ ｂ ｅ ｒ ｇ等人 利用 Ｖ Ｇ Ｆ法 生 长 了磷 化 铟 （ Ｉ ｎ Ｐ ）
技 术 的不 同之处 是 ， 在Ｖ Ｂ法 晶体 生 长过 程 中 ， 生 长
炉 的温 度是 固定 不 变 的 ， 利 用 机 械 的作 用 使 坩 埚 或 是 炉体 产生 移动 ， 当 固 一液 界 面 经 过温 度 梯 度 区结 晶成核 ， 实 现 晶体 生 长 ； 而在 Ｖ Ｇ Ｆ法 晶体 生 长 过 程 中， 坩埚 和 炉 体 位 置 均 是 固定 不 动 的 ， 改 变 的 是 温
Ｖ Ｇ Ｆ法 与 垂 直 布 里 奇 曼 （ ｖ ｅ ￣ ｉ ｅ ａ ｌ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｍ ａ ｎ ，
Ｖ Ｂ） 法 的生 长原 理 是 相 似 的 ， 熔 体 在 坩 埚 中 自下 而 上冷却 ， 实 现 晶体 的结 晶和定 向生 长 ， 且 晶体 的尺 寸
是 固定 不 变 的 ， 无 需 考 虑 晶体 直 径 控 制 问题 。两 种
ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｒ ｅ ｐ ｏ ｔ ｒ ｅ ｄ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＶＧＦ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ； ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｃ ｙｓ ｒ ｔ ａ ｌ ； ｃ ｙｓ ｒ ｔ ａ ｌ ｇ ｒ ｏ ｗｔ ｈ
VGF法SI-GaAs单晶生长工艺与固液界面形状的研究
VGF法SI-GaAs单晶生长工艺与固液界面形状的研究边义午【摘要】阐述了VGF法SI-GaAs单晶生长工艺中非平坦形固液界面形成的原因,分析了由此导致的单晶尾部径向电阻率不均匀性分布及单晶可利用率低的原因.在等径生长阶段引入VB走车工艺,并通过实验验证了VB走车工艺的应用效果,有效改善了固液界面形状和单晶尾部电阻率不均匀性,提升了SI-GaAs单晶的可利用长度.【期刊名称】《天津科技》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】3页(P21-23)【关键词】SI-GaAs垂直梯度凝固法;固液界面;电阻率【作者】边义午【作者单位】中国电子科技集团公司第四十六研究所天津300220【正文语种】中文【中图分类】TQ127.20 引言垂直梯度凝固(VGF)法以其工艺简单、重复性好，整个生长过程可以完全实现程序自动化控制，生长过程中具备较小的温度梯度，生长出的晶体热应力小、缺陷少等优点而被广泛应用于砷化镓(GaAs)单晶生长中。
在掺C 半绝缘(SI)GaAs 单晶生长过程中，溶质分凝效应使得单晶长度随着生长进行而增加，晶体中C 浓度逐渐降低，生长过程中非平坦的固液界面形状使晶体生长结束后，单晶中同一等径面出现C 的径向不均匀分布，继而造成靠近晶体尾部中心位置电阻率偏低，改变了单晶的半绝缘特性。
因此，每棵单晶至少需要切除掉尾部约25%低阻的部分，这就大幅降低了半绝缘单晶的有效长度和产品的可利用率。
本文通过对VGF 工艺的研究和改进，优化了生长过程中固液界面形状，降低了C 在晶体中的径向不均匀分布，增加了单晶有效长度和可利用率。
1 固液界面形状对C浓度分布的影响1.1 半绝缘GaAs单晶电阻率与C浓度的关系SI-GaAs 是浅受主杂质与深施主EL2 相互补偿的材料，其中C 是GaAs 材料中最为重要的一种浅受主杂质，在单晶生长过程中通过增加GaAs 晶体中浅受主杂质C 的含量，同时降低晶体中深施主EL2 能级，使得浅受主杂质C 与深施主EL2 及Si 相互补偿，可以有效提高GaAs 单晶电阻率和半绝缘特性。
VGF法Si-GaAs单晶生长过程中产生位错的因素
S 掺 O/2bj;2jWQT晶片表面结构5% 倍3==]3==视场 (&$ 掺入杂质 O/浓度 减小位错的方法之一是掺入杂质# 实验证明"通过适度地
掺杂确实可以生长出低位错密度的晶体# 通过对比非掺 bj;2 jWQT和掺 O/2bj;2jWQT生长的单晶"非掺 bj;2jWQT晶体中基 本不存在 QT沉积聚集在位错周围所形成的胞状结构"但含有 独立和分散的 QT沉积# 掺 O/2bj;晶中则存在高浓度的 U占 QT位% UQT& "O/占 jW位和 jW空位的复合体% O/jWbjW& 等缺陷# 通过抑制 U沾污"有助于提高 O/的掺杂激活效率"降低自补偿 作用"减少杂质沉积所造成的微缺陷和错位密度#
晶体的电阻率存在很大的起伏# 虽然 bj;2jWQT单晶的 QT过 量程度较低"但在晶体中仍存在 QT的沉积"只是由于位错密度 低而不在位错周围大量聚集&但在局部区域还会出现位错聚集 成+十,字型或直线型的位错排列结构"如图% S& 所示# 也可以 看出在掺 O/2bj;法样品中% 图% S& & "还分布有大量的小丘状 微缺陷"微缺陷围绕位错出现# 分析以下几种 bj;法 O/2jWQT 单晶生长找那个产生位错的因素!
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理论研究 !"#!$%&$'(') *+&,-./&$01$21(3$&)%$4(5$4'
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一种VGF砷化镓单晶生长新工艺[发明专利]
![一种VGF砷化镓单晶生长新工艺[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6708e3cb2f60ddccdb38a047.png)
专利名称：一种VGF砷化镓单晶生长新工艺专利类型：发明专利
发明人：武壮文,于洪国,赵静敏,周晓霞
申请号：CN201410839945.2
申请日：20141229
公开号：CN105803515A
公开日：
20160727
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种VGF砷化镓单晶生长新工艺，包括以下步骤：将砷化镓多晶、籽晶装入PBN坩埚中，放入石英管内抽真空后密封；用1.5小时加热升温到第一区1220℃、第二区1230℃、第三区1233℃、第四区1235℃、第五区1225℃、第六区1222℃，然后保温1小时；加热升温到第三区1253℃，然后保温2小时；加热升温到第三区1262℃、第四区1244℃、第五区1225℃，然后保温1.5小时；然后放肩并等径生长收尾。
本发明VGF砷化镓单晶生长新工艺可以大大缩短升温化料和接籽晶的时间，从而提高整个工艺的生产效率。
申请人：有研光电新材料有限责任公司
地址：065001 河北省廊坊市高新技术开发区
国籍：CN
代理机构：北京北新智诚知识产权代理有限公司
代理人：倪中翔
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用VGF技术生长直径100mm的CdZnTe单晶
用VGF技术生长直径100mm的CdZnTe单晶
义仡
【期刊名称】《电子材料快报》
【年(卷),期】1996(000)009
【总页数】2页(P16-17)
【作者】义仡
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】O78
【相关文献】
1.100mm直径低位错密度InSb单晶生长研究 [J], 赵超;彭志强;柏伟;程波;陈元瑞;贺利军
2.环境湿度对VGF法半绝缘砷化镓单晶备料生长的影响研究 [J], 孙文杰
3.VGF法Si-GaAs单晶生长过程中产生位错的因素 [J], 周铁军;廖彬
4.VGF法SI-GaAs单晶生长工艺与固液界面形状的研究 [J], 边义午
5.4 inch低位错密度InP单晶的VGF生长及性质研究 [J], 赵有文;段满龙;卢伟;杨俊;董志远;刘刚;高永亮;杨凤云;王风华;王俊;刘京明;谢辉;王应利;卢超
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一种VGF法生长单晶的单晶炉结构和温度控制方法[发明专利]
![一种VGF法生长单晶的单晶炉结构和温度控制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/27a6901b4693daef5ef73df1.png)
专利名称：一种VGF法生长单晶的单晶炉结构和温度控制方法专利类型：发明专利
发明人：陈娅君,刘汉保,普世坤,柳廷龙,叶晓达,柳廷芳,黄平,吕春富,张春珊,王顺金,陈维迪
申请号：CN202011139769.3
申请日：20201022
公开号：CN112176398A
公开日：
20210105
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种VGF法生长单晶的单晶炉结构和温度控制方法，属于半导体材料技术领域，包括炉体外壁、保温层,保温层内包括生长段和炉芯段，生长段横向设置有数组热电偶，每组的两个热电偶测温点对称设置于坩埚两侧，炉芯段纵向设置有数个热电偶，炉芯段第一热电偶其测温点与籽晶段底部平行，第二热电偶其测温点为坩埚的放肩处，第三热电偶其测温点为坩埚转肩处的中部，第三热电偶为热电偶族，从转肩处中部横向形成一个圆形截面，沿其边缘等分设置不少于6个热点偶，本发明通过晶体生长热电偶的损坏情况和成晶情况合理安装热电偶，使得炉膛的使用寿命增加，减少维修次数，避免了由于单一热电偶损坏造成晶体报废，降低了生产成本。
申请人：云南鑫耀半导体材料有限公司
地址：650000 云南省昆明市高新区电子工业标准厂房A栋1楼
国籍：CN
代理机构：昆明祥和知识产权代理有限公司
代理人：董昆生
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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。
3.2、VGF技术特点
优点
能很好的适合计算机模拟
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。
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 特 点 LEC 高 中 一般 可生长较大直径 HB 低 好 好 受限制 VGF／VB 低 好 好 可生长较大直径 VCZ 较低 好 好 可生长较大直径
第一步
第二步 图2.1 GaAs单晶生长的模拟步骤
第三步
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。
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。
受限制
低 可能 100mm资 运行费用
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。
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。
晶体长度
背景杂质浓 度 工艺可行性 现状
可生长较长单晶
低 好 100mm， 150mm单晶 批量生产， 直径200mm 单晶研制成 功 大 高
可生长较长单晶
较低 好 50～75mm单晶 批量生产， 直径100mm 单晶研制成 功 小 低
可生长较长单晶
低 好 100m，150mm 单晶批量生 产，直径 200mm单晶 研制成功 小 低
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。
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。
3.3、VGF技术目前研究热点
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。 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。