[发明专利]碲镉汞材料富汞制备技术所需高压保护性气体的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体晶体材料制备工艺技术，特别指一种碲镉汞材料富汞制 备技术所需高压保护性气体的控制系统，它主要用于材料生长和热处理过程中 对高压保护性气体的控制，使生长腔体中的原材料和生长材料进行保护，免受 周围环境对半导体材料的污染。

技术背景

常用的半导体材料制备技术分为液相生长和气相生长两种方法，液相生 长包括液相外延和各种Bridgman定向凝固方法，气相生长有普通的化学气相 沉积、金属有机气相沉积和分子束外延等，我们知道半导体材料是一种纯度要 求很高的材料，因此，在制备过程中，原材料和半导体材料均需处于高度纯净 的环境之中，为保护半导体材料的纯度，可有将材料封闭在石英管中，也可将 材料制备工艺置于超高真空系统至进行，而最为常用的技术是利用超高纯的保 护性气体(如H₂或N₂气)，如液相外延、化学气相外延、开管的热处理工艺 和高压的材料生长系统等都是采用超高纯气体进行保护的。

在碲镉汞材料的制备工艺中，富汞热处理和富汞液相外延中的汞平衡蒸 汽压较高，最高可要求到达10大气压，在这样材料制备系统里，为了防止汞 蒸汽沸腾引入强烈的对流给系统的温场和气相带来严重的不均匀性和不稳定 性，工艺上均要求将保护性气体的压力提高汞的平衡蒸汽压之上，以抑制汞蒸 汽的沸腾。随着红外焦平面技术的发展，多色红外焦平面和甚长波红外焦平面 已成为目前红外焦平面新技术对两个重要发展方向，其中多色焦平面所需的 As掺杂材料必须采用富汞热处理工艺来将As原子激活乘受主，甚长波红外焦 平面的发展也要求采用富汞液相外延生长双层组分异质结构的碲镉汞外延材 料，两者在工艺上都对高压保护性气体提出来需求。常用的高压保护性气体控 制技术都采用进气压力控制器1、压力计6和排气阀门7组成的控制系统(见 图1)，当压力低于设定值时，进气压力控制器1能自动输入气体，使系统压 力增加到设定值，而当气体压力过高时，通过压力计6的输出信号来控制阀门 7打开、卸压，这样的系统虽能对系统压力进行控制，但存在两个缺点，一是 利用排气阀门7开关控制压力的稳定性较差，二是当系统稳定后，系统中的气 体不再流动，由管壁发挥出来的杂质不能被保护性气体带走，系统中保护性气 体的纯度会随着时间不断下降，对材料的制备工艺造成不利的影响。

发明内容

基于碲镉汞红外焦平面技术发展的需求和目前高压保护性气体控制技术 上存在的不足，本发明对控制系统提出了一种改进的方法。

图2是本发明改进后的高压保护性气体压力控制原理图，和图1的控制原 理相比，在气体排出的管道上安装了出气压力控制器2和气体质量流量计3， 安全阀门4并联在出气压力控制器2和气体质量流量计3的气路上。出气压 力控制器2的输出压力控制在略高于常压(大气压)，质量流量计3用来控制 出气压力控制器2排出的气体。

本发明的控制过程是这样的，由于流量计不断地向系统外排出气体，出 气压力控制器2出口处的压力将不断下降，进而导致该出气压力控制器2不断 将材料制备系统5的气体排出，系统压力的下降有导致进气压力控制器1打开， 以维持系统的气体压力，当系统温度升高时，系统内气体的膨胀会导致压力的 升高，如果压力升高的速率不超过排气导致的压力下降速率，系统中气体的压 力仍能保持动态平衡，即通过适当控制流量计的流量，可实现对高压保护性气 体压力的控制，同时，维持系统中保护性气体具有一定的流动性。

假定处于加热区域的气体体积为V，升温速率为α，若要维持系统中的压 力P不变，根据范德瓦尔斯方程，单位时间增加的气体体积为，

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