[发明专利]大直径碲化镉或碲锌镉多晶棒料合成装置及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备领域，具体涉及3英寸及以上的大直径碲化镉（CdTe）或碲锌镉（CdZnTe）多晶棒料合成装置及制备方法。

背景技术

CdTe和CdZnTe晶体材料由于其高电阻率以及良好的载流子传输特性，可用于制作高性能X射线及γ射线探测器，在高能物理及医学影像领域有着广阔的应用前景；还可用于制作低成本的CdTe薄膜太阳能电池所需求的多晶合成料及CdTe靶材；不仅如此，其晶格常数与红外探测器材料碲镉汞（HgCdTe）相匹配，是碲镉汞晶体材料最理想的外延衬底，在现代红外探测器技术中起着不可或缺的作用。

在CdTe和CdZnTe单晶制备工艺中，多晶料的合成非常重要却又少有论述，但其对于化学配比的实现、单晶的制备是不可或缺的关键工艺环节。然而，在工业化生产中经常遇到炸管和裂管，导致高纯材料氧化报废而蒙受巨大损失，无法实现连续大批量生产制造，主要原因是一般的合成工艺是简单地将原材料混合物简单地密封在内壁涂有碳膜或氮化硼（pBN）膜的石英管中加热进行化合反应而成。

CdTe和CdZnTe可由气相、液相甚至固相合成，通常由各元素在液相条件下直接合成。液相合成工艺中，其在Te熔点（449℃，见表1）附近会发生剧烈的化合反应，且反应通常是不彻底的，一直到1000℃甚至整个液相范围内，都可能有化合反应存在，这表明液相直接合成具有较大的危险性。同时由于需使用高纯原材料，其合成过程一般都是在超高纯和超高真空的内壁镀膜石英管内进行，故合成技术的关键是控制或者如何承受化合过程中潜热的剧烈释放，这种剧烈的放热反应会引起快速升温而导致石英管内镉压升高，最终超过石英管耐压范围而破裂；而且，在石英管焊接密封过程中又不可避免地引入热应力导致石英管耐压下降，尤其是随着石英管径的增大，其耐压能力降低，同时装料反而增加，液相合成时碲化镉反应不充分、不彻底的几率增大，其发生爆炸的几率大大增加，最终将导致石英管的破裂乃至炸管。

在一般的CdTe和CdZnTe多晶棒料合成工艺过程中，为监控并解决合成过程中石英管易于破裂问题，实用新型专利ZL02260417.0提出了一种带有预测化合物半导体合成裂管实时监控的合成炉。该专利中，对于事前预测到将要发生裂管的合成过程，也只能终止合成过程而没有提出进一步的处理措施和办法，另外，“预测”本身就带有概率性，对于例外的情况是无法完全阻止炸或裂管现象的发生，特别是随着工业化生产直径的扩大（如3英寸及以上），炸管或裂管现象几率大大增加，因此，该专利并未完全实现控制裂或炸管的技术。意大利A.Zappettini等提出了一种低成本快速合成多晶CdTe方法，即将Cd和Te密封在熔融B2O3高压容器中，外加20-40atm惰性气体，见Journal of Crystal Growth (214/245)2000 P14。但此方法实际为高压合成，设备构造复杂，存在硼（B）污染，且不适用大直径多晶棒料的合成。法国P. Cheuvart等采用了美国专利No. 4447393提出的合成方式，即分开封装原材料，Cd端温度控制在800℃，Te端温度控制在CdTe熔点以上，此时CdTe合成反应在Te熔点处开始发生，通过Cd金属的气相输运进行后续化合发应，见Journal of CrystalGrowth (101)1990 P270。此合成方式复杂且成本较高，且不适合规模化生产使用。

目前，相关文献及专利中尚无一项令人满意的合成制备技术，能够简单快速，低成本地合成制备大直径CdTe和CdZnTe多晶棒料，同时还能够完全避免合成中出现的炸或裂管现象以便实现规模化的连续生产。

表1：碲、锌、镉单质元素相关物理参数

发明内容

基于上述合成工艺中存在的种种问题，本发明的目的是提出一种工艺简单、低成本的大直径碲化镉（CdTe）或碲锌镉（CdZnTe）多晶棒料的合成制备方法及装置，以解决上述问题。通过采用双层坩埚结构避免合成过程中出现的裂管甚至炸管现象；通过高纯石墨坩埚来承受最高熔点单质元素Te熔化时的剧烈化合瞬间产生的高温高压带来的热量冲击，同时也避免了外层石英坩埚杂质二次污染密封于其内的原材料纯度问题。

本发明的技术方案为：

大直径碲化镉或碲锌镉多晶棒料合成装置，包括：石墨坩埚、石英坩埚、石墨垫片、石墨盖、石英塞，其特征在于：石墨坩埚底部设有抽气孔，石墨垫片放置在石墨坩埚底部，石墨盖位于石墨坩埚口处，石墨坩埚整体放置在石英坩埚内，并与石英塞有相应间隙，石英塞位于石英坩埚口处。

石英塞与石英坩埚通过焊接密封。