[发明专利]一种激光加热区熔生长大薄片或异形翘曲单晶的装置及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及单晶生长的装置及其生长方法，特别涉及一种激光加热区熔生长大薄片或异形翘曲单晶的装置及生长方法。

背景技术

碳化硅单晶材料具有优异的物理特性和电学性能，作为宽带隙材料，应用在高温辐照、大功率、微波等方面，成为航空、航天、雷达、通讯等领域所需的高性能电子器件材料。二十世纪五十年代J.A.Lely采用升华法制备出较好的碳化硅单晶，并在美国专利US2854364中公开，其在碳容器内部衬上一层碳化硅原料，将容器加热到碳化硅升华的温度后再使之冷凝，再结晶的碳化硅就沿着容器的衬层沉积，但是只能获得粒状或块状的小尺寸单晶。德国西门子公司在中国申请专利CN1191580A，发明名称为生产碳化硅单晶的方法，提出了一种生产碳化硅立体单晶的方法，在超高压下将碳化硅粉末或其他原料溶解在一种溶剂中，并在一个晶核上生长，这种方法需要10⁵Pa压力下进行，从压力上来进行平衡，该方法对设备的制造要求极高，制造困难，成本较高。除了上面介绍的几种生长碳化硅单晶的方法，还有外延生长法、CVD法等，各有优缺点。然而，利用区熔法制备碳化硅单晶在此前没有相关的报道。

激光加热区域熔化法可以用来生长单晶硅，其最大的优点是真空熔区不与其他物质接触，在加工过程中没有其他杂质污染，不像高频加热区熔那样,沉积在线圈上的杂物还会反弹入熔区中，也不激发空间等离子体的放电现象。同时熔区本身的杂质和新生晶体的杂质之间的浓度会有差异，这个现象叫做分凝，利用分凝现象进行多次区熔还可提高材料纯度。中国专利（CN101525764A）公开了一种真空区熔高阻硅单晶的制备方法，但是其制备工艺复杂，对工艺参数要求很高。

发明内容

本发明提出采用激光加热区熔法生长大薄片或异形翘曲单晶，并设计了一套激光加热区熔的装置。

为实现上述目的，本发明采用以下方案：

一种激光加热区熔生长大单晶薄片或异形单晶的装置，其特征在于，所述装置包括附带激光电源的激光器组，光纤，光纤输出端固定架，保持激光束相对样品移动的激光束移动的系统。所述光纤的一端与激光器组输出端熔接成一体，是无能量损失的连接，所述光纤另一端是激光输出端，被一个固定架固定，并将激光束指向样品，提供受照样品局部区域一个矩形热源，所述光纤输出端固定架安装在所述激光束移动系统上，利用这个激光束移动系统移动激光光束，使矩形热源在样品平面内移动，样品在矩形热源加热的条件下，局部区域融化，随着热源的移动这个熔区也跟着同步移动，熔区的移动前方把固体样品熔化，其熔区尾部由于不再得到热源能量的补充，又向周围散发能量而重新结晶，如果熔区尾端已经是单晶固体，那么以后新生的固体一定会按原来原子排序排列，从而长成大单晶薄片或异形翘壳单晶。

对于较大面积的单晶生长可以应用多个熔区生长法。如图二那样，图二中标出两个熔区同时出现在一个样品上的工艺，也可以一次完成后回过头来再完成余下的那部分作业。这样做有如下好处：不容易掉熔区，可降低晶体内应力及应变量，可生产超大晶体。

优选的，所述装置还包括熔区高度测量部件。

优选的，所述光纤为认真编组排列后的，新的光纤输出端排序后，使相邻光纤输出端输出能量强弱互补。

优选的，所述熔区高度测量部件为数码相机或分光棱镜。

更为优选的，所述数码相机附带有电脑图像处理功能。

一种激光加热区熔生长大薄片或异形翘曲单晶的方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）准备样品：被加工的样品应是片状的，其厚度取决于被加工材料和加工目的；

（2）调试激光：采用上述激光加热区熔生长大单晶薄片或异形翘壳单晶的装置，打开激光器组的电源，调试激光光束，操作激光束移动系统，将激光光束的矩形加热区域移动至样品的选定位置，设置激光光束加热强度，使选定样品位置熔化，并有一定高度范围，因为一旦超出这个高度范围就有可能因为失去表面张力的支撑能力而液体下流，俗称掉熔区；保持较低温度也为了缩小样品的蒸发量和升华量

（3）生长单晶：控制矩形热源从样品的一端向另一端扫描移动加热，熔化样品重新结晶，将整个碳化硅样品扫过一次或多次，形成大单晶薄片或异形翘壳单晶。

优选的，所述样品为碳化硅或者硅。

优选的，所述样品的纯度为99.99%以上。

优选的，所述生长单晶步骤还包括采用熔区高度测量部件来测量熔区高度步骤。

优选的，所述熔区高度测量部件为数码相机或分光棱镜组件。