[发明专利]一种无需籽晶粘接技术的氮化铝单晶生长装置及方法

说明书

本发明公布了一种无需籽晶粘接技术的氮化铝单晶生长装置及工艺，涉及半导体制造技术。生长装置包括：加热系统、红外测温系统、籽晶、生长坩埚、坩埚隔板和双层嵌套式坩埚；加热系统置于最外侧；坩埚底部与顶部具有温度差；坩埚置于保温材料内；在坩埚的底部放置籽晶；双层嵌套式坩埚竖直放置在坩埚隔板的上侧，包括内层坩埚和外层坩埚；内外层坩埚的壁的高度保持相同；内外层坩埚的侧壁之间填充高纯氮化铝粉。本发明可减小氮化铝单晶杂质元素的掺入，提高其晶体质量，增加单晶可用面积，同时简单易用，有利于实现低成本的氮化铝单晶的制备，能够避免使用粘接籽晶技术从而影响氮化铝单晶生长。

技术领域

本发明涉及半导体制造装置及工艺，尤其涉及一种无需籽晶粘接技术的氮化铝(AlN)单晶生长装置及工艺方法。

背景技术

第三代半导体材料的禁带宽度一般大于3.0电子伏，因此又被称为宽禁带半导体，氮化铝材料就属于其中，它具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景，对于氮化铝单晶材料的研究和开发已经成为了半导体领域的一个热点。目前，主要采用物理气相输运(PVT)的办法来制备氮化铝单晶，物理气相输运方法指的是利用保温系统在各处厚度的不同人为设置高温区和低温区，固态原料在高温区蒸发，沿温度梯度利用蒸气的扩散和气相的输运在低温区生长为晶体，使用该方法可以利用晶体原料自发成核生长出单晶，但自发形核只能得到毫米级小晶粒。1英寸以上单晶体则必须利用籽晶沉积而获得。物理气相输运法具有生长速率快、结晶完整性好等特点，大量的研究表明，物理气相输运法是制备大尺寸氮化铝单晶的最有效途径之一。

在使用物理气相输运方法的过程之中，现有传统的装置及工艺一般将坩埚顶部设置为低温区，底部设置为高温区，将籽晶粘接在坩埚顶盖上。但与碳化硅单晶生长相比，在氮化铝单晶生长过程中使用籽晶粘接技术则存在着巨大困难:

(一)籽晶粘接技术需用到高温粘接剂(耐温高达2300℃以上)，能达到如此高温的粘接剂主要含碳成分，碳(C)是AlN单晶主要的杂质来源，对其晶体质量有严重危害，同时还对钨坩埚钨加热器组件有腐蚀和脆化作为。但是非含碳高温粘接剂种类很少，价格昂贵且粘接效果明显不如含碳粘接剂；

(二)籽晶粘接技术对工艺过程要求严格，涂覆不均匀固化过程易形成微气孔，其导热性的差异将导致籽晶表面温场分布不均匀，影响单晶的可用面积；

(三)一旦粘接不牢固，容易造成生长过程中籽晶脱落而导致整个实验失败等等许多问题。

由此可见，物理气相输运方法中传统的粘接籽晶的方法容易影响生成的氮化铝单晶的质量，所以迫切需要一种无籽晶粘接技术的氮化铝单晶生长装置及工艺。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种无需籽晶粘接技术的氮化铝单晶生长装置及工艺，本发明可以减小氮化铝单晶杂质元素的掺入，提高其晶体质量，增加单晶可用面积，同时这一装置及工艺方法比较简单，有利于实现低成本的氮化铝单晶的制备，是一种能够避免使用粘接籽晶技术从而影响氮化铝单晶生长的装置及工艺。

本发明提供的技术方案是：

一种无需籽晶粘接技术的氮化铝单晶生长装置，包括：加热系统、红外测温系统、籽晶、生长坩埚、坩埚隔板和双层嵌套式坩埚；加热系统在最外侧；加热系统由感应线圈和石墨构成，坩埚置于保温材料内，坩埚底部正中设有下开口，红外测温系统通过下开口进行红外测温；在坩埚的底部放置籽晶；坩埚隔板的中间留有一个大圆孔，在隔板上均匀的分布多个小圆孔；在隔板上侧竖直放置双层嵌套式坩埚，内层坩埚只有侧壁，中空无底；外层坩埚包括侧壁和底；内层坩埚壁与外层坩埚壁的高度保持相同；内层坩埚的侧壁与外层坩埚的侧壁之间填充高纯氮化铝粉。

上述氮化铝单晶生长装置中，进一步地：