本實用新型涉及半導體晶體生長設備技術領域，具體地，特別涉及一種基于VGF法的InP晶體生長爐。

背景技術：

磷化銦(InP)是由III族元素銦(In)和V族元素磷(P)化合而成III-V族化合物半導體材料，在半導體材料領域具有非常重要的戰(zhàn)略性地位，是目前光電器件和微電子器件不可替代的半導體材料。與鍺、硅材料相比，InP具有許多優(yōu)點：直接躍遷型能帶結構，具有高的電光轉換效率；電子遷移率高，易于制成半絕緣材料，適合制作高頻微波器件和電路；工作溫度高；具有強的抗輻射能力；作為太陽能電池材料的轉換效率高等。因此，InP材料被廣泛應用在固態(tài)發(fā)光、微波通信、光纖通信、微波、毫米波器件、抗輻射太陽能電池等高技術領域。InP單晶已成為一種重要的光電子和微電子基礎材料，用于制造光纖通信用的激光器、探測器、網(wǎng)絡光通信用的集成電路以及高頻微波器件。

圖1是現(xiàn)有技術中基于VGF(垂直梯度凝固法)法的InP晶體生長爐示意圖，如圖1所示，坩堝5底部細徑處放置有引導InP晶體生長所用籽晶17，上方的InP多晶料18被加熱元件7加熱融化。加熱元件7有多段，在坩堝5外圍垂直等間隔分布。通過供給加熱元件7各段不同的加熱功率，使坩堝內(nèi)形成溫度由下至上逐漸升高的溫度梯度。在此溫度梯度的驅(qū)動下，InP熔體在籽晶處吸附，形核，長大從而得到所需直徑及質(zhì)量的InP晶體。因此，坩堝內(nèi)溫度及溫度梯度的穩(wěn)定對于生長高質(zhì)量的InP晶體至關重要。圖1中熱電偶保護管15內(nèi)含有單條熱電偶，可探測籽晶17處的溫度，通過供給從下到上不同位置處加熱元件7不同的加熱功率，形成由下至上溫度增加的溫度梯度，例如溫度梯度為0.1℃～10℃/cm，每段加熱元件7的加熱功率根據(jù)熱電偶實時反饋的數(shù)據(jù)而改變，其中，每段加熱元件7均通過兩個左右對稱的加熱電極8支撐(圖1中只顯示了其中一根)。

現(xiàn)有基于VGF法的InP晶體生長爐，相鄰兩段加熱元件之間因自然對流及熱輻射的原因，會影響加熱元件的加熱溫度穩(wěn)定。此外，InP生長時，晶體表面在高溫下因解離會產(chǎn)生部分磷蒸氣，雖然InP晶體上方的液封劑氧化硼及高壓腔體內(nèi)的惰性氣體能抑制InP的解離，但因高溫下解離迅速，仍會有部分磷蒸氣溢出，從而對坩堝內(nèi)已經(jīng)形成的溫度分布產(chǎn)生擾動。以上兩個原因，使現(xiàn)有VGF法的InP單晶生長爐內(nèi)的溫度及溫度梯度不穩(wěn)定，從而影響InP晶體的生長質(zhì)量。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于以上問題，本實用新型的目的是提供一種基于VGF法的InP晶體生長爐，以解決相鄰兩段加熱元件之間自然對流和熱輻射對爐內(nèi)溫度分布穩(wěn)定性影響的問題，有利于生長出高質(zhì)量的InP晶體。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

本實用新型所述基于VGF法的InP晶體生長爐，包括爐底座，爐壁，且爐底座與爐壁形成密閉空間，在爐底座開設通氣口，在爐底座上表面固定連接有坩堝托，在坩堝托上方放置有坩堝，在坩堝托與坩堝外側同軸放置有無底面的隔離筒，在隔離筒外周垂直方向間隔設置有多段加熱元件，每段加熱元件均固定有電極安裝座，加熱電極通過電極安裝座與加熱元件連接，并延伸至所述爐底座外部，在每段加熱元件底部均固定連接有加熱器安裝板，用于隔離兩個相鄰的加熱元件。

優(yōu)選的，在加熱元件與爐壁之間設置有保溫筒，且保溫筒上端設置有密封蓋。

進一步地，優(yōu)選的，加熱器安裝板為圓環(huán)狀結構，內(nèi)環(huán)直徑比隔離筒外徑大1～2mm，外環(huán)直徑比保溫筒內(nèi)徑小1～2mm。

優(yōu)選的，加熱元件為圓環(huán)狀結構，材質(zhì)為高純石墨，加熱器安裝板的材質(zhì)為耐熱保溫材料。

優(yōu)選的，在加熱元件與加熱器安裝板之間安裝有絕緣環(huán)，防止加熱元件和加熱器安裝板之間導電。

進一步地，位于最下端的加熱器安裝板固定連接有加熱器支撐座，加熱器支撐座通過多個支撐桿與爐底座上表面固定連接。

進一步地，加熱器安裝板之間通過多個連接桿固定連接。

進一步地，電極安裝座位于加熱元件的同一端。

優(yōu)選的，在爐底座垂直安裝有保護套管，在保護套管內(nèi)包裹有多根熱電偶，垂直安裝于加熱元件內(nèi)圓柱側，每根熱電偶對應一個加熱元件，探測加熱元件的溫度。

優(yōu)選的，隔離筒上端固定連接有密封蓋，隔離筒與密封蓋形成密閉空間，在隔離筒底端開設有通氣孔。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果：

一、在每段加熱元件底部固定連接有加熱器安裝板，阻隔相鄰加熱元件之間的熱對流及熱輻射，使加熱元件的加熱溫度保持穩(wěn)定；

二、隔離筒上端用密封蓋密封，且在隔離筒底端開設通氣孔，使InP晶體表面受高溫解離的解離蒸氣被引導至隔離筒底部，在底部遇冷沉積，避免了解離蒸氣對加熱元件的干擾。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有基于VGF法的InP晶體生長爐示意圖；

圖2是現(xiàn)有InP晶體生長爐中加熱元件的安裝示意圖；

圖3是本實用新型所述基于VGF法的InP晶體生長爐優(yōu)選實施例剖面示意圖；

圖4是本實用新型所述InP晶體生長爐優(yōu)選實施例的加熱元件安裝示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的說明，以便于本實用新型更加清楚和易于理解。

圖3是本實用新型所述基于VGF法的InP晶體生長爐優(yōu)選實施例剖面示意圖，如圖3所示，本實用新型所述基于VGF法的InP晶體生長爐包括：爐底座1，爐壁2，且爐底座1與爐壁2固定連接，通過安裝在爐底座1軸向凹槽處的密封環(huán)形成密閉空間。在爐底座1開設通氣口3，通過通氣口3向爐內(nèi)通入惰性氣體或?qū)崿F(xiàn)腔體內(nèi)抽真空，以實現(xiàn)必要的InP晶體的生長工藝條件。在爐底座1的上表面中央位置固定連接有坩堝托4，在坩堝托4上方放置有坩堝5，在坩堝托4與坩堝5外側同軸放置有無底面的隔離筒6，隔離筒6為耐高溫材料，例如金屬鉬、陶瓷和高純石墨等，隔離筒6的底端與爐底座1凸出的臺階配合定位。

圖3中顯示，隔離筒6外周垂直方向等間距排列有四個加熱元件7，加熱元件7為圓環(huán)狀結構，供給四個加熱元件不同的加熱功率，使坩堝5內(nèi)形成由下至上溫度逐漸增加的溫度梯度，在此溫度梯度的驅(qū)動下，促進InP晶體的生長。在四段加熱元件7的外圓環(huán)上的不同位置均固定有電極安裝座71，加熱電極8通過電極安裝座71與加熱元件7連接，并延伸至爐底座1的外部。每個加熱元件7底部均固定連接有加熱器安裝板9，且加熱器安裝板9之間間距相等，將兩個相鄰的加熱元件7隔離開，阻隔了相鄰不同加熱溫度的加熱元件7之間的熱對流及熱輻射，使加熱元件7的加熱溫度穩(wěn)定。

此外，在加熱元件7與爐壁2之間設置有保溫筒10，保溫筒10的材質(zhì)為耐熱保溫材料，本實用新型優(yōu)選為石墨氈，且保溫筒10上端設置有密封蓋，下端可直接放置在爐底座1的上表面，便于維護時拆卸，在保溫筒10的底部開設有一個通氣孔101，以使保溫筒10內(nèi)外側的腔體保持連通。

加熱器安裝板9為圓環(huán)狀結構，其中，加熱器安裝板9的內(nèi)徑與隔離筒6外徑相近，本實用新型優(yōu)選加熱器安裝板9的內(nèi)環(huán)直徑比隔離筒6外徑大1～2mm，加熱器安裝板9的外徑與保溫筒10內(nèi)徑相近，本實用新型優(yōu)選加熱器安裝板9的外環(huán)直徑比保溫筒內(nèi)徑小1～2mm。加熱器安裝板9的內(nèi)環(huán)和外環(huán)分別與隔離筒6的外環(huán)和保溫筒10的內(nèi)環(huán)保持一定間隙，既便于安裝，也能有效阻止相鄰加熱元件7之間的熱對流和熱輻射，從而避免不同加熱溫度的加熱元件7之間的相互干擾。

在本實用新型中，加熱元件7的材質(zhì)為高純石墨，加熱器安裝板9為耐高溫保溫材料，本實用新型優(yōu)選為石墨氈，兩者都為導電材料，則在加熱元件7與加熱器安裝板9之間安裝有絕緣環(huán)11，以防止加熱元件7和加熱器安裝板9之間導電，從而避免加熱電極8傳遞給加熱元件7的電流流向加熱器安裝板9，使加熱安裝板8導電發(fā)熱，對爐內(nèi)溫度分布造成不良影響。

圖2是現(xiàn)有InP晶體生長爐中加熱元件的安裝示意圖，圖2中顯示，加熱元件7通過左右對稱的電極安裝座71被兩個加熱電極81支撐，此時，加熱電極8在傳遞加熱電流的同時還起到支撐相應加熱元件7的作用。加熱元件7通過不同長度的加熱電極8支撐，加熱電極8下端連接加熱電源，供給加熱元件7不同的加熱功率，以形成爐內(nèi)的溫度梯度。此種加熱元件的安裝方式亦可用于本實用新型生長較小尺寸的InP晶體。

在本實用新型中，如圖3和圖4所示，位于最下端的加熱器安裝板9固定連接有加熱器支撐座12，加熱器支撐座12通過多個支撐桿13與爐底座1的上表面固定連接。其中，支撐桿13均勻分布以實現(xiàn)穩(wěn)定支撐，支撐桿13的數(shù)量可為3個、4個或6個，本實用新型優(yōu)選3個支撐桿13均勻分布，連接加熱器支撐座12和爐底座1。此外，在各個加熱器安裝板9之間通過多個連接桿14固定連接。其中，連接桿14在加熱器安裝板9上均勻分布，連接桿14的數(shù)量可為3個、4個或6個，本實用新型優(yōu)選為3個連接桿均勻分布，通過3個螺紋孔c1與加熱器安裝板9固定連接。為了實現(xiàn)整個爐體的密封，加熱電極8與爐底座1之間嵌有密封絕緣套20。為了實現(xiàn)加熱電極8與加熱器支撐座12之間的絕緣，加熱器支撐座12與加熱電極8之間嵌有絕緣套21。

如圖4所示，兩個電極安裝座71位于加熱元件7的同一端，與分布在加熱元件7一端的電極安裝座71通過上下兩個螺母711鎖緊。此時，加熱電極8可以只傳遞加熱電流，不起支撐加熱元件7的作用，加熱元件7通過支撐桿13和連接桿14以及加熱器安裝板9的平面穩(wěn)定支撐，使加熱電極8安裝方便且避免了一些鎖緊絕緣零件的安裝，簡化結構，且即使生長大尺寸InP晶體時，支撐也會穩(wěn)定。

圖4中顯示，最上面的加熱元件7與最長的一對加熱電極81連接，加熱電極81通過通孔a1貫穿四塊加熱器安裝板9，并延伸至爐底座1的外部。與最底下加熱元件7相連的加熱電極82為最短的一對，通過加熱器安裝板9的通孔a4延伸至爐底座1的外部。另外兩個加熱電極8分別穿過通孔a3和a4與中間相應的兩個加熱元件7相連。由不同的加熱電極8供給各段加熱元件7不同的加熱功率，便于形成InP晶體生長所需的溫度梯度。

此外，在爐底座1上垂直安裝有保護套管15，在保護套管15內(nèi)包裹有多根熱電偶16，垂直安裝于加熱元件7內(nèi)圓柱側，每根熱電偶16對應一個加熱元件7，探測加熱元件7的溫度。在圖3中保護套管15貫穿四個加熱元件7延伸至爐底座1，在保護套管15內(nèi)對應四個加熱元件7包裹了四根高低不同的熱電偶16，分別貼近四個加熱元件7，檢測上下四段加熱元件7的加熱溫度，從而可以根據(jù)爐內(nèi)溫度以及溫度梯度的要求，通過加熱電極8分別向四個加熱元件7提供不同的加熱功率，且通過不同的熱電偶16實時反饋相應加熱元件7的加熱溫度，通過不同的溫度控制器分別控制每一段加熱元件7的加熱功率，實現(xiàn)坩堝5內(nèi)由下至上溫度逐漸增加的軸向溫度梯度分布，滿足InP晶體的生長條件。

在生長InP晶體時，通過不同的加熱電極8供給加熱元件7不同的加熱功率，在坩堝外形成由下至上逐漸升高的溫度梯度，籽晶在此溫度梯度的驅(qū)動下逐漸完成晶體的生長，在加熱元件11底部固定連接的加熱器安裝板9阻隔了兩個相鄰的加熱元件，避免了相鄰加熱元件之間的熱對流和熱輻射對溫度分布造成干擾。

此外，如圖3所示，在坩堝托4上端中央開一個凹盲孔，凹盲孔上端倒成錐形，坩堝5為圓柱形且底端嵌入凹盲孔，使整個坩堝5精確穩(wěn)固的放置于坩堝托4上。在坩堝5的細徑腔體處可放置引導晶體生長用的籽晶17，在籽晶17上方是用于生長晶體用的InP多晶料18，InP多晶料18上方覆蓋有一層液封劑氧化硼19，InP多晶料及氧化硼在大于1040℃高溫下融化，融化后因氧化硼液體密度比熔融的InP多晶料低，可覆蓋于InP的融體之上。InP晶體生長時，晶體表面處于高溫時，單晶很容易離解：6InP(s)→6In(l)+P₂(g)+P₄(g)；其中P₂(g)、P₄(g)分別為較高溫度下及較低溫度下的紅磷解離蒸氣，覆蓋的氧化硼作為液封劑可防止InP的解離，但在高溫下解離迅速時仍會有部分紅磷解離蒸氣溢出。因此，在隔離筒6上端固定連接有密封蓋61，隔離筒6與密封蓋61形成密閉空間，在隔離筒6底端開設有通氣孔62，使上述解離紅磷蒸氣被引導至隔離筒6底部，因底部為低溫區(qū)，蒸氣遇冷沉積，避免了解離蒸氣對坩堝內(nèi)已經(jīng)形成的溫度分布產(chǎn)生擾動。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。