專利名稱：感應(yīng)加熱壓力生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鋅晶體的生長(zhǎng)方法，具體是在感應(yīng)加熱壓力晶體生長(zhǎng)裝置中采用中頻感應(yīng)加熱壓力溫梯法生長(zhǎng)ZnO晶體的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，基于紫外激光器的實(shí)現(xiàn)，ZnO已成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。相比SiC，GaN等其他寬帶隙材料而言，ZnO具有資源豐富、價(jià)格低廉和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。ZnO 單晶是一種具有半導(dǎo)體、發(fā)光、壓電、電光、閃爍等性能的多功能晶體，即將成為下一代光電子材料，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。不僅如此，為了更好地研究氧化鋅的半導(dǎo)體性能，也必須合成高質(zhì)量的氧化鋅體單晶。但是，由于其熔點(diǎn)高達(dá)1975°C，在高溫下(1400°C以上)升華現(xiàn)象嚴(yán)重，還具有強(qiáng)烈的極性析晶特性，所以該晶體生長(zhǎng)極為困難。早在20世紀(jì)60年代， 人們就開(kāi)始關(guān)注ZnO單晶的生長(zhǎng)，盡管嘗試了很多種生長(zhǎng)工藝，但所得的晶體尺寸都很小， 一般在毫米量級(jí)，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。鑒于體單晶生長(zhǎng)存在很大的困難，人們逐漸把注意力轉(zhuǎn)向于ZnO薄膜的生長(zhǎng)研究，曾一度冷落了對(duì)體單晶生長(zhǎng)工藝的探索。最近，隨著GaN，SiC等新型光電材料產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高質(zhì)量、大尺寸的ZnO單晶基片的需求也越來(lái)越大，ZnO體單晶的生長(zhǎng)研究才重新引起科學(xué)家的重視。目前國(guó)內(nèi)外主要用水熱法制備大尺寸ZnO晶體，水熱法制備的ZnO晶體中存在較高濃度的鋰和鈉，這些雜質(zhì)在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)擴(kuò)散到ZnO薄膜中，從而降低薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種感應(yīng)加熱壓力生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，包括一臺(tái)感應(yīng)加熱壓力晶體生長(zhǎng)裝置。該方法具有溫場(chǎng)和晶體生長(zhǎng)界面穩(wěn)定、生長(zhǎng)壓力低(<4MPa)、生長(zhǎng)周期短、晶體純度高、生長(zhǎng)裝置簡(jiǎn)便和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可以生長(zhǎng)出高純度、低缺陷的ZnO 晶體，滿足外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的ZnO薄膜對(duì)基片的質(zhì)量要求。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種感應(yīng)加熱壓力溫梯法生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，包括一臺(tái)感應(yīng)加熱壓力晶體生長(zhǎng)裝置，其特點(diǎn)在于晶體生長(zhǎng)過(guò)程中爐膛內(nèi)充有壓力為1 4MPa的CO2和Ar或(N2的混合氣體，其中CO2所占的體積比為2% 15%，通過(guò)中頻感應(yīng)銥金坩堝的方式加熱；銥金坩堝為錐形，錐形部分頭部放有籽晶，籽晶下端有水冷銥金墊塊；坩堝錐形部分置于氧化鋯保溫桶中，外層填充氧化鋁空心球，坩堝等徑部分外圍填充氧化鋯粉作為保溫層，氧化鋯粉外層使用石英筒固定；在籽晶和熔體等處分別連有熱電偶，可以隨時(shí)檢測(cè)各處的溫度情況； 加熱坩堝內(nèi)氧化鋅原料至熔化后，再緩慢降溫，使熔體沿著籽晶慢慢結(jié)晶，直至完成晶體生長(zhǎng)。

所述的感應(yīng)加熱壓力生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法是在抽真空至真空度高于6X 10_2Pa 后，充有壓力約為1 4MPa的CO2和Ar(N2)的混合氣體(CO2所占的體積比為2% 15% )條件下采用感應(yīng)加熱壓力溫 梯法的方式生長(zhǎng)晶體。通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈、氧化鋯保溫桶、氧化鋯粉和氧化鋁空心球等熱源和保溫材料使該裝置的溫場(chǎng)梯度在20-80°C /cm氛圍內(nèi)；晶體生長(zhǎng)過(guò)程降溫速率為1_20°C /小時(shí)，生長(zhǎng)結(jié)束后降溫速率為20-100°C /小時(shí)降溫速度降至 200 °C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。本發(fā)明的技術(shù)效果與傳統(tǒng)法相比，直接感應(yīng)坩堝加熱，大大提高發(fā)熱效率；根據(jù)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系可以調(diào)節(jié)出合適溫度梯度，優(yōu)化了用熔體法生長(zhǎng)氧化鋅晶體過(guò)程中晶體固液界面處溫度梯度難于控制和調(diào)節(jié)的問(wèn)題，利于實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)的自動(dòng)化控制。 采用感應(yīng)加熱方法生長(zhǎng)晶體，保溫系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單、不易變形，成本相對(duì)較低，對(duì)電源及爐子性能要求相對(duì)稍低，整體成本降低。本發(fā)明方法克服了水熱法制備的ZnO晶體中存在較高雜質(zhì)濃度、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、生長(zhǎng)壓力高(120MPa)等缺點(diǎn)，具有溫場(chǎng)和晶體生長(zhǎng)界面穩(wěn)定、生長(zhǎng)壓力低(< 4MPa)、生長(zhǎng)周期短、晶體純度高、生長(zhǎng)裝置簡(jiǎn)便和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可以生長(zhǎng)出高純度、低缺陷的ZnO晶體，滿足外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的ZnO薄膜對(duì)基片的質(zhì)量要求。


圖1為本發(fā)明感應(yīng)加熱壓力生長(zhǎng)氧化鋅晶體使用的溫梯爐結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1 采用本發(fā)明所述的方法生長(zhǎng)直徑Φ30的氧化鋅晶體首先，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系，使該裝置溫場(chǎng)的溫度梯度為20°C /cm，將氧化鋅原料和籽晶(籽晶方向?yàn)?001向)裝入銥金坩堝內(nèi)，并按圖1所示裝好感應(yīng)加熱爐，圖中1-不銹鋼爐體、2-石英筒、3-感應(yīng)線圈、4-鋯沙、5-銥金坩堝、6 熔體、7-籽晶、8氧化鋁板、9-聚四氟乙烯、10-底座螺栓、11-銥金坩堝蓋、12-氧化鋯保溫蓋、I3-厚熱器、14-線圈支架、15-氧化鋁空心球、16-氧化鋯保溫桶、17-銥金塊、18-聚四氟乙烯螺栓、19-籽晶冷卻水管、20-熱電偶。抽真空至真空度優(yōu)于6X10_2Pa，充入壓力為 4MPa的CO2和Ar或(N2的混合氣體(其中CO2所占的體積比為2% )后開(kāi)始升溫將原料熔化，通過(guò)觀察熱電偶的溫度情況，調(diào)整合適的降溫速率，以1°C /小時(shí)的降溫速度降溫生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后以100°C /小時(shí)的降溫速度降至200°C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。生長(zhǎng)出晶體尺寸為Φ30X 50mm3氧化鋅晶體。實(shí)施例2 采用本發(fā)明所述的方法生長(zhǎng)Φ30氧化鋅晶體首先，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系使該裝置溫場(chǎng)的溫度梯度為30°C /cm，將氧化鋅原料和籽晶(籽晶方向?yàn)?001向)裝入銥金坩堝內(nèi)，并按圖1所示裝好感應(yīng)加熱爐，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入壓力為1.5MPa的C02*Ar(N2)的混合氣體(其中CO2所占的體積比為5% )后開(kāi)始升溫將原料熔化，通過(guò)觀察熱電偶的溫度情況，調(diào)整合適的降溫速率，以20°C /小時(shí)的降溫速度降溫生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后以 80°C /小時(shí)的降溫速度降至200°C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。生長(zhǎng)出晶體尺寸為Φ 30 X 50mm3氧化鋅晶體。
實(shí)施例3 采用本發(fā)明所述的方法生長(zhǎng)Φ35氧化鋅晶體首先，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系使該裝置溫場(chǎng)的溫度梯度為80°C /cm，將氧化鋅原料和籽晶(籽晶方向?yàn)?001向)裝入銥金坩堝內(nèi)，并按圖1所示裝好感應(yīng)加熱爐，抽真空至真空度高于6 X IO-2Pa,充入壓力低于4MPa的CO2和Ar (N2)的混合氣體(其中CO2所占的體積比為15% )后開(kāi)始升溫將原料熔化，通過(guò)觀察熱電偶的溫度情況，調(diào)整合適的降溫速率，以10°C /小時(shí)的降溫速度降溫生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后以 20°C /小時(shí)的降溫速度降至200°C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。生長(zhǎng)出晶體尺寸為Φ 35 X 50mm3氧化鋅晶體。實(shí)施例4 采用本發(fā)明所述的方法生長(zhǎng)Φ35氧化鋅晶體首先，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系使該裝置溫場(chǎng)的溫度梯度為40°C /cm，將氧化鋅原料和籽晶(籽晶方向?yàn)?001向)裝入銥金坩堝內(nèi)，并按圖1所示裝好感應(yīng)加熱爐，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入壓力低于3MPa的CO2和Ar(N2)的混合氣體(其中CO2所占的體積比為8% )后開(kāi)始升溫將原料熔化，通過(guò)觀察熱電偶的溫度情況，調(diào)整合適的降溫速率，以15°C /小時(shí)的降溫速度降溫生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后以 80°C /小時(shí)的降溫速度降至200°C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。生長(zhǎng)出晶體尺寸為Φ 35 X 50mm3氧化鋅晶體。實(shí)施例5 采用本發(fā)明所述的方法生長(zhǎng)Φ40氧化鋅晶體首先，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系使該裝置溫場(chǎng)的溫度梯度為50°C /cm，將氧化鋅原料和籽晶(籽晶方向?yàn)?001向)裝入銥金坩堝內(nèi)，并按圖1所示裝好感應(yīng)加熱爐，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入壓力低于2. 5MPa的CO2和Ar(N2) 的混合氣體(其中0)2所占的體積比為12% )后開(kāi)始升溫將原料熔化，通過(guò)觀察熱電偶的溫度情況，調(diào)整合適的降溫速率，以5°C /小時(shí)的降溫速度降溫生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后以60°C/小時(shí)的降溫速度降至200°C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。生長(zhǎng)出晶體尺寸為Φ40 X 50mm3氧化鋅晶體。實(shí)施例6 采用本發(fā)明所述的方法生長(zhǎng)Φ40氧化鋅晶體首先，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系使該裝置溫場(chǎng)的溫度梯度為35°C /cm，將氧化鋅原料和籽晶(籽晶方向?yàn)?001向)裝入銥金坩堝內(nèi)，并按圖1所示裝好感應(yīng)加熱爐，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入壓力低于3. 5MPa的CO2和Ar(N2) 的混合氣體(其中0)2所占的體積比為 % )后開(kāi)始升溫將原料熔化，通過(guò)觀察熱電偶的溫度情況，調(diào)整合適的降溫速率，以8°C /小時(shí)的降溫速度降溫生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后以 100°C/小時(shí)的降溫速度降至200°C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。生長(zhǎng)出晶體尺寸為Φ 40 X 50mm3氧化鋅晶體。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明可以在較低功耗，較低成本下生長(zhǎng)出大尺寸高質(zhì)量氧化鋅晶體， 根據(jù)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的尺寸、位置以及保溫材料關(guān)系可以調(diào)節(jié)合適溫度梯度，優(yōu)化了用熔體法生長(zhǎng)氧化鋅晶體過(guò)程中晶體固液界面處溫度梯度難于控制和調(diào)節(jié)的問(wèn)題，利于實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)的自動(dòng)化控制。并且加熱和保溫系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單、不易變形、溫場(chǎng)穩(wěn)定，可以長(zhǎng)期使用。
權(quán)利要求
1. 一種感應(yīng)加熱生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，采用感應(yīng)加熱壓力溫梯爐進(jìn)行生長(zhǎng)，其特點(diǎn)在于將氧化鋅原料和籽晶(籽晶方向?yàn)镺OOl向)裝入銥金坩堝內(nèi)，抽真空至真空度高于 BXlO-2Pa后，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中爐膛內(nèi)充有壓力為1 4MPa的CO2和Ar或N2的混合氣體， 其中CO2所占的體積比為2% 15%，通過(guò)中頻感應(yīng)加熱銥金坩堝(5)；銥金坩堝(5)為圓筒形錐底結(jié)構(gòu)，在錐底放有籽晶(7)，籽晶下端有水冷銥金墊塊(17)；銥金坩堝(5)錐底部分置于氧化鋯保溫桶(16)中，外層填充氧化鋁空心球(15)，銥金坩堝(5)的圓筒的外圍填充氧化鋯粉(4)作為保溫層，氧化鋯粉(4)外層使用石英筒(2)固定；在籽晶和熔體(4)處分別接有熱電偶(20)，可以隨時(shí)檢測(cè)各處的溫度情況；通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈、氧化鋯保溫桶、鋯沙和氧化鋁空心球使該裝置的溫場(chǎng)梯度在20 800C /cm氛圍內(nèi)；加熱坩堝內(nèi)氧化鋅原料至熔化后，晶體生長(zhǎng)過(guò)程降溫速率為1 20°C /小時(shí)，使熔體沿著籽晶向上慢慢結(jié)晶，直至完成晶體生長(zhǎng)，生長(zhǎng)結(jié)束后以速率為20 100°C /小時(shí)降溫速度降至200°C，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫，取出晶體。
全文摘要
一種感應(yīng)加熱壓力生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，包括一臺(tái)感應(yīng)加熱壓力晶體生長(zhǎng)裝置，加熱坩堝內(nèi)氧化鋅原料至熔化后，再緩慢降溫，使熔體沿著籽晶慢慢結(jié)晶，直至完成晶體生長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈和保溫材料，該裝置溫場(chǎng)梯度可在20-80℃/cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。晶體生長(zhǎng)過(guò)程以1-20℃/小時(shí)的降溫速率調(diào)節(jié)溫度，生長(zhǎng)結(jié)束后降溫速率為20-100℃/小時(shí)的降溫速率降至200℃，關(guān)閉電源隨爐冷卻至室溫。本發(fā)明方法具有溫場(chǎng)和晶體生長(zhǎng)界面穩(wěn)定、生長(zhǎng)壓力低(＜4MPa)、生長(zhǎng)周期短、晶體純度高、生長(zhǎng)裝置簡(jiǎn)便和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可以生長(zhǎng)出高純度、低缺陷的ZnO晶體，滿足外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的ZnO薄膜對(duì)基片的質(zhì)量要求。
文檔編號(hào)C30B7/10GK102352527SQ201110329960
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者何明珠, 何曉明, 尹繼剛, 弓娟, 張沛雄, 張連翰, 李振毅, 杭寅, 趙呈春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所