一種用于浸漬式碲鎘汞液相外延的溫度控制裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于浸漬式碲鎘汞液相外延的溫度控制裝置。通過(guò)在生長(zhǎng)腔體和坩堝之間增加溫度檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)坩堝內(nèi)母液溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，并通過(guò)對(duì)控溫點(diǎn)溫度參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)外延溫度的精確控制。該裝置及方法能有效防止生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)管壁汞珠分布的變化和非穩(wěn)定的汞回流效應(yīng)對(duì)外延工藝中外延溫度變化過(guò)程的干擾，有效提高浸漬式碲鎘汞液相外延工藝的可重復(fù)性。
【專利說(shuō)明】一種用于浸漬式碲鎘汞液相外延的溫度控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及一種碲鎘汞液相外延設(shè)備,具體涉及一種用于浸潰式碲鎘汞液相外延的溫度控制裝置，它適用于批量制備碲鎘汞外延材料。
【背景技術(shù)】
[0002]碲鎘汞紅外材料和器件已經(jīng)歷50多年的發(fā)展歷史，先后已完成了單元或多元光導(dǎo)器件和單色紅外焦平面器件兩代紅外探測(cè)器的研究和生產(chǎn)，進(jìn)入2000年以后，碲鎘汞材料和器件又跨入以超高集成度、多色、甚長(zhǎng)波和單光子探測(cè)為特征的第三代紅外焦平面技術(shù)新時(shí)代，近年來(lái)為滿足應(yīng)用的需求，新技術(shù)又圍繞小光敏元、低重量、高性能、低功耗和低成本(即所謂的SWaP3技術(shù))而不斷發(fā)展，碲鎘汞外延材料和芯片的制造技術(shù)目前仍處于高速發(fā)展階段。
[0003]追求低成本的阻力主要來(lái)自兩個(gè)方面，一是降低材料的生產(chǎn)成本，二是提高材料性能，增加焦平面器件的集成度和提高器件的工作溫度。和Si材料、GaAs材料相比，從襯底、外延一直到芯片加工，碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器的技術(shù)成熟度都很低，結(jié)果導(dǎo)致碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器的成本一直很高，產(chǎn)品在民用市場(chǎng)的應(yīng)用還受到很大的限制。碲鎘汞外延材料的制備工藝主要有液相外延(水平推舟式和垂直的浸潰式)和氣相外延(分子束外延和金屬有機(jī)氣相沉積)兩種，其中浸潰式液相外延經(jīng)常會(huì)受到工藝參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)的影響，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)品主要性能參數(shù)(如厚度、組分)不能到達(dá)器件規(guī)定的要求。工藝參數(shù)的波動(dòng)主要包括受控溫度變化過(guò)程的波動(dòng)和母液均勻性的波動(dòng)。
[0004]在浸潰式碲鎘汞液相外延工藝中，為快速控制和穩(wěn)定加熱功率，加熱的溫度控制點(diǎn)設(shè)在加熱絲附近，即位于石英管生長(zhǎng)腔體之外，母液和襯底則位于放置在生長(zhǎng)腔體中的石墨碳坩堝的內(nèi)部，加熱絲通過(guò)熱輻射和熱傳導(dǎo)對(duì)坩堝內(nèi)的母液進(jìn)行加熱。在碲鎘汞外延的工藝過(guò)程中，坩堝內(nèi)母液產(chǎn)生的蒸汽會(huì)存在外泄，其主要成分為汞原子，其次是碲原子(約小兩個(gè)數(shù)量級(jí))，鎘的蒸汽壓則更小。為了維持母液中碲、鎘、汞原子的成分，保持母液的熔點(diǎn)不變，生長(zhǎng)腔體內(nèi)通常設(shè)有汞源，通過(guò)控制汞源溫度，使坩堝處于一定的汞蒸汽壓條件下，以保持坩堝內(nèi)外汞原子處于熱平衡狀態(tài)。但同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是，由于生長(zhǎng)腔體內(nèi)有汞蒸汽，而石英管腔體的上方(爐口處)又處于接近室溫的狀態(tài)，汞蒸汽將在腔體上方凝結(jié)成液體汞珠，汞珠漸漸增大后將沿石英管壁隨機(jī)向下滾動(dòng)，并對(duì)下方生長(zhǎng)區(qū)的溫度產(chǎn)生影響。此夕卜，坩堝中碲原子的少量泄漏會(huì)導(dǎo)致石英管內(nèi)壁形成HgTe沉淀物，進(jìn)而影響汞珠的回流特性和生長(zhǎng)區(qū)的溫度，同時(shí)還會(huì)影響腔體內(nèi)的熱輻射和熱傳導(dǎo)特性。石英管內(nèi)壁汞珠回流的過(guò)程主要在高溫狀態(tài)的母液均勻化過(guò)程中發(fā)生，回流量的大小將對(duì)坩堝受到的熱輻射和熱傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)坩堝內(nèi)母液最終到達(dá)的熱平衡溫度產(chǎn)生影響。
[0005]由于上述汞回流現(xiàn)象的存在，在控溫點(diǎn)溫度相同的條件下，母液的熱平衡溫度會(huì)出現(xiàn)并不相同的情況，通過(guò)控制控溫點(diǎn)的溫度變化，坩堝內(nèi)母液和外延材料的溫度變化曲線并不能得到很好的控制，降溫速率過(guò)快或過(guò)慢時(shí)有發(fā)生，結(jié)果將導(dǎo)致碲鎘汞外延材料厚度和縱向組分梯度不能受到很好的控制，并導(dǎo)致外延材料成品率的下降。[0006]為了改進(jìn)浸潰式碲鎘汞液相外延工藝中的外延溫度控制能力，張傳杰等人提出過(guò)兩次降溫的控溫技術(shù)(“碲鎘汞液相外延系統(tǒng)生長(zhǎng)起始溫度的精確控制方法”，中國(guó)發(fā)明專利，專利號(hào):20100565049.3)，在該方法中，通過(guò)設(shè)置控溫點(diǎn)溫度，確保第一次降溫后的母液溫度高于外延生長(zhǎng)的初始溫度，并根據(jù)此階段的母液溫度與生長(zhǎng)初始溫度的差值決定第二次降溫后控溫點(diǎn)的設(shè)定值。在實(shí)際使用過(guò)程，該方法存在降溫后達(dá)到平衡的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降溫后達(dá)到熱平衡的時(shí)間一般需要一個(gè)小時(shí)以上，加上第二次降溫過(guò)程，整個(gè)外延工藝中用于降溫的時(shí)間將超過(guò)2個(gè)小時(shí)。降溫時(shí)間增加會(huì)造成母液中汞原子損失或增加的量增大，結(jié)果將造成母液的熔點(diǎn)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而影響碲鎘汞(HghCdxTe)外延材料的組分(X)和厚度。
[0007]本專利提出了通過(guò)在坩堝和生長(zhǎng)腔體的石英管內(nèi)壁之間增設(shè)測(cè)溫?zé)犭娕?，使母液降溫后的熱平衡溫度能夠在降溫過(guò)程中提早預(yù)測(cè)，由于該熱電偶的位置在母液坩堝的外偵牝熱負(fù)載較大的母液對(duì)其溫度達(dá)到平衡所需的時(shí)間影響較小，從降溫到熱平衡的時(shí)間可減少到25分鐘左右。采用這一技術(shù)可有效縮短外延工藝的時(shí)間，減小母液成分的偏離量，進(jìn)而提高外延材料組分和厚度的控制精度和材料的成品率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本專利提出了一種用于浸潰式碲鎘汞液相外延的溫度控制裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的外延工藝時(shí)間長(zhǎng)，母液成分發(fā)生偏離的技術(shù)問(wèn)題。
[0009]本專利的技術(shù)方案包括在外延系統(tǒng)中增設(shè)一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)和運(yùn)用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)外延過(guò)程中母液溫度變化曲線的控制。
[0010]I外延系統(tǒng)中增設(shè)一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)
[0011]圖1給出了浸潰式外延系統(tǒng)中生長(zhǎng)腔體的結(jié)構(gòu)示意圖。由于汞回流導(dǎo)致的石英管內(nèi)壁汞珠分布狀態(tài)的差異，浸潰式液相外延中坩堝內(nèi)的母液熱平衡溫度和系統(tǒng)加熱單元控溫點(diǎn)溫度不存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本專利發(fā)現(xiàn)處于坩堝和生長(zhǎng)腔體管壁之間的測(cè)溫點(diǎn)的熱平衡溫度和母液熱平衡溫度具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，母液在高溫均勻化后向外延開(kāi)始溫度變化的過(guò)程中，由于測(cè)溫?zé)犭娕技笆⑻坠艿臒崛萘窟h(yuǎn)小于母液的熱容量，第一熱電偶I將比母液10提前到達(dá)熱平衡溫度，根據(jù)第一熱電偶I的溫度數(shù)據(jù)對(duì)控溫點(diǎn)的設(shè)定溫度值進(jìn)行調(diào)整，可使母液準(zhǔn)確達(dá)到外延開(kāi)始的初始溫度。
[0012]在浸潰式液相外延系統(tǒng)中，生長(zhǎng)腔體的內(nèi)部上下各設(shè)置一根測(cè)溫用的石英管套管，一根是從升降坩堝5和樣品架12的拉桿14中間插入樣品架內(nèi)部的頂部石英套管15，通過(guò)移動(dòng)第三熱電偶4或放置多根熱電偶，監(jiān)測(cè)樣品架12和母液10內(nèi)部的溫度(假定樣品架和母液之間溫度相近或溫差變化很小)，調(diào)整母液溫度上下的均勻性；另一根是從石英管生長(zhǎng)腔體13底部插入到坩堝5底部的底部石英套管8，放置第四熱電偶16，用于監(jiān)測(cè)坩堝
5的底部溫度。由于外延生長(zhǎng)系統(tǒng)的爐口設(shè)有冷卻水套7，坩堝到爐口之間設(shè)置了降低氣體對(duì)流和汞回流相應(yīng)的石英擋板或石英套筒6，從系統(tǒng)上方增設(shè)熱電偶的難度很大。在系統(tǒng)底部，由于生長(zhǎng)腔體有密封要求，同時(shí)插入兩根放置熱電偶的石英套管也很困難。為解決這一困難，本專利提出了在底部石英套管8上引出分支的方法，即在插熱電偶的底部石英套管8的側(cè)壁接出一段石英管，石英管的形狀如圖2所示，石英管穿過(guò)石墨底座9延伸到坩堝5的外側(cè)，利用熱電偶可彎曲的特性將熱電偶插入到坩堝5外側(cè)的位置。[0013]2運(yùn)用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)外延過(guò)程中溫度變化曲線的控制
[0014]圖3是浸潰式碲鎘汞液相外延常規(guī)工藝中控溫的第二熱電偶2和樣品架內(nèi)部的第三熱電偶4的溫度變化曲線的示意圖，控溫曲線分為5個(gè)階段，即起始的升溫階段、母液均勻化階段、降溫階段、預(yù)生長(zhǎng)階段和降溫生長(zhǎng)階段。由于生長(zhǎng)腔體管壁上汞珠狀態(tài)(大小、密度和分布)的波動(dòng)，執(zhí)行相同的爐溫控制程序，外延時(shí)的母液溫度會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，圖3中Ts的實(shí)線和虛線表示出了這種波動(dòng)。因碲鎘汞外延時(shí)的降溫速率很小(一般在0.10C /min左右)，溫度的上下波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致外延初始降溫速率過(guò)快，生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)短，或需等待很長(zhǎng)時(shí)間才能開(kāi)始生長(zhǎng)，這將造成母液汞損失狀態(tài)的改變，進(jìn)而影響母液的熔點(diǎn)，使生長(zhǎng)結(jié)果發(fā)生改變。不管是哪種結(jié)果，碲鎘汞外延材料的組分和厚度均會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，導(dǎo)致外延材料成品率的降低。
[0015]在坩堝外側(cè)插入新的用于溫度監(jiān)控的第一熱電偶I后，外延工藝控溫曲線將分成7個(gè)階段(如圖4所示)，在原來(lái)的降溫階段中增加了預(yù)降溫階段和預(yù)平衡階段。在常規(guī)的控溫方式中，管壁狀態(tài)的波動(dòng)將使得控溫點(diǎn)溫度T2和降溫生長(zhǎng)階段的起始點(diǎn)溫度Ts之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)波動(dòng)。在新的控溫方式中，這一溫度波動(dòng)將反映在預(yù)平衡階段的第二熱電偶2的溫度T2'和母液測(cè)溫點(diǎn)第三熱電偶4的溫度Tc之間，由于測(cè)溫點(diǎn)溫度Tc和預(yù)生長(zhǎng)階段結(jié)束時(shí)的溫度Ts的差值與T2'和T2之間的差值存在較好的固定關(guān)系，通過(guò)測(cè)量測(cè)溫點(diǎn)Tc即可根據(jù)T2'計(jì)算出所需的控溫點(diǎn)溫度T2。在預(yù)平衡階段結(jié)束前，通過(guò)修改T2的設(shè)定值，即可有效地控制住生長(zhǎng)階段的起始溫度Ts，并實(shí)現(xiàn)碲鎘汞外延階段溫度變化曲線T3的可重復(fù)性。
[0016]本專利的有益效果是，為浸潰式碲鎘汞液相外延的溫度控制提供了一種裝置及方法，能有效控制外延工藝過(guò)程的溫度，提高外延工藝的可重復(fù)性，可有效縮短外延工藝時(shí)間，減小母液成分的偏離量，進(jìn)而提高外延材料組分和厚度的控制精度和材料的成品率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是設(shè)置叉形熱電偶石英套管的碲鎘汞垂直浸潰外延生長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2叉形石英套管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3常規(guī)工藝過(guò)程中碲鎘汞垂直浸潰外延的溫度控制曲線及母液坩堝內(nèi)溫度變化曲線的示意圖。
[0020]圖4本專利提出的碲鎘汞垂直浸潰外延工藝過(guò)程的溫度控制曲線及母液坩堝內(nèi)溫度變化曲線的示意圖，圖中1.第一熱電偶，2.第二熱電偶，3.襯底，4.第三熱電偶，5.坩堝，6.石英套筒，7.冷卻水套，8.底部石英套管，9.石墨底座，10.母液，11.加熱模塊，12.樣品架，13.石英管生長(zhǎng)腔體，14.拉桿，15.頂部石英套管，16.第四熱電偶，17.密封機(jī)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】:
[0021 ] I將圖1中底部石英套管8拆下，按照坩堝大小和襯底3所在位置的高低設(shè)計(jì)引出管，采用氫氧火焰燒結(jié)技術(shù)將引出管接到底部石英套管8的側(cè)壁上，制備出如圖2所示的叉形熱電偶石英套管，引出管與原套管的角度以能將熱電偶穿入引出管為準(zhǔn)；
[0022]2根據(jù)叉形石英套管的形狀，在它與石墨底座9相交的部位對(duì)石墨底座9進(jìn)行開(kāi)孔或開(kāi)槽，使底部石英套管8能穿越石墨底座9到達(dá)石英管生長(zhǎng)腔體13內(nèi)坩堝5的外側(cè)；
[0023]3對(duì)制備好的底部石英套管8的外壁進(jìn)行潔凈清洗和處理，將兩根熱電偶分別插到指定的位置，將熱電偶引出線放入石英套管中，放不下的話，需將引線用干凈的鋁膜包裹;
[0024]4取出母液坩堝5，取出石墨底座9，將叉形底部石英套管8從生長(zhǎng)腔體上方的爐口插入，放置到系統(tǒng)的底部；
[0025]5對(duì)準(zhǔn)叉形底部石英套管8的位置放入石墨底座9，將母液坩堝5放到石墨底座9上；
[0026]6安裝系統(tǒng)底部的密封機(jī)構(gòu)17，使叉形底部石英套管8和石英管生長(zhǎng)腔體13在底部構(gòu)成密封機(jī)構(gòu)；
[0027]7上下移動(dòng)叉形底部石英套管8，體驗(yàn)套管在正常位置上是否處于自由狀態(tài)，確保處于自由狀態(tài)后，將密封機(jī)構(gòu)擰緊；
[0028]8將新增的監(jiān)測(cè)熱電偶接到溫度顯示器或計(jì)算機(jī)上，檢查熱電偶顯示的溫度是否正常。
[0029]9在原溫度控制程序中增加預(yù)降溫階段和預(yù)平衡階段，預(yù)平衡階段的控溫點(diǎn)溫度T2/的設(shè)置應(yīng)高于Τ2波動(dòng)的最大值，高出的幅度一般控制在5°C左右；
[0030]10通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定測(cè)溫點(diǎn)溫度Tc和生長(zhǎng)階段的起始點(diǎn)溫度Ts的差值與溫度T2'和T2之間差值的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0031]11外延生長(zhǎng)時(shí)，利用上述測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)在預(yù)平衡階段實(shí)際測(cè)量到的溫度Tc、設(shè)定的生長(zhǎng)階段的起始點(diǎn)溫度Ts和預(yù)平衡階段所設(shè)定的控溫點(diǎn)溫度T2'計(jì)算出二次降溫階段結(jié)束時(shí)的設(shè)定溫度T2 ；
[0032]12在預(yù)平衡階段結(jié)束之前改變二次降溫階段結(jié)束后的控溫點(diǎn)溫度T2的設(shè)定值；
[0033]13當(dāng)母液10的溫度到達(dá)Ts時(shí)，將控溫點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)入生長(zhǎng)階段的慢速均勻降溫曲線T3 ；
[0034]14當(dāng)母液溫度到達(dá)初始生長(zhǎng)溫度時(shí)將樣品架插入母液，開(kāi)始碲鎘汞薄膜的外延生長(zhǎng)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于浸潰式碲鎘汞液相外延的溫度控制裝置，在液相外延系統(tǒng)的生長(zhǎng)腔體的內(nèi)部上下各有一根測(cè)溫用的石英管套管，一根是從升降坩堝(5)和樣品架(12)的拉桿(14)中間插入樣品架內(nèi)部的頂部石英套管(15)，通過(guò)移動(dòng)第三熱電偶(4)或放置多根熱電偶，監(jiān)測(cè)樣品架(12)和母液(10)內(nèi)部的溫度，另一根是從石英管生長(zhǎng)腔體(13)底部插入到坩堝(5)底部的底部石英套管(8)，放置第四熱電偶(16)，用于監(jiān)測(cè)坩堝(5)的底部溫度，其特征在于: 在液相外延系統(tǒng)的底部石英套管(8)上引出分支，即在插熱電偶的底部石英套管(8)的側(cè)壁接出一段石英管，石英管穿過(guò)石墨底座(9)延伸到坩堝(5)的外側(cè)，利用熱電偶可彎曲的特性將熱電偶插入到坩堝(5)外側(cè)的位置，在坩堝(5)的外側(cè)設(shè)置一溫度測(cè)量點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】C30B19/10GK203768484SQ201420028370
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】楊建榮, 魏彥鋒, 孫瑞贇, 孫權(quán)志 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所