一種用于制備半導體材料的套管式腔體結構制造技術

本發明專利技術公開了一種用于制備半導體材料的套管式腔體結構，套管式腔體采用多層管子相套而成的結構，內管形成的腔體為材料制備提供需要的工藝環境和條件。通過選擇套管的層數，控制套管之間的間隙和各層套管的長度，并采用在套管開口處加塞等輔助手段，該工藝腔體能有效減小腔體內源材料的泄漏，改善材料制備工藝的穩定性和工藝狀態的均勻性。通過對外層套管的設計，并適當選擇工藝腔體各部分的溫度分布，套管式工藝腔體還具有對泄漏出來的源材料進行收集的功能，減少源材料泄漏對材料制備系統的污染。本發明專利技術彌補了普通開管式材料制備工藝中源材料泄漏量大的不足，規避了閉管式材料制備工藝的高成本，特別適用于材料的批生產制備工藝。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種半導體材料制備工藝用的腔體結構，特別涉及一種套管式的腔體結構，它用于開管式半導體材料制備系統，為半導體材料制備系統提供所需的生長(包括外延)腔體、熱處理腔體和源材料提純腔體等工藝腔體。技術背景眾所周知，半導體材料和由它制造的電子器件、光電子器件和各種傳感器已成為國民經濟的支柱產業，它也是物聯網、智能化機器人、無人操作系統等未來新興產業不可或缺的重要組成部分。經過半個多世紀的發展，半導體材料的制備已形成一個相對比較完備的體系，制備工藝包含原材料提純、源材料合成、晶體生長或外延以及半導體材料的熱處理等，這些材料制備工藝都需要在純凈的、具有一定溫度和氣相分壓的腔體中進行。常用的材料制備系統一般分為閉管和開管兩種方式，閉管系統采用石英管真空封管技術來提供純凈的工藝環境，工藝在密閉的石英安瓿(腔體)中進行；開管系統則通過高真空或高純氣體保護的方式為系統提供純凈的工藝環境，工藝在開管系統內構建的工藝腔體內進行。在石英安瓿內進行的材料制備工藝具有無泄漏、腔體內氣體分壓穩定和均勻性好等優點，缺點是石英安瓿不能提供流動的氫氣或其他保護性氣體的工藝環境，不利于很好地去除材料的表面氧化層，其次，石英安瓿只能一次性使用，成本很高，如需增加材料的尺寸和批量生產，石英管的制作成本和封管技術的難度也隨之大幅度增加。相比而言，開管式材料制備系統具有操作方便，工藝成本低，適合于批量化生產等優點，缺
點是無法為那些平衡蒸汽壓很高的材料提供所需的氣體分壓，對于氣體分壓較小的材料(如小于0.1atm)，開管式材料制備系統一般通過在系統內設置一個相對封閉的工藝腔體來維持工藝所需的氣體分壓。材料制備工藝經常使用的腔體結構有兩種，一種是在開孔處加蓋子的石英腔體，另一種是用封閉的石墨盒(蓋板用螺絲壓緊)構建的腔體。由于這類腔體結構的封閉性較差，且每次工藝中腔體的封閉性很難一致，腔體盒內的氣相分壓存在著均勻性和重復性較差的問題，從腔體中泄漏出來的源材料對制備系統的污染也比較嚴重。以采用石墨盒作為CdZnTe材料熱處理腔體的工藝為例，如將Cd源溫度設置為570℃(對應的Cd分壓約為0.065atm)，經過3天時間的熱處理，盒內Cd原子的泄漏量將大于10克，甚至幾十克，Cd原子的泄漏將對熱處理系統造成嚴重污染。又如，在采用石墨盒作為生長腔體的富碲HgCdTe液相外延工藝(腔體內Hg分壓在0.05atm左右)中，由于石墨盒的密閉性問題，HgCdTe外延材料的厚度會出現20％左右的波動，分壓不均勻也會導致外延層材料的組分和厚度的均勻性變差。據調查，目前尚未見到能夠在開管式材料制備系統中形成封閉性更好的腔體結構。為了解決半導體材料制備工藝中因氣相原子泄漏造成的工藝不穩定性和對生長腔體造成污染的問題，本專利技術提出了一種低泄漏的套管式工藝腔體結構，即采用多層套管構建材料制備所需的工藝腔體，利用原子泄漏量與套管縫隙大小成正比，且與縫隙的通道長度成反比的原理，有效減少開管式材料制備工藝中腔體內氣相源材料的泄漏，并通過套管結構設計進一步減少泄漏對系統的污染，使得套管內部的氣體分壓更加均勻，更加接近氣相源材料的平衡蒸汽壓，進而有效提高制備工藝的穩定性以及所制備材料的均勻性和成品率。
技術實現思路
本專利技術提供了一種半導體材料制備工藝用的套管式腔體結構，解決了現有開管式材料制備工藝腔體存在的腔內氣相原子泄漏量大且穩定性差的問題。本專利技術一種用于制備半導體材料的套管式腔體結構包括內層管1、次內層管2、次外層管3和外層管4，其結構為：所述的套管式腔體中的內層管1、次內層管2、次外層管3和外層管4的一端為開口，另一端為閉口，里面一層管的開口端對著外面一層的閉口端，一層套一層，在多層套管的內部形成一個相對封閉的腔體,套管之間的縫隙在0.5mm～1.5mm之間；所述的內層管1的內部空間為半導體材料制備工藝的腔體，腔體的一端為材料制備區，放置被制備的材料8，另一端為源材料區，放置提供氣相分壓的源材料9，放置源材料9的管子5為一端封閉的管子；次外層管子3和外層管子4的長度大于內層管子的長度，在長出部分的一端放置供氣體沉積的盤子10；次內層管2的開口端放置有內層管塞6，次外層管3的開口端放置有外層管塞7；各層管子長度方向尺寸設計使得各層管子之間能相互頂住，并采用卡套將次外層管3與外層管4固定在一起，整個套管式工藝腔體形成固定的整體。所述的內層管1的內徑由被制備材料8的大小決定，內腔體的長度在400mm～500mm之間，具體長度由工藝要求的材料制備區長度、材料制備區與源材料區的溫度差以及對源材料泄漏的控制要求來確定。所述的次內層管(2)的閉口端有一根能頂到外層管塞(7)的支撐桿。所述的次外層管3和外層管4的長度在600mm～800mm之間。所述的套管式腔體各部件均采用石英、石墨或氮化硼材料。所述的套管式腔體的套管層數不限于4層。本專利技術提出的套管式腔體結構由套管構建的工藝腔體、阻擋氣體原子泄漏
的塞子、泄漏氣體原子的收集裝置和套管式腔體的固定機構組成。具體說明如下：1套管構建的工藝腔體套管構建的工藝腔體由多層管子相套而成，圖1(1)為一個四層套管式腔體結構的示意圖(其它層數的套管在加工方法和使用原理及方法上是一樣的)，它由四層管子組成，每一層管子的一端被封死，另一端為開口，將每一層管子的開口端插入另一層管子形成套管。內層管1的內部為材料制備工藝腔體，左側為材料制備區，放置要制備的材料8，右側為源材料區，放置提供氣相分壓的源材料9。放置氣相源材料9的管子5也是一端為封閉的管子，氣相源材料9放置在管子的閉口端，即內層管1右側的開口端。內層管1的左側處于高溫區T1(見圖1(2))，右側為設置氣相源的低溫區T2，反之，源材料9將全部遷移到材料制備區。通過調節氣相源材料9的溫度T2，可為工藝腔體內部提供特定分壓的氣相環境。內層管1外面依次套上次內層管2、次外層管3和外層管4，對于這樣的套管系統，內層管1中的氣相分壓接近氣相源材料9的平衡蒸汽壓，而在套管的外部，氣相源材料的分壓近似等于零，氣相原子將向套管外部擴散和遷移，原子的遷移量取決于氣相原子的溫度，各層管子之間的縫隙、原子從內管到外管出口的遷移距離和材料制備工藝的時間。材料溫度、氣體分壓和工藝時間的長短由工藝條件所決定，不能選擇，但通過選擇和控制套管的層數、長度和套管之間的縫隙，可以改變套管內部氣相源材料9的泄漏量。套管層數越多，縫隙越小，內部氣相原子向外泄漏的量就越小。材料制備區到氣相源材料的距離越長，氣相原子從內管遷移到套管外的距離就越長，內部氣相原子的泄漏量也越小。套管之間的縫隙在0.5mm～1.5mm之間，縫隙越小越好，以內層管能夠插入相鄰外層管子為準。腔體的內徑由被制備材料8的大小決定，內腔體的長度由工藝要求的材料制備區長度、材料制備區與源材料區的溫度差以及對源材料泄漏的控制要求來確定，一般在400mm～500mm之間。2阻擋氣體原子泄漏的塞子在套管中每一層管子的開口端增設塞子(見圖1(1)中的內層管塞6和外層管塞7)，用以阻擋內部氣體向外遷移的速度。由于塞子尺寸較短，它與石英管的縫隙可以做得很小，原子從管內向管外遷移時不僅會在正面受到阻擋，穿越細狹縫也會給原子的遷移增加了阻擋作用。氣相源材料管5本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于制備半導體材料的套管式腔體結構，包括內層管(1)、次內層管(2)、次外層管(3)和外層管(4)，其特征在于：所述的套管式腔體中的內層管(1)、次內層管(2)、次外層管(3)和外層管(4)的一端為開口，另一端為閉口，里面一層管的開口端對著外面一層的閉口端，一層套一層，在多層套管的內部形成一個相對封閉的腔體,套管之間的縫隙在0.5mm～1.5mm之間；所述的內層管(1)的內部空間為半導體材料制備工藝的腔體，腔體的一端為材料制備區，放置被制備的材料(8)，另一端為源材料區，放置提供氣相分壓的源材料(9)，放置源材料(9)的管子(5)為一端封閉的管子；次外層管子(3)和外層管子(4)的長度大于內層管子的長度，在長出部分的一端放置供氣體沉積的盤子(10)；次內層管(2)的開口端放置有內層管塞(6)，次外層管(3)的開口端放置有外層管塞(7)；各層管子長度方向的尺寸設計使得各層管子之間能相互頂住，并采用卡套將次外層管(3)與外層管(4)固定在一起，整個套管式工藝腔體形成固定的整體。

【技術特征摘要】
1.一種用于制備半導體材料的套管式腔體結構，包括內層管(1)、次內層管(2)、次外層管(3)和外層管(4)，其特征在于：所述的套管式腔體中的內層管(1)、次內層管(2)、次外層管(3)和外層管(4)的一端為開口，另一端為閉口，里面一層管的開口端對著外面一層的閉口端，一層套一層，在多層套管的內部形成一個相對封閉的腔體,套管之間的縫隙在0.5mm～1.5mm之間；所述的內層管(1)的內部空間為半導體材料制備工藝的腔體，腔體的一端為材料制備區，放置被制備的材料(8)，另一端為源材料區，放置提供氣相分壓的源材料(9)，放置源材料(9)的管子(5)為一端封閉的管子；次外層管子(3)和外層管子(4)的長度大于內層管子的長度，在長出部分的一端放置供氣體沉積的盤子(10)；次內層管(2)的開口端放置有內層管塞(6)，次外層管(3)的開口端放置有外層管塞(7)；各層管子長度方向的尺寸設計使得各層管子之間能相互頂住，并采用卡套將次外層管(3)與外層管(4)固定...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊建榮，徐超，
申請(專利權)人：中國科學院上海技術物理研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31