專利名稱：單晶鍺晶體生長的系統(tǒng)、方法和襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶鍺(Ge)晶體的生長及其相關(guān)的系統(tǒng)、方法和襯底。
背景技術(shù)：
電裝置及光電裝置制造商通常需要尺寸較大且電性能均勻的半導(dǎo)體單晶，所述單晶在切片和拋光后，作為生產(chǎn)微電裝置的襯底。半導(dǎo)體晶體的生長包括將多晶原料加熱至其熔點(diǎn)(通常超過1，200°C )從而產(chǎn)生一種多晶原料熔體，使該熔體與該材料的高品質(zhì)籽晶接觸，以及使該熔體在其與所述籽晶的接觸面上進(jìn)行結(jié)晶。用于完成此目的多種不同的方法均是文獻(xiàn)中已知的。所述方法包括提拉(Czochralski，Cz)法及其變型、液封直拉(Liquid Encapsulated Czochralski, LEC)法、水平布里奇曼和坩堝下降(Horizontal Bridgman and Bridgman-Stockbarger, HB)法及其垂直變型(VB)，以及梯度冷凝(gradient freeze，GF)法及其變型、垂直梯度冷凝(VGF)法。參見，例如“Bulk Crystal Growth of Electronic,Optical and Optoelectronic Materials", P. Clapper,Ed. ,John Wiley and Sons Ltd, Chichester, England，2005，其中對(duì)這些技術(shù)及它們在多種材料的生長中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛論述。關(guān)于已知的方法，商業(yè)上已通過使用提拉技術(shù)生產(chǎn)出直徑為150mm(6英寸)的低位錯(cuò)鍺單晶。已對(duì)更大直徑的晶片進(jìn)行了論述，但尚未證實(shí)(Vanhellemont and Simoen, J. Electrochemical Society，154 (7) H572-H583 (2007))。此外，直徑為 100mm(4 英寸) 的鍺單晶已由VGF和VB技術(shù)生長出來，如文獻(xiàn)(Ch. Frank-Rotsch, et al.，J. Crystal Growth (2008)，doi 10. 1016，J. Crys Growth 2007. 12. 020)中所述。如文獻(xiàn)中報(bào)道的許多研究所表明，同Cz/LEC技術(shù)相比，VB/VGF生長技術(shù)一般是利用較低的熱梯度和較低的生長速率，由此生產(chǎn)出具有低得多的位錯(cuò)密度的單晶(參見 A.S.Jordan et al. ,J. Cryst. Growth 128 (1993) 444-450，2)，Μ. Jurisch et al. ,J. Cryst. Growth 275(2005)283-291 禾口 S. Kawarabayashi，6th Intl. Conf. on InP and Related Materials (1994)，227-230)。因此，在某些應(yīng)用中，可優(yōu)選VB/VGF方法來生長大直徑、低位錯(cuò)密度(或無位錯(cuò))的鍺。在商業(yè)單晶生長操作中，晶錠(ingot)以可能的最低成本生長和晶錠切片的高產(chǎn)出是追求的目標(biāo)，即由單一晶棒上切出盡可能多的晶片。因而，如果希望在方法采用的其他限制條件下生長出可能的較長的晶錠，則通常需要使用一個(gè)大尺寸坩堝。通常，由于待裝的多晶塊料一般形狀不等，原料之間余留的不含材料的空隙很大，填充系數(shù)很低。當(dāng)所述裝添料熔化后，熔體僅填充部分坩堝?？紤]到熔體的體積需要和現(xiàn)有坩堝的結(jié)構(gòu)，用附加的材料來補(bǔ)充熔體是整個(gè)生長方法的重要步驟，也是一個(gè)復(fù)雜的步驟。對(duì)于某些材料例如鍺尤其如此與Si (熱導(dǎo)率和密度分別為1. SSSffcm-10C 1和2. 3332gcnT3)相比，鍺具有更低的熱導(dǎo)率(0. SSffcm-10C ―1)和更高的密度(5. 32gcm_3)，因而受到特別的方法限制。已知在晶體生長中補(bǔ)充熔體已有幾種尚未成熟的方式。例如在硅生長系統(tǒng)中，將多晶塊料加至用于生長單晶Si的Si熔體中的方式，以及在系統(tǒng)中，將原料裝入Cz法生長單晶的坩堝中的方式。類似這些的技術(shù)均可實(shí)行，因?yàn)镃z (或LEC)系統(tǒng)為開放系統(tǒng)，而且相對(duì)容易給坩堝添料。但是，對(duì)于坩堝被封裝在安瓿中的VGF和VB技術(shù)，所述方法則不能使用。此外，對(duì)于特殊摻雜的鍺單晶生長的特殊要求，也可限制上述方法的使用。例如如果使用砷(As)作為摻雜劑，則由于砷具有高蒸氣壓和毒性使這種鍺單晶的摻砷方法受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和襯底涉及單晶鍺(Ge)晶體的生長。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，提供了一種生長單晶鍺(Ge)晶體的方法。此外，該方法可包括將第一 Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，將第二 Ge原料裝入一個(gè)用以補(bǔ)充Ge熔體材料的容器中，將所述坩堝和容器密封在一個(gè)安瓿內(nèi)，將裝有所述坩堝的安瓿放入一個(gè)晶體生長熔爐中，除了控制第一和第二 Ge原料的熔化外，還控制熔體的結(jié)晶溫度梯度，從而可重復(fù)地提供具有所需晶體性能的單晶鍺晶錠。應(yīng)理解的是，上文的一般描述和下文的詳細(xì)描述僅為示例性和說明性的，而不限制本發(fā)明，如上所述。除本文給出的特征和/或變型之外，還可提供其他特征和/或變型。 例如，本發(fā)明可涉及所公開特征的多種結(jié)合和亞結(jié)合和/或在下文的詳細(xì)描述中公開的幾種其他特征的結(jié)合和亞結(jié)合。


附圖構(gòu)成本說明書的一部分，其說明本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方式和多個(gè)方面，并連同描述一起解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1A-1D為說明有關(guān)本發(fā)明某些方面的一個(gè)示例性晶體生長過程的單晶鍺晶體生長裝置的縱向橫切面示圖。圖2為展示有關(guān)本發(fā)明某些方面的使用裝載原料的pBN(熱解氮化硼)容器進(jìn)行晶體生長的一個(gè)示例性狀態(tài)示圖。圖3為符合有關(guān)本發(fā)明某些方面的所生長的直徑150mm的鍺晶錠頭部的EPD(腐蝕坑密度)圖(57點(diǎn)EPD，平均EPD 186)的一個(gè)實(shí)例。圖4為符合有關(guān)本發(fā)明某些方面的所生長的直徑150mm的鍺晶棒尾部的EPD圖 (57點(diǎn)EPD，平均EPD 270)的一個(gè)實(shí)例。圖5為展示符合有關(guān)本發(fā)明某些方面的晶體生長的一個(gè)示例性方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將詳細(xì)描述本發(fā)明，其實(shí)例在附圖中有示例說明。以下說明書中給出的實(shí)施方式不代表符合所保護(hù)的本發(fā)明的所有實(shí)施方式。而是，它們僅是符合有關(guān)本發(fā)明某些方面的一些實(shí)例。只要可能，整個(gè)附圖中使用相同的附圖標(biāo)記指代相同或相似的部分。本發(fā)明的一些方面特別適合用于生長直徑為150mm(6英寸)的鍺晶錠晶體的裝置和方法，在本文中對(duì)所述裝置和方法進(jìn)行了描述。然而應(yīng)理解，本發(fā)明的一些方面具有更大的用處，例如可使用相關(guān)的裝置和方法來生產(chǎn)直徑為50mm(2英寸)以上的鍺(Ge)晶錠，例如直徑為IOOmm (4英寸)和200mm (8英寸)的晶錠。與圖IA-圖2 —致，提供了用于生長單晶鍺(Ge)晶體的系統(tǒng)和方法，其中一旦初始原料裝添料已經(jīng)熔化——但在晶體生長開始之前一一即可將附加的原料熔體添至坩堝中(例如，以VGF和/或VS方法等進(jìn)行)，從而使單晶晶錠生長得更長。此外，該方法可包括首先將第一 Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝包括一個(gè)存放籽晶的籽晶井，將第二 Ge 原料裝入一個(gè)用以補(bǔ)充Ge熔體材料的容器中，將所述坩堝和容器密封在一個(gè)安瓿內(nèi)，然后將帶有坩堝的安瓿放入一個(gè)具有支撐所述安瓿的可移動(dòng)安瓿支座的晶體生長熔爐中。另外，示例性的實(shí)施方案可包括熔化坩堝中的第一 Ge原料以生成一種熔體，熔化容器中的第二 Ge原料，以及將熔化的第二 Ge原料添至所述熔體中。其它示例性的實(shí)施方案可包括 控制熔體的結(jié)晶溫度梯度，使熔體與籽晶接觸時(shí)結(jié)晶并形成單晶鍺晶錠，然后任選地，冷卻單晶鍺晶錠。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，形成單晶鍺晶錠的步驟可包括在晶體生長區(qū)形成約 0. 3至約2. 5°C /cm的溫度梯度。此外，可以以約0. 2至約0. 5°C /小時(shí)的速率冷卻單晶鍺晶錠。此外，可在結(jié)晶溫度梯度移動(dòng)過程中保持坩堝固定。根據(jù)某些示例性實(shí)施方案，單晶鍺晶錠的直徑可為約50mm至約200mm(約2英寸至約8英寸)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，單晶鍺晶錠的直徑可為152.4mm(6英寸)。此外， 單晶鍺晶錠和晶片在此可具有小于約350位錯(cuò)/cm3，小于約300位錯(cuò)/cm3，小于約250位錯(cuò) /cm3或甚至小于約200位錯(cuò)/cm3。對(duì)于與本發(fā)明相符的系統(tǒng)，用于生長大直徑單晶鍺晶體的示例性裝置可包括一個(gè)晶體生長熔爐，所述晶體生長熔爐包括一個(gè)熱源和多個(gè)加熱區(qū)；一個(gè)配置為放入熔爐中安瓿，其中所述安瓿包括一個(gè)裝載容器和一個(gè)帶籽晶井的坩堝；一個(gè)可移動(dòng)的安瓿支座；和一個(gè)與晶體生長熔爐和可移動(dòng)安瓿支座連接的控制器。此外，所述控制器可控制熱源的一個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)和可移動(dòng)安瓿支座，以便坩堝在熔爐中時(shí)在坩堝上實(shí)施垂直梯度冷凝法。根據(jù)某些實(shí)施方案，所述晶體生長熔爐可具有多個(gè)加熱區(qū)，例如4至8個(gè)加熱區(qū)，5 至7個(gè)加熱區(qū)或者6個(gè)加熱區(qū)。與所需晶錠/晶片直徑相符的是，示例性坩堝的內(nèi)徑可為約50mm至約200mm (約2至約8英寸)，或者，在一些實(shí)施方案中，約為150mm (約6英寸)。回到附圖，圖1A-1D為說明有關(guān)本發(fā)明某些方面的一個(gè)示例性晶體生長過程的單晶鍺晶體生長裝置的縱向橫切面示圖。圖IA說明了晶體生長裝置的一個(gè)實(shí)例的截面圖。該裝置可包括一個(gè)用于垂直梯度冷凝(VGF)生長法或垂直布里奇曼(VB)生長法的熔爐，并且可包括一個(gè)位于熔爐1中的安瓿支座11，其中加熱器2由多個(gè)區(qū)組成，每一區(qū)由經(jīng)由控制系統(tǒng)控制的一臺(tái)計(jì)算機(jī)單獨(dú)控制。調(diào)節(jié)每一區(qū)的溫度，以提供控制熔體固化所需的溫度分布和溫度梯度。調(diào)整溫度分布和溫度梯度，使結(jié)晶界面按預(yù)期向上移動(dòng)貫穿熔體，例如在晶錠生長區(qū)形成約0. 3至約2. 5°C /cm的溫度梯度。安瓿支座11為含有坩堝12的安瓿3 (在一個(gè)實(shí)施方案中，由石英制成)提供物理支持和熱梯度控制，而坩堝又能夠?qū)⒆丫Т娣旁谧丫Ь?8中。熔爐運(yùn)行時(shí)，可使安瓿支座11在晶體生長過程中沿軸向移動(dòng)。坩堝12可含有一個(gè)籽晶17，由所述籽晶生長出在籽晶頂部形成的單晶。在一個(gè)實(shí)施方案中，坩堝12可為一個(gè)熱解氮化硼(PBN)結(jié)構(gòu)體，具有一個(gè)圓筒狀晶體生長部分13、一個(gè)較小直徑的籽晶井圓筒18和一個(gè)錐形過渡部分7。晶體生長部分13在坩堝12的頂部是開放的，其直徑等于所需晶體產(chǎn)物的直徑。當(dāng)前工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的晶體直徑為50. 8,76. 2、101. 6和152. 4mm(2英寸、 3英寸、4英寸和6英寸)的可切成晶片的晶錠。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，在坩堝12的底部的籽晶井圓筒18可具有一個(gè)封閉的底部和稍大于優(yōu)質(zhì)籽晶17的直徑，例如約6-25mm，以及約30-100mm的長度。圓筒狀晶體生長部分13和籽晶井圓筒18可具有直壁，或成錐形向外逐漸變細(xì)約一至若干度，以利于從坩堝12中移出晶體。生長部分13和籽晶井圓筒18之間的錐形過渡部分7具有一個(gè)傾斜例如約45-60度的帶傾角的側(cè)壁，其較大的直徑等于生長區(qū)的直徑并連接于生長區(qū)壁，較小的直徑等于籽晶井的直徑并連接于籽晶井壁。該帶傾角的側(cè)壁也可以為比45-60度更陡或陡度更小的其他角度。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，安瓿3可由石英制成。安瓿3具有一個(gè)類似于坩堝12 的形狀。安瓿3在籽晶生長區(qū)域19中為圓筒狀——在安瓿3的籽晶井區(qū)域19中圓筒具有狹小直徑，并且在所述兩區(qū)域之間具有一個(gè)錐形過渡區(qū)域8。坩堝12適配于安瓿3的內(nèi)部并且在它們之間具有一個(gè)狹窄空隙。作為原料容器，上部的第二容器4位于石英支座6上。 石英支座6封裝在安瓿3的中間部分。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該第二容器4由pBN 構(gòu)成。大部分原料5裝入該第二容器4中。在加熱過程中，原料熔化并從第二容器4的底部的孔滴入主坩堝12中。安瓿3在其籽晶井區(qū)域19的底部是封閉的，并在裝入坩堝和原料之后在頂部密封。在一些實(shí)施方案中，其中安瓿-坩堝組合體為漏斗形，需要安瓿支座11來適應(yīng)這種漏斗形并保持安瓿12穩(wěn)定并直立于熔爐內(nèi)部。在其他實(shí)施方案中，安瓿-坩堝組合體可為不同形狀，并且安瓿支座11的基本結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同形狀而改變。依據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，安瓿及其內(nèi)容物的穩(wěn)定性以及對(duì)其提供的支持強(qiáng)度通過安瓿支座11的強(qiáng)力的薄壁圓筒16提供。所述強(qiáng)力的薄壁圓筒16容納安瓿結(jié)構(gòu)3的漏斗狀底部。在一個(gè)實(shí)施方案中，坩堝支座圓筒16由導(dǎo)熱材料、優(yōu)選石英構(gòu)成。在其他實(shí)施方案中，碳化硅或陶瓷也可用于形成坩堝支座圓筒16。所述圓筒16與安瓿3圓周接觸，其中圓筒16的上部邊緣接觸安瓿的錐形區(qū)域8的肩狀部分。這種構(gòu)型導(dǎo)致固體對(duì)固體的接觸最小化，這樣可確保很少的甚至沒有不希望的、相對(duì)不可控的熱傳導(dǎo)發(fā)生。因此，可用其他更可控的方法加熱。在其它實(shí)施方案中，低密度絕緣材料，例如陶瓷纖維，可填充支座圓筒11內(nèi)部的大部分，僅在所述絕緣材料的約中心處有一個(gè)中空的軸心20保持空的狀態(tài)，用以容納安瓿 3的籽晶井19。在其他實(shí)施方案中，低密度絕緣材料還可含有氧化鋁纖維(1，SOO0C )、氧化鋁-氧化硅纖維(1，4260C )，和/或氧化鋯纖維(2，2000C )。將絕緣材料小心地放在安瓿支座11中。安瓿3的重量——當(dāng)其置于圓筒16的頂部時(shí)——向下推動(dòng)絕緣材料并形成傾斜的絕緣材料邊緣9。用低密度絕緣體填充圓筒內(nèi)的大部分能減少空氣流動(dòng)，這可確保很少的或沒有不需要的、相對(duì)不可控的對(duì)流的發(fā)生。同傳導(dǎo)類似，對(duì)流是一種對(duì)VGF及其他晶體生長方法不利的不可控的熱傳遞方法。直徑約等于安瓿籽晶井19的空芯20，向下伸至安瓿籽晶井19底部以下一小段距離。在另一個(gè)實(shí)施方案中，空芯20從籽晶井的底部穿過坩堝支座延伸至熔爐裝置1的底部。 空芯20提供一種自晶體中心冷卻的途徑。該途徑有助于籽晶井和所生長晶體中心的冷卻。采用該構(gòu)造，熱能可向下逃逸穿過固態(tài)晶體和籽晶的中心、向下穿過晶體支座11中絕緣材料中的空芯20。沒有空芯20的話，所冷卻晶錠中心的溫度將理所當(dāng)然地高于接近外表面的晶體材料。在此情況下，晶錠任一水平橫切面中的中心將在該晶錠周邊已固化后才更遲地結(jié)晶。在這樣的條件下不可能制備具有均一電性能的晶體。通過在晶體支持方法中包括空芯20，熱能向下傳導(dǎo)穿過安瓿3和空芯20的底部，并由此幅射回并穿出幅射通道10。重要的是降低來自生長晶體中心的熱能，以保持整個(gè)晶體直徑上的等溫層平直(flat)。保持平直的晶體_熔融體界面能產(chǎn)生具有均一電性能和物理性能的晶體。圓筒11內(nèi)的低密度絕緣材料阻礙熱輻射從一組熔爐加熱元件2流動(dòng)至安瓿3的籽晶井區(qū)域19，所以該方法需要形成多個(gè)貫穿絕緣材料的水平輻射通道/開口 /管道10。 輻射通道10貫穿絕緣材料從而提供熱輻射出口，以可控地將熱量從熔爐加熱元件2轉(zhuǎn)移至安瓿籽晶井19。輻射通道10的數(shù)量、形狀和直徑根據(jù)具體情況而變。輻射通道也可以是傾斜的、彎曲的或波狀的。輻射通道也不一定必須是連續(xù)的，因?yàn)樗鼈兛梢灾徊糠值匮由齑┻^絕緣材料。這有助于對(duì)流最小化。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些通道的直徑很小，約一支鉛筆的寬度，所以對(duì)流氣流不顯著。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方案，也可使用橫切面面積約 6. 4516cm2(—平方英寸)或更大的大孔。穿過絕緣材料的輻射通道10也可和絕緣材料中心的空芯20結(jié)合起作用，從而輻射來自晶體中心的熱能，并冷卻具有平面等溫溫度梯度層的晶體。輻射通道10能控制溫度并直接與晶體生長的產(chǎn)率有關(guān)。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，在單晶鍺晶錠生長階段，爐溫以約0. 2至約 0. 5°C /小時(shí)的速率冷卻使單晶鍺晶錠得以生長。圖IA至圖ID的繪制序列說明一個(gè)示例性的熔化并供給鍺的方法。圖IA說明初始狀態(tài)，其中固態(tài)鍺存在于上部容器4和坩堝12中。作為創(chuàng)新的加熱特征和方法，鍺熔體的中間狀態(tài)接著示于圖IB中，圖IB說明固態(tài)鍺在坩堝12中已熔化為液態(tài)的一種狀態(tài)。調(diào)整熔爐不同加熱區(qū)加熱元件各自供給的功率，以給上部容器提供所需的熱量。 具體而言，可加熱上部容器，使上部容器3中的鍺開始熔化，然后該熔化的鍺經(jīng)過位于容器 3底部的孔流進(jìn)坩堝12。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，將存在有上部容器的熔爐區(qū)域加熱至約940至約955攝氏度、或約945至約950攝氏度。該過程持續(xù)至上部容器3內(nèi)的鍺全部熔化并流進(jìn)坩堝12。圖1A-1D中所示熔爐1為可用于垂直梯度冷凝(VGF)晶體生長法的熔爐的一個(gè)實(shí)例。也可使用其他熔爐和構(gòu)型，例如垂直布里奇曼方法。在VGF晶體生長法中，固定熱源內(nèi)的結(jié)晶溫度梯度經(jīng)電控制方式而移動(dòng)，而晶體固定。為實(shí)施垂直梯度冷凝生長(VGF) (32)，需在爐內(nèi)建立所需的溫度梯度分布。熔爐的加熱區(qū)各自的功率通過計(jì)算機(jī)分別單獨(dú)地進(jìn)行控制，該計(jì)算機(jī)被編程為加熱和降溫以適合熔爐結(jié)晶溫度和溫度梯度需要。對(duì)于生長鍺晶錠，例如，熔爐的溫度波動(dòng)可能需要控制在小于士0. 1°C。在熔爐準(zhǔn)備過程中，將鍺多晶原料裝入安瓿3中，更詳細(xì)的參見圖2。如圖所示，將在錐形部分具有一個(gè)孔的pBN裝載容器4固定在安瓿3中置于由石英制成的、位于坩堝12之上的支座6上。裝載容器4使坩堝12可裝載更多原料。特別是， 鍺原料5 —般為固態(tài)的塊或片，因此不能緊密地填充入坩堝12中進(jìn)行熔化。因此，所述裝載容器用于存放額外的可進(jìn)行熔化的原料，然后將其向下排至坩堝12中，這使坩堝12中更多的鍺裝添料，從而形成長度和直徑都更大的鍺晶體。例如，初始時(shí)可將約65%的原料裝入裝載容器4中，將35%的原料直接裝入坩堝12中。作為一個(gè)非限制性實(shí)施例，將5. 115kg 原料量裝入坩堝12中，將9. 885kg原料量裝入裝載容器4中，產(chǎn)生了 15000g (15kg)能形成直徑為152. 4mm(6英寸)的鍺晶錠的裝添料。在一個(gè)實(shí)施例中，鍺可用砷(As)摻雜。例如，在此可將偏離9°的取向 <100>(9° off-orientation)的籽晶裝入坩堝內(nèi)，然后再裝料。將原料和合適量的摻雜劑裝添料裝入坩堝中和裝載容器中，并將坩堝和裝載容器放入石英安瓿3中。將安瓿和內(nèi)容物抽真空至約為2. OOXlO-4帕斯卡(1. 5X ΙΟ"6托)，然后將安瓿密封并放入熔爐中，如圖1 中所示。開啟熔爐，加熱安瓿和內(nèi)容物，以使坩堝12中的原料熔化。晶體生長過程中，熔爐的溫度為約1000°C，因?yàn)殒N的熔點(diǎn)為約940°C。結(jié)晶界面的溫度梯度可根據(jù)晶錠的不同位置調(diào)為約0. 5至約10°C/cm。此外，調(diào)節(jié)整個(gè)溫度分布使結(jié)晶速率為l_2mm/小時(shí)。固化完成之后，以約20-40°C /小時(shí)的速率冷卻熔爐。由這種示例性方法獲得的Ge晶錠在此可具有以下特征用這種方法制備的鍺晶體的位錯(cuò)量可為小于約300位錯(cuò)/cm2、或?yàn)?50/cm2至約300/cm2、或?yàn)榧s180/cm2至約270/cm2、或?yàn)榧s60/cm2至約300/cm2、或?yàn)榧s80/cm2至約 280/cm2、或?yàn)榧s100/cm2至約260/cm2，或在此處所測量或給出的量的10%、20%或30%的其它此類數(shù)值窗(numerical number)內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的裝置由其中可嵌入pBN裝載容器和坩堝的石英安瓿和用以存放PBN裝載容器的支座6構(gòu)成。所述坩堝的尺寸為生長晶體段的直徑為約 150mm，生長晶體段的長度為160mm，并且籽晶段的直徑為7mm。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中， 將<100>取向的Ge籽晶嵌入pBN坩堝的籽晶井中，并將96g作為液體密封劑的三氧化二硼加入籽晶上方的PBN坩堝中。然后，將總共14，974g的Ge多晶材料分別放入pBN坩堝和 PBN容器中，將pBN容器和坩堝均嵌入石英安瓿中，并將該石英安瓿在約2. OOXlO-4帕斯卡 (1.5X10-6托)的減壓條件下用石英蓋密封。然后將密封的安瓿裝入熔爐中并放置在安瓿支座上。以約270°C /小時(shí)的速率加熱上述石英安瓿。當(dāng)溫度高于結(jié)晶材料的熔點(diǎn)約30°C 時(shí)，保持加熱直至所有多晶材料熔化。如圖5所示，公開了符合本發(fā)明的用于生長單晶鍺(Ge)晶體的一個(gè)示例性方法。 在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，提供了一種下述方法將第一 Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝包括一個(gè)存放籽晶的籽晶井；將第二 Ge原料裝入一個(gè)用以補(bǔ)充原料的、待置于安瓿內(nèi)的容器中；將所述坩堝和容器密封在所述安瓿內(nèi)；將其中帶有所述坩堝和所述容器的所述安瓿放入一個(gè)晶體生長熔爐中；控制坩堝中的第一 Ge原料的熔化以生成一種熔體；控制所述容器中的第二 Ge原料的熔化。此外，所述方法還可包括一個(gè)或多個(gè)下述過程控制將熔化的第二 Ge原料加至所述熔體的添加過程、控制熔體的結(jié)晶溫度梯度使熔體與籽晶接觸時(shí)結(jié)晶并形成單晶鍺晶錠、以及冷卻單晶鍺晶錠。其它示例性實(shí)施方案可包括控制所述容器中的第二 Ge原料的熔化，包括控制對(duì)第二 Ge原料的加熱并使熔化的第二 Ge原料保持在一個(gè)溫度范圍內(nèi)。此外，控制將熔化的第二 Ge原料加至所述熔體的添加過程可包括使所述熔體保持在給定的溫度范圍內(nèi)，所述范圍可為約940至約955攝氏度，或約945至約950攝氏度。此外，控制將熔化的第二 Ge 原料加至所述熔體的添加過程可包括使所述熔體保持在給定溫度范圍內(nèi)，例如上文所列范圍。
在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可用一種控制的方式控制或減小功率和/或一種或多種冷卻速率，以生產(chǎn)具有在可重復(fù)提供的范圍內(nèi)的晶體性質(zhì)的Ge晶錠。此外，由于這種方法控制，可重復(fù)地提供位錯(cuò)量小于約300位錯(cuò)/cm3，或本文所列的任意其它范圍內(nèi)的單晶
錯(cuò)晶,定。此外，借助本文列舉的方法，無需使用供應(yīng)外部氣源的摻雜技術(shù)就可重復(fù)地提供位錯(cuò)密度在上述各個(gè)范圍內(nèi)的鍺晶體。這些優(yōu)點(diǎn)的一些方面可涉及例如使用了密封安瓿 (例如在真空、壓力或其它條件等下進(jìn)行密封)并避免了有關(guān)的復(fù)雜性，例如需要昂貴的供氣硬件和控制系統(tǒng)/電子設(shè)備等。在一些情況下，本發(fā)明可有利地與需要非接觸式摻雜技術(shù)的系統(tǒng)和方法結(jié)合。如此，無需接觸式摻雜技術(shù)或供應(yīng)外部氣源的摻雜技術(shù)就可重復(fù)地提供位錯(cuò)密度在上述各個(gè)范圍內(nèi)的鍺晶體。在一些實(shí)施方案中，VGF法可用于實(shí)施晶體生長。此外，可先將最低加熱區(qū)中的加熱器功率降低以便在籽晶處開始晶體生長，然后再將過渡區(qū)中的加熱器功率降低，其中冷卻速率為約0.3至約0.4°C /小時(shí)。保持該冷卻速率約70小時(shí)。一旦結(jié)晶到達(dá)主要生長區(qū)，則將適當(dāng)?shù)膮^(qū)域中的加熱器功率降低以提供約0. 4至約0. 7。C /小時(shí)的冷卻速率，并使結(jié)晶界面溫度梯度為約1. 2至約3. O0C /cm，二者均保持約120小時(shí)。結(jié)晶完成之后，以約 20至約40°C /小時(shí)的速率使熔爐冷卻直至其達(dá)到室溫。所得的示例性晶錠的體長為125mm，并且完全是單晶。從起始生長部分至終端生長部分，晶體具有濃度為9. 05 X IO17至4. 86 X IO1Vcm3的自由載流子(carrier)和7. 29X 10_3 至2. 78 X IO"3 Ω · cm的電阻率及955cm2/Vs至467cm2/Vs的遷移率。位錯(cuò)密度在起始部分為186/cm2，如圖3中所示，在生長部分的末端為270/cm2，如圖4中所示。因此，應(yīng)注意，用本發(fā)明公開的方法/過程制備的任何鍺晶體襯底(例如晶錠、晶片等)都明確地在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，包含這種用本發(fā)明方法之一制備的鍺晶體襯底的任何產(chǎn)品(例如電子設(shè)備或光電設(shè)備等)也符合本發(fā)明。雖然上述內(nèi)容已參照本發(fā)明的一些具體實(shí)施方案進(jìn)行了說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不偏離本發(fā)明原則和主旨的情況下可對(duì)所述實(shí)施方案進(jìn)行改變，本發(fā)明的范圍通過所附權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種生長單晶鍺(Ge)晶體的方法，所述方法包括將第一 Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝包括一個(gè)存放籽晶的籽晶井； 將第二 Ge原料裝入一個(gè)用以補(bǔ)充原料的、待置于安瓿內(nèi)的容器中； 將所述坩堝和容器密封在所述安瓿內(nèi)；將其中帶有所述坩堝和所述容器的所述安瓿放入一個(gè)具有支撐所述安瓿的可移動(dòng)安瓿支座的晶體生長熔爐中；熔化坩堝中的第一 Ge原料以生成一種熔體；熔化所述容器中的第二 Ge原料，并將熔化的第二 Ge原料添至所述熔體中； 控制熔體的結(jié)晶溫度梯度，使熔體與籽晶接觸時(shí)結(jié)晶并形成單晶鍺晶錠；以及冷卻單晶鍺晶錠。
2.權(quán)利要求1的方法，其中形成單晶鍺晶錠的過程包括在晶體生長區(qū)形成0.3-2. 5°C/ cm的溫度梯度。
3.權(quán)利要求1的方法，其中以0.2-0. 5°C /小時(shí)的速率冷卻單晶鍺晶錠。
4.權(quán)利要求1的方法，還包括在結(jié)晶溫度梯度移動(dòng)過程中保持坩堝固定。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述單晶鍺晶錠的直徑為約50mm(約2英寸)至約 200mm (約8英寸)。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述單晶鍺晶錠的直徑為約150mm(約6英寸)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述單晶鍺晶錠具有小于約300位錯(cuò)/cm3。
8.一種用于生長單晶鍺的裝置，包括一個(gè)晶體生長熔爐，其包含一個(gè)熱源和多個(gè)加熱區(qū)；一個(gè)配置為裝入熔爐中的安瓿，其中所述安瓿包括一個(gè)裝載容器和一個(gè)帶籽晶井的坩堝；一個(gè)可移動(dòng)的安瓿支座；和一個(gè)與晶體生長熔爐和可移動(dòng)安瓿支座連接的控制器，該控制器控制熱源的一個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)和可移動(dòng)安瓿支座，以便當(dāng)坩堝位于熔爐中時(shí)在坩堝上實(shí)施垂直梯度冷凝法。
9.權(quán)利要求8的裝置，其中所述晶體生長熔爐具有5至7個(gè)加熱區(qū)。
10.權(quán)利要求8的裝置，其中所述晶體生長熔爐具有六個(gè)加熱區(qū)。
11.權(quán)利要求8的裝置，其中所述坩堝的內(nèi)徑為約5mm(約2英寸)至約200mm (約8英寸)。
12.權(quán)利要求8的裝置，其中所述坩堝的內(nèi)徑為約150mm(約6英寸)。
13.—種生長單晶鍺(Ge)晶體的方法，所述方法包括將第一 Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，所述坩堝包括一個(gè)存放籽晶的籽晶井； 將第二 Ge原料裝入一個(gè)用以補(bǔ)充原料的、待置于安瓿內(nèi)的容器中； 將所述坩堝和容器密封在所述安瓿內(nèi)；將其中帶有所述坩堝和所述容器的所述安瓿放入一個(gè)晶體生長熔爐中； 控制坩堝中的第一 Ge原料的熔化以生成一種熔體； 控制所述容器中的第二 Ge原料的熔化； 添加/控制熔化的第二 Ge原料至所述熔體；控制熔體的結(jié)晶溫度梯度，使熔體與籽晶接觸時(shí)結(jié)晶并形成單晶鍺晶錠；以及冷卻單晶鍺晶錠。
14.權(quán)利要求13的方法，其中控制所述容器中的第二Ge原料的熔化包括控制對(duì)第二 Ge原料的加熱并使熔化的第二 Ge原料保持在一個(gè)溫度范圍內(nèi)。
15.權(quán)利要求13的方法，其中控制熔化的第二Ge原料加至所述熔體的添加過程包括使所述熔體保持在給定的溫度范圍內(nèi)。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述溫度范圍為約940至約955攝氏度。
17.權(quán)利要求14的方法，其中所述溫度范圍為約945至約950攝氏度。
18.權(quán)利要求13的方法，其中控制熔化的第二Ge原料加至所述熔體的添加過程包括使所述熔體保持在給定的溫度范圍內(nèi)。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述給定的溫度范圍為約940至約955攝氏度。
20.權(quán)利要求18的方法，其中所述給定的溫度范圍為約945至約950攝氏度。
21.權(quán)利要求13-20之一的方法，其中以控制的方式控制或減小加熱功率和/或一種或多種冷卻速率，以生產(chǎn)具有可重復(fù)范圍內(nèi)的晶體性質(zhì)的Ge晶錠。
22.權(quán)利要求13-21之一的方法，其中由于一個(gè)或多個(gè)控制步驟，可重復(fù)地提供小于約 300位錯(cuò)/cm3的單晶鍺晶錠。
23.權(quán)利要求13的方法，其中所述晶體生長熔爐能夠使安瓿和/或周圍的熔爐/裝置相對(duì)彼此運(yùn)動(dòng)。
24.權(quán)利要求13或23的方法，其中所述晶體生長熔爐具有一個(gè)支撐所述安瓿的可移動(dòng)安瓿支座。
25.權(quán)利要求13-24之一的方法，其中由于所述晶體制造方法，可重復(fù)地提供位錯(cuò)密度在設(shè)定范圍內(nèi)的鍺晶體，而不使用供應(yīng)外部氣源的摻雜技術(shù)。
26.權(quán)利要求25的方法，其中設(shè)定范圍小于約300位錯(cuò)/cm3。
27.權(quán)利要求13-24之一的方法，其中由于所述晶體制造方法，可重復(fù)地提供位錯(cuò)密度在設(shè)定范圍內(nèi)的鍺晶體，而不使用接觸式摻雜技術(shù)或供應(yīng)外部氣源的摻雜技術(shù)。
28.權(quán)利要求27的方法，其中所述設(shè)定范圍小于約300位錯(cuò)/cm3。
29.一種鍺晶體襯底，其通過權(quán)利要求1-7之一的方法、或者通過權(quán)利要求13-28之一的方法、或者通過本文列舉的任意方法制備。
30.一種包含一種鍺晶體襯底的產(chǎn)品，所述鍺晶體襯底通過權(quán)利要求1-7之一的方法、 或者通過權(quán)利要求13-28之一的方法、或者通過本文列舉的任意方法制備。
全文摘要
公開了關(guān)于單晶鍺(Ge)生長的系統(tǒng)、方法和襯底。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，提供了一種生長單晶鍺(Ge)晶體的方法。此外，所述方法可包括將第一Ge原料裝入一個(gè)坩堝中，將第二Ge原料裝入一個(gè)用以補(bǔ)充Ge熔體材料的容器中，將所述坩堝和容器密封在所述安瓿內(nèi)，將帶有坩堝的安瓿放入一個(gè)晶體生長熔爐中，以及熔化第一Ge原料和第二Ge原料，并控制熔體的結(jié)晶溫度梯度以可重復(fù)地提供具有改進(jìn)/所需性能的單晶鍺晶錠。
文檔編號(hào)C30B29/08GK102272361SQ200980154326
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月5日
發(fā)明者劉衛(wèi)國 申請人:Axt公司