[发明专利]高压原位合成多功能晶体生长系统

说明书

技术领域

本发明涉及晶体生长装置技术领域，尤其涉及一种高压原位合成多功能晶体生长系统。

背景技术

含有挥发性元素的半导体材料（如磷化铟、磷化镓和砷化镓等）在太赫兹、光通信、微波、毫米波器件、抗辐射太阳能电池、制导与导航等许多高技术领域有着广泛的应用。高质量、大尺寸的半导体单晶是这些应用的基础。而对于含有易挥发元素的注入合成过程来说，传统的高压合成炉并不能实现熔体成分的精确控制。熔体配比情况直接影响着晶体质量，尤其对于大直径、长尺寸的晶体，将出现很大的晶体浪费，目前尚缺乏合成过程合成效果的监测系统。合成过程中，熔体的温度也直接影响着合成的好坏。因而熔体成分的控制需要对熔体温度进行较为精确的控制。目前大质量的多晶料合成也需要精确控制熔体的温度和熔体内的热场分布。

另外，不同的晶体生长方式有不同的优势，如LEC法（液封直拉法）生长工艺的成晶率高，生长效率高；原位合成LEC法生长晶体的纯度较高；VGF法（垂直梯度凝固法）生长晶体的位错密度低等。在一个系统中可以实现多种晶体工艺的生长也可以节约生产成本。因此，需要能够克服上述已知系统的新的晶体生长系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高压原位合成多功能晶体生长系统，所述系统适用于III-V和II-IV族化合物半导体的合成与晶体生长，尤其适用于含有挥发性元素的二元或者多元熔体的合成，可适用于多种不同的晶体生长方法，具有使用方便，控制精确度高的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高压原位合成多功能晶体生长系统，所述晶体生长系统包括压力控制系统、电气控制系统、冷却循环系统、速度控制系统、炉内件清洗系统、磁场系统、真空密封系统、真空系统和炉体，所述炉体包括炉底座、炉腔和炉顶盖，其特征在于：所述晶体生长系统还包括籽晶杆升降机构、挥发性元素升降旋转系统、测温系统、坩埚杆旋转升降机构和炉体升降系统，所述炉体升降系统中的升降缸一端与炉体支架固定连接，所述升降缸的动力输出端与支撑板固定连接，籽晶杆升降机构立柱固定在支撑板上，所述籽晶杆升降机构通过籽晶杆升降机构立柱进行固定，连接管的一端与支撑板固定连接，连接管的另一端与炉顶盖固定连接并与炉腔相联通，籽晶杆的一端与籽晶杆升降机构的动力输出端连接，籽晶杆的另一端经连接管进入炉腔；所述挥发性元素升降旋转系统和测温系统固定在所述炉顶盖上，挥发性元素升降旋转系统上的挥发性元素放置源位于炉腔内，挥发性元素放置源在所述挥发性元素升降旋转系统的动力作用下可升降和旋运动，所述测温系统的测温部件延伸至炉腔内，并在测温系统动力的作用下可升降运动，用于测量炉腔内不同位置的温度，坩埚杆旋转升降机构固定在炉体支架上，坩埚杆旋转升降机构的动力输出端与坩埚杆的一端固定连接，坩埚杆在坩埚杆旋转升降机构的带动下可升降和旋转运动。

进一步的技术方案在于：所述炉腔内设有坩埚、石墨托、加热器、坩埚杆和石墨毡，所述坩埚杆的一端位于炉底座之外，坩埚杆的另一端延伸至炉腔内，石墨托与坩埚杆固定连接，所述坩埚位于石墨托上，所述坩埚的外周设有加热器，坩埚与加热器保持间隔设置，所述加热器与炉腔的内壁之间设有石墨毡，所述坩埚上设有刻度线。

进一步的技术方案在于：所述加热器包括上加热器，中加热器和下加热器。

进一步的技术方案在于：所述籽晶杆上设有第一重量传感器，所述籽晶杆的出料口朝向所述坩埚。

进一步的技术方案在于：所述挥发性元素升降旋转系统包括升降电机、支座、第一丝杠、旋转电机、升降座、第一密封组件、放置源杆、挥发性元素放置源、放置源管和第二重量传感器，所述升降电机通过支座固定在炉顶盖上，第一丝杠的一端与升降电机的动力输出端固定连接，所述升降座通过丝母与第一丝杠连接，第一丝杠的另一端与炉顶盖轴连接，所述旋转电机固定在升降座上，放置源杆的外周设有第一密封组件，所述第一密封组件与炉顶盖固定连接，所述放置源杆的一端与旋转电机的动力输出端连接，放置源杆的另一端与位于炉腔内部的挥发性元素放置源固定连接，所述放置源管与所述挥发性元素放置源相连通，并向炉腔的内部延伸，挥发性元素放置源内部装有挥发性元素，通过放置源管将挥发性元素注入熔体中，用于多晶合成，所述重量传感器用于测量挥发性元素放置源内的挥发性元素的质量。

进一步的技术方案在于：挥发性元素放置源上的第二重量传感器数值与坩埚上设有刻度线综合考虑可以精确计算合成熔体的成分及合成效率，并实现熔体成分的精确控制。

进一步的技术方案在于：所述支座、第一丝杠、升降座和放置源杆均用不锈钢制成；挥发性元素放置源、放置源管均用高纯石英制成。