[發明專利]大直徑碲化鎘或碲鋅鎘多晶棒料合成裝置及制備方法

有效

• 申請號: 201310302172.X
• 申請日: 2013-07-17
• 公開（公告）號: CN103409800A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 黃立;方維政;劉偉華;譚必松;袁文輝;梁紅昱;龔月;余志杰
• 申請（專利權）人: 武漢高芯科技有限公司
• 主分類號: C30B29/48
• 分類號: C30B29/48;C30B28/02
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 唐正玉

技術領域

本發明屬于半導體材料制備領域，具體涉及3英寸及以上的大直徑碲化鎘（CdTe）或碲鋅鎘（CdZnTe）多晶棒料合成裝置及制備方法。

背景技術

CdTe和CdZnTe晶體材料由于其高電阻率以及良好的載流子傳輸特性，可用于制作高性能X射線及γ射線探測器，在高能物理及醫學影像領域有著廣闊的應用前景；還可用于制作低成本的CdTe薄膜太陽能電池所需求的多晶合成料及CdTe靶材；不僅如此，其晶格常數與紅外探測器材料碲鎘汞（HgCdTe）相匹配，是碲鎘汞晶體材料最理想的外延襯底，在現代紅外探測器技術中起著不可或缺的作用。

在CdTe和CdZnTe單晶制備工藝中，多晶料的合成非常重要卻又少有論述，但其對于化學配比的實現、單晶的制備是不可或缺的關鍵工藝環節。然而，在工業化生產中經常遇到炸管和裂管，導致高純材料氧化報廢而蒙受巨大損失，無法實現連續大批量生產制造，主要原因是一般的合成工藝是簡單地將原材料混合物簡單地密封在內壁涂有碳膜或氮化硼（pBN）膜的石英管中加熱進行化合反應而成。

CdTe和CdZnTe可由氣相、液相甚至固相合成，通常由各元素在液相條件下直接合成。液相合成工藝中，其在Te熔點（449℃，見表1）附近會發生劇烈的化合反應，且反應通常是不徹底的，一直到1000℃甚至整個液相范圍內，都可能有化合反應存在，這表明液相直接合成具有較大的危險性。同時由于需使用高純原材料，其合成過程一般都是在超高純和超高真空的內壁鍍膜石英管內進行，故合成技術的關鍵是控制或者如何承受化合過程中潛熱的劇烈釋放，這種劇烈的放熱反應會引起快速升溫而導致石英管內鎘壓升高，最終超過石英管耐壓范圍而破裂；而且，在石英管焊接密封過程中又不可避免地引入熱應力導致石英管耐壓下降，尤其是隨著石英管徑的增大，其耐壓能力降低，同時裝料反而增加，液相合成時碲化鎘反應不充分、不徹底的幾率增大，其發生爆炸的幾率大大增加，最終將導致石英管的破裂乃至炸管。

在一般的CdTe和CdZnTe多晶棒料合成工藝過程中，為監控并解決合成過程中石英管易于破裂問題，實用新型專利ZL02260417.0提出了一種帶有預測化合物半導體合成裂管實時監控的合成爐。該專利中，對于事前預測到將要發生裂管的合成過程，也只能終止合成過程而沒有提出進一步的處理措施和辦法，另外，“預測”本身就帶有概率性，對于例外的情況是無法完全阻止炸或裂管現象的發生，特別是隨著工業化生產直徑的擴大（如3英寸及以上），炸管或裂管現象幾率大大增加，因此，該專利并未完全實現控制裂或炸管的技術。意大利A.Zappettini等提出了一種低成本快速合成多晶CdTe方法，即將Cd和Te密封在熔融B2O3高壓容器中，外加20-40atm惰性氣體，見Journal?of?Crystal?Growth?(214/245)2000?P14。但此方法實際為高壓合成，設備構造復雜，存在硼（B）污染，且不適用大直徑多晶棒料的合成。法國P.?Cheuvart等采用了美國專利No.?4447393提出的合成方式，即分開封裝原材料，Cd端溫度控制在800℃，Te端溫度控制在CdTe熔點以上，此時CdTe合成反應在Te熔點處開始發生，通過Cd金屬的氣相輸運進行后續化合發應，見Journal?of?CrystalGrowth?(101)1990?P270。此合成方式復雜且成本較高，且不適合規模化生產使用。

目前，相關文獻及專利中尚無一項令人滿意的合成制備技術，能夠簡單快速，低成本地合成制備大直徑CdTe和CdZnTe多晶棒料，同時還能夠完全避免合成中出現的炸或裂管現象以便實現規模化的連續生產。

表1：碲、鋅、鎘單質元素相關物理參數

發明內容

基于上述合成工藝中存在的種種問題，本發明的目的是提出一種工藝簡單、低成本的大直徑碲化鎘（CdTe）或碲鋅鎘（CdZnTe）多晶棒料的合成制備方法及裝置，以解決上述問題。通過采用雙層坩堝結構避免合成過程中出現的裂管甚至炸管現象；通過高純石墨坩堝來承受最高熔點單質元素Te熔化時的劇烈化合瞬間產生的高溫高壓帶來的熱量沖擊，同時也避免了外層石英坩堝雜質二次污染密封于其內的原材料純度問題。

本發明的技術方案為：

大直徑碲化鎘或碲鋅鎘多晶棒料合成裝置，包括：石墨坩堝、石英坩堝、石墨墊片、石墨蓋、石英塞，其特征在于：石墨坩堝底部設有抽氣孔，石墨墊片放置在石墨坩堝底部，石墨蓋位于石墨坩堝口處，石墨坩堝整體放置在石英坩堝內，并與石英塞有相應間隙，石英塞位于石英坩堝口處。

石英塞與石英坩堝通過焊接密封。