[實(shí)用新型]一種用于浸漬式碲鎘汞液相外延的溫度控制裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201420028370.1
• 申請(qǐng)日: 2014-01-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN203768484U
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊建榮;魏彥鋒;孫瑞贇;孫權(quán)志
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): C30B19/10
• 分類號(hào): C30B19/10;C30B29/48
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

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漬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)

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。

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漬式）和氣相外延（分子束外延和金屬有機(jī)氣相沉積）兩種，其中浸漬式液相外延經(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)。

在浸漬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。此外，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。

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。

為了改進(jìn)浸漬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（Hg_1-xCd_xTe）外延材料的組分（x）和厚度。

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)犭娕迹鼓敢航禍睾蟮臒崞胶鉁囟饶軌蛟诮禍剡^(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側(cè)，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

本專利提出了一種用于浸漬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。

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。