技術領域

本發明涉及晶體生長新方法及其裝置，具體是一種利用頂部籽晶溫度梯度法(TSTGT)生長裝置生長出大尺寸高品質紫外級氟化鈣單晶的新方法。

背景技術

伴隨著半導體元件的高集成化，各種光源也越來越短波長化，該需求涉及到真空紫外區域。作為該波長區域的光學材料，使用具有優良透射性的氟化鈣晶體，例如利用ArF準分子激光(193nm)、F2準分子激光(157nm)的光蝕刻用的光學材料，使用的是氟化鈣、氟化鋇、氟化鎂等氟化物單晶。除此之外，需要的氟化鈣晶體材料的質量和尺寸也越來越大。目前生長大尺寸高品質紫外級氟鈣晶體主要是提拉法(CZ)、坩堝下降法、溫梯法(TGT)。

對于生長高質量晶體而言，提拉法(CZ)是一種十分重要的生長方法，也是目前應用最為廣泛的單晶生長方法之一。該方法的優點在于晶體在熔體表面處生長而不與坩堝接觸，生長時不會產生寄生成核而形成多晶，同時也能顯著減少晶體的應力；晶體生長過程中方便觀察晶體狀況，生長速率較快；而且，晶體生長過程中，偏析現象能使雜質減少。但缺點是不適合生長大尺寸晶體，因尺寸較大時單晶拉制區溫度分布均勻性不易控制而導致晶體內部應力大。2003年繩田輝彥等人申請的專利“氟化鈣生成態單晶”(中國專利，專利號：200310116494.1)，提供了一種用CZ法生長出大直徑、小雙折射率的氟化鈣單晶，其直徑大于170mm，雙折射值不大于3nm/cm，但其尺寸仍滿足不了目前的需求。

坩堝下降法是一種原料熔體在坩堝中隨著坩堝的緩慢下降而逐步冷卻，從而在坩堝中生長出單晶的方法。該方法采用全封閉或半封閉的坩堝，適合大尺寸晶體的生長，操作工藝簡單，易于實現程序化、自動化。然而，在坩堝下降過程中會產生不可避免的機械振動，會造成固-液界面處的溫度波動，這樣部分晶體會多晶化，造成產率低；晶體生長后期，所處的位置溫度梯度較大，易形成熱應力，造成晶體開裂和位錯。

溫梯法(TGT)是目前用來生長質量、尺寸和單晶率均優的氟化鈣晶體最廣泛的方法。1985年周永宗等人申請的專利“一種溫梯法生長高溫晶體的裝置”(中國專利，專利號：85100534)，首次采用單加熱靜態溫度梯度法，結合底部籽晶定向結晶的方法生長出大尺寸優質的高溫晶體。該方法相比于CZ法和坩堝下降法，具有設備簡單，熱場穩定，易操作，成本低，能生長出大尺寸優質晶體等優點，但該方法在晶體生長過程中溫度梯度已固定，不能動態調整溫度梯度，生長更大尺寸晶體時，容易開裂；另外此方法采用石墨發熱體、鉬坩堝和鉬保溫屏，這樣在高溫時，鉬坩堝和鉬保溫屏在含C氣氛下易軟化而不能使用，且晶體原料會被碳污染。2003年周國清等人申請的專利“大面積晶體的溫梯法生長裝置及其生長晶體的方法”(中國專利，專利號：03142108.3)，進一步對靜態溫度梯度法生長裝置進行了改進，采用雙加熱體、雙控溫加熱系統，發熱體由矩形波狀板條式石墨筒的主發熱體和倒錐狀異形板條的輔發熱體構成，主輔發熱體的上下方及四周設有良好保溫效果的上、下熱擋板和側保溫屏，主輔發熱體包圍的空間內，由帶有籽晶槽的倒圓錐形坩堝構成晶體生長室。該裝置在晶體生長過程中可以動態調整溫度梯度，且生長后期可實現晶體原位退火，能生長出更大尺寸高品質晶體。但此方法仍采用石墨發熱體，其上述缺點不可避免，且電加熱高純石墨材料只能采用國外進口材料，同時在高溫生長晶體時易變形，使用壽命短。

另外溫梯法還具有晶體生長速度緩慢、易多核結晶、坩堝一次性等缺點。

綜上所述，以上幾種晶體生長方法都存在一定的局限性、不能生長出大尺寸高品質的紫外級氟化鈣單晶。本發明將提拉法(CZ)、坩堝下降法、泡生法和溫梯法(TGT)各優點結合在一起，獨創出頂部籽晶溫度梯度法(TSTGT)，采用頂部籽晶中心可調提拉結構、雙加熱純金屬發熱體、雙控溫加熱系統，創造一個可動態調節溫度梯度和溫場中心的特殊高溫真空晶體爐，通過裝爐、抽高真空、升溫化料、洗籽晶、提拉法下種、提拉法“縮徑工藝”、提拉法“放肩工藝”、泡生法“等徑工藝”、TGT法等徑生長(控徑技術為CZ稱重)、CZ法收尾&脫坩堝、退火，生產出大尺寸高品質的紫外級氟化物單晶。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述幾種方法及裝置生長晶體的缺點，提供一種可動態調節溫度梯度和溫場中心的頂部籽晶的溫梯法生長裝置及其結合提拉法(CZ)、坩堝下降法、泡生法和溫梯法(TGT)各優點的晶體生長方法，為生長出大尺寸高品質的紫外級氟化物晶體提供良好穩定的生長溫場和退火溫場，同時簡化設備、降低成本。

本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現：