超高純砷單晶體片的製備方法

2023-09-18 10:46:25 3

專利名稱：超高純砷單晶體片的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種超高純砷單晶體片的製備方法。
背景技術：
超高純砷是指純度在5N以上的砷，目前未見有關超高純砷單晶片的文獻報導。由於砷的熔點在36個標準大氣壓(atm)下為817°C，砷的表面在空氣中(常溫常壓下)很快氧化，即使有了單晶砷棒，也難以用切磨拋光等工藝製備高純度砷片，要生產製備超高純砷單晶片的難度很大。為了解決這一問題，研究在高溫高壓砷晶體生長特性，在封閉的石英管生長晶體
發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種超高純砷單晶體片的製備方法。本發明目的通過下述技術方案來實現
I、一種超高純砷單晶體片的製備方法，包括如下步驟
(I)石英管表面處理
將石英管表面洗淨，去除石英管表面的雜質；
若不去除石英管表面的雜質，則會汙染砷晶體，使其純度下降，還會產生晶體的缺陷，影響砷晶體的正常生長。(2)超高純砷脫氧封裝
將超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，將石英管在真空條件下加熱，去除砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，熔封石英管；
之所以在真空條件下加熱，是因為
①砷的表面在空氣中(常溫常壓下)極易氧化，必須在真空條件加熱熔化砷。②真空狀態時加熱砷，砷表面氧化層會發生升華而脫出(抽走)。氧化膜是氧化物，不是單質砷，是超高純砷中的雜質，所以要去除。由於砷的熔點在36個標準大氣壓(atm)下為817°C，在真空條件下熔封石英管，熔封后的石英管，加熱到砷的熔點時，砷的蒸氣壓很高，靠自身產生的蒸氣壓足以大於36個標準大氣壓(atm )，滿足了砷的熔化條件。(3)置於水平管式爐內
把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內；
熔化後的石英管，置於水平管式爐內熔化砷料，水平放置石英管，管內熔化砷的液體表面積大，液體表面冷卻結晶後的面積也就大。(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶
4. I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至820 840°C，恆溫50-60min使石英管內的砷完全熔化；
4. 2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫；
4.3817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。砷的熔點在36個標準大氣壓(atm)下為817°C，820開始使砷熔化。若溫度大於840°C以上，蒸氣壓過高，超過石英管的耐壓極限將發生爆炸。恆溫50_60min是為了使砷完全熔化。放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫的目的是使液體砷冷卻凝固，溫度在820 600°C自然冷卻降溫，石英管內的砷低於817°C時為固體。
817°C以下時，石英管內固體砷處於升華狀態，管內的空間充滿了砷氣體分子，夕卜部的過冷條件(達到過冷度)使微小新晶胞成核和生長，生成有兩個單晶片的孿晶體，且極易斷開成為兩個獨立的單晶片。因為孿晶體的兩個單晶片是在各自的稜角處相連接，接觸面小，所以極易斷開成為兩個獨立的單晶片。2、作為優選方式，所述步驟(I)進一步為
I. I先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽；
I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去；
I. 3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。之所以選用氫氟酸是因為氫氟酸能溶解石英玻璃和表面附著的白色二氧化矽。如果不去除白色二氧化矽會汙染產品砷，造成雜質矽含量高。王水能溶解大多數的金屬雜質，比其它任何一種單酸效果都更好。用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥能得到乾燥好且不被汙染的石英管。3、作為優選方式，所述步驟(2)中的超高純砷的純度為7N。之所以選用純度為7N，即純度為99. 99999 %的超高純砷，純度在7N的超高純砷有利於晶體生長，降低晶體產生缺陷的機率。4、作為優選方式，所述步驟(2)進一步為
(2)超高純砷脫氧封裝
將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度500 600°C的電爐內，抽真空到KT2-IO-3Pa,脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，熔封石英管。溫度定在500 600°C有利於砷的表面氧化層快速脫離。溫度過高會使砷揮發造成損失，溫度過低不能脫掉氧化膜或者脫去除氧化膜的時間很長。抽真空到10_2_10_3Pa保證了石英管內有足夠的真空度，使砷在高溫狀態時不會氧化，砷自身產生的蒸氣壓足夠滿足其熔化條件，又不至於壓力過高使石英管發生爆炸。5、作為優選方式，所述步驟(2)中用氫氧焰燈熔封石英管。石英管軟化點很高，在1400°C以上、熔點1800°C以上，氫氧焰溫度很高，用氫氧焰燈熔封石英管，足以軟化石英管且便於操作。6、作為優選方式，所述步驟(3)進一步為
3.I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內；3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。外套管的作用是便於裝爐出爐操作和調整內部熔料管的安放位置。7、作為優選方式，所述步驟4. I進一步為
4.I把裝有砷且密封好的石英管和石英外套管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至820-825 °C，恆溫50-55min使石英管內的砷完全熔化。溫度選在820-825 °C是使砷完全熔化的最佳溫度範圍。恆溫時間確定在50_55min足以使砷完全熔化。8、作為優選方式，所述步驟4. I進一步為
4. I把裝有砷且密封好的石英管和石英外套管置於水平管式爐內，在36個標準大氣 壓下，升溫至823°C，恆溫52min使石英管內的砷完全熔化。將升溫溫度定在823 °C是使砷完全熔化的最佳溫度值。恆溫時間為52min足以使砷完全熔化。9、作為優選方式，所述步驟(4)後還包括步驟(5):
(5)砷單晶片保管
將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用先抽真空再充氬氣的廣口玻璃瓶包裝，將單晶片放入瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。因為砷的表面在空氣中(常溫常壓下)極易氧化，必須隔離空氣，所以採用真空封裝在玻璃管或用先抽真空再充氬氣的廣口玻璃瓶包裝。本發明的原理在於在36個標準大氣壓下使砷熔化，再使封閉的石英管內產生足夠的氣態砷分子和滿足過冷度條件，使微小新晶胞成核和生長，生成有兩個單晶片的孿晶體，且極易斷開成為兩個獨立的單晶片，此方法的難度在高溫高壓下熔化砷，使封閉空間產生足夠的氣態砷分子和滿足結晶所必須的過冷度，才能獲得砷片。過冷度通過空氣、冷卻水、風冷等方法獲得，可採用空氣中自然冷卻，對熔料石英管表面冷卻，熔化的砷受到過冷條件的影響，當達到過冷度時液態砷開始結晶。本發明的有益效果在於利用石英管封閉和砷高溫熔化時自身產生的壓力，達到砷熔化和晶體生長的目的，在常溫過冷條件下，管內液態砷達到過冷度時生長晶體，每管生成30 60片，並以孿晶方式生成單晶片，可滿足國內產品質量要求及出口質量要求，有較好的應用前景。


圖I是本發明使用的水平管式爐的示意圖。圖2是石英管內生成砷單晶片的示意圖。其中，I為熔料管，2為外套管,3為水平管式爐,4為晶片,5為凝固的砷。
具體實施例方式下列非限制性實施例用於說明本發明。水平管式爐包括精密溫度控制儀和市售的管式爐，管式爐包括一水平的內徑為60mm的外螺紋氧化鋁管，其外部纏繞鎳鉻絲，並用氧化鋁泡沫磚保溫，爐體外殼是300X300X1000的長方形不鏽鋼板爐體，測溫採用鉬銠鉬熱電偶，熱電偶用補償導線與精密溫度控制儀連接，鎳鉻絲用銅芯導線與精密溫度控制儀連接。爐膛加熱過程為外螺紋氧化鋁管的外螺紋用於繞鎳鉻絲，通電後鎳鉻絲產生熱量，傳熱到外螺紋氧化鋁管，外部用氧化鋁泡沫磚有較好保溫效果，管內溫度受精密溫度控制儀的控制，達到設置溫度並且穩定的控制溫度。實施例I 一種超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟
(I)石英管表面處理 1.1先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽；
I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去；
I. 3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。(2)超高純砷脫氧封裝
將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度500°C的電爐內，抽真空到10_2Pa，脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，用氫氧焰燈熔封石英管。(3)置於水平管式爐內
3.I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內；
3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶
4.I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至820 0C，恆溫50min使石英管內的砷完全熔化；
4. 2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫；
4.3817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。(5)砷單晶片保管
將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用廣口真空充氣玻璃包裝瓶，將單晶片放入瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。實施例2
一種超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟
(I)石英管表面處理 1.1先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽；
I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去；
I. 3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。(2)超高純砷脫氧封裝
將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度600°C的電爐內，抽真空到10_3Pa，脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，用氫氧焰燈熔封石英管。(3)置於水平管式爐內
3.I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內；
3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶
4.I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至840 0C，恆溫60min使石英管內的砷完全熔化；
4.2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫；
4.3817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。 (5)砷單晶片保管
將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用廣口真空充氣玻璃包裝瓶，將單晶片放入瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。實施例3
一種超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟
(I)石英管表面處理 1.1先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽；
I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去；
I. 3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。(2)超高純砷脫氧封裝
將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度550°C的電爐內，抽真空到10_3Pa，脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，用氫氧焰燈熔封石英管。(3)置於水平管式爐內
3.I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內；
3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶
4.I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至830 0C，恆溫52min使石英管內的砷完全熔化；
4.2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫；
4.3817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。(5)砷單晶片保管
將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用廣口真空充氣玻璃包裝瓶，將單晶片放入瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。實施例4
一種超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟
(I)石英管表面處理 1.1先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽；I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去；
I. 3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。(2)超高純砷脫氧封裝
將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度580°C的電爐內，抽真空到10_2Pa，脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，用氫氧焰燈熔封石英管。(3)置於水平管式爐內
3. I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內； 3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶
4.I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至825 0C，恆溫52min使石英管內的砷完全熔化；
4.2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫；
4.3817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。(5)砷單晶片保管
將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用廣口真空充氣玻璃包裝瓶，將單晶片放入瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。實施例5
一種超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟
(I)石英管表面處理 1.1先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽；
I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去；
I. 3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。(2)超高純砷脫氧封裝
將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度530°C的電爐內，抽真空到10_3Pa，脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，用氫氧焰燈熔封石英管。(3)置於水平管式爐內
3.I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內；
3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶
4.I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至823 0C，恆溫52min使石英管內的砷完全熔化；
4.2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫；
4.3817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。
(5)砷單晶片保管
將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用廣口真空充氣玻璃包裝瓶，將單晶片放入瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。實施例6
一種超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟
(I)石英管表面處理 1.1先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽；
I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去；
I. 3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。(2)超高純砷脫氧封裝
將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度525-585°C的電爐內，抽真空到10_2-10_3Pa，脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，用氫氧焰燈熔封石英管。(3)置於水平管式爐內
3. I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內；
3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶
4.I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至825-835 °C，恆溫51-57min使石英管內的砷完全熔化；
4.2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫；
4.3817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。(5)砷單晶片保管
將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用廣口真空充氣玻璃包裝瓶，將單晶片放入瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。
權利要求
1.一種超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟 (1)石英管表面處理 將石英管表面洗淨，去除石英管表面的雜質； (2)超高純砷脫氧封裝 將超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，將石英管在真空條件下加熱，去除砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，熔封石英管； (3)置於水平管式爐內 把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內； (4)水平管式爐熔料和冷卻結晶 4.I把裝有砷且密封好的石英管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至820 840°C，恆溫50-60min使石英管內的砷完全熔化； 4.2把已經熔化砷的石英管管式爐中拖出，放置在冷卻結晶水平臺上，使其自然冷卻降溫； 4.3 817°C以下時，石英管內固體砷升華，生成有兩個單晶片的孿晶體，斷裂後成為兩個獨立的單晶片，得到產品。
2.按照權利要求I所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟(I)進一步為 1.1先用氫氟酸洗去石英管表面附著的白色二氧化矽； I. 2用王水浸泡I天石英管，把表面上的雜質酸浸蝕洗去； I.3用高純水清洗石英管，在紅外燈乾燥箱中乾燥。
3.按照權利要求I或2所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)中的超高純砷的純度為7N。
4.按照權利要求3所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)進一步為 (2)超高純砷脫氧封裝 將純度為7N的超高純砷裝入已經處理乾淨的石英管內，置於溫度500 600°C的電爐內，抽真空到KT2X 10_3Pa，脫掉砷的表面氧化膜，使砷表面顯出金屬光澤後，熔封石英管。
5.按照權利要求I或2或4所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)中用氫氧焰燈熔封石英管。
6.按照權利要求5所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟(3)進一步為 3.I、用一根一端開口、一端封閉的石英管作為外套管，將上述步驟(2)中的裝有砷且密封好的石英管裝入外套管內； 3.2、把裝有砷且密封好的石英管和上述外套管置於水平管式爐內。
7.按照權利要求6所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟4.I進一步為 4.I把裝有砷且密封好的石英管和石英外套管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至820-825 °C，恆溫50-55min使石英管內的砷完全熔化。
8.按照權利要求7所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟4.I進一步為 .4.I把裝有砷且密封好的石英管和石英外套管置於水平管式爐內，在36個標準大氣壓下，升溫至823°C，恆溫52min使石英管內的砷完全熔化。
9.按照權利要求I或2或4或6或7或8所述的超高純砷單晶體片的製備方法，其特徵在於所述步驟(4)後還包括步驟(5) (5)砷單晶片保管 將得到的單晶片真空封裝在玻璃管內；或用廣口真空充氣玻璃包裝瓶，將單晶片放入 瓶內，抽真空去除空氣再充高純氬氣。
全文摘要
本發明公開了一種超高純砷單晶體片的製備方法,包括如下步驟(1)石英管表面處理(2)超高純砷脫氧封裝(3)置於水平管式爐內(4)水平管式爐熔料和冷卻結晶，本發明利用石英管封閉和砷高溫熔化時自身產生的壓力，達到砷熔化和晶體生長的目的，在常溫過冷條件下，管內液態砷達到過冷度時生長晶體，每管生成30～60片，並以孿晶方式生成單晶片，可滿足國內產品質量要求及出口質量要求，有較好的應用前景。
文檔編號C30B29/02GK102899712SQ20121031257
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者陳國忠, 楊衛東 申請人:東方電氣集團峨嵋半導體材料有限公司