專利名稱：消除半導體材料缺陷的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及消除半導體材料缺陷的方法，更具體而言涉及對半導體材料(例如“磷化銦”(InP)、“砷化鎵”(GaAs)、“氮化鎵”(GaN)和“磷化鎵”(GaP))、半導體晶錠、半導體襯底晶片和外延生長的半導體層及其他結(jié)構(gòu)的低溫處理，該處理用作消除所述材料和結(jié)構(gòu)的位錯缺陷和其他缺陷的手段。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及目前用于減少在大單晶中形成的缺陷的數(shù)目的方法，更特別涉及用于生長無缺陷的III-V族的半導體化合物的大單晶的方法。近年，半導體技術(shù)中最為重要的發(fā)展之一是化合物半導體的增大的重要性。特別重要的是由周期表的III族和V族的元素構(gòu)成的III-V族的半導體化合物，如GaAs和hP。如InP等化合物半導體目前用于諸如半導體“激光二極管”(LD)、“發(fā)光二極管”(LED)、微波振蕩器和放大器、高速晶體管(如 “高電子遷移率晶體管” (HEMT))和包括紅外線和可見光探測器在內(nèi)的各種類型的輻射探測器等裝置。因為較高的電子漂移速度可能導致比使用硅構(gòu)造的更為傳統(tǒng)的裝置更快的開關速度，所以GaAs越來越多地用于集成存儲邏輯電路。半導體的商業(yè)化應用需要生長無缺陷的半導體材料的大單晶。已經(jīng)提出了各種方法用于生長大單晶錠，由該晶錠可切出無缺陷的襯底晶片以用于后續(xù)的有用的電子裝置和光電裝置的制造。用于該晶體生長的更有前景的方法之一是 “垂直梯度凝固”(VGF)法，特別是在W. A. Gault的美國專利4，404，172號中所限定的VGF 法。根據(jù)該方法，將多晶初始構(gòu)造用材料放在垂向延伸的坩堝中，在坩堝的底端部包括小型圓柱形的籽井(seed-well)部，其緊貼地容納籽晶。首先，使初始材料和一部分的籽熔融。 供應至系統(tǒng)的功率隨后以使得凝固由籽晶起垂直向上進行的方式降低。VGF法相對于更為傳統(tǒng)的方法如Czochralski生長法的主要優(yōu)點在于可使用較低的熱量梯度和較慢的冷卻速率制得具有極“低位錯密度”(即，缺陷密度下降)的無定形單晶熔融物。然而，因為熔融物與坩堝之間的相互作用通常導致引入造成假晶粒的位錯從而成核并破壞單晶部分，因而VGF法存在其局限。此外，眾所周知III-V族化合物往往在較高的溫度下解離，具有更高揮發(fā)性的V族元素逃逸而進入氣相。已經(jīng)開發(fā)了一些方法用于防止或延緩這種趨勢。例如，在GaAs晶體生長的一個方法中，通過由密閉生長容器中單獨加熱的砷的儲器在熔融物上提供砷蒸汽的蒸汽壓能夠防止更具揮發(fā)性的砷成分逃逸。此外，本領域中還已知熔融物中砷的損失可通過使用作為擴散阻擋物的諸如“氧化硼”(B2O3)、“氯化鋇”(BaCl2)或“氯化鈣”(CaCl2)等各種材料中的任一種而減緩。這些添加劑具有比熔融物GaAs更低的密度，它們上升到表面，包封住熔融物，并與容器中的惰性氣體壓力一同可容納揮發(fā)性砷蒸汽；例如，參見文章〃 Growth of Single Crystals of GaAs in Bulk and Thin Film Form"，B. A. Joyce著，包含在書〃 Crystal Growth"中，由 B. R. Pamplin 編輯，Pergamon Press, 1975，pp. 157—184 第 165 頁。此外，多年來已經(jīng)進行了各種嘗試以通過利用不同坩堝材料的VGF技術(shù)來生長 III-V晶體。例如，參見前述的Pamplin的書的389 391頁。這些努力獲得成功的重要限制一直是熔融物與坩堝壁之間的物理化學作用。例如，參見前述的Pamplin的書的389頁禾口 "The Art and Science of Growing crystals，，，J. J. Gilman 編輯，John Wiley&Sons, New York, 1963，第 366 頁和第 390 頁。圖1圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于氧化硼層選擇性生長的裝置。坩堝11容納在圓筒10中，圓筒10又容納在爐13中。當爐加熱坩堝時，氧氣(O2)通過管14導入坩堝的內(nèi)部。同時，諸如氮氣(N2)等惰性氣體的逆流也導入圓筒10中。氮氣由此進入坩堝11的籽井部的開口端以防止氧氣從相反端進入。因此，氧氣和氮氣如表示氣流的箭頭所示從圓筒 10的同一端被排出。通過簡單試驗可快速獲得管14的布置，其與適宜的氮氣流一起提供截頭圓錐過渡部分的熱氧化而不會氧化坩堝11的籽井部分的內(nèi)表面。圓筒10中沿著坩堝11的外表面流動的氮氣防止在坩堝的外表面上生長氧化物。為了生長15ym厚的氧化硼層，坩堝于 1050°C加熱18小時，同時曝露于以40升每小時(1/hr)的速率流動的O2。在層12生長的過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)選排列在軸對稱環(huán)境(圖幻中，以增強均勻性。不過，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氮氣的渦流有時出現(xiàn)在坩堝的主要部分的大的開口端周圍以致減小了在該端的層12的厚度。已經(jīng)證明很難再現(xiàn)性地消除該相互作用以消除假的多晶生長?？傊缟纤?，盡管VGF法成功地消除了一些III-V構(gòu)成的晶體中的位錯缺陷，但是它顯然也有其局限性，其中最重要的是制造成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供利用低溫作為手段從包含取自元素周期表的III和V族的材料的大單晶、單晶襯底晶片、外延層和其他結(jié)構(gòu)消除位錯等缺陷的方法和裝置。目的和優(yōu)點因此，除了在本發(fā)明人的上述專利中描述的低溫方法的目的和優(yōu)點之外，本發(fā)明的一些目的和優(yōu)點是(a)提供具有很少的或不具有位錯缺陷的III-V族化合物的大單晶；(b)提供III-V族化合物的大型無位錯單晶的低成本制造；(c)為III-V族化合物的大型無位錯單晶提供大得多的晶片尺寸(例如，直徑為 10 12英寸)；(d)提供形成于包含III-V族化合物的無位錯晶片和外延層中的相關微觀結(jié)構(gòu)的
極高產(chǎn)率；(e)提供單位晶片的集成HEMT構(gòu)造的存儲邏輯電路的極高產(chǎn)率；
(f)提供單位晶片的集成HEMT構(gòu)造的存儲邏輯電路的更低的故障率；(g)提供具有很少的或不具有點缺陷的III-V族化合物的大單晶；(h)為集成存儲邏輯電路提供更低的能量消耗水平。其他的目的和優(yōu)點將由隨后的說明和附圖的考慮而變得顯而易見。低溫處理對非鐵金屬材料的效果可用于克服一些當工程師使用這些材料時面對的日常問題，尤其是需要高精確度的應用。此外，諸如^ 、6348、11^8、63 、1甙3163166、5丨和其他非鐵(即，非磁性)金屬等材料的深冷處理(即，溫度范圍是-273°C -195°C)具有極大的好處，僅僅是因為這些材料在高溫生長和/或沉積時在能夠形成更均勻的晶體結(jié)構(gòu)之前就已固化。這導致產(chǎn)生了 “應力”區(qū)域而在材料的晶格中造成缺陷(例如，位錯缺陷)的形成。另外，其他的缺陷，例如點缺陷(如空位)也會在這些材料的不均勻結(jié)晶化的過程中出現(xiàn)。無論如何，通過對這些順磁性和抗磁性材料施用制造后深冷過程，可重新組織它們的分子成為均勻的結(jié)構(gòu)體，其具有更緊密的原子鍵，因而減輕大多數(shù)的前述缺陷問題。低溫處理還具有能夠改變這些材料的電特性的其他有利之處。通過提供增強的分子均勻性，電子可更為自由地流動；因此，提供了更有效的更冷時運行的集成光電和/或電子元件。


其他的目的和優(yōu)點將由隨后的

和附圖的考慮而變得更加顯而易見。圖中，緊密相關的圖具有相同的數(shù)字而不同的字母后綴圖1描述了用于生長取自元素周期表III和V族的材料的大型無缺陷單晶的現(xiàn)有技術(shù)的垂直梯度凝固制造方法和裝置。圖2是描述了用于由元素周期表的III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底晶片的深冷處理的優(yōu)選方法的流程圖，該方法用作除去所述襯底晶片的位錯缺陷和其他缺陷的手段。圖3是描述了用于由元素周期表的III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底晶片上生長的外延層的深冷處理的其他方法的流程圖，該方法用作除去所述外延層的位錯缺陷和其他缺陷的手段。圖4是描述了使用取自元素周期表III和V族的材料形成的單晶晶錠(boule)的深冷處理的第一選擇性方法的流程圖，該方法用作除去所述晶錠的位錯缺陷和其他缺陷的手段。圖5是用于由取自元素周期表III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底晶片的深冷處理的第二選擇性方法的囊狀物的剖面?zhèn)纫晥D。圖6是描述了由取自元素周期表III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底晶片的深冷處理的第二選擇性方法的流程圖，其使用囊狀物以提供高通量磁場作為促進所述囊狀物中容納的襯底晶片具有更大的分子均勻性的手段。
具體實施例方式圖2-優(yōu)選實施方式如圖2所圖示的本發(fā)明的低溫方法的優(yōu)選實施方式包括由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)
a.斜降(ramp down)——降低襯底晶片的溫度；b.均溫——保持襯底晶片的溫度；c.斜升(ramp up)——使溫度回升至室溫；e.回火斜升——升高溫度至高于室溫；f.回火保持——使高溫保持一段時間。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式使用氦低溫保持器，因為低溫保持器所用的液氦是化學惰性的，不會與將被處理的任何一種單晶材料發(fā)生反應。另外，液氦將提供比液氮所提供的低溫(即77K)低得多的溫度(即2. 17K)；也可以使用液氮來代替優(yōu)選的液氦。本發(fā)明優(yōu)選實施方式的典型的低溫循環(huán)將使襯底晶片的溫度用M小時的時間降至2.觀。這避免了對襯底晶片的熱沖擊。對于緩慢的斜降存在充分的理由。想象將彈丸落入一桶液氦中。彈丸的外部將變得與液氦的溫度相同，接近2. I。而內(nèi)部將保持室溫。這就在與液氦接觸的第一時刻建立了極陡的溫度梯度。冷區(qū)將收縮至如果其與液氦一樣冷將達到的尺寸。而內(nèi)部將保持與其處于室溫時相同的尺寸。由此在襯底晶片的表面上產(chǎn)生巨大應力， 這會導致表面處破裂。一些合金能夠經(jīng)受突然的溫度變化，而大多數(shù)取自III-V族的金屬合金不能經(jīng)受，盡管它們的解離溫度通常極高。典型的均溫段將使溫度在2. 2開爾文保持一段時間，在本發(fā)明的情況中為96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2. 的低溫。盡管在該溫度時單晶合金的單晶結(jié)構(gòu)體中分子鍵的長度縮短，不過鍵長的變化是相對緩慢的過程而且需要時間來發(fā)生。結(jié)果是析出了更精細的、更均勻的合金的分子結(jié)構(gòu)體。另外，在這些低溫時，諸如GaAS、InP和GaP等合金形成偶極矩，其在它們的鍵縮短時沿著內(nèi)磁力線重新對齊。本發(fā)明人認為均溫過程中多于常規(guī)量的時間也為晶體結(jié)構(gòu)在量子水平上對較低的溫度起反應提供了時間，并將使更大量的振動能離開構(gòu)成襯底晶片的分子。理論上，完美的晶格結(jié)構(gòu)可在其最低能態(tài)，即，υ = 0狀態(tài)下振動能Erib = hf/2 時。此外，通過使襯底晶片在2.觀的低溫保持較長的時間，將由晶格得到更多的能量；因此得到更完美并由此更強的、缺陷更少的晶體結(jié)構(gòu)。典型的斜升段使溫度回升至室溫。在本發(fā)明的情況中，這通常是M小時的時間。 該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快導致處理的晶片的各種問題。想象使冰塊落入一杯溫水中。冰塊將破裂。處理的襯底晶片也會發(fā)生同樣的情況。典型的回火段用預定的時間使溫度升高。這通過使用與用于熱處理退火過程的淬火和回火循環(huán)相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。使溫度斜升以確保襯底晶片中的溫度梯度保持在較低水平?；鼗饻囟韧ǔ?00° F 1100° F，取決于構(gòu)成襯底晶片的單晶材料?；鼗鸨３侄未_保整個襯底晶片得到回火溫度的受益。典型的回火保持時間為大約3小時。這段時間取決于襯底晶片的材料、厚度和直徑。圖3-其他實施方式如圖3圖示的本發(fā)明的深冷法的其他實施方式包括由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)a.使用外延生長方法，例如“金屬氧化物化學氣相沉積”(MOCVD)或“分子束外延”(MBE)，在襯底晶片上生長外延層(如緩沖層)。b.斜降——降低外延層化的晶片的溫度。c.均溫——保持外延層化的晶片的溫度。
d.斜升——使溫度回升至室溫。e.回火斜升——升高溫度至高于室溫。f.回火保持——使高溫保持一段時間。本發(fā)明的其他實施方式的典型的低溫循環(huán)將使外延層化的襯底晶片的溫度用M 小時的時間降至2.觀。這避免了對外延層化的襯底晶片的熱沖擊。典型的均溫段將使溫度在2. 2開爾文保持96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2. 2開爾文。盡管在該溫度時外延層化的襯底晶片的晶體結(jié)構(gòu)體中分子鍵發(fā)生變化，不過這些變化相對緩慢而且需要時間來發(fā)生。變化之一是析出了更精細的、更均勻的分子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明人認為，隨著更大量的振動能從單晶外延層和襯底晶片移除，均溫過程中多于常規(guī)量的時間為單晶鍵進一步縮短提供了更多的時間。典型的斜升段使外延層化的襯底晶片的溫度回升至室溫。在本發(fā)明的其他實施方式的情況中，該過程通常需要M小時。該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快可導致處理的外延層化的襯底晶片的各種問題。典型的回火段用一定時間使溫度斜升至預定水平。這通過使用與用于熱處理退火的“淬火和回火循環(huán)”相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。使溫度斜升以確保外延層化的襯底晶片中的溫度梯度保持在較低水平。回火溫度可以為300° F 1100° F;取決于構(gòu)成外延層和襯底晶片的單晶材料?；鼗鸨３侄未_保外延層化的襯底晶片得到回火溫度的受益。典型的回火保持時間為大約3小時。這段時間取決于外延層化的襯底晶片的厚度和直徑。圖4、5和6-選擇性實施方式如圖4所圖示的本發(fā)明的深冷方法的第一選擇性實施方式包括由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)a.斜降-降低襯底晶錠的溫度；b.均溫-保持襯底晶錠的溫度；c.斜升-使溫度回升至室溫；e.回火斜升-升高溫度至高于室溫；f.回火保持-使高溫保持一段時間。本發(fā)明的選擇性實施方式的典型的低溫循環(huán)將使襯底晶片晶錠的溫度用M小時的時間降至2.觀。這避免了對襯底晶片晶錠的熱沖擊。典型的均溫段將使溫度在2. I保持96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2. 2 開爾文。盡管在該溫度時襯底晶片晶錠的晶體結(jié)構(gòu)體中分子鍵縮短，不過這些變化是相對緩慢的過程而且需要時間來發(fā)生。變化之一是析出了更精細的、更均勻的分子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明人認為，隨著更大量的振動能從襯底晶片晶錠移除，均溫過程中多于常規(guī)量的時間為分子鍵進一步縮短提供了更多的時間。典型的斜升段使襯底晶片晶錠的溫度回升至室溫。在本發(fā)明的第一選擇性實施方式中，這需要M小時。該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快可導致處理的襯底晶片晶錠的各種問題。典型的回火段用一定時間使溫度斜升至預定水平。這通過使用與用于熱處理退火的“淬火和回火循環(huán)”相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。使溫度斜升以確保襯底晶片晶錠中的溫度梯度保持在較低水平?；鼗饻囟瓤梢詾?300° F 1100° F;取決于構(gòu)成襯底晶片晶錠的單晶材料?；鼗鸨３侄未_保襯底晶片晶錠得到回火溫度的受益。典型的回火保持時間為大約3小時。這段時間取決于襯底晶片晶錠的長度和直徑尺寸。如圖5所圖示的本發(fā)明的深冷方法的第二選擇性實施方式使用晶片保持囊裝置， 該裝置包括內(nèi)壁直徑尺寸稍微大于襯底晶片18的塑料管15。在管15的底部放置第一高通量盤形磁體16。接著，在第一磁體16上方將具有與第一磁體16相同直徑尺寸的第一熱解碳盤17放在管形囊15中。然后，在第一熱解碳盤17上放置襯底晶片18。接著，在襯底晶片18的上方，將具有與第一熱解碳盤17相同直徑尺寸的第二熱解碳盤19放入塑料管15 中。接著，將第二高通量盤形磁體20放入管形囊15中，位于第二熱解碳盤19的上方；此外，材料/磁體部分的順序可重復以實現(xiàn)大量襯底晶片。下面，如圖6所圖示，將塑料管形囊15密封，然后放在可盛氦低溫處理器中，在處理器中經(jīng)歷由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)a.斜降-降低晶片囊的溫度；b.均溫-保持晶片囊的溫度；C.斜升-使溫度回升至室溫；e.回火斜升-升高溫度至高于室溫；f.回火保持-使高溫保持一段時間。用于本發(fā)明第一選擇性實施方式的典型的低溫循環(huán)通過用M小時的時間使晶片囊15的溫度降至2. 2開爾文開始。這將避免對晶片囊15中容納的襯底晶片18的熱沖擊。 通常，均溫段將使晶片囊15的溫度在2. 2開爾文保持預定的時間，在本發(fā)明的第一選擇性實施方式的情況中，均溫時間等于96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2. 2開爾文的低溫。盡管在該溫度時襯底晶片18的晶體結(jié)構(gòu)中鍵長縮短，不過鍵長的變化以相對較慢的速率改變，而且需要時間來發(fā)生。變化之一是析出了更精細的、更均勻的襯底晶片18 的分子結(jié)構(gòu)。隨著襯底晶片囊15達到低溫溫度，將形成于襯底晶片18中的偶極矩的分子取向?qū)⒃黾樱@是襯底晶片囊15中存在高通量磁盤16和20的直接結(jié)果。本發(fā)明人認為， 隨著更大量的振動能從襯底晶片囊15中存在的單晶襯底晶片18移除，均溫過程中多于常規(guī)量的時間為單晶鍵進一步收縮提供了更多的時間。典型的斜升段使溫度回升至室溫。在第一選擇性發(fā)明的情況中，該過程需要大約 M小時。該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快可導致處理的襯底晶片18的各種問題。典型的回火段用一定時間使溫度斜升至預定水平。這通過使用與用于熱處理退火的淬火和回火循環(huán)相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。在斜升過程能夠進行之前，將襯底晶片18由晶片囊15中移出并放入爐中， 正如題為"Vertical Access Zero Boiloff Rampable Superconducting Magnet System withHorizontal Field for Semiconductor Crystal Growth，，的文獻中所描述的，該文獻由 H. B. Jin、S. J. Choi、H. J. Kim、H. H. Han、B. S. Park、B. G. Lee、 K. D. Sim、Y. K. Kwon、C. H. Winter 和 D. Healey 撰寫，出版于 Houston，TX 舉辦的 the 2002AppliedSuperconductivity Conference 的會議錄中。使用配有超導磁體的爐子，使溫度斜升以確保單晶襯底晶片18中的溫度梯度，同時由超導磁體提供的高磁場強度用于維持斜升退火過程中的分子取向。回火溫度可以為300° F 1100° F ；取決于用于構(gòu)成襯底晶片18的單晶材料。另外，回火保持段確保整個襯底晶片18得到回火溫度的受益。典型的回火保持時間為大約3小時，保持時間取決于襯底晶片18的厚度和直徑尺寸。優(yōu)點根據(jù)以上描述了本發(fā)明的其他實施方式和選擇性實施方式的部分，本發(fā)明的一些目的和優(yōu)點如下顯而易見(a)提供不存在點、位錯和其他缺陷的包含III-V族化合物的外延層和外延層化的襯底晶片；(b)提供不存在點、位錯和其他缺陷的III-V族化合物的單晶晶錠的更大的直徑尺寸(如10英寸 12英寸)；(c)提供用于增強使用III-V族化合物作為構(gòu)成材料形成的單晶襯底晶片的分子取向度的裝置和方法。操作為了理解本發(fā)明的操作，了解一些關于單晶材料及其缺陷的事實是重要的；例如， 單晶材料通常具有非常規(guī)則的原子結(jié)構(gòu)，也就是說，它們的原子相對于彼此的局部位置在原子尺度上重復。這些原子的結(jié)構(gòu)排列通常稱為晶格結(jié)構(gòu)，關于它們的研究稱為晶體學。不過，單晶材料并不完美，也就是說，原子排列的規(guī)則模式被晶體缺陷打斷。有序結(jié)構(gòu)中的較大的缺陷通常視為位錯環(huán)。非均勻的分子結(jié)構(gòu)(即，晶體缺陷)通常由于高溫晶體生長和/或沉積而形成。材料科學中，位錯是晶格結(jié)構(gòu)中的晶體缺陷，或不規(guī)則。位錯的存在強烈影響實際晶體材料的許多電性質(zhì)和模量性質(zhì)。現(xiàn)代晶體學的位錯理論最初由Vito Volterra在1905 年發(fā)展。在其理論中，Volterra解釋位錯能夠形象化為由晶格中間的原子平面的中斷造成。在這樣的情況中，周圍的平面不直，而是彎曲在中斷平面的周圍以致晶體結(jié)構(gòu)在任一側(cè)均是完全有序。采用的類比是一疊紙；其中，一張紙的一半位于這疊紙中，這疊紙中的缺陷僅在這半頁紙的邊緣能夠注意到。此外，存在兩種主要類型的位錯晶體缺陷1)刃位錯和2、螺位錯，混合位錯(即， 同時具有刃位錯和螺位錯)介于上述兩者之間。從數(shù)學上說，位錯是一種拓撲缺陷，有時也被本領域的技術(shù)人員稱為孤立子。數(shù)學理論還解釋了位錯表現(xiàn)為穩(wěn)定顆粒的原因，也就是說，它們可以來回移動，同時在移動時維持其特征。當兩個取向相反的位錯聚集時，它們可以相互抵消(這是稱為湮滅的過程)；此外，沒有途徑可使單個位錯自己“消失”。此外，位錯可以通過沿平面切割晶體并通過點陣矢量使一半滑移通過另一半而直觀化。平分的部分將配合在一起而不會留下缺陷。但是，如果切割僅僅部分通過晶體，則切割的分界線將留下缺陷，扭曲附近的晶格。該分界線是位錯線；滑移的方向稱為伯格斯矢量。位錯通常由位錯線與伯格斯矢量之間的角度標記。90°和0°的特殊情況稱為刃位錯和螺位錯。此外，存在于實際結(jié)晶固體中的位錯通常為混合位錯而非刃位錯或螺位錯；因此， 位錯的實際角度取決于晶體的晶格結(jié)構(gòu)。在刃位錯的情況中刃位錯的伯格斯矢量與位錯線垂直，而在螺位錯的情況中則與位錯線平行。在金屬材料中，伯格斯矢量以密堆積結(jié)晶方向排列，其大小相當于一個原子間距。作為選擇，刃位錯能夠形象化為通過將多余半原子面添加至完美晶體中而形成， 以使缺陷在規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)中沿著多余半原子面終止的線產(chǎn)生。這種形象化可能難以解釋。首先，它有助于理解得到該表述所涉及的簡化過程。一種方法是首先考慮完美晶格的三維表述，其中原子由球體表示。此外，讀者隨后可通過形象化原子平面代替原子本身來開始簡化該表述。此外，刃位錯導致的應力因其固有的不對稱性而變得復雜，并通過如下所示的三個等式描述
權(quán)利要求
1.一種方法，所述方法包括使單晶的溫度以一定冷卻速率斜降至足以從所述單晶中除去晶體缺陷的水平；和在所述斜降之后，使所述單晶的溫度斜升至室溫。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述斜降用M小時的時間進行。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括在所述斜降之前，使所述單晶的溫度在所述斜降后的溫度保持一定均溫時間。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述均溫時間為96小時。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述均溫時間超過96小時。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述斜升用M小時的時間進行。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述斜降進行足以從所述單晶中除去晶體缺陷的時間。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述斜升進行足以從所述單晶中除去晶體缺陷的時間。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述均溫時間包括足以從所述單晶中除去晶體缺陷的一段時間。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述斜降包括使用低溫保持器使所述單晶的溫度斜降。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述低溫保持器包含氦。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述低溫保持器包含液氦。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述低溫保持器包含氮。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述低溫保持器包含液氮。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述斜降后的溫度為約2.2開爾文。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述斜降后的溫度為約77開爾文。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述單晶包含取自周期表III-V族的材料。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述單晶包含選自由hP、GaAS、InAs,GaP, InGaN, GaN, Ge和Si組成的組中的材料。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述單晶包含順磁性材料。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述單晶包含抗磁性材料。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述單晶包含至少一個晶片。
22.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述單晶包含至少一個外延層。
23.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述單晶包含至少一個晶錠。
24.如權(quán)利要求11所述的方法，所述方法還包括在斜升之后，進行回火循環(huán)，所述回火循環(huán)使所述單晶的溫度升高至高于室溫，達到足以對所述單晶進行回火的高于室溫的溫度水平。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，所述方法還包括在進行使所述單晶的溫度升高至高于室溫的所述回火循環(huán)之后，使所述單晶的溫度在所述回火循環(huán)溫度水平保持一定回火時間。
26.如權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述回火循環(huán)溫度水平為300°F 1100° F。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述回火時間為3小時。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述回火時間為超過3小時。
29.一種方法，所述方法包括使半導體單晶的溫度以一定冷卻速率斜降至足以從所述半導體單晶中除去晶體缺陷的水平；和在所述斜降之后，使所述半導體單晶的溫度斜升至室溫。
30.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，使所述半導體單晶的溫度斜降緩慢進行。
31.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，使所述半導體單晶的溫度斜降用M小時的時間進行。
32.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，使所述半導體單晶的溫度斜降使用氮低溫保持器實現(xiàn)。
33.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，所述半導體單晶斜降后的溫度為約76開爾文。
34.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，使所述半導體單晶的溫度斜降使用氦低溫保持器實現(xiàn)。
35.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，所述半導體單晶斜降后的溫度為約2.2開爾文。
36.如權(quán)利要求四所述的方法，所述方法還包括使所述半導體單晶斜降后的溫度保持一定均溫時間。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中，所述均溫時間為96小時。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其中，所述均溫時間超過96小時。
39.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，使所述半導體單晶斜降至所述均溫溫度水平緩慢進行。
40.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，使所述半導體單晶斜升至室溫水平緩慢進行。
41.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，所述斜升至室溫水平用M小時的時間進行。
42.如權(quán)利要求四所述的方法，所述方法還包括在所述斜升之后，使所述半導體單晶的溫度從室溫水平升高至熱處理溫度水平。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，所述方法還包括在升高之后，使所述半導體單晶的溫度在所述熱處理溫度水平保持一定回火時間。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述回火時間為3小時。
45.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述熱處理溫度水平為300°F 1100° F。
46.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，所述半導體單晶包含取自周期表III-V族的材料。
47.如權(quán)利要求四所述的方法，其中，所述半導體單晶包含取自下述組中的材料Si、 Ge、GaAs、InP、GaN> GaP 或 InAs0
48.一種方法，所述方法包括使單晶襯底的溫度以一定冷卻速率斜降至足以從所述單晶襯底中除去晶體缺陷的水平；和在所述斜降之后，使所述單晶襯底的溫度斜升至室溫。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜降緩慢進行。
50.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜降用M小時的時間進行。
51.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜降使用氮低溫保持器實現(xiàn)。
52.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜降使用液氮實現(xiàn)。
53.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜降使用氦低溫保持器實現(xiàn)。
54.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜降使用液氦實現(xiàn)。
55.如權(quán)利要求48所述的方法，所述方法還包括使所述單晶襯底斜降后的溫度保持一定均溫時間。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中，所述均溫時間為96小時。
57.如權(quán)利要求55所述的方法，其中，所述均溫時間超過96小時。
58.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜升緩慢進行。
59.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，使所述單晶襯底的溫度斜升用M小時的時間進行。
60.如權(quán)利要求48所述的方法，所述方法還包括在所述斜升步驟之后，將所述單晶襯底從室溫水平加熱至熱處理溫度水平。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，所述方法還包括在將所述單晶襯底從室溫水平加熱至熱處理溫度水平的步驟之后，使所述單晶襯底的溫度保持一定回火保持時間。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述回火保持時間為3小時。
63.如權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述熱處理溫度水平為300°F 1100° F。
64.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，所述單晶襯底包含取自元素周期表III-V族的材料。
65.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，所述單晶襯底晶片包含取自下述組中的材料: Si、Ge、GaAs、InP, GaN, GaP 或 InAs0
66.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，所述單晶襯底包含順磁性材料。
67.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，所述單晶襯底包含抗磁性材料。
68.一種方法，所述方法包括使單晶晶錠的溫度以一定冷卻速率斜降至足以從所述單晶晶錠中除去晶體缺陷的水平；和在所述斜降之后，使所述單晶晶錠的溫度斜升至室溫。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜降緩慢進行。
70.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜升緩慢進行。
71.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜降用M小時的時間進行。
72.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜降使用氮低溫保持器實現(xiàn)。
73.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜降使用液氮實現(xiàn)。
74.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜降使用氦低溫保持器實現(xiàn)。
75.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜降使用液氦實現(xiàn)。
76.如權(quán)利要求68所述的方法，所述方法還包括使所述單晶晶錠斜降后的溫度保持一定均溫時間。
77.如權(quán)利要求76所述的方法，其中，所述均溫時間為96小時。
78.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，使所述單晶晶錠的溫度斜升用M小時的時間進行。
79.如權(quán)利要求68所述的方法，所述方法還包括在所述斜升步驟之后，將所述單晶晶錠從室溫水平加熱至熱處理溫度水平。
80.如權(quán)利要求79所述的方法，所述方法還包括在將所述單晶晶錠從室溫水平加熱至熱處理溫度水平的步驟之后，使所述單晶晶錠的熱處理溫度保持一定回火保持時間。
81.如權(quán)利要求80所述的方法，其中，所述回火保持時間為3小時。
82.如權(quán)利要求79所述的方法，其中，所述熱處理溫度水平為300°F 1100° F。
83.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，所述單晶晶錠包含取自元素周期表III-V族的材料。
84.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，所述單晶晶錠包含取自下述組中的材料Si、Ge、 GaAs、InP、GaN> GaP 或 InAs0
85.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，所述單晶晶錠包含順磁性材料。
86.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，所述單晶晶錠包含抗磁性材料。
87.一種方法，所述方法包括使單晶外延層的溫度以一定冷卻速率斜降至足以從所述單晶外延層中除去晶體缺陷的水平；和在所述斜降之后，使所述單晶外延層的溫度斜升至室溫。
88.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜降緩慢進行。
89.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜升緩慢進行。
90.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜降用M小時的時間進行。
91.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜降使用氮低溫保持器實現(xiàn)。
92.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜降使用液氮實現(xiàn)。
93.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜降使用氦低溫保持器實現(xiàn)。
94.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜降使用液氦實現(xiàn)。
95.如權(quán)利要求87所述的方法，所述方法還包括使所述單晶外延層斜降后的溫度保持一定均溫時間。
96.如權(quán)利要求95所述的方法，其中，所述均溫時間為96小時。
97.如權(quán)利要求95所述的方法，其中，所述均溫時間超過96小時。
98.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，使所述單晶外延層的溫度斜升至室溫用M小時的時間進行。
99.如權(quán)利要求87所述的方法，所述方法還包括在斜升至室溫水平的步驟之后，將所述單晶外延層加熱至熱處理溫度水平。
100.如權(quán)利要求99所述的方法，所述方法還包括在將所述單晶外延層加熱至熱處理溫度水平的步驟之后，使所述單晶外延層的溫度在所述熱處理溫度水平保持一定回火保持時間。
101.如權(quán)利要求100所述的方法，其中，所述回火保持時間為3小時。
102.如權(quán)利要求99所述的方法，其中，所述熱處理溫度水平為300°F 1100° F。
103.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，所述單晶外延層包含取自元素周期表III-V族的材料。
104.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，所述單晶外延層包含取自下述組中的材料Si、 Ge、GaAs、InP、GaN> GaP 或 InAs0
105.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，所述單晶外延層包含順磁性材料。
106.如權(quán)利要求87所述的方法，其中，所述單晶外延層包含抗磁性材料。
107.一種從單晶晶片中消除晶體缺陷的方法，所述方法包括將所述單晶晶片放入晶片保持囊裝置中，所述晶片保持囊裝置包含內(nèi)壁直徑尺寸稍微大于所述單晶晶片的塑料管；在所述塑料管的底部放置的第一高通量盤形磁體；具有與第一磁體相同直徑尺寸的第一熱解碳盤和第二熱解碳盤，其中，所述第一熱解碳盤被放入所述管中位于所述第一高通量盤形磁體的上方，所述單晶晶片夾于所述第一熱解碳盤與第二熱解碳盤之間；和被放入所述管中的位于所述第二熱解碳盤的上方的第二高通量盤形磁體。
108.如權(quán)利要求107所述的方法，所述方法還包括使裝有所述單晶晶片的所述單晶晶片保持囊裝置的溫度斜降至足以從所述單晶晶片中除去結(jié)晶缺陷的水平；和使裝有所述單晶晶片的所述單晶晶片保持囊裝置的溫度斜升至室溫水平。
109.如權(quán)利要求M所述的方法，所述方法還包括在斜升至室溫水平的步驟之后，在配有超導磁體系統(tǒng)的爐子中將所述單晶加熱至回火溫度水平。
全文摘要
本發(fā)明涉及消除半導體材料缺陷的方法。使用氦低溫保持器，用24小時將襯底晶片的溫度降至2.2開爾文。均溫段將使襯底晶片的溫度在2.2開爾文保持96小時。在該溫度，諸如GaAs、InP和GaP等合金將形成偶極分子矩，其在分子鍵縮短時沿著內(nèi)磁力線重新對齊。用24小時使襯底晶片的溫度斜升至室溫。使襯底晶片的溫度斜升以確保晶片內(nèi)出現(xiàn)的溫度梯度維持在較低的水平。通常，回火斜升溫度介于300°F～1100°F之間并取決于用于構(gòu)造該襯底晶片的單晶材料。襯底晶片經(jīng)歷回火保持段，其確保整個襯底晶片均具有回火溫度的受益。
文檔編號C23C14/34GK102251287SQ20111019125
公開日2011年11月23日 申請日期2008年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者約瑟夫·里德·亨利茨 申請人:Opc激光系統(tǒng)有限公司