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TWI513865B - 微坑密度（ｍｐｄ）低之鍺鑄錠／晶圓及用於其製造之系統和方法 - Google Patents

微坑密度（ｍｐｄ）低之鍺鑄錠／晶圓及用於其製造之系統和方法 Download PDF

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TWI513865B
TWI513865B TW100120561A TW100120561A TWI513865B TW I513865 B TWI513865 B TW I513865B TW 100120561 A TW100120561 A TW 100120561A TW 100120561 A TW100120561 A TW 100120561A TW I513865 B TWI513865 B TW I513865B
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Weiguo Liu
Xiao Li
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Axt Inc
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Description

微坑密度(MPD)低之鍺鑄錠/晶圓及用於其製造之系統和方法
本文之系統及方法大致關於單晶鍺鑄錠/晶圓，特別是關於具有減少微坑密度(MPD)之此種鑄錠/晶圓的生長。
電子及光電裝置製造例行性需要商業生長之大型且均勻單一半導體晶體，其於切片及拋光時提供用於微電子裝置製造的基板。半導體晶體之生長涉及將原料加熱至其熔點以產生結晶原料熔體，將該熔體與高品質晶種接觸，並於與該晶種接觸時使該熔體結晶。已知許多達成此目的之不同程序。該等程序包括柴氏(Czochralski，Cz)程序及其變體、液態封閉柴氏(LEC)程序、水平布氏(Bridgman)及布氏-斯氏(Bridgman-Stockbarger)程序(HB)及其垂直變體(VB)，以及梯度凝固(GF)及其變體垂直梯度凝固(VGF)程序。詳見例如「Bulk Crystal Growth of Electronic,Optical and Optoelectronic Materials」P. Clapper編，John Wiley and Sons Ltd,Chichester,England,2005，其大致討論該等技術及其用於各種材料之生長的應用。
該熔體之結晶藉由在該結晶原料下方之晶種而沿著垂直軸形成實質上圓柱形晶體(鑄錠)。形成半導體晶體所必須之設備包括晶體生長爐、安瓿、坩堝、及有時包括坩堝支撐體。該坩堝亦可具有較低之窄部分，稱為晶種井。
慣用之晶體生長程序及晶體生長設備存在缺點。例如，習知之晶體生長程序經常產生具有過多微坑或微孔穴之晶體，其造成瑕疵、有缺陷之裝置及/或減少使用此等程序所生長之晶體的整體可用數量。此等問題及減少可用之所生長晶體數量造成較低產率。因此，需要可重現地提供高品質鑄錠/晶圓以及另外克服現有系統中之此等缺點的晶體生長系統及方法。
與本發明一致之系統及方法係關於單晶鍺之生長。
在一範例實施中，提出一種將具有原料之安瓿插入具有加熱源之爐中、使用例如垂直生長程序生長晶體之方法，其中獲致相對於原料/坩堝之結晶溫度梯度移動以熔融該原料及將其重組成單晶形式，並以預定晶體生長長度生長該材料，該晶體使用垂直生長程序以熔融該材料並將其重組為單晶化合物，其中可重現地提供微坑密度降低之單晶鑄錠。
應暸解前述概括說明與下列詳細說明二者均僅為範例與說明用，且不應如同申請專利範圍般視為本發明之限制。除了本文所述之特徵及/或變化之外，可提供其他特徵及/或變化。例如，本發明可關於所揭示特徵之各種不同組合及子組合，及/或於下文詳細說明中所揭示之數種其他特徵的不同組合及子組合。
茲根據本發明做為詳細參考，其實例係於附圖中說明。下列說明中所示之實施不代表與所主張之本發明一致的所有實施。而是該等實施僅為與本發明相關之特定實施樣態一致的某些實例。在可能情況下，相同參考數字可用於所有圖式中以指稱相同或類似部件。
該設備及方法為特別適用於鍺(Ge)晶體生長的設備及方法且在本文中描述該設備及方法。然而應暸解，由於該設備及方法可用以製造具有低微坑密度的其他單晶及/或多晶鑄錠，故該設備及方法具有更大效用。
圖1A係晶體生長設備20之實例的斷面圖。範例設備可包括在爐24中之坩堝支撐體22，該爐係諸如確立可用於適當垂直晶體生長程序(例如垂直梯度凝固(VGF)程序及/或垂直布氏(VB)晶體生長)之結晶溫度梯度的爐，及/或若該爐可移動，則為確立可用於布氏-斯氏程序的之結晶溫度梯度的爐。在包括坩堝支撐體之實施中，該坩堝支撐體22提供物理性支撐並使得能對於容納坩堝27之安瓿26(在一實施中可由石英製成)進行熱梯度控制。在某些實施中，於晶體生長程序期間，當該爐於操作中時可移動坩堝支撐體22。在其他實施中，該坩堝支撐體可固定，且可在晶體生長程序期間移動操作中之該爐。坩堝27可容納晶種28、在該晶種頂部形成之已生長之單晶晶體/化合物30及原熔融材料32。在一實施中，坩堝27可為具有圓柱形晶體生長部分34、較小直徑晶種井圓柱36及錐形(tapered)過渡部分44的熱解之氮化硼(pBN)材料。晶體生長部分34之直徑等於晶體產物之所希望直徑。目前工業標準晶體直徑為2英吋、3英吋、4英吋、5英吋、6英吋及8英吋之鑄錠，該等鑄錠可被切成晶圓。2英吋、3英吋、4英吋、5英吋、6英吋及8英吋之直徑分別對應於50.80 mm、76.20 mm、100.00 mm、125.00 mm、150.00 mm及200.00 mm。在一實施中，在坩堝27之底部，晶種井圓柱36可具有封閉底部，且直徑略大於高品質晶種28。在一說明性實施中，例如該直徑可在約6至25 mm範圍內，且可具有約30至50 mm之長度。圓柱形晶體生長部分34及晶種井圓柱36可具有筆直壁，或可向外逐漸變小約1度至數度，以促進從該坩堝27移出晶體。介於生長部分34與晶種井圓柱36之間的錐形過渡部分38具有一有角度之側壁，其傾斜例如約45至60度，具有等於生長區壁且連接於該生長區壁的較大直徑以及等於晶種井壁且連接於該晶種井壁之較窄直徑。該有角度之側壁亦可為比約45至60度更陡或較不陡之其他角度。上述角度係界定為介於該有角度之側壁及水平線之角度。
在插入晶體生長爐24之前，坩堝27裝有原料並插入安瓿26內。安瓿26可由石英材料形成。安瓿26通常具有與坩堝27相似之形狀。坩堝在晶體生長區40中可為圓柱形，其為在晶種井區42中具有較窄直徑，且在兩個區之間具有錐形過渡區44之圓柱形。此外，坩堝27可配接於安瓿26內部，其間具有窄邊界。安瓿26係之晶種井區42底部閉合，且如該坩堝，於裝入該坩堝及原料之後密封其頂部。安瓿26之底部可具有如坩堝27之相同漏斗形狀。可將作為摻雜劑之砷(As)、鎵(Ga)及/或銻(Sb)添加於安瓿26中。
此處不受說明所示之任何特定結構所限制，與本文之創新一致之用於鍺晶體生長的設備可包括包含加熱源(例如加熱元件60)及複數個加熱區之晶體生長爐，經建構裝入該爐中之安瓿，其中該安瓿包括裝載容器及具有晶種井之坩堝；隨意地包括安瓿支撐體；及偶合至該晶體生長爐及該安瓿支撐體之控制器，該控制器控制該加熱源及該可移動安瓿支撐體中之一或多者，以在該坩堝位於該爐中時於該坩堝上進行垂直梯度凝固程序。此外，接著令結晶溫度梯度及/或坩堝相對於彼此移動以熔融該原料然後將該材料重組為單晶鍺鑄錠，其中由於在該設備中進行垂直生長程序，該設備可重現地提供具有減少量子之微坑密度的鍺鑄錠。例如，可重現地提供具有以下範圍之微坑密度的鍺鑄錠：大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 ；小於約0.13/cm2 ；及大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 。另外，藉由控制冷卻速率及其他條件可進一步控制(降低)微坑密度。
在一範例實施中，於經由垂直梯度凝固(VGF)程序晶體生長期間，偶合至該晶體生長爐及該安瓿支撐體之間的控制器可以約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且溫度梯度介於約0.5至約10℃/cm之間冷卻介於生長之單晶晶體/化合物30與原熔融材料32之間的界面。在其他範例實施中，於包括經由垂直布氏(VB)程序之晶體生長期間，該控制器可以約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且溫度梯度為0.5至約10℃/cm之間冷卻介於生長之單晶晶體/化合物30與原熔融材料32之間。在又一範例實施中，於晶體生長/冷卻期間(包括垂直梯度凝固(vertical gradient freeze,VGF)程序及/或垂直布氏(vertical Bridgman,VB)程度)，控制器可以約3℃/小時之冷卻速率冷卻前5小時，且以約30℃/小時至約45℃/小時冷卻該冷卻程序的其餘期間來冷卻介於生長之單晶晶體/化合物30及原熔融材料32之間的界面。
回到上述圖1A之範例系統，安瓿及坩堝可具有錐形(漏斗形)區。安瓿-坩堝組合之實施中具有漏斗形，坩堝支撐體22容納該漏斗形並使安瓿26在爐24內保持安定且直立。在其他實施中，安瓿-坩堝組合可保有不同形狀，且該坩堝支撐體22之基本結構可據此改變以配合特定不同形狀。根據其他實施，安瓿之安定性及強度及其內容物係經由坩堝支撐體22之固態薄壁圓柱50提供。該固態薄壁圓柱50容納安瓿結構26的漏斗末端。在一實施中，坩堝支撐體圓柱50係由熱傳導材料製成，較佳為石英。在其他實施中，碳化矽及陶瓷亦可用以形成坩堝支撐體圓柱50。圓柱50與安瓿26成圓形接觸，其中圓柱50之上緣接觸該安瓿之錐形區38的肩部。此種構造導致最小固體-固體接觸，此確使發生少許或無較不可控制之熱傳導。因此，加熱可藉由其他更可控制之方法產生。
在其他實施中，低密度絕緣材料(諸如陶瓷纖維)填充支撐體圓柱50內部大部分，只有在絕緣材料大約中央之中空軸核心52保持淨空以接收該安瓿26之晶種井42。在其他實施中，該低密度絕緣材料亦可包含氧化鋁纖維(1800℃)、氧化鋁-氧化矽纖維(1426℃)及/或氧化鋯纖維(2200℃)。將該絕緣材料小心地置於坩堝支撐體22中。當該安瓿26之重量位於圓柱50頂部時，其將該絕緣材料向下壓並形成傾斜絕緣材料邊緣54。在該圓柱內部之大部分填充低密度絕緣體減少空氣流動，此確使發生少許或不發生不想要之較不可控制對流。如傳導，對流係不可控制之熱轉移方法，其作用可能不利於VGF/VB及本文中之其他晶體生長程序。
如圖1A之範例系統中所顯示，具有大約等於安瓿晶種井42之直徑的中空核心52向下延伸至低於該安瓿晶種井42底部之小距離。在其他實施中，中空核心52可延伸通過坩堝支撐體從晶種井之底部至爐設備24之底部。該中空核心52提供從晶體中央之冷卻路徑。其有助於晶種井及生長中之晶體的中央的冷卻。在此構造下，熱能可向下逸散通過該固態晶體及晶種中央，向下通過坩堝支撐體22內之絕緣材料中的中空核心52。在無中空核心52之情況下，冷卻中之鑄錠的中央溫度自然高於較接近外表面之晶體材料。在此實例中，在任何水平中央橫斷面中之鑄錠於其周圍已固化之後會結晶。在該等條件下無法製成具有均勻電性質之晶體。在具有包括在坩堝支撐體方法中之中空核心52的實施中，熱能係向下傳導通過安瓿26之底部及中空核心52，並從中空核心52輻射出輻射通道56。重要的是減少來自生長中之晶體中央的熱能，以使遍及晶體直徑的等溫層保持平坦。維持平坦晶體熔體界面使得能絕緣具有均勻電性質及物理性質之晶體。
在某些實施中，在圓柱50中之低密度絕緣材料可能防礙熱輻射流從一組爐熱元件60流至晶種井區42中之安瓿26，因此該方法需要需要產生複數個穿過該絕緣材料的水平輻射通道/開口/管道56。該輻射通道56貫穿該絕緣材料以提供熱輻射出口，以可將熱從爐加熱元件60控制地轉移至安瓿晶種井42。輻射通道56之數量、形狀及直徑視特定條件而改變。該輻射通道亦可傾斜、彎曲或呈波浪狀。由於輻射通道可僅部分延伸通過絕緣材料，彼等亦不一定必須為連續。此有助於最小化對流。在一實施中，該等通道之直徑小，約為鉛筆寬度，因此對流空氣流無關緊要。根據本發明之其他實施，亦可使用具有約平方英吋或更大之橫斷面積的較大孔。通過絕緣材料之輻射通道56亦與在該絕緣材料中央之中空核心52聯合作用以輻射自晶體中央吸出之熱能，並冷卻該具有平坦等溫溫度梯度層之晶體。該輻射通道56使得能控制溫度並與晶體生長率直接相關。
圖1A中所示之爐24為可用於垂直梯度凝固(VGF)及垂直布氏(VB)或垂直布氏-斯氏(VBS)晶體生長程序二者之爐。亦可使用其他爐。在VGF晶體生長程序中，於該晶體保持固定時，移動在本身可為固定式之熱源內的結晶溫度梯度。在VB晶體生長程序中，該熱源及其固定結晶溫度梯度保持固定，同時移動該晶體。在VBS晶體生長程序中，移動該熱源及其固定結晶溫度梯度，同時使該晶體保持固定。
圖1B係與本文創新之特定實施樣態一致的範例坩堝99之斷面圖。參考圖1B，用於一些本文之說明性晶體生長爐的範例坩堝可具有長度約25mm至約50mm的錐形晶體生長區。此外，在一些範例實施中，該坩堝99及鑄錠可在長度為約110mm至約200mm之錐形(「預定生長長度」)之後具有生長長度。
圖2顯示含有微坑200之晶體鑄錠或晶圓之區，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致。見圖2，此等微坑200之存在產生顯著暗點及生長之鍺材料中相關聯的問題。當微坑數太高時，造成鑄錠或晶圓可能無法使用，因此需要回收。因此，微坑或微孔穴可降低晶體生長程序之產率，希望降低此等瑕疵。克服此種微坑問題的系統、爐及晶體生長程序形成較高產率。
圖3A廣泛地顯示晶體生長之範例實施，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致。根據此等實施，範例方法可包括將Ge原料載入坩堝(280)，密封該坩堝及/或固持在坩堝之容器(282)，將該坩堝置入晶體生長爐，熔融坩堝中之Ge原料以產生熔體，及進行垂直生長程序以形成單晶鍺鑄錠(284)。此外，該方法可包括一或多個其他步驟，包括於令該熔體與晶種接觸時控制該熔體之結晶溫度 梯度，經由結晶溫度梯度及/或坩堝相對於彼此之移動來形成單晶鍺鑄錠，及冷卻該單晶鍺鑄錠。此外，由於本文之垂直生長程序，可重現地提供具有減少量子之微坑密度的鍺鑄錠。例如，可重現地提供具有以下範圍之微坑密度的鍺鑄錠：大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 ；小於約0.13/cm2 ；及大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 。在某些範例實施中，可藉由控制冷卻速率及其他條件控制微坑密度。此外，根據本文之創新的單晶基板從開始生長部分至生長部分末端可具有約9 x 1017 至約4 x 1018 或約5 x 1018 /cm3 之載子濃度，及約7 x 10-3 至2 x 10-3 或3 x 10-3 Ω.cm之電阻率，遷移率為約950cm2 /Vs至約450cm2 /Vs。此外，錯位密度可小於約500/cm2 ，或甚至小於約200/cm2 。載子濃度、遷移率及錯位密度亦可藉由控制冷卻速率及其他條件予以控制。與本文所示之生長程序一致的是，例如可生長載子濃度為約1x1017 至約4x1018 /cm3 、電阻率為約5x10-3 至約2x10-2 Ω．cm，及/或遷移率為約1100至約250cm2 /Vs之200mm之p型鍺單晶鑄錠/晶圓。此外，根據某些實施，可生長錯位密度低於約300/cm2 之200mm鑄錠。
圖3B顯示使用垂直梯度凝固(VGF)及垂直布氏(VB)程序步驟生長晶體之其他範例方法80，該等程序步驟可降低微坑密度並形成較高產率，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致。在此種範例晶體生長程序中，製備用於上述晶體生長之爐(82)。為了從晶種開始晶體生長，使用VGF程序(84)。在該晶體生長程序中之特定點，可使用VB程序(86)或VBS程序以完成晶體生長。當使用VB或VBS程序時，將該熔體/固體線保持在一水準，然後以固定條件持續該程序，此係因為不需要VGF程序之體積減少時通常所需之程序改變。在該程序之一說明性實施中，例如可在如圖1A所示之該錐形區38上方約12mm至約15mm(大約1/2英吋)、約12mm至約45 mm或更高(諸如約30mm至約45mm)處使用VB程序。與實施及本文之實驗結果一致，VGF及VB程序之組合可形成具有較少微坑之更佳晶體。上述範例方法可與圖1A所示之爐一起使用，惟亦可與任何其他晶體生長爐一起使用。該方法可用以生長直徑為2英吋至8英吋或更大之晶體。
在其他垂直生長實施中，根據本文之範例創新，提出在包括加熱源、複數個加熱區、安瓿及坩堝之晶體生長爐中生長單晶鍺(Ge)晶體的方法。在該等實施中，範例方法可包括將Ge原料載入坩堝，密封該坩堝及容器，將該坩堝置入晶體生長爐，熔融該坩堝中之Ge原料以產生熔體，控制該熔體之結晶溫度梯度，同時將該熔體與晶種接觸放置，經由該結晶溫度梯度及/或該坩堝相對於彼此之移動而形成單晶鍺鑄錠，及冷卻該單晶鍺鑄錠。此外，由於該等垂直生長程序，可重現地提供具有減少量子之微坑密度的鍺鑄錠。例如，可重現地提供具有以下範圍之微坑密度的鍺鑄錠：大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 ；小於約0.13/cm2 ；及大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 。如本文其他處所述，可藉由控制冷卻速率及其他條件控制此等微坑密度。此外，該方法可另外包括添加砷(As)、鎵(Ga)及/或銻(Sb)作為摻雜劑。
在一範例實施中，該方法可包括經由垂直梯度凝固(VGF)程序生長，且包括以約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在介於約0.5至約10℃/cm之間的溫度梯度下進行之冷卻程序。在其他範例實施中，該方法可包括以約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在介於約0.5至約10℃/cm之間的溫度梯度下之垂直布氏(VB)程序的晶體生長。在其他範例實施中，該晶體生長方法可包括晶體生長/冷卻，其包括經由垂直梯度凝固(VGF)程序及/或經由垂直布氏(VB)程序以約3℃/小時之冷卻速率冷卻約前5小時，並以約30℃/小時至約45℃/小時之冷卻速率冷卻該冷卻程序之其餘期間。
如圖4所示，裝載坩堝90可位於坩堝27上方，且使得坩堝27可裝載更多原料。特別是，該鍺原料92為固體因此無法緊密堆疊於坩堝27以待熔融。因此，該裝載坩堝係用於容納可被熔融之額外原料並向下排入該坩堝，此形成坩堝27中之較大鍺進料，繼而形成較大長度之鍺晶體。例如，最初可將約35至約65%之原料裝入該裝載坩堝90，並將約65至約35%之原料直接裝入坩堝27。例如，與本文之一些晶體生長方法一致，可將約10 kg之進料載入爐內，以製造本文之具有低微坑密度的200mm之4英吋鑄錠。
現在，茲更詳細說明使用上述晶體生長爐及方法(結合VGF及VB)所生長之4"(100mm)直徑鍺晶體的生長。為生長一範例晶體，該坩堝之尺寸為直徑100mm及長度200mm之晶體生長區40。該晶種井區42中之坩堝的直徑為7mm。在一範例實施中，可載入10kg鍺前驅物材料以用於鑄錠生長。操作中，首先將鍺晶種插入pBN坩堝27底部部分。其次，將約10kg之鍺材料，且可於其中加入約36g之氧化硼作為液態密封劑。然後，將載有進料之pBN坩堝插入石英安瓿。在減壓下以石英蓋密封該石英安瓿。然後將該石英安瓿載入爐中並置於坩堝支撐體上。
一旦該安瓿載入該爐中，可以大約150至200℃/小時之速率加熱該石英安瓿。在一範例程序中，當晶種部分之溫度到達熔點且在晶體生長區之鍺的熔融範圍(~940至955℃)以上約3至18℃時，可維持該溫度點直到所有單晶鍺材料熔融(例如，在某些實施中，約2至4小時)為止。一旦單晶鍺材料熔融，先使用VGF法進行晶體生長。該溫度之後可在較低溫加熱區緩慢降低以使從晶種部分開始之晶體生長開始進行並持續通過過渡區直到該晶體生長區冷卻為止，與VGF及/或VB法相關聯時，在晶體生長程序完成之後，以約3℃/小時之冷卻速率冷卻約前5小時，並以約30℃/小時至約45℃/小時之冷卻速率冷卻該冷卻程序之其餘期間。在其他範例實施中，晶體生長冷卻可以約0.1至約10℃/小時之冷卻速率及介於約0.5至約10℃/cm之間的 溫度梯度發生(例如，與VGF程序相關聯)。此外，在範例VB程序中，可使用0.3至0.47℃/小時之晶體生長冷卻速率，同時使該溫度梯度維持在1.2至1.8℃/cm。
根據本文之一些範例結合之VGF及VB程序，當於晶體生長區中晶體已生長約1至約3英吋時，可開始VB程序。在VB程序中，該坩堝下降速度受控制以使晶體生長區中冷卻/生長參數精確，諸如冷卻速率為約0.2至約0.5℃/小時及/或溫度梯度為0.3至約2.5℃/cm。經由此種程序可從200mm之長形鑄錠獲致形成長度約190mm且高品質之晶體(即，低微坑密度或「低MPD」)，其晶體產率為約95%。藉由此等方法，可重現地提供具有以下範圍之微坑密度的鍺鑄錠：大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 ；大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 ；小於約0.13/cm2 ；及大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 。
此外，根據本文之創新所製造的單晶基板從開始生長部分至生長部分末端可具有約9 x 1017 至約4 x 1018 或約5 x 1018 /cm3 (測得約9 x 1017 至約4.86 x 1018 /cm3 之範圍)之載子濃度，及約7 x 10-3 至2 x 10-3 或3 x 10-3 Ω.cm(測得約7.29 x 10-3 至約2.78 x 10-3 Ω.cm之範圍。)之電阻率，遷移率為約950cm2 /Vs至約450cm2 /Vs(測得955cm2 /Vs及467cm2 /Vs之值)。此外，錯位密度可小於約500/cm2 ，或甚至小於約200/cm2 。
與圖4至5一致，提供用於生長單晶鍺(Ge)晶體之系統及方法，其中一旦原始原料進料已熔融但在晶體生長開 始之前，可將額外原料熔體加入該坩堝(例如，於VGF及/或VB程序等)，如此使得生長更長之單晶鑄錠。此外，該方法可包括將第一Ge原料載入包含容納晶種之晶種井的坩堝內，將第二Ge原料載入容器以供補充Ge熔體材料，將該坩堝及容器密封在安瓿中，及將該安瓿與坩堝一起置入具有支撐該安瓿之可移動安瓿支撐體的晶體生長爐。此外，範例實施可包括熔融該坩堝中之第一Ge原料以產生熔體，熔融該容器中之第二Ge原料，並將該熔融之第二Ge原料加入該熔體。其他範例實施可包括控制該熔體之結晶溫度梯度以使該熔體與晶種接觸時結晶並形成單晶鍺鑄錠，及隨意地冷卻該單晶鍺鑄錠。
在一範例實施中，形成單晶鍺鑄錠之步驟可包括在晶體生長區中產生約0.3至約2.5℃/cm之溫度梯度。此外，可以0.2至約0.5℃/小時之速率冷卻該單晶鍺鑄錠。此外，於該結晶溫度梯度移動期間該晶體可維持固定。
根據特定範例實施，該單晶鍺鑄錠之直徑介於約50mm至約200mm(約2英吋至約8英吋)。在一實施中，例如，該單晶鍺鑄錠之直徑可為152.4mm(6英吋)。此外，經由本文之創新所製造的直徑介於約50mm至約200mm(約2英吋至約8英吋)之單晶鍺鑄錠及晶圓可重現地提供在下列範圍內之微坑密度：大於約0.025/cm2 及小於約0.51/cm2 ；大於約0.025/cm2 及小於約0.26/cm2 ；大於約0.025/cm2 及小於約0.13/cm2 ；小於約0.13/cm2 ；及大於約0.025/cm2 及小於約0.26/cm2 。
此外，根據本文之創新所製造的直徑介於約50mm至約200mm(約2英吋至約8英吋)之單晶基板從開始生長部分至生長部分末端可具有約9 x 1017 至約4 x 1018 或約5 x 1018 /cm3 (測得約9 x 1017 至約4.86 x 1018 /cm3 之範圍)之載子濃度，及約7 x 10-3 至2 x 10-3 或3 x 10-3 Ω.cm(測得約7.29 x 10-3 至約2.78 x 10-3 Ω.cm之範圍之電阻率，遷移率為約950cm2 /Vs至約450cm2 /Vs(測得955cm2 /Vs及467cm2 /Vs之值)。此外，錯位密度可小於約500/cm2 ，或甚至小於約200/cm2 。
關於與本文之創新一致的系統，用於生長大直徑單晶鍺晶體之範例設備可包含包括加熱源及複數個加熱區之晶體生長爐，安瓿係經建構載入該爐中，其中該安瓿包括包括裝載容器及具有晶種井之坩堝、可移動安瓿支撐體及偶合至該晶體生長爐及該可移動安瓿支撐體之控制器。此外，該控制器可控制該加熱源之一或多個加熱區及該可驅動安瓿支撐體以在該坩堝位於該爐中時於該坩堝上進行垂直梯度凝固程序。
根據特定實施，該晶體生長爐可具有複數個加熱區，諸如介於4至8個加熱區，介於5至7個加熱區，或6個加熱區。與所希望之鑄錠/晶圓直徑一係，範例坩堝可具有介於約50mm至約200mm(約2至約8英吋)，或在一些實施中，具有約150mm(約6英吋)之直徑。
圖5A至5D顯示鍺晶體生長之其他範例實施，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致。圖5A至5D係用於生長單晶鍺晶體之設備的縱斷面圖，其說明與本發明相關之特定實施樣態一致的範例晶體生長程序。圖5A顯示晶體生長設備之實例的斷面圖設備。該設備可包括用於垂直梯度凝固(VGF)生長程序及/或垂直布氏(VB)生長程序之爐，且可包括爐1中之安瓿支撐體11，其中加熱器2係由多個區所構成，各區係個別地受電腦控制之控制系統所控制。各區之溫度可經調整以提供所希望之整體溫度曲線及該熔體之受控制固化的溫度梯度。該溫度曲線及溫度梯度係經調整，以使結晶界面一致地/可預期地向上移動通過該熔體，例如，在晶體鑄錠生長區中產生約0.3至約2.5℃/cm之溫度梯度。安瓿支撐體11可用以提供物理性支撐及容納坩堝12的安瓿3之熱梯度控制(即，在一實施中，係由石英製成)，繼而能將晶種固持在晶種井18中。當該爐於操作中時，安瓿支撐體11可於晶體生長程序期間軸向移動。坩堝12可容納晶種17，從晶種17生長在該晶種頂部形成的單晶。在一實施中，坩堝12可為具有圓柱形晶體生長部分13、較小直徑晶種井圓柱18及錐形過渡部分7的熱解之氮化硼(pBN)結構。晶體生長部分13係於坩堝12頂部開口，且直徑等於晶體產物之所希望直徑。目前之工業標準晶體直徑為可切成晶圓之50.8、76.2、100.0及150.0 mm(2、3、4及6英吋)直徑鑄錠。在說明性實施中，於坩堝12底部，晶種井圓柱18具有封閉底部，且直徑略大於高品質晶種17，例如約6至25 mm，且長度為約30至100 mm。圓柱形晶體生長部分13及晶種井圓柱18可具有筆直壁，或可向外逐漸變小約1度至數度，以促進從該坩堝12移出晶體。介於生長部分13與晶種井圓柱18之間的錐形過渡部分7具有一有角度之側壁，其傾斜例如約45至60度，具有等於生長區壁且連接於該生長區壁的較大直徑以及等於晶種井壁且連接於該晶種井壁之較窄直徑。在其他實施中，該有角度之側壁亦可為比45至60度更陡或較不陡之其他角度。
在特定範例實施中，安瓿3可由石英製成。安瓿3可具有與坩堝12相似之形狀。安瓿3在晶種生長區19中可為圓柱形，晶種井區19中具有較窄直徑，且在兩個區之間具有錐形過渡區8之圓柱形。此外，坩堝12配接於安瓿3內部，其間具有窄邊界。將作為原料容器之第二上方容器4安置於石英支撐體6上。該石英支撐體6密封於安瓿3之中間部分。在本發明一實施中，該第二容器4係由pBN製成。大部分原料5係填充於該第二容器4中。於加熱程序期間，該原料熔融且從第二容器4之底部孔滴落至主要坩堝12中。安瓿3係之晶種井區19底部閉合，且於裝入該坩堝及原料之後密封其頂部。可將作為摻雜劑之砷(As)、鎵(Ga)及/或銻(Sb)添加於安瓿12及/或第二容器4中。
在一些實施中，圓柱16可經成形以安瓿3成圓形接觸，其中圓柱16之上緣接觸該安瓿之錐形區8的肩部。此種構造導致最小固體-固體接觸，此確使發生少許或無較不可控制之熱傳導。因此，加熱可藉由其他更可控制之方法產生。
在本文之創新的一範例實施中，在單晶鍺鑄錠生長階段，可以約0.2至約0.5℃/小時之速率降低該爐溫以使該單晶鍺鑄錠生長。
圖5A至圖5D之圖式順序顯示其他範例鍺生長程序，其包括熔融及供應鍺之特徵。參考該等圖式，圖5A顯示範例程序之初始狀態，其中固體鍺係存在上方容器4及坩堝12二者中。作為創新之加熱特徵及程序，該鍺熔體之中間狀態接著示於圖5B，其顯示該固體鍺於坩堝12中已熔融液態的狀態。
該爐之加熱區的加熱元件可與個別之功率供應相關聯地調整，因此對上方容器提供所需之熱能。更明確地說，可加熱該上方容器以使該上方容器4中之鍺開始熔融，且該熔融之鍺經由容器4底部之孔流入坩堝12中。在一範例實施中，將存在上方容器之爐的區域加熱至約940至約955攝氏度數，或約945至約950攝氏度數。該程序持續到該上方容器3中所有鍺均熔融且流入坩堝12中。
圖5A至5D中所示之爐1為可用於垂直梯度凝固(VGF)晶體生長程序的爐之實例。亦可其他其他爐及構造，諸如垂直布氏。在VGF晶體生長程序中，於該晶體保持固定時，以電動方式移動在固定熱源內的結晶溫度梯度。
為進行垂直梯度凝固生長(VGF)，必須在該爐中確立適當之溫度梯度曲線。該爐之加熱區係經由經程式化之電腦針對其個別功率供應而分別且獨立控制，以加熱及冷卻以滿足該爐結晶溫度及溫度梯度需求。關於鍺鑄錠之生長，例如該爐溫波動可能需要在小於約±0.1℃內。在該爐製備期間，如本文其他處之更詳細說明，將該鍺多晶原料載入安瓿3。
如圖中所示，將錐形部分中具有孔之pBN裝載容器4安置於位在安瓿3中之坩堝12上方的由石英製成之支撐體6上。第二容器4可置於坩堝12上且在安瓿3內。該第二容器4之孔可位於具有朝該安瓿3延伸之錐形的底部表面之中央。坩堝3可具有接收從該第二容器4之底部中央的孔滴落之熔融晶體的開口。該裝載容器4使得坩堝12可裝載更多原料。特別是，該鍺原料5通常為固體厚堆或碎塊，因此無法緊密堆疊於坩堝12以待熔融。因此，該裝載容器係用於容納可被熔體之額外原料並向下排入該坩堝12，此形成坩堝12中之較大鍺進料，繼而形成較大長度及直徑之鍺晶體。例如，最初可將約65%之原料裝入該裝載容器4，並將35%之原料直接裝入坩堝12。作為非限制性實例，將5.115 kg之原料進料載於坩堝12中並將9.885 kg之進料載於裝載容器4中，形成可產生150mm(6英吋)直徑鍺鑄錠之15000 g(15 kg)進料。
在一實例中，該鍺可摻雜砷(As)。此處，可在裝載該進料之前將例如9°偏移定向<100>晶種裝載入坩堝。將原料進料及適當數量之摻雜劑裝載於該坩堝中並載入置於石英安瓿3中的裝載容器內。將該安瓿及內容物抽空至約2.00 x 10-4 帕斯卡(約1.5 x 10-6 托)之真空，之後將該安瓿密封並載入爐中，如圖1A所示。啟動該爐，並將該安瓿及內容物加熱以使坩堝12中之原料熔融。於該生長期間，由於鍺之熔點為大約940℃，故該爐係於大約1000℃之溫度。可根據該鑄錠之不同位置而將該結晶界面溫度梯度調整至約0.5至約10℃/cm。此外，可調整整體溫度曲線以提供約1至2 mm/hr之結晶速率。在該固化作用完成之後，可以約20至40℃/小時冷卻該爐。從本文之此等範例程序所形成之Ge鍺鑄錠可可重現地提供具有以下範圍之微坑密度：大於約0.025/cm2 及小於約0.51/cm2 ；大於約0.025/cm2 及小於約0.26/cm2 ；大於約0.025/cm2 及小於約0.13/cm2 ；小於約0.13/cm2 ；及大於約0.025/cm2 及小於約0.26/cm2 。
在其他實例中，本發明設備係由石英安瓿構成，於其中可插入pBN裝載容器及坩堝二者，且支撐體6用以固定該pBN裝載容器。關於範例尺寸，該坩堝於晶體生長區段中可具有約150 mm之直徑，於晶體生長區段中可具有約160 mm之長度，及在晶種區段中約7 mm之直徑。在一範例實施中，將<100>定向Ge晶種插入pBN坩堝之晶種井中並將96 g作為液態密封劑之三氧化硼置入該pBN坩堝中於該晶種上方。然後，將總共14,974 g之Ge多晶材料分別載入pBN坩堝及pBN容器且將pBN容器及坩堝二者均插入石英安瓿中，並該石英安瓿係在約2.00 x 10-4 帕斯卡(1.5x 10-6 托)之減壓下以石英蓋密封。然後將該密封之安瓿載入爐中並置於安瓿支撐體上。
上述石英安瓿係以大約270℃/小時之速率加熱。當溫度在該結晶材料之熔點以上約30℃時，維持該加熱直到所有結晶材料熔融為止。
如圖6所示，揭示與本文之創新一致之用於生長單晶鍺(Ge)晶體的範例方法。在一範例實施中，提供一種方法，該方法用於將第一Ge原料載入包括容納晶種之晶種井的坩堝，將第二Ge原料載入容器以供補充待位於安瓿內之原料，將該坩堝及容器密封在安瓿中，及將該安瓿與坩堝及在其中之該容器一起置晶體生長爐，控制該坩堝中之第一Ge原料的熔融以產生熔體，控制該容器中之第二Ge原料的熔融。此外此等方法可包括控制該熔融之第二Ge原料添加於該熔體、控制該熔體之結晶溫度梯度以使得與晶種接觸時該熔體結晶並形成單晶鍺鑄錠，及冷卻該單晶鍺鑄錠其中一或多者。
其他範例實施可包括控制該容器中之第二Ge原料的熔融，其包括控制施加於該第二Ge原料之熱及維持將該熔融之第二Ge原料維持在溫度範圍內。此外，控制該熔融之第二Ge原料添加於該熔體可包括使該熔體維持在指定之溫度範圍內，且此範圍可為約940至約955攝氏度數，或約945至約950攝氏度數。此外，控制該熔融之第二Ge原料添加於該熔體可包括將該熔體維持在指定溫度範圍內，諸如上述範圍。
在又一其他範例實施中，加熱功率及/或一或多種冷卻速率可經控制或以受控制方式降低，以產生具有在重現提供之範圍內的晶體性質之Ge鑄錠。此外，由於此種程序控制之故，可重現地提供具有降低微坑密度之單晶鍺鑄錠(例如在本文所示之任一其他範圍內)。
此外，藉由本文所示之程序，可重現地提供具有在上述各種範圍內之微坑密度的鍺晶體而不使用外部氣體源所供應之摻雜技術。該等缺點之許多方面可例如與使用經密封安瓿相關(例如在真空下、在壓力及在其他條件下等等密封)，並避免諸如需要昂貴氣體供應硬體及控制系統/電子裝置等之相關聯複雜性。在一些實例中，本文之創新可有利地與需要非接觸式摻雜技術的系統及方法相關聯。因此，重現地提供具有在上述各種範圍內之錯位密度的鍺晶體而不使用接觸式摻雜技術及/或外部氣體源所供應之摻雜技術。
在某些實施中，VGF方法可用以進行晶體生長。此外，在特定範例125mm長鑄錠生長程序中，在最低加熱區中可先降低該加熱器功率以開始該晶種處之晶體生長，然後在過渡區中可在降低該加熱器功率，其中冷卻速率可設為約0.3至約0.4℃/小時。此外，此種冷卻速率可維持大約70小時。一旦結晶達到該主要生長區，可將適當區中的加熱器功率降低以提供約0.4至約0.7℃/小時之冷卻速率，且結晶界面溫度梯度為1.2至約3.0℃/cm，二者均可維持大約120小時。在結晶完成之後，以約20至約40℃/小時之冷卻速率冷卻該爐直到其達到室溫為止。
此處，形成鑄錠的主體長度為125mm，且完全為單晶。此等晶體從開始生長部分至生長部分末端可具有例如本文之低微坑密度，且亦可具有約9 x 1017 至約4 x 1018 或約5 x 1018 /cm3 (測得約9 x 1017 至約4.86 x 1018 /cm3 之範圍 )之自由載子濃度，及7 x 10-3 至2 x 10-3 或3 x 10-3 Ω.cm(測得約7.29 x 10-3 至約2.78 x 10-3 Ω.cm之範圍)之電阻率，遷移率為約950cm2 /Vs至約450cm2 /Vs(測得955cm2 /Vs及467cm2 /Vs之值)。此外，錯位密度可小於約500/cm2 ，小於約200/cm2 ，或甚至小於約100/cm2 。
在又其他VGF方法中，根據在特定範例200mm長鑄錠生長程序，在最低加熱區中可先降低該加熱器功率以開始該晶種處之晶體生長，然後在過渡區中可在降低該加熱器功率，其中冷卻速率可設為約0.1至約0.3℃/小時。此外，此種冷卻速率可維持大約70小時。一旦結晶達到該主要生長區，可將適當區中的加熱器功率降低以提供約0.4至約0.7℃/小時之冷卻速率，且結晶界面溫度梯度為1.2至約3.0℃/cm，二者均可維持大約170小時。在結晶完成之後，可以約20至約40℃/小時之冷卻速率冷卻該爐直到其達到室溫為止。
此處，形成鑄錠的主體長度為200mm，且完全為單晶。此等晶體從開始生長部分至生長部分末端可具有例如本文之低微坑密度，且亦可具有約4 x 1017 至約6 x 1018 或約5 x 1018 /cm3 (測得約4.34 x 1017 至約5.98 x 1018 /cm3 之範圍)之自由載子濃度，及2 x 10-2 至4 x 10-3 或3 x 10-3 Ω.cm(測得約2.02 x 10-2 至約3.86 x 10-3 Ω.cm之範圍)之電阻率，遷移率為約800cm2 /Vs至約250cm2 /Vs(測得713cm2 /Vs及271cm2 /Vs之值)。此外，錯位密度可小於約300/cm2 ，或甚至小於約100/cm2 。
如此，應注意的是藉由本揭示之方法/程序所製造之任何鍺晶體基板(例如鑄錠、晶圓等)特別在本文之創新範圍內。此外，包括此等藉由本文之方法/程序任一者所製造之鍺晶體基板的任何產物(如電子或光電子裝置等)亦與本創新一致。
雖然前文已參考本發明之特定實施，但熟悉本技術之人士將會暸解在不違背本發明之原理及精神的情況下可進行該實施中之改變，本發明之範圍係由附述之申請專利範圍所界定。
20．．．晶體生長設備
22．．．坩堝支撐體
24/1．．．爐
26/3．．．安瓿
27/99/12．．．坩堝
28/17．．．晶種
30．．．單晶晶體/化合物
32．．．原熔融材料
34/13．．．圓柱形晶體生長部分
36/18．．．晶種井圓柱
38/44/7/8．．．錐形過渡部分
40．．．晶體生長區
42．．．晶種井區
50/16．．．圓柱
52．．．中空核心
54．．．傾斜絕緣材料邊緣
56．．．輻射通道
60．．．爐加熱元件
90．．．裝載坩堝
92．．．原鍺材料
2．．．加熱器
4．．．第二上方容器
5．．．原料
6．．．石英支撐體
11．．．安瓿支撐體
19．．．晶種生長區
該等構成本說明書一部分之附圖說明本發明各種實施及實施樣態，以及與該等說明一起解釋本發明原理。該等圖式中：
圖1A及1B為範例晶體生長設備及坩堝的斷面圖，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致；
圖2顯示範例微坑，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致；
圖3A及3B顯示範例晶體生長方法，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致；
圖4顯示以將載有鍺之坩堝裝載於晶體生長爐之範例方法，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致；
圖5A至5D顯示鍺晶體生長之其他範例實施，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致；及
圖6係顯示晶體生長之其他範例方法的流程圖，其與本文之創新相關之特定實施樣態一致。

Claims (84)

  1. 一種於晶體生長爐中生長單晶鍺(Ge)晶體之方法，該晶體生長爐包括加熱源、複數個加熱區、安瓿及坩堝，該方法包括：將Ge原料裝入該坩堝；密封該坩堝及該容器；將該坩堝置入具有坩堝支撐體之晶體生長爐；熔融該坩堝中之Ge原料以產生熔體；控制該熔體之結晶溫度梯度，同時將該熔體與晶種接觸放置；經由該結晶溫度梯度及/或該坩堝相對於彼此之移動而形成單晶鍺鑄錠；及冷卻該單晶鍺鑄錠；其中可重現地提供具有約200mm主體長度且微坑密度(micro-pit density，MPD)大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 之單晶鍺鑄錠，且其中該等單晶鍺鑄錠係藉由垂直梯度凝固(vertical gradient freeze，VGF)及垂直布氏(vertical Bridgman，VB)程序生長。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供微坑密度小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供微坑密度大於約0.05/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供另外具有介於約1x1017 至約4x1018 /cm3 之載子濃度之單晶鍺鑄錠。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供另外具有介於約5x10-3 至約2x10-2 Ω.cm之電阻率之單晶鍺鑄錠。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供另外具有介於約1100至約250cm2 /Vs之遷移率的單晶鍺鑄錠。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該晶體係經由垂直梯度凝固(vertical gradient freeze，VGF)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在介於約0.5至約10℃/cm之間的溫度梯度下生長。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該晶體係經由垂直布氏(vertical Bridgman，VB)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在約0.5至約10℃/cm的溫度梯度下生長。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供另外具有小於約300/cm2 或小於約100/cm2 之錯位密度之單晶鍺鑄錠。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該晶體生長爐包含經建構以產生可移動溫度梯度之結構；且其中有控制器偶合至該晶體生長爐，該控制器控制該可移動溫度梯度以在該坩堝位於該爐中時於該坩堝上進行 晶體生長程序。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該可移動溫度梯度係經由控制複數個加熱區而獲致。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該移動溫度梯度係經由熱源、該坩堝、該安瓿及/或該坩堝支撐體中之一或多者的相對移動而獲致。
  15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中控制一固定加熱源以使該結晶溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以熔融該原料並將其重組(reform)為單晶化合物，且以預定晶體生長長度在該坩堝上進行晶體生長程序，其中該溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以持續熔融該原料並將其重組為單晶化合物。
  16. 如申請專利範圍第12項之方法，其另外包含一固定加熱源。
  17. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該晶體生長爐固持具有約25mm至約50mm之錐形(tapered)晶體生長區之坩堝。
  18. 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包括將砷(As)、鎵(Ga)及/或銻(Sb)作為摻雜劑加入該鍺晶體。
  19. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該晶體生長爐產生具有均勻電性質與物理性質之晶體鑄錠。
  20. 一種鍺晶體生長之方法，其包括：將具有包含晶種及原料之坩堝的安瓿插入經建構以對 該坩堝中之鍺提供可移動溫度梯度之爐中；使用垂直梯度凝固(VGF)程序生長晶體，其中來自加熱源之該結晶溫度梯度與該坩堝係相對彼此移動以熔融該原料並將其重組為單晶化合物；及使用垂直布氏程序以預定晶體生長長度在該爐中之該安瓿上生長該晶體，其中該安瓿係相對於該固定之加熱源移動以持續熔融該原料並將其重組為單晶化合物；其中可重現地提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 之單晶鍺鑄錠，且其中該等鑄錠係藉由垂直梯度凝固(VGF)及垂直布氏(VB)程序生長。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該可移動溫度梯度係經由複數個加熱區而獲致。
  22. 如申請專利範圍第20項之方法，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  23. 如申請專利範圍第20項之方法，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  24. 如申請專利範圍第20項之方法，其中提供微坑密度小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  25. 如申請專利範圍第20項之方法，其中提供微坑密度大於約0.05/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  26. 如申請專利範圍第20項之方法，其另外包括將砷(As)作為摻雜劑加入該鍺晶體。
  27. 如申請專利範圍第20項之方法，其另外包括將鎵 (Ga)作為摻雜劑加入該鍺晶體。
  28. 如申請專利範圍第20項之方法，其另外包括將銻(Sb)作為摻雜劑加入該鍺晶體。
  29. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該晶體係經由該垂直梯度凝固(VGF)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在介於約0.5至約10℃/cm之間的溫度梯度下生長。
  30. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該晶體係經由該垂直布氏(VB)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在約0.5至約10℃/cm的溫度梯度下生長。
  31. 如申請專利範圍第20項之方法：其中該晶體生長爐包含經建構以產生可移動溫度梯度之結構；且其中有控制器偶合至該晶體生長爐，該控制器控制該可移動溫度梯度以在該坩堝位於該爐中時於該坩堝上進行晶體生長程序。
  32. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該可移動溫度梯度係經由控制複數個加熱區而獲致。
  33. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該移動溫度梯度係經由熱源、該坩堝、該安瓿及/或該坩堝支撐體中之一或多者的相對移動而獲致。
  34. 如申請專利範圍第30項之方法，其中控制一固定加熱源以使該結晶溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以熔融該原料並將其重組為單晶化合物，且以預定晶體生長長 度在該坩堝上進行晶體生長程序，其中該溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以持續熔融該原料並將其重組為單晶化合物。
  35. 如申請專利範圍第30項之方法，其另外包含一固定加熱源。
  36. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該晶體生長爐固持具有長度約25mm至約50mm之錐形晶體生長區之坩堝。
  37. 如申請專利範圍第30或36項之方法，其中該晶體生長爐固持具有錐形晶體生長區之坩堝，且其中該預定晶體生長長度為高於該錐形晶體生長區約110mm至約200mm。
  38. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該晶體生長爐產生具有均勻電性質與物理性質之晶體鑄錠。
  39. 一種單晶鍺產物，其係藉由包括以下步驟之方法製造：將Ge原料裝入坩堝；密封該坩堝；將該坩堝置入具有坩堝支撐體之晶體生長爐；熔融該坩堝中之Ge原料以產生熔體；控制該熔體之結晶溫度梯度，同時將該熔體與晶種接觸放置；經由該結晶溫度梯度及/或該坩堝相對於彼此之移動而形成單晶鍺鑄錠；及 冷卻該單晶鍺鑄錠；其中該產物包括來自該方法所製得可重現地提供微坑密度(MPD)大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 之單晶鍺鑄錠之鍺，且其中該等鑄錠係藉由垂直梯度凝固(VGF)及垂直布氏(VB)程序生長。
  40. 如申請專利範圍第39項之產物，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  41. 如申請專利範圍第39項之產物，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  42. 如申請專利範圍第39項之產物，其中提供微坑密度小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  43. 如申請專利範圍第39項之產物，其中提供微坑密度大於約0.05/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  44. 如申請專利範圍第39項之產物，其中該單晶鍺鑄錠係使用砷(As)作為該鍺晶體之摻雜劑而形成。
  45. 如申請專利範圍第39項之產物，其中該單晶鍺鑄錠係使用鎵(Ga)作為該鍺晶體之摻雜劑而形成。
  46. 如申請專利範圍第39項之產物，其中該單晶鍺鑄錠係使用銻(Sb)作為該鍺晶體之摻雜劑而形成。
  47. 如申請專利範圍第39項之產物，其中該晶體係經由垂直梯度凝固(VGF)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在介於約0.5至約10℃/cm之間的溫度梯度下生長。
  48. 如申請專利範圍第39項之產物，其中該晶體係經由垂直布氏(VB)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在約0.5至約10℃/cm的溫度梯度下生長。
  49. 如申請專利範圍第39項之產物，其中該晶體生長爐包含經建構以產生可移動溫度梯度之結構；且其中有控制器偶合至該晶體生長爐，該控制器控制該可移動溫度梯度以在該坩堝位於該爐中時於該坩堝上進行晶體生長程序。
  50. 如申請專利範圍第49項之產物，其中該可移動溫度梯度係經由控制複數個加熱區而獲致。
  51. 如申請專利範圍第49項之產物，其中該移動溫度梯度係經由熱源、該坩堝、該安瓿及/或該坩堝支撐體中之一或多者的相對移動而獲致。
  52. 如申請專利範圍第49項之產物，其中控制一固定加熱源以使該結晶溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以熔融該原料並將其重組為單晶化合物，且以預定晶體生長長度在該坩堝上進行晶體生長程序，其中該溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以持續熔融該原料並將其重組為單晶化合物。
  53. 如申請專利範圍第49項之產物，其另外包含一固定加熱源。
  54. 如申請專利範圍第49項之產物，其中該晶體生長爐固持具有錐形晶體生長區之坩堝，且其中該預定晶體生 長長度為高於該錐形晶體生長區約25mm至約50mm。
  55. 如申請專利範圍第49項之產物，其中該晶體生長爐固持具有錐形晶體生長區之坩堝，且其中該預定晶體生長長度為高於該錐形晶體生長區約150mm至約200mm。
  56. 如申請專利範圍第39項之產物，其中該晶體生長爐產生具有均勻電性質與物理性質之晶體鑄錠。
  57. 一種用於鍺晶體生長之設備，其包含：晶體生長爐，包括加熱源及複數個加熱區；及安瓿，係經建構以被裝載入該爐中，其中該安瓿包括裝載容器及具有晶種井之坩堝；安瓿支撐體；及控制器，係偶合至該晶體生長爐及該安瓿支撐體，該控制器控制該加熱源之一或多個加熱區及該可移動安瓿支撐體，以在該坩堝位於該爐中時於該坩堝上進行垂直梯度凝固程序；其中該結晶溫度梯度及/或該坩堝係相對於彼此移動以熔融該原料然後將該材料重組為單晶鍺鑄錠；其中，由於在該設備中進行垂直生長程序，該設備可重現地提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 之鍺鑄錠，且其中該等鑄錠係藉由垂直梯度凝固(VGF)及垂直布氏(VB)程序生長。
  58. 如申請專利範圍第57項之設備，其中該設備包括至少一個加熱源，該加熱源係經控制以使該結晶溫度梯度 相對於該固定之坩堝移動以熔融該原料並將其重組為單晶化合物，並以預定晶體生長長度在該坩堝上進行晶體生長程序，其中該溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以持續熔融該原料並將其重組為單晶化合物。
  59. 如申請專利範圍第57項之設備，其中該設備可重現地提供鑄錠生長溫度梯度為生長每公分鑄錠約攝氏0.5度至約10度的鍺鑄錠。
  60. 如申請專利範圍第57項之設備，其另外經建構而以約0.1至約10℃/小時之速率冷卻該鍺鑄錠。
  61. 如申請專利範圍第57項之設備，其中該晶體生長爐具有5至7個加熱區。
  62. 如申請專利範圍第57項之設備，其中該晶體生長爐具有6個加熱區。
  63. 如申請專利範圍第57項之設備，其另外包含具有裝載鍺原料之裝載容器，該鍺原料係熔融於該坩堝中以對該坩堝提供較大量之鍺原料。
  64. 如申請專利範圍第57項之設備，其中於該結晶溫度梯度移動期間該坩堝係維持固定。
  65. 如申請專利範圍第57項之設備，其中該鍺鑄錠之直徑介於約50mm與約150mm之間。
  66. 如申請專利範圍第65項之設備，其中該鍺鑄錠之直徑為約150mm。
  67. 一種於晶體生長爐中生長單晶鍺(Ge)晶體之方法，該晶體生長爐包括加熱源、複數個加熱區、安瓿及坩 堝，該方法包括：將Ge原料裝入該坩堝；密封該坩堝及該容器；將該坩堝置入具有坩堝支撐體之晶體生長爐；熔融該坩堝中之Ge原料以產生熔體；控制該熔體之結晶溫度梯度，同時將該熔體與晶種接觸放置；經由該結晶溫度梯度及/或該坩堝相對於彼此之移動而形成單晶鍺鑄錠；及冷卻該單晶鍺鑄錠；其中可重現地提供微坑密度(MPD)大於約0.025/cm2 且小於約0.51/cm2 之單晶鍺鑄錠，且其中該等鑄錠係藉由垂直梯度凝固(VGF)及垂直布氏(VB)程序生長，在冷卻程序之約前5小時以約3℃/小時之冷卻速率冷卻，而在該冷卻程序之其餘期間以約30℃/小時至約45℃/小時之冷卻速率冷卻。
  68. 如申請專利範圍第67項之方法，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  69. 如申請專利範圍第67項之方法，其中提供微坑密度大於約0.025/cm2 且小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  70. 如申請專利範圍第67項之方法，其中提供微坑密度小於約0.13/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  71. 如申請專利範圍第67項之方法，其中提供微坑密度大於約0.05/cm2 且小於約0.26/cm2 之單晶鍺鑄錠。
  72. 如申請專利範圍第67項之方法，其另外包括將砷(As)作為摻雜劑加入該鍺晶體。
  73. 如申請專利範圍第67項之方法，其另外包括將鎵(Ga)作為摻雜劑加入該鍺晶體。
  74. 如申請專利範圍第67項之方法，其另外包括將銻(Sb)作為摻雜劑加入該鍺晶體。
  75. 如申請專利範圍第67項之方法，其中該晶體係經由垂直梯度凝固(VGF)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在介於約0.5至約10℃/cm之間的溫度梯度下生長。
  76. 如申請專利範圍第67項之方法，其中該晶體係經由垂直布氏(VB)程序於約0.1至約10℃/小時之冷卻速率且在約0.5至約10℃/cm之間的溫度梯度下生長。
  77. 如申請專利範圍第67項之方法，其中該晶體生長爐包含經建構以產生可移動溫度梯度之結構；及其中有控制器偶合至該晶體生長爐，該控制器控制該可移動溫度梯度以在該坩堝位於該爐中時於該坩堝上進行晶體生長程序。
  78. 如申請專利範圍第77項之方法，其中該可移動溫度梯度係經由控制複數個加熱區而獲致。
  79. 如申請專利範圍第77項之方法，其中該移動溫度梯度係經由熱源、該坩堝、該安瓿及/或該坩堝支撐體中之一或多者的相對移動而獲致。
  80. 如申請專利範圍第77項之方法，其中控制一固定加熱源以使該結晶溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以熔融該原料並將其重組為單晶化合物，且以預定晶體生長長度在該坩堝上進行晶體生長程序，其中該溫度梯度相對於該固定之坩堝移動以持續熔融該原料並將其重組為單晶化合物。
  81. 如申請專利範圍第77項之方法，其另外包含一固定加熱源。
  82. 如申請專利範圍第77項之方法，其中該晶體生長爐固持具有約25mm至約50mm之錐形晶體生長區之坩堝。
  83. 如申請專利範圍第77或82項之方法，其中該晶體生長爐固持具有錐形晶體生長區之坩堝，且其中該預定晶體生長長度為高於該錐形晶體生長區約110mm至約200mm。
  84. 如申請專利範圍第67項之方法，其中該晶體生長爐產生具有均勻電性質與物理性質之晶體鑄錠。
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