一種製備Ⅳ-Ⅵ族半導體單晶薄膜的生長裝置的製作方法

2023-05-30 22:09:31

專利名稱：一種製備Ⅳ-Ⅵ族半導體單晶薄膜的生長裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體材料生長設備的技術領域，具體涉及一種在超高真空環境下於不同襯
底材料上生長高質量IV—VI族窄帶隙半導體單晶薄膜及其異質結構的生長裝置。
背景技術：
IV—VI族半導體材料包括二元系的PbSe， PbTe, SnSe, SnTe和三元系的PbSrSe, PbSrTe, PbSnSe， PbSnTe， PbEuSe， PbMnTe及其它們的異質結構等的製備設備技術是獲得高質量材料 的關鍵，傳統上講，它們有幾種生長方法和裝置，如熱蒸發技術，液相外延技術、熱壁外延 技術等，上海技術物理研究所使用光學薄膜鍍膜機，包括有生長設備，抽真空系統，加熱系 統，冷卻系統，控制系統和計算機控制系統。用熱蒸發方法在2.6X10—Spa的環境下在矽襯底 上生長了 PbTe薄膜[文獻1:李斌等，紅外與毫米波學報，2005， Vol.24, No. 1, p.23-26]。生長 設備只用一個真空室沉積，每生長一個樣品需要將真空室暴露於空氣中，真空度低。傳統的 熱蒸發的方法還不能生長量子阱和超晶格等問題，使得IV — VI族半導體晶體薄膜的應用受到 很大的限制。熱壁外延技術則是熱蒸發方法的改進，雖然晶體質量可以有較大改進，但是樣 品尺寸小。液相外延方法則是熱平衡生長方法，雖然能長出小尺寸(lxlcm—2)單晶薄膜，但 是不能生長大尺寸(例如2英寸、3英寸)，而且不能生長量子阱、超晶格等低維結構。傳統 的分子外延生長方法雖然能生長IV—VI族半導體單晶薄膜及其異質結構[文獻2:H.Z.Wu等, J. Vac. Sci. Technol. B, 1999, 17(3), p.1263-1266 ]，但是均採用在液氮冷卻的低溫環境，需要專 門的設備維持低溫，使製造的成本非常昂貴。
現有半導體單晶薄膜的生長裝置往往只有一個真空室沉積， 一個束源爐,無法得到高質量 的IV — VI族半導體單晶薄膜，只能得到多晶或非晶薄膜，表面不平整，而且由於成核生長過 程中容易在表面出現裂痕，只能用於紅外濾光片，不能應用於高端產品的研製，例如中紅外 雷射器和探測器等。

發明內容
本發明目的是針對現有的IV—VI族半導體晶體薄膜裝置或不適合製備大尺寸、成本高等 缺點，提供一種為IV—VI族半導體晶體薄膜生長裝置。
本發明的製備IV—VI族半導體晶體薄膜生長裝置，包括有生長設備，抽真空系統，加熱
系統，冷卻系統，電源控制系統和計算機控制系統，其特徵是所述的生長設備由進樣室， 生長準備室，生長室三個真空室依次連接構成，進樣室與生長準備室之間及生長準備室與生 長室之間由閘板閥隔離，進樣室與生長準備室有樣品傳送杆傳送襯底，生長準備室與生長室 有樣品傳送杆傳送襯底，生長準備室和生長室有可升降和轉動的樣品架，生長室樣品架下邊 有2-8隻束源爐，由擋板隔離樣品架與束源爐。
本發明生長設備的進樣室，包括有由機械泵和複合分子泵組成的抽真空系統；放置襯 底的樣品架，襯底通過層流淨化工作檯中裝入樣品架託上；測量真空度離子規；對襯底加熱 除氣用的碘鎢燈；進樣室與生長準備室之間相連，由真空閘板閥隔離；進樣室樣品傳送杆， 除氣後襯底通過進樣室樣品傳輸杆傳入生長準備室。
本發明生長設備的生長準備室，包括有可升降和轉動的樣品架，樣品架上有多個樣品 託，可存儲、處理多個樣品；石墨加熱爐；濺射離子泵；開有一觀察窗；生長準備室與生長 室相連，由真空閘板閥隔離；生長準備室樣品傳送杆，襯底通過生長準備室樣品傳送杆由生 長準備室傳入生長室。
本發明生長設備的生長室，包括有由濺射離子泵和鈦升華泵組成生長室的抽真空系統； 測量真空度的離子規；開有一生長室觀察窗；有可升降和轉動的樣品架與步進電機連接，步 進電機與計算機連接，控制樣品架的旋轉速率；襯底鉭片加熱器；生長室樣品架下邊有多隻 束源爐；有測量束流大小束流規；在束源爐周圍採用工藝冷水機構成冷卻系統。
本發明每一束源爐口處有一快門，用擋板隔離襯底與束源爐，束源爐為2-8隻，溫控精 度為i0.5'C，室溫到120(TC連續可調可控，束源爐的冷卻用循環水冷。
本發明所述的步進電機，在樣品生長時的可控可調的旋轉速率為0 30轉/分無級調速。
本發明所述加熱系統，進樣室加熱爐為碘鎢燈，在室溫 20(TC可控可調；預處理室加熱 爐為石墨加熱，在室溫 35(TC可控可調；生長室加熱爐為鉭片加熱，在室溫 80(TC可控可
調，溫度波動在士rc內。
本發明所述的冷卻系統，束源爐和生長室的冷卻系統是由工藝冷水機提供循環冷卻水， 其中供水溫度5'C 2(TC可調可控，生長室也可以用液氮冷卻。
本發明所述的生長室還可以安裝原位檢測裝置，例如反射高能電子衍射儀用於觀察生長 表面的狀況、四極質譜儀用於檢測生長室內的氣體成份。
本發明所述的控制系統由供電電源，溫度控制電源，步進電機旋轉控制電源，數顯真 空計，直聯旋片式機械泵，複合分子泵電源，濺射離子泵電源，升華泵電源組成，由計算機 系統精確調控。
本發明的製備IV — VI族半導體晶體薄膜生長裝置的工作過程是-將裝入進樣室樣品架上，用機械泵、複合分子泵抽真空，加熱使襯底除氣； 除氣後將襯底在用磁力傳輸杆傳入到生長準備室中可升降和轉動的樣品架上，關閉進樣
室與生長準備室之間的閘板閥，生長準備室中抽超高真空，將襯底加熱除氣；
將裝有不同高純的源材料各不同束源爐升溫除氣，用離子規測量分子束流，在除氣及生
長過程中一直都用循環水對束源爐和生長室外壁冷卻；
將生長準備室中的襯底在室溫下用磁力傳輸杆傳入到生長室中可升降和轉動的樣品架
上，用閘板閥隔離生長室和生長準備室，並用離子泵和升華泵抽生長室真空至超高真空度，
用鉭片對襯底加熱，用擋板隔離襯底和束源爐；
將襯底溫度調節到生長溫度，保持襯底溫度波動在士rc內，打開步進電機，控制轉速，
根據需要同時打開2-8個束源爐擋板，打開樣品架擋板，開始生長；
當單晶薄膜生長完成，關閉束源爐，結束生長，並將襯底溫度降至室溫，通過磁力傳送 系統將生長好的樣品傳出生長室至生長準備室中，再有生長準備室傳到進樣室，對進樣室充 高純氮氣至l大氣壓，打開進樣室的裝樣門，取出樣品。
單晶薄膜生長由計算機控制，包括束源爐溫度，快門開/關狀態，樣品旋轉的步進電機轉 速控制，襯底溫度的控制等都有計算機軟體控制。
本發明與現有技術相比的優點是為W—VI族半導體晶體薄膜的製備以及中紅外雷射器、 中紅外探測器等光電子器件結構的生長提供了超高真空的生長設備，結合機械泵，分子泵， 離子泵，升華泵設備的依次工作，使進樣室，生長準備室和生長室這三個相連的真空室達到 高真空和超高真空狀態，三個真空室前後級之間用真空閘板閥互相隔離而保證其中任何一個 真空室的真空度的變化對其它兩室都不會造成影響，從而達到了為製備外延材料所需的超高 真空度提供了有力的保障，樣品在進樣室與生長準備室之間的交接、生長準備室與生長室之
間的交接由磁力傳送杆完成，這樣樣品的交接和操作均在超高真空中完成。使得iv-vi族樣
品的生長能夠在超高真空中完成。該設備的生長室在不採用液氮冷卻的條件下，而是採用冷 卻水的循環來進行設備的冷卻，這大大降低了設備運行的成本；本發明裝量有多隻束源爐， 同時打開2隻束源爐擋板可生長PbSe、 PbTe等二元系IV-VI半導體；同時打開3隻束源爐擋 板可生長PbSrSe、PbMnTe等三元系IV-VI半導體；同時打開4隻束源爐擋板可生長PbMnSeTe， PbSrTeSe四元系IV-VI半導體，分別在BaF2 (111)單晶、Si (111)單晶上覆蓋CaF2、 BaF2 緩衝層，CdTe單晶和MgO單晶襯底上成功製得了高質量的IV — VI族窄帶隙半導體單晶薄膜， 樣品尺寸大小是2英寸或3英寸，而且均勻性好。


附圖l:是本發明裝置中進樣室的結構示意圖。 附圖2:是本發明裝置中生長準備室的結構示意圖。 附圖3:是本發明裝置中生長室的結構示意圖。
圖中l-進樣室，2-進樣室樣品架，3-進樣室與生長準備室之間閘板閥，4-進樣室與生長準備 室之間的連接通道，5-進樣室襯底加熱爐，6-複合分子泵，7-機械泵，8-磁力傳輸杆，9-離 子規，10-樣品轉動架操作手柄，11-生長準備室，12-樣品轉動架，13-生長準備室觀察窗， 14-生長準備室襯底加熱器，15-生長準備室與生長室之間的閘板闊，16-生長準備室與生長室 之間的連接通道，17-濺射離子泵，18-樣品轉動架操作手柄，19-步進電機，20-生長室，21-計算機，22 —生長室觀察窗，23-隔離襯底與束源爐擋板，24-束源爐口快門，25-束源爐，26-循環水冷卻系統，27-生長室襯底加熱爐，28-離子規，29-鈦升華泵，30-濺射離子泵。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明製備IV — VI族半導體單晶薄膜的生長裝置進行樣細描述 實施例l
一種製備IV—VI族半導體單晶薄膜的生長裝置，包括有生長設備，抽真空系統，加熱系
統，冷卻系統，控制系統和計算機控制系統，所述的生長設備的進樣室，生長準備室，生長
室的結構如下
參見附圖l，進樣室l包括有進樣室樣品傳送杆8釆用有磁力傳送杆，採用直聯旋片 式機械泵7和複合分子泵6組成進樣室的抽真空系統，進樣室樣品架2放置襯底；進樣室真
空測量由離子規9測量，進樣室襯底加熱用碘鎢燈5，進樣室與生長準備室之間通過連接通 道4相連，由進樣室與生長準備室之間閘板閥3隔離，除氣後襯底通過磁力傳輸杆8傳入生 長準備室11。進樣室1的主要功能是將襯底從大氣中裝入具有高真空和超高真空的系統中， 真空^5xl(^Pa，通過碘鉤燈加熱將吸附在襯底上的氣體排除，溫度從室溫 20(TC可調控。
參見附圖2，生長設備的生長準備室11包括有樣品轉動架操作手柄10與樣品轉動架 12連接構成可升降和轉動的生長準備室樣品架，樣品架12上有三個樣品託，可存儲、處理 三個樣品，轉動樣品架12可便於生長準備室的樣品與進樣室或生長室的樣品交接；生長準備 室襯底加熱爐14採用石墨，對襯底加熱溫度室溫 80(TC可控可調；濺射離子泵17與生長準 備室11連接，保持生長準備室的超高真空；生長準備室觀察窗13，便於樣品的傳送操作；
生長準備室與進樣室之間通過連接通道4相連，由生長準備室與進樣室之間閘板閥3隔離； 生長準備室與生長室之間通過連接通道16相連，由生長準備室與生長室之間閘板閥15隔離； 樣品襯底通過磁力傳送杆8由生長準備室11傳入生長室20。生長準備室的主要功能是具 備非常乾淨的超高真空環境，可達6.6X10—8Pa; 2)對襯底吸附的氣體進一步除氣，最高除氣 溫度可達800 。C。
參見附圖3，生長設備的生長室20包括有由樣品轉動架升降手柄17與樣品轉動架22 構成可升降和轉動的生長準備室樣品架，樣品轉動架升降手柄18由步進電機連接19驅動， 步進電機19與計算機21連接，控制樣品架的旋轉速率；採用濺射離子泵30和鈦升華泵29 組成生長室的抽真空系統；離子規28測量真空度；生長室觀察窗22察生長室內的狀況；生 長室樣品架和襯底加熱爐為27，室溫 80(TC可控可調，溫度波動在土rC內；樣品架27下邊 有束源爐25(束源爐共8隻)，每一隻束源爐裝有不同高純的源材料，用主擋板23隔離襯底 與束源爐，每一束源爐口處有一快門24，用以控制束流的關閉與噴出；束流大小決定生長的 快慢，有離子規28來測量束流大小。本發明所述的循環水冷卻系統採用工藝冷水機26對束 源爐周圍進行循環冷卻。生長室的功能主要是完成高質量的iv-vi族半導體晶體薄膜及其異 質結構的生長，樣品的大小可以是2英寸或3英寸或更大。 實施例2:
運用發明實施例1的製備IV — VI族半導體晶體薄膜生長裝置，在BaF2(lll)襯底上生長 PbTe單晶薄膜的操作過程如下
將BaF2襯底放在垂直層流淨化工作檯中，沿(111)面解理，用高純氮氣吹淨；
*將BaF2襯底裝入進樣室樣品架4上，用機械泵3抽10分鐘後，再用複合分子泵8抽半
個小時，抽真空至S5xlO—Spa，進樣室加熱爐7用碘鎢燈加熱襯底，在150-200'C除氣30
分鐘；
*除氣後將進樣室樣品架2上的BaF2襯底，在室溫下通過磁力傳輸杆8傳入生長準備室11 中的轉動樣品架12基片升降臺上三個樣品託中，並關閉進樣室1與生長準備室11之間 的鬧板閥3，用濺射離子泵17保證生長準備室11中超高真空，生長準備室襯底加熱器 14用石墨將襯底加熱到600 °C除氣30分鐘；
*對生長室20中裝有PbTe源材料的束源爐25除氣，將PbTe束源爐25升溫至70(TC左右， 並在高於生長束流溫度15'C對束源爐除氣10分鐘；對Te源束源爐25除氣，將Te束源 爐25升溫至350 'C左右，除氣10分鐘，用離子規28測量分子束流，束流大小決定生長 速率，通過調節束源爐溫度控制分子束束流大小，在除氣及生長過程中一直都用循環水
26對束源爐、生長室外壁製冷，超高真空的保持由離子泵30實現； *將生長準備室11中的BaF2襯底，在室溫下通過磁力傳輸杆8傳入到生長室21中的轉動
樣品架27上，生長準備室與生長室之間的閘板閥15隔離生長室和生長準備室，並用濺
射離子泵30和鈦升華泵29抽生長室真空至S5xlO—Spa的超高真空度； *用襯底鉭片加熱器來加熱襯底，使其溫度為47(TC除氣10分鐘，其間用擋板23隔離樣品
架27上的襯底和束源爐25; *將襯底溫度調節到45(TC，保持襯底溫度波動在士rC內，打開步進電機19，控制轉速在
每分鐘3轉。同時打開PbTe和Te束源爐快門24，打開樣品架擋板23，開始生長； 當PbTe單晶薄膜生長時間達到1小時，關閉束源爐，結束生長，並將襯底溫度降至室溫。 *通過磁力傳送系統將生長好的樣品傳出生長室至生長準備室中，再有生長準備室傳到進
樣室，對進樣室充高純氮氣至1大氣壓，打開進樣室的裝樣門，取出樣品。
權利要求
1、一種製備IV-VI族半導體晶體薄膜生長裝置，包括有生長設備，抽真空系統，加熱系統，冷卻系統，控制系統，其特徵是所述的生長設備由進樣室，生長準備室，生長室三個真空室依次連接構成，進樣室與生長準備室之間及生長準備室與生長室之間由閘板閥隔離，進樣室與生長準備室有樣品傳送杆傳送襯底，生長準備室與生長室有樣品傳送杆傳送襯底，生長準備室和生長室有可升降和轉動的樣品架，生長室樣品架下邊有2-8隻束源爐，由擋板隔離樣品架與束源爐。
2、 根據權利要求1所述製備IV — VI族半導體晶體薄膜生長裝置，其特徵是所述生長設備的進樣室，包括有由機械泵和複合分子泵組成的抽真空系統；放置襯底的樣品架，襯底通 過層流淨化工作檯中裝入樣品架託上；測量真空度離子規；進樣室與生長準備室之間相連， 由真空閘板閥隔離；樣品傳送杆。
3、 根據權利要求1所述製備IV — VI族半導體晶體薄膜生長裝置，其特徵是所述生長設備的 生長準備室，包括有可升降和轉動的樣品架，樣品架上有多個樣品託；加熱爐；濺射離 子泵；開有一觀察窗；生長準備室與生長室相連，由真空閘板閥隔離；生長準備室樣品傳 送杆。
4、 根據權利要求1所述製備IV—VI族半導體晶體薄膜生長裝置，其特徵是所述生長設備的 生長室，包括有由濺射離子泵和鈦升華泵組成生長室的抽真空系統；測量真空度的離子 規；開有一生長室觀察窗；有可升降和轉動的樣品架與步進電機連接，步進電機與計算機 連接，控制樣品架的旋轉速率；襯底鉅片加熱爐；生長室樣品架下邊有多隻束源爐；有測 量束流大小束流規；在束源爐周圍採用工藝冷水機構成冷卻系統。
5、 根據權利要求1所述製備IV — VI族半導體晶體薄膜生長裝置，其特徵是所述束源爐，每 一束源爐口處有一快門，用擋板隔離襯底與束源爐，束源爐為2-8隻，溫控精度為士0.5'C， 在室溫 1200'C連續可調可控。
6、 根據權利要求1所述製備IV—VI族半導體晶體薄膜生長裝置，其特徵是所述的步進電機 在樣品生長時的可控可調的旋轉速率為0 30轉/分無級調速。
7、 根據權利要求1所述製備IV—VI族半導體晶體薄膜生長裝置，其特徵是所述加熱系統， 進樣室加熱爐為碘鎢燈，在室溫 20(TC可控可調；預處理室加熱爐為石墨加熱，在室溫 35(TC可控可調；生長室加熱爐為鉭片加熱，在室溫 800'C可控可調。
8、 根據權利要求1所述製備IV—VI族半導體晶體薄膜生長裝置，其特徵是所述控制系統， 由供電電源，溫度控制電源，步進電機旋轉控制電源，數顯真空計，直聯旋片式機械 泵，複合分子泵電源，濺射離子泵電源，升華泵電源組成，由計算機系統精確調控。 9、權利要求1所述製備IV — VI族半導體晶體薄膜生長裝置的工作過程，其步驟是 將襯底裝入進樣室樣品架上，用機械泵、複合分子泵抽真空，加熱使襯底除氣；*除氣後將襯底在用磁力傳輸杆傳入到生長準備室中可升降和轉動的樣品架上，關閉進樣室與生長準備室之間的閘板閥，生長準備室中抽超高真空，將襯底加熱除氣； *將裝有不同高純的源材料各不同束源爐升溫除氣，用離子規測量分子束流，在除氣及生長過程中一直都用循環水對束源爐和生長室外壁冷卻； *將生長準備室中的襯底在室溫下用磁力傳輸杆傳入到生長室中可升降和轉動的樣品 架上，用閘板閥隔離生長室和生長準備室，並用離子泵和升華泵抽生長室真空至超 高真空度，用鉭片對襯底加熱，用擋板隔離襯底和束源爐；*將襯底溫度調節到生長溫度，保持襯底溫度波動在士rc內，開步進電機，控制轉速，根據需要同時打開2-8個束源爐擋板，打開樣品架擋板，開始生長； *當單晶薄膜生長完成，關閉束源爐，結束生長，並將襯底溫度降至室溫，通過磁力 傳送系統將生長好的樣品傳出生長室至生長準備室中，再有生長準備室傳到進樣室， 對進樣室充高純氮氣至l大氣壓，打開進樣室的裝樣門，取出樣品。
全文摘要
一種製備Ⅳ-Ⅵ族半導體晶體薄膜生長裝置，包括有生長設備，抽真空系統，加熱系統，冷卻系統，控制系統，其特徵是所述的生長設備由進樣室，生長準備室，生長室三個真空室依次連接構成，進樣室與生長準備室之間及生長準備室與生長室之間由閘板閥隔離，進樣室與生長準備室有樣品傳送杆傳送襯底，生長準備室與生長室有樣品傳送杆傳送襯底，生長準備室和生長室有可升降和轉動的樣品架，生長室樣品架下邊有2-8隻束源爐，由擋板隔離樣品架與束源爐，生長室可根據需要選擇用水冷或液氮冷卻，製造成本低，產品質量高，樣品尺寸可達3英寸，均勻性好。
文檔編號H01L21/02GK101100763SQ20071006886
公開日2008年1月9日 申請日期2007年5月17日 優先權日2007年5月17日
發明者吳惠楨, 夏明龍, 徐天寧, 斯劍霄 申請人:浙江大學