專利名稱：一種生長氧化鋅薄膜的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及半導體薄膜外延生長技術領域，尤其涉及一種生長氧化鋅 薄膜的裝置及方法，特別是指用于外延生長氧化鋅半導體薄膜的金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)的反應室結構。本發明設計的具有溫度調制 功能的反應室結構，可以兼顧氧化鋅薄膜邊低溫P型摻雜生長邊高溫快速 退火提高結晶質量的特殊要求，可實現氧化鋅薄膜的高結晶質量均勻生 長，以滿足制備短波長光電器件需要。
背景技術：
氧化鋅(ZnO)具有與氮化鎵(GaN)近似的禁帶寬度和晶體結構， 被認為是最有希望與GaN競爭的第三代半導體光電材料，具有如下優點(1) 具有更高的激子束縛能。ZnO的的激子束縛能約為60meV，約是 室溫熱動能和GaN激子束縛能(約26meV)的2.5倍。很容易實現室溫紫外 發光或低閾值、高增益的受激發射。(2) 存在大尺寸ZnO單晶襯底。可實現同質外延，降低位錯密度。(3) 容易解理，解理面即可成為激光振蕩腔面，反射率高，容易激射。(4) 成本低廉。生長溫度低，原料成本低，工藝成本低，利于產業 化和商業推廣。然而，ZnO材料遇到了一些困難(1) p型摻雜。較低的生長溫度( 500°C)有利于p型雜質(如N原 子)的高濃度摻雜并入，但會引入大量的晶格缺陷；而較高的生長溫度(700 1000°C)則有利于提高材料的結晶度，但由于ZnO大的馬德隆能帶 來的自補償效應及較強離子鍵的存在，p型雜質(如N原子)的高濃度摻雜 并入卻非常困難，無法獲得p型導電。(2) 三維生長，橫向成膜困難。ZnO沿C軸的極性存在，造成ZnO沿 C軸快速生長，材料內部大量晶粒晶界產生，降低了材料性能，進而很大 程度影響發光效率。(3) 預反應強烈。這只對MOCVD而言，對MBE不存在。由于氧源 和鋅源之間強烈的反應， 一方面造成氣相中的原料消耗，另一方面產生大 分子團沉積在襯底影響材料結晶質量。因此，如何克服上述困難、發展新的制備生長設備和方法，是當前ZnO 薄膜研究需要重點解決的技術問題。2005年日本東北大學用溫度調制分子束外延(MBE)法在鋁鎂酸鈧襯 底上實現了 p型摻雜和ZnO-LED的室溫電致紫外發光(Nature materials,4 (2005) 42)，取得了突破性進展。為什么用溫度調制MBE法能夠取得這 一突破？原因如下(1) 溫度調制MBE法，在低溫下有利于p型雜質并入，在高溫下快 速退火提高晶體的結晶質量，克服了 p型摻雜困難；(2) 溫度調制MBE法，在高溫下快速退火，促使晶體橫向生長，消 除晶界，提高結晶質量。(3) 溫度調制MBE法，在MBE高真空環境下，不存在氣體預反應， 不會產生大分子團沉積襯底影響晶體結晶質量。雖然這種邊低溫P型摻雜生長邊高溫快速退火提高結晶質量的溫度調 制MBE法取得了巨大成功，但也存在致命的弱點 (1) MBE成本高。 (2)用大功率激光會聚在一點上快速升溫退火，面積很小。這些都 不利于生產。因此國際上對該方法并沒有多大熱情。目前國際上還沒有第二家單位采用此種MBE法生長ZnO。能否發展一種既具有快速溫度調制功能，而 且成本又低廉實用的設備和方法，是ZnO薄膜材料能否真正走向實用的技 術關鍵。金屬有機物氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)系統是半導體薄膜外延生長領域非常關鍵的設備，不僅可以用 于科學研究，而且是目前半導體器件規模化生產的主流工藝。由于MOCVD 設備的生產和操作成本要遠遠低于MBE，而且生長速度快，效率高；同 時，相比磁控濺射等物理沉積設備所生長的外延膜晶體質量好，還可以實 現大尺寸和多片的同時生長。因此，利用MOCVD設備生長ZnO薄膜的應用前景最被看好。然而， MOCVD設備具有非兼容性，目前發展比較成熟的適合GaAs或GaN薄膜 材料的MOCVD設備并不適合ZnO薄膜的生長，必須根據ZnO薄膜材料 生長的特殊要求和源材料特點設計MOCVD設備的反應室結構。比如，既要兼顧ZnO薄膜邊低溫P型摻雜生長邊高溫快速退火提高 結晶質量的特殊要求，還要避免有機鋅源與氧源之間以及摻雜劑源與前兩 種源之間的強烈預反應，實現有效摻雜與薄膜的均勻潔凈生長。盡管目前國際上已經發展了多種形式用于ZnO薄膜生長的MOCVD 設備反應室結構，可是要么不能有效克服預反應，實現有效摻雜與薄膜均 勻潔凈生長，要么不具有高低溫生長的溫度調制功能。因此，基于我實驗室在研制生長氧化物薄膜材料的MOCVD設備反應
室的經驗，本發明設計出一種既可兼顧ZnO薄膜邊低溫P型摻雜生長邊高溫快速退火提高結晶質量的特殊要求，還可有效克服預反應，實現有效摻雜與薄膜的均勻潔凈生長的新MOCVD設備反應室結構，以滿足制備 ZnO基短波長光電器件對高質量ZnO薄膜材料的需要。發明內容(一) 要解決的技術問題有鑒于此，本發明的一個目的在于提供一種生長氧化鋅薄膜的裝置， 另一個目的在于提供一種生長氧化鋅薄膜的方法，以兼顧ZnO薄膜邊低溫 P型摻雜生長邊高溫快速退火提高結晶質量的特殊要求，克服預反應，實 現有效摻雜與薄膜的均勻潔凈生長，滿足制備ZnO基短波長光電器件對高 質量ZnO薄膜材料的需要。(二) 技術方案為達到上述一個目的，本發明提供了一種生長氧化鋅薄膜的裝置，該 裝置包括襯底基座1，位于反應室的中部，用于實現氧化鋅薄膜的高低溫周期 交替生長；三路射流進氣噴管2， 一端分別獨立連接于反應室外供應有機鋅源、 氧源和摻雜劑源的管路，另一端位于襯底基座1上襯底基片的上方，能夠 為襯底基片提供有機鋅源、氧源和摻雜劑源，用于克服源料間的預反應和 實現有效摻雜；輔氣吹嘴3， 一端連接于反應室外的供應輔氣的管路，另一端位于襯
底基座1上襯底基片的上方，在氧化鋅薄膜生長過程中向反應室內通入起 吹掃作用的氣體，吹掃所述源氣的熱反流氣體反應產生的大分子團，保證 潔凈生長；襯底旋轉機構4，其旋轉軸連接于襯底基座1上的襯底托盤的底部， 用于帶動襯底基座1上的襯底托盤和襯底高速旋轉，實現均勻生長； 不銹鋼外殼5，用于生長氧化鋅薄膜裝置的密封；調溫氣體管道6，其進氣管一端連接于反應室外供應調溫氣體的管路， 另一端連接到襯底基座1上的調溫氣體進氣口，用于向襯底基座1內通入 調溫氣體，出氣管一端連接于襯底基座l上的調溫氣體出氣口，另一端連 接到反應室外排調溫氣體的管路，用于排出通入到襯底基座l內的調溫氣 體；反應室抽氣口 7，位于反應室的下部，用于抽走反應室的載氣、輔氣、 擴散到反應室內的部分調溫氣體及殘余的源氣。所述襯底基座1具有雙溫區結構，下部為恒溫區ll，由加熱器lll、 保溫層112和控溫探頭113構成；上部為調溫區12由襯底121、襯底托盤 122、隔熱層123、測溫探頭124、調溫氣體進氣口 125和調溫氣體出氣口 126構成。所述加熱器111采用熱容大的石墨加熱器，工作時處于700至IOO(TC的恒定高溫狀態；所述襯底托盤122采用石墨材料或碳化硅材料；所述隔熱層123采用導熱差的石英材料或藍寶石材料；所述恒溫區11和隔熱層123固定不動，襯底121和襯底托盤122在襯底旋轉機構4的帶動下高速旋轉。
所述襯底托盤122與隔熱層123之間的間隙用來通調溫氣體127，調 溫氣體127自襯底基座調溫區12內一端的進氣口 125導入，自另一端的 出氣口126導出，用于降低襯底托盤122的溫度，且不影響襯底121表面 的生長氣氛。所述調溫氣體127對襯底托盤122和襯底121的降溫幅度通過控制通 入的調溫氣體127的流量來控制，降溫速度通過改變襯底托盤122與隔熱 層123間隙的大小來調控。所述調溫氣體127至少包括氮氣、液氮氣和氬氣。所述輔氣吹嘴3為喇叭口狀，通入的起吹掃作用的氣體為氮氣或氬氣。所述三路射流進氣噴管2由有機鋅源射流噴管21、氧源射流噴管22、 摻雜劑源射流噴管23構成。所述不銹鋼外殼5包括上蓋51和下蓋52，上蓋51可升降，便于取裝 襯底基片121。所述調溫氣體管道6包括調溫氣體進氣管61和出氣管62。 為達到上述另一個目的，本發明提供了一種生長氧化鋅薄膜的方法， 該方法包括步驟1、將清洗過的襯底基片121置入襯底托盤122上； 步驟2、將襯底基座1恒溫區11的加熱器111升溫到700至IOO(TC 的恒定高溫狀態；步驟3、開啟襯底旋轉機構，旋轉軸4帶動襯底托盤122和襯底121 高速旋轉；步驟4、開啟調溫氣體127閥門，由調溫氣體進氣口 125通調溫氣體 127，通過調解進氣流量將襯底托盤122和襯底121降到適宜氧化鋅薄膜P
型摻雜生長的350至550°C ，并維持此流量不變；步驟5、由反應室頂部的喇叭口狀輔氣吹嘴3通入起吹掃作用大流量 氮氣；步驟6、由三路射流噴管2通入有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，在 具有低溫的襯底121表面上進行2至3分鐘的氧化鋅薄膜P型摻雜生長；步驟7、關閉三路射流噴管2的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，停 止生長，關閉調溫氣體127，在下部恒溫區11熱容大的加熱器111強熱輻 射下，熱容小導熱好的襯底托盤122和襯底121迅速升溫到與加熱器相同 的700至1000。C高溫狀態，對生長的氧化鋅薄膜進行1至2分鐘的快速退 火；步驟8、開啟調溫氣體127，保持步驟4中的流量將襯底托盤122和 襯底121再次降到氧化鋅薄膜P型摻雜生長所需的低溫，開啟三路射流噴 管2的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，再次進行2至3分鐘的氧化鋅薄 膜P型摻雜生長；步驟9、關閉三路射流噴管2的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，停 止生長，關閉調溫氣體127，對生長的氧化鋅薄膜進行1至2分鐘的快速 退火；步驟IO、重復步驟8和9，直到生長得到所需要厚度的氧化鋅薄膜； 步驟11、關閉加熱器111、輔氣吹嘴3通入的氮氣和襯底旋轉機構4， 完成氧化鋅薄膜的生長。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提供的這種生長氧化鋅薄膜的裝置，相比現有的用于生長氧化鋅薄膜的金屬有機物化學氣相沉積反應室結構，既兼顧了 ZnO薄膜邊 低溫P型摻雜生長邊高溫快速退火提高結晶質量的溫度調制外延特殊要 求，還能有效避免有機鋅源與氧源之間，以及摻雜劑源與前兩種源之間的 強烈預反應，實現有效摻雜與薄膜的均勻潔凈生長，使得所生長的高質量ZnO薄膜材料能夠滿足制備ZnO基短波長光電器件的需要。2、 本發明提供的這種生長氧化鋅薄膜的方法，采用的吹氣降溫方式 與傳統的機械部件吹氣淬火具有類似效果，將利用吹氣和停氣來實現降溫 和升溫的方式引入MOCVD設備是本發明的獨到創新之處。此種降溫和升 溫過程速度快，而且能夠非常方便的實現低溫生長和高溫快速退火過程的 自動快速周期切換，技術簡單實用、便于操作。3、 本發明提供的這種生長氧化鋅薄膜的裝置及方法，采用MOCVD 設備制備生長ZnO薄膜，相比MBE設備，生長速度快，設備、運行維護 成本低，更利于產業化推廣，而相比磁控濺射設備，MOCVD設備制備生 長的ZnO薄膜結晶質量高，更適合制備光電器件結構。
圖1為本發明提供的生長氧化鋅薄膜裝置的結構示意圖；其中，l為 襯底基座，包含恒溫區ll、調溫區12， 2為三路射流進氣噴管，包含有機 鋅源射流噴管21、氧源射流噴管22、摻雜源射流噴管23， 3為喇叭口狀 的輔氣吹嘴，4為旋轉機構的旋轉軸，5為不銹鋼外殼，包含可升降的上 蓋51和下罩52， 6為調溫氣管道，包含調溫氣體進氣管61，出氣管62， 7為反應室抽氣口。圖2為本發明提供的襯底基座的結構示意圖；其中，ll為恒溫區，由 加熱器111、保溫層112和控溫探頭113構成；12為調溫區，由襯底121、 襯底托盤122、隔熱層123、測溫探頭124、調溫氣體進氣口 125、調溫氣 體出氣口 126構成，127為調溫氣體。其中，恒溫區11和調溫區隔熱層 123固定不動，旋轉軸4能帶動襯底托盤122和襯底121獨立高速旋轉。 圖3為本發明提供的生長氧化鋅薄膜的方法流程圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1為本發明提供的生長氧化鋅薄膜裝置的結構示意圖， 該裝置包括襯底基座1、三路射流進氣噴管2、輔氣吹嘴3、襯底旋轉機構 4、不銹鋼外殼5、調溫氣體管道6和反應室抽氣口 7。其中，襯底基座l位于反應室的中部，用于實現氧化鋅薄膜的高低溫 周期交替生長。如圖2所示，圖2為本發明提供的襯底基座的結構示意圖。該襯底基座1具有雙溫區結構，下部為恒溫區ll，由加熱器lll、保 溫層112和控溫探頭113構成；上部為調溫區12由襯底121、襯底托盤 122、隔熱層123、測溫探頭124、調溫氣體進氣口 125和調溫氣體出氣口 126構成。其中，恒溫區11和隔熱層123固定不動，襯底121和襯底托盤 122在襯底旋轉機構4的旋轉軸帶動下高速旋轉。襯底基座1具有生長溫 度調制功能，可實現氧化鋅薄膜的高低溫周期交替生長。所述的襯底基座1中的恒溫區11的加熱器111可以采用熱容大的石 墨加熱器，工作時，石墨加熱器111始終處于700 100(TC的恒定高溫狀態。 調溫區12的熱容小導熱好的襯底托盤122可采用石墨材料或碳化硅材料。
隔熱層123可釆用導熱差的石英材料或藍寶石材料，襯底托盤122與隔熱 層123之間的間隙用來通調溫氣體127。調溫氣體127自襯底基座調溫區內一端的進氣口 125導入，自另一端 的出氣口126導出，對導熱好的襯底托盤122起到降溫作用，且不影響襯 底121表面的生長氣氛。降溫幅度可通過控制通入的調溫氣體127的流量 來控制，而降溫的速度可通過改變襯底托盤122與隔熱層123間隙的大小 來調控。調溫氣體127可以是氮氣、液氮氣或氬氣，工作時，恒溫區11 和調溫區12的隔熱層123固定不動，襯底旋轉機構的旋轉軸4帶動調溫 區襯底托盤122和襯底121以100~900轉/分鐘的轉速高速旋轉。三路射流進氣噴管2，由有機鋅源射流噴管21、氧源射流噴管22、摻 雜劑源射流噴管23構成， 一端分別獨立連接于反應室外供應有機鋅源、 氧源和摻雜劑源的管路，另一端位于襯底基座1上襯底基片的上方呈"品" 字型排列，分別獨立提供有機鋅源、氧源和摻雜劑源，且管上一排對稱分 布的噴氣孔上噴出的源氣流先在襯底表面上交匯成一點再連成一線，在襯 底高速旋轉的配合下，覆蓋整個襯底表面。此種設計有效地克了服預反應、 提高了源材料利用率，利于實現有效摻雜和便于選擇優化摻雜劑。喇叭口狀的輔氣吹嘴3， 一端連接于反應室外的供應輔氣的管路，另 一端位于襯底基座l上襯底基片的上方。在生長過程中，由三路射流噴管高速噴射到襯底表面的源氣流反射形成的熱反流氣體在襯底上方相遇并 反應產生的大分子團。此時，由輔氣吹嘴3通入的大流量氮氣或氬氣能夠
吹掃懸浮的這些大分子團，既可以防止這些非想要的大分子團落到襯底表 面，還可以防止天棚沉積，因此可保證潔凈生長。襯底旋轉機構4的旋轉軸連接于襯底基座1上的襯底托盤的底部，其旋轉軸能夠帶動襯底托盤122和襯底121高速旋轉，可實現薄膜的均勻大 面積生長。不銹鋼外殼5用于生長氧化鋅薄膜裝置的密封，包括上蓋51和下罩52，上蓋51可升降，便于取裝襯底基片。調溫氣體管道6包括調溫氣體進氣管61，出氣管62，用來通大流量的氮氣、液氮氣或氬氣等調溫氣體。進氣管61 —端連接于反應室外供應調溫氣體的管路，另一端連接到襯底基座1上的調溫氣體進氣口 125，用于向襯底基座1內通入調溫氣體127，出氣管62 —端連接于襯底基座1上的調溫氣體出氣口 126，另一端連接到反應室外排調溫氣體的管路，用于排出通入到襯底基座1內的調溫氣體127。反應室抽氣口7位于反應室的下部，用于抽走反應室的載氣、輔氣、擴散到反應室內的部分調溫氣體及殘余的源氣。利用本發明提供的的用于生長氧化鋅薄膜的金屬有機物化學氣相沉 積設備的裝置，進行氧化鋅薄膜的P型摻雜高結晶質量生長的方法如圖3 所示，圖3為本發明提供的生長氧化鋅薄膜的方法流程圖，包括以下步驟: 步驟301:將清洗過的襯底基片121置入襯底托盤122上； 步驟302:將襯底基座1恒溫區11的加熱器111升溫到700~1000°C
的恒定高溫狀態。此時，上部調溫區12的襯底托盤122和襯底121在下 部加熱器111的強熱輻照下也具有相同的溫度；步驟303:開啟襯底旋轉機構，旋轉軸4帶動襯底托盤122和襯底121高速旋轉；步驟304:開啟調溫氣體127閥門，由調溫氣體進氣口 125通調溫氣 體127，通過調解進氣流量將襯底托盤122和襯底121降到適宜氧化鋅薄 膜P型摻雜生長的350 55(TC，并維持此流量不變；步驟305:由反應室頂部的喇叭口狀輔氣吹嘴3通入起吹掃作用大流 量氮氣；步驟306:由三路射流噴管2的三根噴管21、 22、 23分別通入有機鋅 源、氧源和P型摻雜劑源，在具有低溫的襯底121表面上進行2~3分鐘的 氧化鋅薄膜P型摻雜生長；步驟307:關閉三路射流噴管2的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源， 停止生長，關閉調溫氣體127，在下部恒溫區11熱容大的加熱器111強熱 輻射下，熱容小導熱好的襯底托盤122和襯底121迅速升溫到與加熱器相 同的700 1000'C高溫狀態，對生長的氧化鋅薄膜進行1~2分鐘的快速退 火，改善結晶質量；步驟308:開啟調溫氣體127，保持步驟4中的流量將襯底托盤122 和襯底121再次降到氧化鋅薄膜P型摻雜生長所需的低溫，開啟三路射流 噴管2的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，再次進行2 3分鐘的氧化鋅薄 膜P型摻雜生長；步驟309:關閉三路射流噴管2的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，
停止生長，關閉調溫氣體127，對生長的氧化鋅薄膜進行1~2分鐘的快速 退火，改善結晶質量；步驟310:重復步驟308和309，直到生長得到所需要厚度的氧化鋅 薄膜；步驟311:關閉加熱器111、輔氣吹嘴3通入的氮氣和襯底旋轉機構4， 完成氧化鋅薄膜的生長。其中，生長過程中，調溫氣體127的開關，有機鋅源、氧源和P型慘 雜劑源源氣的開關，都是通過金屬有機物氣相沉積(MOCVD)設備的自 動控制系統按照運行操作程序控制軟件設定好的開關時間，自動調控周期 切換。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而 已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，該裝置包括襯底基座(1)，位于反應室的中部，用于實現氧化鋅薄膜的高低溫周期交替生長；三路射流進氣噴管(2)，一端分別獨立連接于反應室外供應有機鋅源、氧源和摻雜劑源的管路，另一端位于襯底基座(1)上襯底基片的上方，能夠為襯底基片提供有機鋅源、氧源和摻雜劑源，用于克服源料間的預反應和實現有效摻雜；輔氣吹嘴(3)，一端連接于反應室外的供應輔氣的管路，另一端位于襯底基座(1)上襯底基片的上方，在氧化鋅薄膜生長過程中向反應室內通入起吹掃作用的氣體，吹掃所述源氣的熱反流氣體反應產生的大分子團，保證潔凈生長；襯底旋轉機構(4)，其旋轉軸連接于襯底基座(1)上的襯底托盤的底部，用于帶動襯底基座(1)上的襯底托盤和襯底高速旋轉，實現均勻生長；不銹鋼外殼(5)，用于生長氧化鋅薄膜裝置的密封；調溫氣體管道(6)，其進氣管一端連接于反應室外供應調溫氣體的管路，另一端連接到襯底基座(1)上的調溫氣體進氣口，用于向襯底基座(1)內通入調溫氣體，出氣管一端連接于襯底基座(1)上的調溫氣體出氣口，另一端連接到反應室外排調溫氣體的管路，用于排出通入到襯底基座(1)內的調溫氣體；反應室抽氣口(7)，位于反應室的下部，用于抽走反應室的載氣、輔氣、擴散到反應室內的部分調溫氣體及殘余的源氣。
2、 根據權利要求1所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，所 述襯底基座(1)具有雙溫區結構，下部為恒溫區(11)，由加熱器(111)、保溫層(112)和控溫探頭(113)構成；上部為調溫區(12)由襯底(121)、 襯底托盤(122)、隔熱層(123)、測溫探頭(124)、調溫氣體進氣口 (125) 和調溫氣體出氣口 (126)構成。
3、 根據權利要求2所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于， 所述加熱器(111 )采用熱容大的石墨加熱器，工作時處于700至IOO(TC的恒定高溫狀態；所述襯底托盤(122)采用石墨材料或碳化硅材料； 所述隔熱層(123)采用導熱差的石英材料或藍寶石材料； 所述恒溫區(11)和隔熱層(123)固定不動，襯底(121)和襯底托盤(122)在襯底旋轉機構(4)的帶動下高速旋轉。
4、 根據權利要求3所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，所 述襯底托盤(122)與隔熱層(123)之間的間隙用來通調溫氣體(127)， 調溫氣體(127)自襯底基座調溫區(12)內一端的進氣口 (125)導入， 自另一端的出氣口 (126)導出，用于降低襯底托盤(122)的溫度，且不 影響襯底(121)表面的生長氣氛。
5、 根據權利要求4所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，所 述調溫氣體(127)對襯底托盤(122)和襯底(121)的降溫幅度通過控 制通入的調溫氣體(127)的流量來控制，降溫速度通過改變襯底托盤(122) 與隔熱層(123)間隙的大小來調控。
6、 根據權利要求1 、 4或5所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征 在于，所述調溫氣體(127)至少包括氮氣、液氮氣和氬氣。
7、 根據權利要求1所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，所 述輔氣吹嘴(3)為喇叭口狀，通入的起吹掃作用的氣體為氮氣或氬氣。
8、 根據權利要求1所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，所 述三路射流進氣噴管(2)由有機鋅源射流噴管(21)、氧源射流噴管(22)、 摻雜劑源射流噴管(23)構成。_
9、 根據權利要求1所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，所 述不銹鋼外殼(5)包括上蓋(51)和下蓋(52)，上蓋(51)可升降，便 于取裝襯底基片(121)。
10、 根據權利要求1所述的生長氧化鋅薄膜的裝置，其特征在于，所 述調溫氣體管道(6)包括調溫氣體進氣管(61)和出氣管(62)。
11、 一種生長氧化鋅薄膜的方法，其特征在于，該方法包括 步驟l、將清洗過的襯底基片(121)置入襯底托盤(122)上；步驟2、將襯底基座(1)恒溫區(11)的加熱器(111)升溫到700 至100(TC的恒定高溫狀態；步驟3、開啟襯底旋轉機構，旋轉軸(4)帶動襯底托盤(122)和襯 底(121)高速旋轉；步驟4、開啟調溫氣體(127)閥門，由調溫氣體進氣口 (125)通調 溫氣體(127)，通過調解進氣流量將襯底托盤(122)和襯底(121)降到 適宜氧化鋅薄膜P型摻雜生長的350至550°C ，并維持此流量不變；步驟5、由反應室頂部的喇叭口狀輔氣吹嘴(3)通入起吹掃作用大流 量氮氣；步驟6、由三路射流噴管(2)通入有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，在具有低溫的襯底(121)表面上進行2至3分鐘的氧化鋅薄膜P型摻雜 生長；步驟7、關閉三路射流噴管(2)的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源， 停止生長，關閉調溫氣體(127)，在下部恒溫區(11)熱容大的加熱器(111) 強熱輻射下，熱容小導熱好的襯底托盤(122)和襯底(121)迅速升溫到 與加熱器相同的700至100(TC高溫狀態，對生長的氧化鋅薄膜進行1至2 分鐘的快速退火；步驟8、開啟調溫氣體(127)，保持步驟4中的流量將襯底托盤(122) 和襯底(121)再次降到氧化鋅薄膜P型摻雜生長所需的低溫，開啟三路 射流噴管(2)的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源，再次進行2至3分鐘 的氧化鋅薄膜P型摻雜生長；步驟9、關閉三路射流噴管(2)的有機鋅源、氧源和P型摻雜劑源， 停止生長，關閉調溫氣體(127)，對生長的氧化鋅薄膜進行l至2分鐘的 快速退火；步驟IO、重復步驟8和9，直到生長得到所需要厚度的氧化鋅薄膜；步驟11、關閉加熱器(111)、輔氣吹嘴(3)通入的氮氣和襯底旋轉 機構(4)，完成氧化鋅薄膜的生長。
全文摘要
本發明公開了一種生長氧化鋅薄膜的裝置，包括襯底基座、三路射流進氣噴管、輔氣吹嘴、襯底旋轉機構和不銹鋼外殼。兼顧了氧化鋅薄膜P型摻雜適宜采用低生長溫度，而結晶質量提高適宜采用高生長溫度的特殊要求。將襯底基座設計成雙溫區，下部為恒溫區，工作時處于高溫狀態，由熱容大的加熱器、控溫探頭和保溫層構成；上部為調溫區，由熱容小導熱好的襯底托盤、襯底、測溫探頭和隔熱層構成，通過控制進入導熱托盤與隔熱層間隙的調溫氣體的開關時間和吹氣流量來實現低溫P型摻雜生長和高溫快速退火的溫度周期調制。本發明同時公開了一種生長氧化鋅薄膜的方法。利用本發明，能提高氧化鋅薄膜結晶質量和實現均勻生長，并滿足制備短波長光電器件需要。
文檔編號C30B25/02GK101210345SQ20061016975
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者劉祥林, 張攀峰, 張曉沛, 楊少延, 焦春美, 王占國, 范海波, 董向蕓, 趙鳳璦, 魏宏源 申請人:中國科學院半導體研究所