一種半導體薄膜生長設備的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種半導體薄膜生長設備，該生長設備適用于化學氣相沉積工藝進行半導體薄膜的生長。所述半導體薄膜生長設備，其包括：載氣裝置、液態源裝置、生長室、旁路以及真空系統，這些部件之間通過管道按一定的邏輯關系連結成一個整體；且每條管道可獨立的打開或關閉。所述液態源裝置包括多個源瓶，安裝在一個惰性氣體控制柜里，其中源瓶安裝在恒溫槽里，通過載氣鼓泡法將液態源輸送至生長室，并在生長室中進行化學反應合成所需半導體薄膜。所述載氣直接通過主管道進入生長室，并通過打開或關閉旁路控制生長室氣源，以達到控制薄膜生長以及切換過程中平衡生長室壓力的目的。
【專利說明】一種半導體薄膜生長設備
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體【技術領域】，尤其涉及一種化學氣相沉積法(ChemicalVapor Deposition, CVD)半導體薄膜生長設備。
【背景技術】
[0002]半導體薄膜材料是現代半導體技術的一個主要領域，它的發展十分迅速。半導體薄膜的制備離不開生長裝置。迄今已經發展了數十種半導體薄膜生長裝置及其生長方法，其中，化學氣相沉積方法具有純度高、可控、可大規模實施等優勢已成為半導體薄膜生長的主流方法。現代商業化學氣相沉積裝置已變得非常復雜，并且裝置本身非常昂貴，在這樣的大型商業裝置上可以沉積出各種復雜的微結構半導體薄膜材料，如AlGaN/GaN、InGaAs/GaAs等超晶格材料，這對于半導體光電子器件的制備具有重要的意義。另一方面，對于一些不需要精細結構的半導體薄膜，如Π-V1、IV-VI 二維層狀薄膜晶體材料、過渡金屬氧化物等新興半導體超薄膜材料，如果仍然采用現有大型商業裝置生長，則顯得成本過高，且不易部署，急需發展新的半導體薄膜生長裝置以及對應的生長方法來進行這些新興半導體超薄膜的生長。
實用新型內容
[0003]為了解決上述問題，本實用新型提供了一種半導體薄膜生長設備，能夠為大多數二維層狀薄膜晶體材料、過渡金屬氧化物等半導體薄膜的制備提供設備及方法支持。
[0004]根據本實用新型的一個方面，其提供了一種半導體薄膜生長設備，包括:載氣裝置、液態源裝置、生長室、旁路以及真空系統，這些部件之間通過管道按一定的邏輯關系連結成一個整體；且每條管道可獨立的打開或關閉。該半導體薄膜生長設備適用于化學氣相沉積工藝。
[0005]其中，所述載氣裝置依次通過手閥、單向閥以及流量計后與第一、第七和第八管道連接，其中第一管道進一步與第二管道和第三管道連接，第七管道進一步與生長室連接，第八管道進一步與旁路連接；所述液態源裝置的入口端與第三管道連接，出口端與第四管道連接；第四管道與第五管道和第六管道連接，第六管道進一步與旁路連接；所述第五管道通過第七管道連接到生長室；所述生長室與真空系統、泵連接。
[0006]其中，所述管道連接的邏輯關系是:第一管道、第七管道和第八管道通過第一四通節點與載氣裝置連接，第一管道、第二管道和第三管道通過第一三通節點連接在一起，第二管道、第三管道和第四管道通過第二三通節點連接在一起，第五管道和第七管道通過第三三通節點與生長室連接，第六管道和第八管道通過第四三通節點與旁路連接。
[0007]相比于一般大型商業化學氣相沉積設備，本實用新型采用可擴展、易于部署的邏輯結構，其結構可靠，操作簡單，可以根據需要安裝多個液態源裝置，也可以根據需要卸載液態源裝置，從而達到安裝或卸載液態源的目的。每個液態源裝置有獨立的恒溫和氣路系統，能夠獨立、同時地由載氣裝置出來的載氣經鼓泡法攜帶進入生長室進行半導體薄膜的 生長，達到增加效率、提高生長質量和降低成本的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是本實用新型優選實施例中半導體薄膜生長設備的結構示意圖；
[0009]圖2是本實用新型中液態源裝置及其在惰性氣體控制柜中的結構示意圖；
[0010]圖3是本實用新型另一優選實施例中半導體薄膜生長設備的結構示意圖；
[0011]圖4是使用本實用新型中半導體薄膜生長設備進行半導體薄膜生長時的具體數據示意圖。
【具體實施方式】
[0012]為使本實用新型的目的、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，對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0013]圖1示出了本實用新型優選實施例中提供的半導體薄膜生長設備的結構示意圖。如圖1所示，該半導體薄膜生長設備適用于化學氣相沉積工藝，所述半導體薄膜生長設備包括載氣裝置、液態源裝置、生長室、旁路、真空系統以及泵，并且通過管道按一定的邏輯關系連結成一個整體。其中，旁路用于排空氣體，真空系統用于維持和調節生長室的真空度，泵用于抽取生長室的氣體。
[0014]其中，載氣裝置用于流通載氣，使載氣可以經載氣裝置出來后依次通過手閥、單向閥以及流量計(MFC)后與三個管道101、107、108連接，其中管道101進一步與管道102和管道103連接，管道107進一步與生長室連接，管道108進一步與旁路連接；液態源裝置的入口端與管道103連接，出口端與管道104連接；生長室與真空系統、旁路與泵連接。所述管道邏輯關系為:管道101、107和108入口端通過一個四通節點I連接在一起，管道101、102和103通過一個三通節點2連接在一起，管道102、103和104通過一個三通節點3連接在一起，管道104、105和106通過一個三通節點4連接在一起，管道105和107通過一個三通節點5與生長室連接在一起，管道106和108通過一個三通節點6與旁路連接在一起。并且四通節點1、三通節點2、三通節點3、三通節點4、三通節點5和三通節點6可以獨立打開、關閉。三通節點7將真空系統和旁路與泵連接在一起。所述液態源裝置的源瓶耐壓范圍為lPa-2E5Pa，所述液態源裝置的恒溫槽溫度范圍為-50°C _300°C，所述生長室耐壓范圍為IOPa至lE5Pa，溫度范圍為室溫至1200°C。
[0015]所述載氣裝置流通的載氣為惰性氣體或者惰性氣體和還原性氣體的混合氣體或者惰性氣體和氧化性氣體的混合氣體。所述管道107的載氣流量、管道108的載氣流量相等，管道101的載氣流量為管道107的載氣流量的百分之一至五分之一。
[0016]本實用新型還提供了一種半導體薄膜生長方法，包括如下步驟:
[0017]開啟泵，打開三通節點7，使泵可以抽取與三通節點7連接的管道，設定真空系統和芳路的壓力；
[0018]依次打開管道106、管道104、管道102,使泵可以抽取管道106、管道104、管道102 ；
[0019]依次關閉管道103、管道105，使泵不可抽取管道103、管道105 ；
[0020]依次打開管道108、管道107、管道101,使泵可以抽取管道108、管道107、管道101 ；
[0021]通過四通節點I通入載氣；
[0022]生長室壓力至指定壓力，升溫至指定溫度，維持此狀態至預定時間；
[0023]關閉管道102，打開管道103，使載氣流入液態源瓶，維持此狀態至預定時間；
[0024]關閉管道106，打開管道105，使從液態源瓶出來的載氣進入生長室，維持此狀態至預定時間；
[0025]關閉管道105，打開管道106，使從液態源瓶出來的載氣進入旁路排空，維持此狀態至預定時間；
[0026]關閉管道103，打開管道102，使載氣不進入液態源瓶，維持此狀態至預定時間；
[0027]生長室壓力至指定壓力，溫度至指定溫度，維持此狀態至預定時間；
[0028]生長室溫度至室溫，維持此狀態至預定時間；
[0029]關閉四通節點1，使載氣關閉；
[0030]依次關閉管道101、管道102、管道104、管道106，使泵不可抽取管道101、管道102、管道104、管道106 ；
[0031]依次關閉管道107、管道108，使泵不可抽取管道107、管道108 ；
[0032]依次關閉真空系統、旁路、三通節點7和泵。
[0033]圖2示出了本實用新型中液態源裝置的源瓶及其在惰性氣體控制柜中的結構示意圖。
[0034]如圖2所示，所述液態源裝置包括恒溫槽208、源瓶207、注入口 205、注入口 206、載氣入口管道203、載氣出口管道204以及旁路管道202。所述液態源放置于源瓶中，所述源瓶207置于恒溫槽208中以保持在恒定溫度。所述惰性氣體控制柜包括柜體209、惰性氣體入口管道210、出口管道211、旁路管道212以及玻璃窗213。所述源瓶207、柜體209為厚3毫米的耐腐蝕不銹鋼組成，所述玻璃窗213為厚8毫米的鋼化玻璃組成。
[0035]圖3示出了本實用新型另一優選實施例中半導體薄膜生長設備的結構示意圖。如圖3所示，所述半導體薄膜生長設備包括五組相互獨立的載氣裝置、三組相互獨立的液態源以及對應的旁路、生長室以及真空系統。所述液態源裝置包括三個源瓶，其安裝在一個惰性氣體控制柜里，其中源瓶安裝在恒溫槽里。
[0036]所述五組獨立的載氣裝置與三組獨立的液態源裝置的連接方式描述如下:生長時，可以使用五組相互獨立的載氣裝置中的任意一種或者兩種或者數種載氣，它或者它們既作為通入生長室的主載氣，直接通過主管道進入生長室，也作為通入液態源瓶用于攜帶液態源的載氣，通過載氣鼓泡法將液態源輸送至生長室。同時可以使用三組相互獨立的液態源裝置中的任意一種或者兩種或者三種液態源。例如，采用H2載氣裝置，將一股H2通入生長室，將3股H2分別通入三組相互獨立的液態源瓶并攜帶液態源后進入生長室，并在生長室中進行化學反應合成所需半導體薄膜。載氣裝置與生長室、液態源裝置和旁路連接，可以通過打開和關閉三通節點達到開關生長室和旁路的目的，進而控制生長室氣源，以達到控制薄膜生長以及切換過程中平衡生長室壓力的目的。其中載氣可以是H2, N2, Ar, O2, CH4中的一種；或者H2和Ar的混和氣體；或者N2和Ar的混和氣體；或者H2和CH4的混和氣體；或者Ar和CH4的混和氣體。通入生長室和旁路的載氣量范圍為IOOsccm至lOOOsccm，通入源瓶的載氣量范圍為Isccm至200SCCm。所述源瓶耐壓范圍為lPa_2E5Pa，所述恒溫槽溫度范圍為_50°C _300°C，所述生長室耐壓范圍為IOPa至lE5Pa，溫度范圍為室溫至1200°C。
[0037]圖4示出了使用本實用新型提供的半導體薄膜生長設備進行生長半導體薄膜時的具體數據示意圖。
[0038]如圖4所示，結合圖3進一步說明，首先開啟泵，穩定之后以Ar和H2的混合氣體作為通入生長室的載氣，Ar和H2的比例為8: 2，混合氣體的流量為lOOOsccm，設定壓力為200Pa。通入旁路和三個源瓶的載氣為Ar，流量分別為1000sccm、200sccm、IOOsccm和50sccm，壓力分別為200Pa、100Pa、100Pa和80Pa。源瓶1、源瓶2和源瓶3的溫度分別為IOO0C、100°C和70°C。載氣從源瓶流出，可以攜帶液態源。此時，通過開關三通節點將攜帶了液態源的載氣經旁路通過泵進行排空，目的是使液態源處于待機狀態。將生長室以10°c /分鐘的升溫速率升溫至900°C，穩定10分鐘后在20分鐘內升溫至生長溫度1100°C，目的是為了使生長室升溫穩定，不會由于升溫過快或者其它原因弓丨起生長室溫度波動。然后將攜帶了液態源的載氣從旁路通過開關三通節點切換到生長室，持續10分鐘，以進行化學氣相沉積生長半導體薄膜晶體材料。最后將攜帶了液態源的載氣從生長室通過開關三通節點切換到旁路，通過泵進行排空。將生長室以自然冷卻的方式進行降溫，待室溫后依次關閉載氣裝置、液態源裝置、真空系統、旁路和泵。
[0039]參考前述本實用新型示例性的描述，本領域技術人員可以清楚的知曉本實用新型具有以下優點:
[0040]1、本實用新型提供的半導體薄膜生長設備，集成設置了多個獨立的液態源裝置，并且各液態源裝置可以方便地安裝和卸載，整體上克服了現有技術中生長設備復雜、昂貴的局限性；提高了生長的效率，降低了能耗和成本。
[0041]2、本實用新型提供的半導體薄膜生長設備，其所述管道邏輯關系合理，每條管道可以獨立地打開或關閉，以達到控制生長半導體薄膜的目的。
[0042]3、此外，本實用新型提供的半導體薄膜生長方法，通過一系列合理可靠的開關管道操作，可控地將生長的各種源氣體進入或離開生長室，因此，氣源之間相互獨立，不會發生竄擾，從而保障了半導體薄膜生長的效率與可控性，同時也有利于獲取高質量的薄膜材料。
[0043]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種半導體薄膜生長設備，其特征在于，包括:載氣裝置、液態源裝置、生長室、旁路以及真空系統，所述載氣裝置依次通過手閥、單向閥以及流量計后與第一、第七和第八管道連接，其中第一管道進一步與第二管道和第三管道連接，第七管道進一步與生長室連接，第八管道進一步與旁路連接；所述液態源裝置的入口端與第三管道連接，出口端與第四管道連接；第四管道與第五管道和第六管道連接，第六管道進一步與旁路連接；所述第五管道通過第七管道連接到生長室；所述生長室與真空系統、泵連接；其中，通過打開和關閉所述載氣裝置與生長室和旁路之間的管道，控制生長室氣源。
2.如權利要求1所述的半導體薄膜生長設備，其特征在于，所述液態源裝置包括多個液態源瓶，且載氣裝置為多個，所述多個液態源瓶、多個載氣裝置和生長室互相連通。
3.如權利要求1所述的半導體薄膜生長設備，其特征在于，所述管道連接的邏輯關系是:第一管道、第七管道和第八管道通過第一四通節點與載氣裝置連接，第一管道、第二管道和第三管道通過第一三通節點連接在一起，第二管道、第三管道和第四管道通過第二三通節點連接在一起，第五管道和第七管道通過第三三通節點與生長室連接，第六管道和第八管道通過第四三通節點與旁路連接。
4.如權利要求3所述的半導體薄膜生長設備，其特征在于，所述四通節點和三通節點均可以獨立打開和關閉。
5.如權利要求1所述的半導體薄膜生長設備，其特征在于，所述真空系統通過三通節點與旁路和泵連接。
6.如權利要求1所述的半導體薄膜生長設備，其特征在于，所述液態源裝置包括源瓶、恒溫槽及相關組件，所述液態源放置于源瓶中，所述源瓶置于恒溫槽中，所述源瓶耐壓范圍為lPa-2E5Pa，所述恒溫槽溫度范圍為_50°C _300°C。
7.如權利要求1所述的半導體薄膜生長設備，其特征在于，所述生長室耐壓范圍為IOPa至lE5Pa，溫度范圍為室溫至1200°C。
8.如權利要求1所述的半導體薄膜生長設備，其特征在于，所述第七管道的載氣流量、第八管道的載氣流量相等，第一管道的載氣流量為第七管道的載氣流量的百分之一至五分之一 O
【文檔編號】C30B25/16GK203530429SQ201320445673
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年7月25日 優先權日:2013年7月25日
【發明者】劉興昉, 劉斌, 鄭柳, 董林, 劉勝北, 閆果果, 孫國勝, 曾一平 申請人:中國科學院半導體研究所