CN114059039B - 一种直接探测中子的10bn材料的低气压化学气相沉积生长装置及其生长方法 - Google Patents
一种直接探测中子的10bn材料的低气压化学气相沉积生长装置及其生长方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114059039B CN114059039B CN202111352932.9A CN202111352932A CN114059039B CN 114059039 B CN114059039 B CN 114059039B CN 202111352932 A CN202111352932 A CN 202111352932A CN 114059039 B CN114059039 B CN 114059039B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- growth
- source
- gas
- tube
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims abstract description 47
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 47
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 35
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 24
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 12
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 38
- JBANFLSTOJPTFW-UHFFFAOYSA-N azane;boron Chemical compound [B].N JBANFLSTOJPTFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 15
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 14
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 9
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 7
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 5
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 2
- 238000010517 secondary reaction Methods 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 claims description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 38
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 38
- 239000010408 film Substances 0.000 description 24
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- VWHCRPOEYZPVCP-UHFFFAOYSA-N ClB1N(Cl)BNBN1Cl Chemical compound ClB1N(Cl)BNBN1Cl VWHCRPOEYZPVCP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- BGECDVWSWDRFSP-UHFFFAOYSA-N borazine Chemical compound B1NBNBN1 BGECDVWSWDRFSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000010985 leather Substances 0.000 description 1
- 239000012705 liquid precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 239000011163 secondary particle Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/34—Nitrides
- C23C16/342—Boron nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/448—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for generating reactive gas streams, e.g. by evaporation or sublimation of precursor materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
- C23C16/45512—Premixing before introduction in the reaction chamber
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber
- C23C16/4582—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/52—Controlling or regulating the coating process
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长装置及其生长方法，以源加热炉加热生长源，使其分解为气态产物，以氩气或者氮气作为气态产物的载气，在混气罐中混气结束后通入刚玉管中进行10BN薄膜的生长。该生长方法使用的生长源为富集10B，使得生长的10BN薄膜中有较好的10B丰度；该生长方法的生长源与载气在混气罐中混气结束后通入反应腔室，使得生长源能和载气均匀混合，能有效地提高10BN薄膜的生长速率和质量；该生长方法利用加热线圈加热生长源的传输路径，以减少前驱体在传输过程中的损耗；该生长方法利用双温区的高温管式炉，使得温度场更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是一种直接探测中子的宽禁带半导体材料10BN的生长装置及其生长方法。
背景技术
由于中子本身不带电，即使很低的能量也能引起核反应，因此中子成为研究核反应的很好的轰击粒子；中子在核裂变反应中也有及其重要的作用；而且中子因其电中性和具有磁矩，成为研究物质微观结构和运动状态的理想工具。综上所述先进的中子探测技术在开展精密中子物理实验的基础，对核安全保障技术、中子冶癌、中子成像、材料科学研究、蛋白质结构探测和石油勘探等研究领域具有重大作用，研究中子探测技术具有重要意义。
利用3He制备的气体直接转换中子探测器能实现目前最高的中子探测效率 (大于90％)，但是由于3He气体中子探测器体积比较庞大、需要高压操作，更重要的是地球上3He储量稀少，价格昂贵。因此，迫切需要开发探测效率较高的固态中子探测器。
近年来，常规的半导体中子探测器是将含有6Li和10B的中子转换材料(如6LiF或10B4C)涂敷在半导体表面，在其表面形成一层一定厚度的中子转换层。即使中子转换层使得固态中子探测器对中子的探测得以实现，但是也影响了探测器的探测效率和能量分辨率。涂敷转换层的中子探测器探测效率本质上较低，因为转换层的厚度要求存在冲突，首先是转换层必须足够厚以捕获入射的中子，其次转换层也要足够薄使得次级粒子能够到达半导体层以产生电子-空穴对。
10BN是重要的Ⅲ-V族化合物宽禁带半导体材料，能在高温和高辐照的极端环境下工作，室温下的禁带宽度为6.5eV。10BN中的10B具有相当高的热中子俘获截面(3840barns)，如果以10BN为中子探测材料，中子的捕获和电信号的产生就可以在探测器体内发生，，可实现中子的直接探测大大提高了探测效率。因此，10B富集的10BN是一种极具潜力的中子探测材料。
化学气相沉积法制备BN薄膜的本质就是通过分解含有B和N的化合物在衬底上反应生成BN薄膜。而生长BN薄膜的气态前驱体(BF3/NH3、BCl3/NH3、 B2H6/NH3等)和液态前驱体(三氯硼嗪、硼嗪等)由于其本身带有毒性或者分解产物带有毒性，使得生长的操作比较困难且有安全隐患，特别是具有同位素的10BN材料的生长装置不能解决10B和N的化合物生长问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题，提供了一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长装置。富集10B的10BN中子探测器，不仅具有极高的探测效率(59～90％)，而且还能在高温和高辐射的极端环境下工作。
本发明的技术方案为：由四个质量流量计分别控制氮气、氩气、氢气和混气的气体流量；以刚玉管作为反应腔室用于放置生长舟和外延生长10BN薄膜的衬底并基于所述生长源进行10BN薄膜的生长；通过皮拉规真空表和管式炉压强监测仪器分别监测混气罐的压力和刚玉管的真空度；可以通过质量流量计控制气体流量以及抽真空***来调节反应室的生长压力；以富含10B的生长源作为生长10BN薄膜的前驱体；以源加热炉作为生长源的加热装置，使其分解为气态产物，以氩气作为气态产物的载气，将载气和生长源在混气罐中混气结束后通入由刚玉管构成的反应腔室中进行10BN薄膜的生长；双温区高温管式炉用于加热刚玉管即反应腔室，使其达到10BN生长的温度，两个温区也使得温场更加稳定；以氢气作为刻蚀气体用来刻蚀10BN薄膜，以氮气和氩气作为生长10BN薄膜的载气；在开始生长10BN薄膜前要对衬底进行退火处理，退火的目的是消除衬底表面应力和修复部分缺陷；通过源路加热线器加热生长源的传输路径，以减少生长源在传输路径上的损失。
一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长装置，该生长装置包括氢气气源、氮气气源、氩气气源、质量流量计I、质量流量计II、质量流量计III、质量流量计IV、源加热炉、生长源、混气罐、源路加热器、管式炉皮拉规真空表、开关阀、管式炉压强监测仪器、双温区高温管式炉、温区 I、温区II、刚玉管、热电偶、生长舟和抽真空***；氢气气源和氮气气源分别连接质量流量计I和质量流量计II，氩气气源与质量流量计III和质量流量计 IV相连，质量流量计I、质量流量计II和质量流量计III再与下方的混气罐相连，而质量流量计IV与下方的源加热炉相连，源加热炉再与下方的混气罐相连，生长源放在源加热炉内，源路加热器缠绕在混气罐、管式炉皮拉规真空表和开关阀等源传输路径上，管式炉压强监测仪器与刚玉管连接，温区I、温区 II和刚玉管位于双温区高温管式炉内部，热电偶与刚玉管相接触，生长舟位于刚玉管内，而刚玉管又与右方的抽真空***连接。
刚玉管用于低气压化学气相沉积的反应腔室，刚玉管管径500～800mm，管长1000～1200mm。
通过管式炉皮拉规真空表和管式炉压强监测仪器分别监测混气罐的压力和刚玉管中的真空度；通过质量流量计控制气体流量以及真空泵来调节反应室的生长压力。
所述生长源为提纯后的富集10B的氨硼烷，氨硼烷的纯度>97％，10B丰度>99％，且利用源加热炉对氨硼烷粉末进行加热，使其气化为固-液-气混合物。
通过质量流量计来控制氩气流量将气态产物通入混气罐中，混气罐是一个过度缓冲装置，防止气体支路局部压力过大，还可以使高密度气体和低密度气体充分混合。
双温区高温管式炉用于加热刚玉管，使其达到10BN生长的温度；双温区高温管式炉有两个温区，即温区I和温区II，分别用于主反应和次反应，温区 I最高温度能达到1600℃，温区II最高温度能达到1400℃。
所述源路加热器是加热线圈，用于加热生长源的传输路径，源送入双温区反应炉中的流量不发生变化，以减少生长源在传输过程中的损耗。
本发明的生长方法为：
1)清洗衬底，将装载着衬底的生长舟放入双温区高温管式炉温区中心，拧紧刚玉管两端法兰；
2)称量一定量的氨硼烷粉末，放入源加热炉中；接着设定源加热炉温度上升和下降曲线；
3)开启抽真空***，排空***内空气；
4)启动双温区高温管式炉的加热程序并通入N2，加热程序设定温区I和温区II的温度上升、维持和下降曲线相同，当温区I和温区II的温度到达预定温度后，开始对衬底退火；
5)在衬底退火处理结束的前开启源加热炉的加热程序,经过匀速升温，将氨硼烷加热至110℃，并在110℃下维持一定时间；
6)衬底退火处理结束后，源加热炉中通入Ar，保证氨硼烷分解后的气态产物能匀速通入混气罐中，生长结束后关闭Ar气；
7)在10BN薄膜生长的过程中持续通入N2作为载气，调节抽真空***维持刚玉管内压力；10BN薄膜生长结束后，切断生长源的供应，通入N2，开始降温；
8)刚玉管内温度降到室温后，关闭N2，打开真空法兰取出样品。
本发明的优点在于：本发明提供了一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长装置，使用的生长源富集10B，使得生长的10BN薄膜中有较好的10B丰度，能长成性能优异的中子探测材料；通过混气罐将生长源和载气充分混合后通入反应腔室，大大提高了生长速率；通过源路加热器加热生长源的传输路径，减少了生长源在传输路径上的损失；利用双温区高温管式炉的两个温区使得生长温场更加稳定，有利于10BN薄膜的生长；以耐高温的刚玉管作为生长10BN的反应腔室，可以自由调节生长温度；利用带有倾斜支架的生长舟放置衬底，在一定程度上提高了生长大面积薄膜的均匀性。
附图说明
图1是本发明的生长装置示意图；
图2是利用本发明生长装置和生长方法生长的BN材料的SEM横截面图；
图3是利用本发明生长装置和生长方法生长的BN材料的SEM表面形貌图。
图中：1、氢气气源；2、氮气气源；3、氩气气源；4、质量流量计I；5、质量流量计II；6、质量流量计III；7、质量流量计IV；8、源加热炉；9、生长源；10、混气罐；11、源路加热器；12、管式炉皮拉规真空表；13、开关阀； 14、管式炉压强监测仪器；15、双温区高温管式炉；16、温区I；17、温区II； 18、刚玉管；19、热电偶；20、生长舟；21、抽真空***。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例：参见图1。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，本发明实施例公开了一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长装置，其中包括：1、氢气气源；2、氮气气源；3、氩气气源； 4、质量流量计I；5、质量流量计II；6、质量流量计III；7、质量流量计IV； 8、源加热炉；9、生长源；10、混气罐；11、源路加热器；12、管式炉皮拉规真空表；13、开关阀；14、管式炉压强监测仪器；15、双温区高温管式炉；16、温区I；17、温区II；18、刚玉管；19、热电偶；20、生长舟；21、抽真空***。
其中，氢气气源1是刻蚀气体用来刻蚀10BN薄膜，可以用来研究氢气对10BN薄膜的刻蚀行为；氮气气源2和氩气气源3用作生长10BN薄膜的载气。通过调节质量流量计III7来氩气流量，达到控制生长源的通入量，还可以通过质量流量计II5和质量流量计III6调节载气的流量，研究不同流量下的生长速率。
其中，氢气气源1为超高纯氢气，纯度99.9999％；氮气气源2为超高纯氮气，纯度99.9999％；氩气气源也是超高纯氩气，纯度同样为99.9999％。
其中，混气罐10是一个过度缓冲装置，防止气体支路局部压力过大，还可以使高密度气体和低密度气体充分混合，提高生长速率；管式炉皮拉规真空表12用来监测混气罐中的压力，量程-0.1～0.15MPa。
其中，热电偶19是一个温度监测装置，用于实时监测温区I16和温区II 17 的温度。
其中，刚玉管18的管径600mm，管长1200mm，用于放置生长舟20和外延生长10BN薄膜的衬底，并作为10BN薄膜生长的反应腔室；通过管式炉压强监测仪器14来监测反应腔室(刚玉管)内的真空度，在本实例当中设定生长压力为500Pa；双温区高温管式炉15可用于加热反应腔室即刚玉管18，在本实例中，两个温区都设定为1370℃，温差<0.5℃。
其中，衬底选用1×1cm2的单面抛光的Al2O3衬底。由于反应腔室为水平放置，气体输运形成的非均匀边界层将使得薄膜的生长厚度沿着气流输运的方向逐渐减薄，导致生长的薄膜厚度不均匀。为保证水平反应腔室中的生长均匀性，将衬底放置在生长舟20的倾斜支架上，本实例的倾斜支架的倾斜角度为 45°，在一定程度上类似于反应气体垂直输运到衬底表面，可以改善薄膜生长的均匀性。
其中，源加热炉8用来对生长源9进行加热，使其热分解，在本实例中生长源9为氨硼烷(NH3-BH3)，纯度＞97％，10B的丰度＞99％，取200mg的氨硼烷作为生长源。且在本实例中源加热炉8设定的加热温度为110℃。
其中源路热器11用来加热前驱体的传输路径，以减少前驱体在传输路径上的损失。
具体生长过程包括：
1、将切割好的1×1cm2的单面抛光的Al2O3衬底通过标准RCA清洗工艺清除表面的污染物；接着将清洗好的衬底用氮气吹干，放置在生长舟的倾斜支架上，倾斜角度45°；最后将装载着衬底的生长舟放入反应腔室的温区中心，拧紧反应腔室的抽气端法兰；
2、使用电子天平称量200mg的氨硼烷粉末，放入清洗干净的石英舟内，并送入源加热炉中；接着设定源加热炉温度上升和下降曲线，10分钟由室温升到110℃，温度在110℃维持120分钟，后经30分钟降至室温；
3、开启抽真空***，将***真空度抽至1Pa，关闭抽真空***，通入惰性气体Ar(100sccm)使得刚玉管内的真空度达到2500Pa；后关闭气体，再次开启抽真空***进行第二次抽真空，抽至1Pa，关闭抽真空***，通入惰性气体 Ar(100sccm)使得刚玉管内的真空度达到2500Pa；后关闭气体，再次开启抽真空***进行第三次抽真空，抽至1Pa，重复抽气/通气操作三次，排空***内空气；
4、第3步中，最后一次抽气将***真空度抽至1Pa后,启动双温区高温管式炉的加热程序并通入N2(100sccm)，保持升温过程就处于退火所需的气氛中；加热程序设定温区I和温区II的温度上升、维持和下降曲线相同，50分钟由室温升到800℃，接着50分钟由800℃升到1370℃，温度在1370℃维持150 分钟，后600分钟降至室温；当温区I和温区II的温度到达1370℃后，开始对 Al2O3衬底退火30分钟；
5、在Al2O3衬底退火处理结束的前10分钟开启源加热炉的加热程序,经过 10分钟的匀速升温，将氨硼烷加热至110℃，并在110℃下维持120分钟；
6、Al2O3衬底退火处理30分钟结束后,源加热炉中通入Ar(20sccm)，保证氨硼烷分解后的气态产物能匀速通入混气罐中，持续通入120分钟后关闭Ar 气；
7、在10BN薄膜生长的过程中持续通入N2(100sccm)作为载气，调节抽真空***维持刚玉管内压力在500Pa；10BN薄膜生长结束后，切断生长源的供应，通入N2(80sccm)，开始降温；
8、刚玉管内温度降到室温后，关闭N2，打开真空法兰取出样品。
以上所述的具体实施例，对本发明所述的一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长装置的实用性进行了进一步证实。另外，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本发明中所述的生长装置可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中也可以实现。因此，本发明所述的生长装置不会被限制于本文所示的这一实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长方法，
包括直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长装置，该生长装置包括氢气气源(1)、氮气气源(2)、氩气气源(3)、质量流量计I(4)、质量流量计II(5)、质量流量计III(6)、质量流量计IV(7)、源加热炉(8)、生长源(9)、混气罐(10)、源路加热器(11)、管式炉皮拉规真空表(12)、开关阀(13)、管式炉压强监测仪器(14)、双温区高温管式炉(15)、温区I(16)、温区II(17)、刚玉管(18)、热电偶(19)、生长舟(20)和抽真空***(21)；氢气气源(1)和氮气气源(2)分别连接质量流量计I(4)和质量流量计II(5)，氩气气源(3)与质量流量计III(6)和质量流量计IV(7)相连，质量流量计I(4)、质量流量计II(5)和质量流量计III(6)再与下方的混气罐(10)相连，而质量流量计IV(7)与下方的源加热炉(8)相连，源加热炉(8)再与下方的混气罐(10)相连，生长源(9)放在源加热炉(8)内，源路加热器(11)缠绕在混气罐(10)、管式炉皮拉规真空表(12)和开关阀(13)等源传输路径上，管式炉压强监测仪器(14)与刚玉管(18)连接，温区I(16)、温区II(17)和刚玉管(18)位于双温区高温管式炉(15)内部，热电偶(19)与刚玉管(18)相接触，生长舟(20)位于刚玉管(18)内，而刚玉管(18)又与右方的抽真空***(21)连接；
及其生长步骤：
1)清洗衬底，将装载着衬底的生长舟放入双温区高温管式炉温区中心，所述生长舟用来放置生长10BN的衬底，且生长舟带有倾斜的衬底支架，衬底支架的倾斜度为20°～90°；拧紧刚玉管两端法兰；
2)称量一定量的氨硼烷粉末，氨硼烷粉末为提纯后的富集10B的氨硼烷，氨硼烷的纯度>97％，10B丰度>99％，放入源加热炉中；接着设定源加热炉温度上升和下降曲线；
3)开启抽真空***，排空***内空气；
4)启动双温区高温管式炉的加热程序并通入N2，加热程序设定温区I和温区II的温度上升、维持和下降曲线相同，当温区I和温区II的温度到达预定温度后，开始对衬底退火；双温区高温管式炉用于加热刚玉管，使其达到10BN生长的温度；刚玉管用于低气压化学气相沉积的反应腔室，刚玉管管径500～800mm，管长1000～1200mm；双温区高温管式炉有两个温区，即温区I和温区II，分别用于主反应和次反应，温区I最高温度能达到1600℃，温区II最高温度能达到1400℃；
5)在衬底退火处理结束的前开启源加热炉的加热程序,经过匀速升温，将氨硼烷加热至110℃，并在110℃下维持一定时间，使其气化为固-液-气混合物；
6)衬底退火处理结束后，源加热炉中通入Ar，保证氨硼烷分解后的气态产物能匀速通入混气罐中，通过质量流量计来控制氩气流量将气态产物通入混气罐中，混气罐是一个过度缓冲装置，防止气体支路局部压力过大，还可以使高密度气体和低密度气体充分混合；通过管式炉皮拉规真空表和管式炉压强监测仪器分别监测混气罐的压力和刚玉管中的真空度；通过质量流量计控制气体流量以及真空泵来调节反应室的生长压力；所述源路加热器是加热线圈，用于加热生长源的传输路径，源送入双温区反应炉中的流量不发生变化，以减少生长源在传输过程中的损耗，生长结束后关闭Ar气；
7)在10BN薄膜生长的过程中持续通入N2作为载气，调节抽真空***维持刚玉管内压力；10BN薄膜生长结束后，切断生长源的供应，通入N2，开始降温；
8)刚玉管内温度降到室温后，关闭N2，打开真空法兰取出样品。
2.如权利要求1所述一种直接探测中子的10BN材料的低气压化学气相沉积生长方法，
其生长步骤：
1)将切割好的1×1cm2的单面抛光的Al2O3衬底通过标准RCA清洗工艺清除表面的污染物；接着将清洗好的衬底用氮气吹干，放置在生长舟的倾斜支架上，倾斜角度45°；最后将装载着衬底的生长舟放入反应腔室的温区中心，拧紧反应腔室的抽气端法兰；
2)使用电子天平称量200mg的氨硼烷粉末，放入清洗干净的石英舟内，并送入源加热炉中；接着设定源加热炉温度上升和下降曲线，10分钟由室温升到110℃，温度在110℃维持120分钟，后经30分钟降至室温；
3)开启抽真空***，将***真空度抽至1Pa，关闭抽真空***，通入惰性气体Ar100sccm使得刚玉管内的真空度达到2500Pa；后关闭气体，再次开启抽真空***进行第二次抽真空，抽至1Pa，关闭抽真空***，通入惰性气体 Ar 100sccm使得刚玉管内的真空度达到2500Pa；后关闭气体，再次开启抽真空***进行第三次抽真空，抽至1Pa，重复抽气/通气操作三次，排空***内空气；
4)第3步中，最后一次抽气将***真空度抽至1Pa后 ,启动双温区高温管式炉的加热程序并通入N2 100sccm，保持升温过程就处于退火所需的气氛中；加热程序设定温区I和温区II的温度上升、维持和下降曲线相同，50分钟由室温升到800℃，接着50分钟由800℃升到1370℃，温度在1370℃维持150 分钟，后600分钟降至室温；当温区I和温区II的温度到达1370℃后，开始对 Al2O3衬底退火30分钟；
5)在Al2O3衬底退火处理结束的前10分钟开启源加热炉的加热程序 ,经过 10分钟的匀速升温，将氨硼烷加热至110℃，并在110℃下维持120分钟；
6)Al2O3衬底退火处理30分钟结束后 ,源加热炉中通入Ar 20sccm，保证氨硼烷分解后的气态产物能匀速通入混气罐中，持续通入120分钟后关闭Ar 气；
7）在10BN薄膜生长的过程中持续通入N2 100sccm作为载气，调节抽真空***维持刚玉管内压力在500Pa；10BN薄膜生长结束后，切断生长源的供应，通入N2 100sccm，开始降温；
8）刚玉管内温度降到室温后，关闭N2，打开真空法兰取出样品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111352932.9A CN114059039B (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种直接探测中子的10bn材料的低气压化学气相沉积生长装置及其生长方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111352932.9A CN114059039B (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种直接探测中子的10bn材料的低气压化学气相沉积生长装置及其生长方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114059039A CN114059039A (zh) | 2022-02-18 |
| CN114059039B true CN114059039B (zh) | 2024-03-22 |
Family
ID=80272711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111352932.9A Active CN114059039B (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种直接探测中子的10bn材料的低气压化学气相沉积生长装置及其生长方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114059039B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102849733A (zh) * | 2012-09-25 | 2013-01-02 | 山东师范大学 | 双温区控制低温直接制备石墨烯的方法及双温区管式炉 |
| CN106245001A (zh) * | 2016-08-05 | 2016-12-21 | 复旦大学 | 等离子体增强化学气相沉积制备六方氮化硼及其杂化结构的方法 |
| CN111430225A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-07-17 | 西安理工大学 | 一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法 |
| CN112919823A (zh) * | 2021-03-03 | 2021-06-08 | 山东理工大学 | 一种快速均匀制备大面积石墨烯玻璃的方法 |
-
2021
- 2021-11-16 CN CN202111352932.9A patent/CN114059039B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102849733A (zh) * | 2012-09-25 | 2013-01-02 | 山东师范大学 | 双温区控制低温直接制备石墨烯的方法及双温区管式炉 |
| CN106245001A (zh) * | 2016-08-05 | 2016-12-21 | 复旦大学 | 等离子体增强化学气相沉积制备六方氮化硼及其杂化结构的方法 |
| CN111430225A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-07-17 | 西安理工大学 | 一种具有低密度氧空位缺陷的氧化镓外延材料的制备方法 |
| CN112919823A (zh) * | 2021-03-03 | 2021-06-08 | 山东理工大学 | 一种快速均匀制备大面积石墨烯玻璃的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114059039A (zh) | 2022-02-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103469173B (zh) | 空穴导电特性氧化镓膜的制备方法及空穴导电特性氧化镓膜 | |
| US8987156B2 (en) | Polycrystalline group III metal nitride with getter and method of making | |
| US6562128B1 (en) | In-situ post epitaxial treatment process | |
| US6471771B2 (en) | In-situ post epitaxial treatment process | |
| US4634605A (en) | Method for the indirect deposition of amorphous silicon and polycrystalline silicone and alloys thereof | |
| US11047041B2 (en) | Method and system for preparing polycrystalline group III metal nitride | |
| US20100151194A1 (en) | Polycrystalline group iii metal nitride with getter and method of making | |
| USRE47114E1 (en) | Polycrystalline group III metal nitride with getter and method of making | |
| PT1304748E (pt) | PROCESSO DE FABRICO DE UMA CéLULA SOLAR | |
| Heinecke et al. | Plasma stimulated MOCVD of GaAs | |
| CN114059039B (zh) | 一种直接探测中子的10bn材料的低气压化学气相沉积生长装置及其生长方法 | |
| CN111188027A (zh) | 一种化学气相沉积设备和成膜方法 | |
| Komatsu et al. | Transition from amorphous to crystal growth of boron films in plasma‐enhanced chemical vapor deposition with B2H6+ He | |
| McCandless et al. | Vapor transport deposition of cadmium telluride films | |
| CN113151803A (zh) | 一种硼碳氮薄膜的制备方法 | |
| TWI640473B (zh) | 除硼方法與除硼裝置 | |
| JPH02262324A (ja) | Ｘ線透過膜およびその製造方法 | |
| Monna et al. | Silicon thin films obtained by rapid thermal atmospheric pressure chemical vapour deposition | |
| CN218561600U (zh) | 一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备 | |
| Flemish et al. | Phosphorus doping of silicon using a solid planar diffusion source at reduced pressures | |
| RU2578104C1 (ru) | Способ газофазной карбидизации поверхности монокристаллического кремния ориентации (111), (100) | |
| JPH01313927A (ja) | 化合物半導体結晶成長方法 | |
| Precursor | MOCVD and Characterization of Zno TIlln Films Using an | |
| CN117867652A (zh) | 一种碳化硅外延设备的控制方法 | |
| CN115896741A (zh) | 一种大尺寸金刚石圆片的生长方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |