CN2529876Y - 氧化锌薄膜生长用金属有机化合物汽相淀积设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于生长宽带隙半导体氧化锌薄膜的金属有机化合物汽相淀积设备，由气体输运、反应室、控制、尾气处理等***构成。反应室由带有抽气孔(8)的底座法兰盘(1)、反应室侧壁(2)、旋转轴(3)、磁流体轴承(4)、电机(5)、上法兰盘(6)、不锈钢丝网(7)、加热片(9)、衬底片托盘(10)，杂质源气路(11)，副气路(12)(13)、混气室(14)、锌源喷枪(15)、氧源喷枪(16)、匀气套(17)、射频等离子发生器(18)等部件构成，可以抑制Zn(C2H5)2(或[Zn(CH3)2])与O2反应生长成ZnO颗粒，提高ZnO薄膜生长质量及均匀性，有利于p型或高阻掺杂等优点。
Description
本实用新型涉及一种金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)设备，特别是涉及一种用于生长宽带隙半导体氧化锌(ZnO)薄膜的MOCVD设备。
氧化锌(ZnO)材料是继氮化镓(GaN)之后世界热点研究的又一种重要宽带隙半导体材料，其带隙和晶格常数与GaN非常接近，晶型相同，有相近光电特性。而ZnO还具有更高的熔点和激子束缚能，激子增益更高，外延生长温度低、成本低，容易刻蚀而使后继加工工艺更方便等优于GaN的多种特性，显示出比GaN具有更大的发展潜力。ZnO薄膜材料的生长有多种方法，有蒸发、磁控溅射、离子束溅射、脉冲激光淀积(PLD)、金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。溅射是最常用的方法，但只能生长出质量较差的多晶薄膜，不能满足许多器件的制备需要。MOCVD方法可以生长大面积均匀、质量较高的ZnO薄膜，适合工业化生产。因此制备适合于生长ZnO薄膜材料的MOCVD设备及探索新的工艺方法是目前科技界和产业界亟待解决的课题。目前和本实用新型最接近的已有MOCVD设备是美国Emcore公司制造的具有立式反应室的MOCVD设备。这种MOCVD设备是由气体输运***、反应室、控制***、尾气处理***等构成的。其中最核心的部分是反应室，见附图1，这种MOCVD设备的反应室是由带有抽气孔(8)的底座法兰盘(1)、反应室侧壁(2)、旋转轴(3)、磁流体轴承(4)、电机(5)、上法兰盘(6)、不锈钢丝网(7)、加热片(9)、衬底片托盘(10)，主源气路(11)，副气路(12)(13)，混气室(14)等部件构成。
用MOCVD法生长ZnO薄膜通常是以Zn的烷基化合物二乙基锌[Zn(C2H5)2]或二甲基锌[Zn(CH3)2]为Zn源，以高纯氧为O源，在蓝宝石(Si、GaAs或ZnO等其它衬底)衬底上生长的。用美国Emcore公司制造的MOCVD设备，在生长ZnO薄膜时遇到以下难以解决的问题：
1. 由于Zn(C2H5)2或[Zn(CH3)2]都与O2极易发生气相反应，如果这两种源同时由主源气路(11)或副气路(12)(13)通入反应室，就会在空间相遇，发生反应，从而生长成ZnO颗粒，沉积在衬底上，使ZnO薄膜的生长质量变差。
2.通常生长的ZnO由于偏离化学计量比而存在氧空位和间隙锌原子，使材料呈n型，因而实现ZnO材料p型或高阻掺杂是极为困难的。
3.为了在衬底上均匀生长薄膜材料，源必须均匀的分布在衬底表面上。
4.衬底上热分布应非常均匀，否则将影响ZnO膜厚度及质量的均匀性。
本实用新型正是为了解决以上困难而设计的一种生长ZnO薄膜材料专用的金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)设备，该设备可达到抑制Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2与O2在空间发生气相反应生长成ZnO颗粒，使源在衬底表面上分布均匀，衬底加热均匀，有利于p型或高阻掺杂的目的。
本实用新型的MOCVD***也是由气体输运***、反应室、控制***、尾气处理***等部分构成。其中核心部分为反应室(见附图2和附图2说明)，是由带有抽气孔(8)的底座法兰盘(1)、反应室侧壁(2)、旋转轴(3)、磁流体轴承(4)、电机(5)、上法兰盘(6)、不锈钢丝网(7)、加热片(9)、衬底片托盘(10)，杂质源气路(11)，副气路(12)(13)、混气室(14)、锌源喷枪(15)、氧源喷枪(16)、匀气套(17)、射频等离子发生器(18)等部件构成。
本实用新型的特征是将原主气路(11)改为通杂质源的杂质源气路(11)，在混气室(14)中杂质源气路(11)的下面添加一个射频等离子发生器(18)，杂质源气体进入射频等离子发生器(18)离化后再进入反应室；在反应室的侧壁两侧分别***锌源喷枪(15)和氧源喷枪(16)，锌源喷枪(15)和氧源喷枪(16)上都加套有匀气套(17)。
为了抑制Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2与O2在空间发生气相反应生成ZnO颗粒沉积在衬底上，本实用新型的特征还有Ar携带的Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2通过锌源喷枪(15)而O2通过氧源喷枪(16)分别通入反应室，喷枪离衬底很近，最远不能超过2厘米，几毫米距离最好。匀气套(17)的开口狭缝(19)(参见附图3和附图3说明)朝向下方面向衬底，这样从两个匀气套喷出的Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2和O2不在反应室空间相遇，只在高速旋转动的衬底上相遇而反应。从而抑制了Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2与O2在空间发生气相反应生成ZnO颗粒沉积在衬底上的问题。
为了锌源和氧源在衬底表面上分布均匀，本实用新型的特征还在于在锌源喷枪(15)和氧源喷枪(16)上都加套有匀气套(17)，喷枪顶端是封死的，喷枪垂直向上每隔3～5毫米均匀开有1～2毫米小孔(见附图3和附图3说明)，匀气套(17)的开口狭缝(19)朝向下方面向衬底，这样锌源和氧源气流从喷枪的小孔喷出后通过匀气套(17)折返后再从开口狭缝(19)进入反应室喷向衬底，这样就可克服了源气流如果从喷枪的小孔直接面向衬底时，喷出的源气流很难均匀的问题，从而获得均匀性高的源气流。
为了使衬底加热均匀，本实用新型的特征还在于特殊设计的抗氧化的电阻式加热片(9)，这种加热片呈放射状(见图4和图4说明)，加热时热场均匀，受热时均匀向四周膨胀，可以防止因冷热循环而使加热器变形，影响加热效果，加热片(9)的材质为抗氧化的钼片。
本实用新型的优点是可以抑制Zn(C2H5)2(或[Zn(CH3)2])与O2在空间发生气相反应生长成ZnO颗粒，提高ZnO薄膜生长质量，源在衬底表面上分布均匀，衬底加热均匀，提高ZnO薄膜生长的均匀性，有利于p型或高阻掺杂。
附图说明：
图1为美国Emcore公司制造的MOCVD设备反应室结构示意图，图1中部件(1)为底座法兰盘，(2)为反应室侧壁，(3)为旋转轴，(4)为磁流体轴承，(5)为电机，(6)为上法兰盘，(7)为不锈钢丝网，(8)为抽气孔，(9)为加热片，(10)为衬底片托盘，(11)为主源气路，(12)、(13)均为副气路，(14)为混气室。
图2为本实用新型设计制造的MOCVD设备反应室结构示意图，图2中部件(1)为底座法兰盘，(2)为反应室侧壁，(3)为旋转轴，(4)为磁流体轴承，(5)为电机，(6)为上法兰盘，(7)为高密度不锈钢丝网，(8)为抽气孔，(9)为加热片，(10)为衬底片托盘，(11)为杂质源气路，(12)、(13)均为副气路，(14)为混气室，(15)为锌源喷枪，(16)为氧源喷枪，(17)为匀气套，(18)为射频等离子发生器，可根据反应室的大小选择射频功率源的型号，即选择射频功率源的最大射频输出功率，在本实用新型的初期试验中采用了中科院北京微电子中心生产的SY500W射频功率源和SPII射频匹配器，反应室的尺寸大小可根据衬底片托盘的尺寸大小按比例设计。
图3(a)为喷枪结构示意图，图3(a)中部件(15)为锌源喷枪，(16)为氧源喷枪，喷枪(15)、(16)顶端是封死的，喷枪垂直向上的部分每隔3～5毫米均匀开有直径1～2毫米的小孔，喷枪由直径4～6毫米的不锈钢管制成，(17)为匀气套，图3(b)为匀气套(17)上开口狭缝(19)示意图，匀气套(17)是由直径6～10毫米的不锈钢管制成，一端是开口的，由开口端套入喷枪(15)、(16)，另一端顶端(两个匀气套相对的顶端)也是封死的，开口狭缝(19)的宽度为1～2毫米，安装时将匀气套(17)密封地套在喷枪(15)、(16)上，并使开口狭缝(19)朝向下方，面向衬底片托盘。
图4为加热片(9)的形状图，加热片(9)呈放射状，材质为为抗氧化的钼片，加热片(9)的尺寸大小可根据衬底片托盘的尺寸大小按比例设计。
下面结合ZnO薄膜生长工艺进一步说明本实用新型的技术特征。
ZnO薄膜的生长工艺过程大体如下：蓝宝石(或Si、GaAs、ZnO等)衬底片清洗后装入反应室，反应室用机械泵和分子泵抽真空，本底真空度要抽至较高真空度10-3pa左右，提高***的本底真空度，可提高样品的生长质量和薄膜的均匀性；将加热片(9)通电以加热衬底片托盘(10)和衬底，旋转衬底片托盘(10)，转速可在1000转/分之内调节；高纯N2作为控制气体由副气路(12)、(13)通入反应室顶部，再由高密度不锈钢丝网(7)均匀下压，以消除衬底加热时导致气流上流而影响薄膜生长质量的“气流上流效应”；以Ar气携的Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2为Zn源和O2分别通过锌源喷枪(15)和氧源喷枪(16)喷向衬底，Zn(C2H5)2或Zn(CH3)2和O2在高速旋转和加热均匀的衬底上会合并反应，在衬底上生长成ZnO薄膜；生长p型ZnO薄膜时，要进行p型杂质掺杂，主要是进行N掺杂，掺杂源有气体N2、NH3、N2O等，由于这些掺杂气体分解度都很低，为了有效的将N掺入ZnO中，本实用新型在反应室顶部的混气室中添加了射频等离子发生器(18)，掺杂源气体(N2、NH3、N2O等)由掺杂源气路(11)输入，通过射频等离子发生器(14)离化后再进入反应室，这样离化后掺杂可以提高N的离化率，有利于ZnO薄膜的p型杂质掺杂，从而提供了一种可生长出p型ZnO薄膜的途径。为了提高ZnO薄膜质量，可以在生长结束后或分阶段进行退火，退火是关闭Zn源后在通O2的情况下增加加热片(9)电流，从而提高衬底的温度进行的。
在蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜的典型生长条件是：
衬底尺寸：1～4英寸
本底真空度：10-3Pa
反应温度：450～650℃
转速：500～600转/分
生长时反应室压力：10～102Pa
反应气体流量：Ar(Zn(C2H5)2)或Ar(Zn(CH3)2)4～50sccm，O2：50～1000sccm，N2：600～3000sccm，掺杂气体：10～2000sccm，
(Zn(C2H5)2)源瓶温度：-5℃～10℃。
生长速度：0.1～3μm/h
射频功率：300～500W
退火温度：650～750℃
退火时间：5～20分钟
用本实用新型的MOCVD设备及其生长ZnO薄膜的工艺，我们已经在蓝宝石、Si、GaAs和InP衬底上生长出质量良好的ZnO薄膜，ZnO薄膜厚度均匀并在几百纳米和几微米之间可以精确控制，通过退火工艺已制备出高质量高阻ZnO薄膜，电阻率已高达105Ω·cm，用NH3掺N已初步制备出p型ZnO薄膜。以上这些试验结果都明显的表现出本实用新型具有工艺设计合理、薄膜生长质量高等优良的效果。
Claims (5)
1、一种氧化锌薄膜生长用金属有机化合物汽相淀积设备，由气体输运***、反应室、控制***、尾气处理***等部分构成，其反应室由带有抽气孔(8)的底座法兰盘(1)、反应室侧壁(2)、旋转轴(3)、磁流体轴承(4)、电机(5)、上法兰盘(6)、不锈钢丝网(7)、加热片(9)、衬底片托盘(10)、气路(11)、副气路(12)(13)、混气室(14)等部件构成，特征在于：气路(11)做为通杂质源的杂质源气路，在混气室(14)中杂质源气路(11)的下面添加一个射频等离子发生器(18)，在反应室的侧壁两侧分别***锌源喷枪(15)和氧源喷枪(16)。
2、如权利要求1所述的氧化锌薄膜生长用金属有机化合物汽相淀积设备，其特征在于：反应室中锌源喷枪(15)和氧源喷枪(16)与衬底托盘的距离在2厘米以内。
3、如权利要求1或2所述的氧化锌薄膜生长用金属有机化合物汽相淀积设备，其特征在于：反应室中锌源喷枪(15)和氧源喷枪(16)上都加套有匀气套(17)，喷枪顶端封死，喷枪垂直向上每隔3～5毫米均匀开有1～2毫米小孔，匀气套(17)的开口狭缝(19)朝向下方面向衬底，开口狭缝(19)的宽度为1～2毫米。
4、如权利要求1或2所述的氧化锌薄膜生长用金属有机化合物汽相淀积设备，其特征在于：反应室中电阻式加热片(9)呈放射状，加热片(9)的材质为抗氧化的钼片。
5、如权利要求3所述的氧化锌薄膜生长用金属有机化合物汽相淀积设备，其特征在于：反应室中电阻式加热片(9)呈放射状，加热片(9)的材质为抗氧化的钼片。
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