等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術提出一種等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置，包括：真空反應腔；樣品臺，可旋轉，位于真空反應腔的底部；等離子體激發單元，位于真空反應腔的頂部；隔板，將真空室沿垂直方向分成兩個腔室；第一氣路和第二氣路，用于向兩個腔室分別通入第一類氣態反應源和第二類氣態反應源；其中，等離子體激發單元用于激發第一氣態類反應源和第二類氣態反應源電離分解，隔板防止兩類氣態反應源在襯底以外的表面發生預反應，旋轉樣品臺形成外延生長所需要的層流，并讓樣品表面交替吸附第一類、第二類氣態反應源分解形成的原子。本發明專利技術的外延生長裝置具有生長溫度不受限于氣態反應源分解溫度、適合于大面積廉價襯底的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于半導體外延生長設備
，具體涉及一種等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置。
技術介紹
以GaN、SiC為代表的新型化合物半導體材料近十幾年來在國際上備受重視，在紫外/藍光/綠光發光二極管、激光器、探測器，以及高頻高溫大功率電子器件等方面有著重要而廣泛的應用。為了獲得良好的器件性能，要求化合物半導體薄膜盡可能處于單晶狀態。目前化合物半導體的外延生長方法主要有分子束外延(MBE)和金屬有機物化學氣相外延(MOVPE)。由于MBE具有真空條件要求苛刻、生長速率慢的缺點，目前普遍采用MOVPE進行化合物半導體外延生長的商業化生產。在化合物半導體的MOVPE生長過程中，要求反應物以層流的方式擴散到襯底表面，在襯底表面發生裂解、化合和遷移等反應，從而形成化合物半導體單晶薄膜。現有的MOVPE，反應物裂解、化合、遷移所需的能量主要通過襯底加熱的方式獲得，由于反應氣體存在較強的化學鍵，且反應物粒子在襯底表面遷移需要一定的能量，從而要求外延過程中襯底具有極高的溫度。以MOVPE外延生長GaN為例，反應物一般為Ga(CH3)3和NH3，Ga(CH3)3的裂解溫度約500℃，NH3的裂解溫度約為700℃，再考慮GaN在襯底表面的遷移，一般外延生長溫度接近1000℃。如果采用Ga(CH3)3和N2進行外延，由于N2化學鍵更強，裂解溫度約為1400℃，因此需要更高的生長溫度。高溫外延雖然能實現性能良好的光電子器件，如LED，但也存在很多問題。首先，襯底材料和尺寸受限。由于耐高溫及晶格匹配的要求，目前能用于化合物半導體外延生長的襯底只能是少數幾種單晶襯底，比如用于生長GaN基半導體的Al2O3、Si，用于生長GaAs基半導體的GaAs，用于生長SiC半導體的SiC、Si等，這些單晶襯底成本較高、尺寸受限，很難直接進行化合物半導體的大面積外延生長。而可用于大面積薄膜襯底的襯底，如玻璃、塑料等，都很難再高溫條件下穩定工作。其次，由于襯底和外延薄膜的熱膨脹系數往往存在一定的差異，外延溫度越高，半導體薄膜的應力就越大，直接影響器件的性能。再次，一般希望外延生長對應的化學反應只在襯底表面進行，盡量減少襯底表面以外的預反應，而在高溫條件下，很難控制反應氣體在襯底表面以外的預反應。針對MOVPE高溫生長帶來的問題，人們提出了等離子體增強MOVPE(PE-MOVPE)的想法，希望通過低溫等離子體預先裂解反應物，提高反應物原子的勢能，達到降低化合物半導體外延生長的目的。產生低溫等離子體的常用方法有：電容耦合等離子體(CCP)、電感耦合等離子體(ICP)、電子回旋共振等離子體(ECR)。CCP反應室簡單，但等離子體密度和能量無法獨立調節。ECR的等離子體密度高，能量轉換率高，專利CN0110142.5采用ECR裂解反應物進行外延生長。但是ECR固有的模式跳變特性，使其難以用于大面積的薄膜沉積。ICP可以產生與ECR可比擬的等離子體密度，同時具有較好的等離子體均勻性，能在很大的氣壓范圍內運行，專利CN2014100534244.4采用ICP裂解反應物進行外延生長。以上技術，在一定程度上降低了化合物半導體MOVPE外延生長所需要的溫度，比如將GaN的外延生長溫度從約1000℃降低到約500℃。但是值得注意的是，以上技術都只采用等離子體活化相對難裂解的反應物，比如對于沉積GaN，無論是專利CN1364946A的ECR還是專利CN2014100534244的ICP，主要用來活化裂解溫度較高的N源(如NH3，N2)，而裂解溫度較低的Ga源(如Ga(CH3)3)，仍需要通過襯底加熱的方式進行。也就是說，MOVPE的外延生長溫度仍然受限于其中一種反應物的裂解溫度。另外，反應物氣體產生等離子體后，正離子、亞穩態原子分子以及中性原子均能用來生成化合物半導體，但其中的等離子以及高能的中性粒子會對襯底造成轟擊，從而影響化合物半導體的結晶特性。以PEMOVPE生長GaN為例，反應氣體采用Ga(CH3)3和N2，氮等離子體中包含氮離子、氮原子、氮分子，原則上都可以參與GaN的生成，但氮離子以及高能中性粒子(如氮原子、氮分子)會對襯底造成轟擊、Ga去吸附、GaN分解和點缺陷等問題。因此，為了提高低溫外延生長的化合物半導體的結晶質量，必須設法降低到達襯底處的離子密度以及高能的中性粒子密度，同時使低能活性粒子能盡量多的到達襯底參與反應。
技術實現思路
本專利技術旨在至少解決上述技術問題之一。為此，本專利技術的目的在于提出一種等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置。為了實現上述目的，本專利技術的實施例公開了一種等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置，包括：真空反應腔；樣品臺，所述樣品臺可旋轉，位于所述真空反應腔的底部；等離子激發單元，所述等離子激發單元位于所述真空反應腔的頂部；真空隔板，所述的真空隔板位于所述等離子體激發單元和所述樣品臺之間，將所述真空反應腔沿垂直方向分隔為第一類氣態反應源吸附區和第二類氣態反應源吸附區；具有第一進氣口的第一氣路，用于向所述第一類氣態反應源吸附區通入第一類氣態反應源；具有第二進氣口的第二氣路，用于向所述第二類氣態反應源吸附區通入第二類氣態反應源；其中，所述等離子體激發單元用于激發所述第一氣態反應源和第二氣態反應源電離分解；所述真空隔板用于防止所述第一類氣態反應源和所述第二類氣態反應源在襯底表面以外的空間發生預反應；所述樣品臺旋轉形成外延生長所需要的層流，并讓樣品表面交替吸附第一類、第二類氣態反應源分解形成的原子。根據本專利技術實施例的等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置，反應物完全由等離子體裂解、生長溫度不再受限于反應物裂解溫度。另外，根據本專利技術上述實施例的等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置，還可以具有如下附加的技術特征：進一步地，所述真空隔板中空、形成具有第三進氣口的第三氣路，所述第三氣路用于通入隔離氣體以防止所述第一類氣態反應源和所述第二類氣態反應源在襯底表面以外的空間發生預反應。進一步地，還包括：離子過濾器，設置在所述等離子激發單元和所述樣品臺之間，將所述的真空室分隔成等離子放電區和等離子體下游區，所述離子過濾器用于吸收等離子體源激發放電產生的氣體的活性離子，而讓活性中性粒子通過。進一步地，所述離子過濾器為水平設置在所述真空反應腔內的、具有多個濾孔的金屬板，所述金屬板上加載有直流偏壓。...

【技術保護點】
一種等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置，其特征在于，包括：真空反應腔；樣品臺，所述樣品臺可旋轉，位于所述真空反應腔的底部；等離子激發單元，所述等離子激發單元位于所述真空反應腔的頂部；真空隔板，所述的真空隔板位于所述等離子體激發單元和所述樣品臺之間，將所述真空反應腔沿垂直方向分隔為第一類氣態反應源吸附區和第二類氣態反應源吸附區；具有第一進氣口的第一氣路，用于向所述第一類氣態反應源吸附區通入第一類氣態反應源；具有第二進氣口的第二氣路，用于向所述第二類氣態反應源吸附區通入第二類氣態反應源；其中，所述等離子體激發單元用于激發所述第一氣態反應源和第二氣態反應源電離分解；所述真空隔板用于防止所述第一類氣態反應源和所述第二類氣態反應源在襯底表面以外的空間發生預反應；所述樣品臺旋轉形成外延生長所需要的層流，并讓樣品表面交替吸附第一類、第二類氣態反應源分解形成的原子。

【技術特征摘要】
1.一種等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延生長裝置，其特征
在于，包括：
真空反應腔；
樣品臺，所述樣品臺可旋轉，位于所述真空反應腔的底部；
等離子激發單元，所述等離子激發單元位于所述真空反應腔的頂部；
真空隔板，所述的真空隔板位于所述等離子體激發單元和所述樣品臺之間，
將所述真空反應腔沿垂直方向分隔為第一類氣態反應源吸附區和第二類氣態
反應源吸附區；
具有第一進氣口的第一氣路，用于向所述第一類氣態反應源吸附區通入第
一類氣態反應源；
具有第二進氣口的第二氣路，用于向所述第二類氣態反應源吸附區通入第
二類氣態反應源；
其中，所述等離子體激發單元用于激發所述第一氣態反應源和第二氣態反
應源電離分解；所述真空隔板用于防止所述第一類氣態反應源和所述第二類氣
態反應源在襯底表面以外的空間發生預反應；所述樣品臺旋轉形成外延生長所
需要的層流，并讓樣品表面交替吸附第一類、第二類氣態反應源分解形成的原
子。
2.根據權利要求1所屬的等離子體增強原子吸附的化合物半導體的外延
生長裝置，其特征在于，所述真空隔板中空、形成具有第三進氣口的第三氣路，
所述第三氣路用于通入隔離氣體以防止所述第一類氣態反應源和所述第二類
氣態反應源在襯底表面以外的空間發生預反應。
3.根據權利要求1或2所述的等離子體增強原子吸附的化合物半導體的
外延生長裝置，其特征在于，還包括：
離子過濾器，設置在所述等離子激發單元和所述樣品臺之間，將所述的真
空反應腔分隔成等離子放電區和等...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅毅，王健，郝智彪，汪萊，韓彥軍，孫長征，熊兵，李洪濤，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11