CN111349911A - 带激光直写的分子束外延薄膜生长装置及方法 - Google Patents

带激光直写的分子束外延薄膜生长装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带激光直写的分子束外延薄膜生长装置及方法，主要包括：2个及2个以上的发射源、反射高能电子衍射仪（RHEED）、RHEED对应的衍射接收屏、衬底安置台、其他在线监测装置、激光直写装置等，本发明的特点为在薄膜生长过程中利用激光直写对薄膜进行图形化。薄膜每沉积一定的厚度便用激光对其表面进行图形化，此过程反复进行，图形化的作用一为释放生长薄膜的应力，二为促使薄膜侧向外延生长，从而提高外延生长的质量和均匀性。

Description

带激光直写的分子束外延薄膜生长装置及方法
技术领域
本发明属于半导体生长技术领域，尤其涉及半导体一种激光直写的分子束外延薄膜生长装置及方法。
背景技术
环境、能源、生命和新材料是当前人类面临的四大课题，其中对新材料的研究要求能够对原子进行操控，而薄膜技术则是对原子进行操控的关键切入点。薄膜技术的代表性手段是分子束外延薄膜生长(Molecular beam epitaxy，MBE)，是通过把热源蒸发产生的原子或分子束射到被加热的清洁的衬底上而生成薄膜。这种技术的发展是为了实现电子器件工艺越来越高的要求，即能够实现对掺杂分布可以精确控制的趋薄层平面结构。利用分子束外延技术，可以重复地生长厚度只有5埃的超薄外延层，且外延层之间的分界面可以精确地控制生长。
其技术不仅可以在多种半导体材料上它不仅可在多种半导体衬底上直接生长出外延层厚度、掺杂和异质界面平整度能精确控制到原子量级的超薄多层二维结构材料( 如超晶格、量子阱和调制掺杂异质结等)，和器件( 如量子阱激光器和高电子迁移率晶体管等)，并且通过与光刻、电子束刻蚀等工艺技术相结合或采用在一些特定衬底晶面直接生长的方法，还可制备出一维和零维的纳米材料( 量子线和量子点)。特别是近几年来，利用晶格失配的异质材料外延生长时的应变效应，发展了分子束外延自组织生长形成量子点方法，避免了腐蚀和再生长会引入大量缺陷问题，提高了量子点的均匀性和材料性能。
1968年美国贝尔实验室A.Y.Cho等人为制作深度方向掺杂元素精确控制的超薄平面结构和多层叠加结构膜，第一次提出分子束外延技术。美国贝尔实验室依靠MBE和能带工程研制成功新型注入激光器。而量子串级激光器的光子则产生于电子沿阶梯状量子阱逐级跌降的过程，其被形象地称之为电子瀑流。由于量子阱厚度必须准确控制在原子尺度，目前，唯有借助MBE技术才能实现。这就推动了半导体低纬量子材料高端装备的技术开发。在1978年之前，MBE系统大多由各研究所、学校或公司根据自己需求定制，1980年以后，商品化的MBE设备开始大规模生产，美国的Varian公司、日本的Anelva公司、英国的VG公司和法国Riber公司主要进行生产。其装置的共同点是采用无油清洁超高真空排气系统和真空锁磁力偶合或内部机械传递样品机构，以满足高纯度的高俅，样品尺寸达到3-5英寸，多数具有衬底自转机构，提高大面积均匀性，满足器件生产效益。
薄膜生长过程中的某种结构不完整性(如杂质、空位、晶粒边界、位错等)、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格错配等，导致薄膜残余应力的存在，这些应力对薄膜的生长质量造成不良影响。在利用MBE设备生长薄膜时，同样存在这样的问题。在制备薄膜和多层膜材料结构期间，很难避免不引入残余应力；在大多数情况下，残余应力可以引入一系列不期望有的结果，如增加了薄膜的位错密度、过度的变形、断裂、分层和材料的微观结构变化等，一直是困扰薄膜生长的难题。现有解决薄膜生长应力的方式主要为，如在利用MOCVD外延生长方式在蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜时，多对衬底进行图形化，可以明显的改善氮化镓薄膜的生长质量，可将位错密度降低一到二个数量级；或者在不同材料间如果存在大的热膨胀失配或晶格失配，则在材料中间生长几层过渡层材料，并控制过度层材料的应力来缓解大的失配造成严重的薄膜应力，但是以上方法，起到的消除薄膜应力的作用是有限的，目前同质外延氮化镓薄膜的位错密度仍在105以上，异质外延氮化镓薄膜的位错密度通常在108左右。
发明内容
为进一步降低分子束外延工艺中薄膜生长应力带来的不良影响，本发明提出一种带激光直写在线图形化功能的分子束外延薄膜生长装置。
本发明采用的具体方案为，一种带激光直写在线图形化功能的分子束外延薄膜生长装置，主要包括：2个以上的发射源（5）、RHEED（1）、衍射接收屏（2）、加热炉（8）、衬底安置台（7）、激光直写装置（3），其中衬底（4）放置在衬底安置台（7）上；衬底加热器（8）在安置台下方对衬底（4）进行加热，提供适宜的薄膜外延生长温度；发射源（5）位于衬底（4）的两侧，发射的元素流(6)通过精确的控制达到适宜的元素量恰好落于衬底（4）表面形成外延生长；RHEED（1）与对应的衍射接收屏（2）位于衬底两侧，RHEED（1）发射的电子束（9）与衬底（4）形成掠入射状态，以实现在线测量；激光直写装置（3）位于衬底的对面，激光出射方向与衬底的法向夹角小于90°。
可选的，前述的带激光直写的分子束外延薄膜生长装置中所述激光直写装置（3）可以安装在薄膜生长腔体外边，也可以将其部分或全部安装于薄膜生长腔体内部，以适合装置设计和安装需要。
根据本发明带激光直写的分子束外延薄膜生长装置实现的生长方法，主要特征为：在薄膜生长一定厚度后，使用激光直写方法进行图形化直写，完成薄膜表面图形化后薄膜再次生长，如此反复进行，在薄膜生长过程中利用RHEED（1）等监测设备进行薄膜生长在线监测。
可选的，前述生长方法中所述的激光直写方法包括三类，但不局限于此三类，第一类为单束激光对衬底进行图形化扫描的方式进行直写；第二类为多束激光对衬底进行并行扫描，实现高效率图形化直写；第三类为采用多束激光进行干涉，利用干涉图像对衬底进行图形化直写。
同时，可选的，所述的激光直写方法所采用的激光包括连续激光或者脉冲激光；激光作用于薄膜的光斑的大小不限、光斑模式空间分布不限。
进一步，前述激光直写方法中所述的第二类方法中的多光束激光对衬底进行并行扫描，此处的多光束可以为多个光源发射的激光，也可为单个光源通过特殊元器件分光得到的多光束。
进一步，前述激光直写方法中所述的第三类方法中的多束激光进行干涉中的多束激光可以为同一波长的激光，也可以为不同波长的激光。
本发明的特点为在薄膜生长过程中利用激光对薄膜进行图形化，即薄膜每沉积一定的厚度便用激光对其表面进行图形化，本发明的优点体现在：本发明通过在线图形化辅助生长技术，通过在线图形化，生长，再次图形化，再次生长不断重复的过程，可以释放生长过程中的应力，减少缺陷；促使薄膜侧向外延生长，从而提高外延生长质量和均匀性，实现高质量的异质外延生长；在生长过程中，还可以集成超快的电子成像监测，检测缺陷材料质量的演变过程。通过这套系统，达到边监测，变调控，边生长的目的；同时，本发明可以通过激光直写装置实现激光退火功能。
附图说明
图1为本发明带激光直写的分子束外延薄膜生长装置示意图，其中：（a）为装置中的发射源发射元素流示意图；（b）为装置中的RHEED发射电子束示意图；（c）为装置中的激光直写装置出射激光示意图。
图2为多光束干涉光束入射方向示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1所示，以砷化镓外延薄膜生长为例，一种带激光直写的分子束外延薄膜生长装置主要的构成为：2个及2个以上的发射源5、RHEED1、RHEED对应的衍射接收屏2、加热炉8、衬底安置台7。首先通过源发射器5发射反应元素6，发射的反应元素的发射源不限两个，当镓和砷单元加热且窗口打开时，Ga原子和N原子束撞击加热的GaN衬底4。在接近衬底4的过程中，这些分子束在无碰撞真空条件下混合在一起。这些原子/分子撞击被加热的衬底表面后，与基体表面发生一系列物理和化学反应。首先，这些原子和分子可以物理吸附在基体表面，并与基体进行热适应。其次，吸附的分子可以在基体表面迁移，找到合适的位置进行离解形成原子。这些原子找到合适的位置然后结合到晶格中。最后，那些无法在衬底无法找到合适的位置并结合到晶格的原子，最终可能会从生长表面解附。在原子通过上述过程沉积到一定厚度后，停止源发射，此时启动激光直写装置3对沉积的薄膜进行图形化直写。在此过程中RHEED 1发射电子束9，衍射接收屏2接收并读取衍射信息，可实时监测薄膜微结构的变化。
本实施例中的激光直写装置3可以发射单束激光10，激光为飞秒激光，激光频率为20 MHz，激光功率为10 mW，激光波长为1030 nm，激光的脉冲宽度为300 fs，激光光束通过整形后的光斑为空间平顶分布的圆形光斑，光斑大小为1 μm。激光出射后通过扫描振镜进行扫描，在薄膜表面直写出所需要的图案。加工结束后，再次开启发射源5发射元素流6进行外延生长，生长过程按照上述方式反复进行，直至薄膜生长结束。
实施例2：如图1所示，因此在实施例1的基础上，激光直写装置3可发射多束激光10，利用多束激光10对衬底4进行并行直写，可有效的提高图形化效率，每束激光精确可控，可以为多个激光源发射，也可以为单个激光源经过衍射光学元件或者空间光调制器进行调制分束，实现多光束直写，同时可以实时调控薄膜的瞬时生长温度，提高薄膜生长质量。本案例中选用激光为飞秒激光，激光频率为2 MHz，激光功率为100 mW，激光波长为1030 nm，激光的脉冲宽度为300 fs，激光光束通过空间光调制器整形为20束光路，整形后每束光的光斑为空间平顶分布的方形光斑，光斑大小为边长为1μm的方形光斑。
实施例3：如图1所示，因此在实施例1的基础上，激光直写装置3设置为含多个激光源，多个激光源发射的激光束10进行干涉，形成干涉条纹，利用此干涉条纹进行直写，实现纳米级线宽或超衍射极限线宽的激光直写。本实施例中选用四个激光源，四个激光源的波长均为355 nm，激光与样品的相对位置如图2所示。四束激光在衬底处发生干涉，形成干涉条纹，用此干涉条纹来实现纳米级的激光直写。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种带激光直写的分子束外延薄膜生长装置，主要包括：2个以上的发射源（5）、RHEED（1）、衍射接收屏（2）、加热炉（8）、衬底安置台（7）、激光直写装置（3），其中衬底（4）放置在衬底安置台（7）上；衬底加热器（8）在安置台下方对衬底（4）进行加热，提供适宜的薄膜外延生长温度；发射源（5）位于衬底（4）的两侧，发射的元素流(6)通过精确的控制达到适宜的元素量恰好落于衬底（4）表面形成外延生长；RHEED（1）与对应的衍射接收屏（2）位于衬底两侧，RHEED（1）发射的电子束（9）与衬底（4）形成掠入射状态，以实现在线测量；激光直写装置（3）位于衬底的对面，激光出射方向与衬底的法向夹角小于90°。
2.根据权利要求1中所述的带激光直写的分子束外延薄膜生长装置，其特征在于所述激光直写装置（3）可以安装在薄膜生长腔体外边，也可以将其部分或全部安装于薄膜生长腔体内部。
3.根据权利要求1中的带激光直写的分子束外延薄膜生长装置实现的生长方法，其特征在于激光直写薄膜生长方式为：在薄膜生长一定厚度后，使用激光直写方法进行图形化直写，完成薄膜表面图形化后薄膜再次生长，如此反复进行，在薄膜生长过程中利用RHEED（1）等监测设备进行薄膜生长在线监测。
4.根据权利要求3所述的生长方法，其特征在于所述的激光直写方法包括三类，但不局限于此三类，第一类为单束激光对衬底进行图形化扫描的方式进行直写；第二类为多束激光对衬底进行并行扫描，实现高效率图形化直写；第三类为采用多束激光进行干涉，利用干涉图像对衬底进行图形化直写。
5.根据权利要求3所述的生长方法，其特征在于所述的激光直写方法所采用的激光包括连续激光或者脉冲激光；激光作用于薄膜的光斑的大小不限、光斑模式空间分布不限。
6.根据权利要求4所述的生长方法，其特征在于所述的第二类方法中的多光束激光对衬底进行并行扫描，此处的多光束可以为多个光源发射的激光，也可为单个光源通过特殊元器件分光得到的多光束。
7.根据权利要求4所述的生长方法，其特征在于所述的第三类方法中的多束激光进行干涉中的多束激光可以为同一波长的激光，也可以为不同波长的激光。
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