CN113106427A - 一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过电场控制α‑Ga2O3沉积速度的装置及方法，该装置包括多块正电极极板(1)、多块负电极极板(2)、液位控制装置(4)、雾化装置(5)、反应腔(7)和尾气处理装置(8)，多块正电极极板和多块负电极极板分别并排对应放置在反应腔的两侧，每对正负电极板之间形成电场；液位控制装置与雾化装置相连，反应腔内放置有衬底(6)，反应腔一端通过气溶胶输送管道与雾化装置连通、另一端与尾气处理装置连通；雾化装置内盛放有前驱体溶液，雾化装置顶端通过载气控制系统(3)与载气瓶(9)相连。该装置及方法能通过改变反应腔内不同位置处的电压大小来调控电极板之间电场强度，从而对不同位置衬底上薄膜沉积速度和薄膜厚度进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备领域，具体涉及一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置及方法。
背景技术
Ga2O3是一种超宽禁带半导体材料，因其稳定的物理化学性能和低介电常数而受到越来越多的关注。众所周知，Ga2O3已发现六种晶相，包括五种稳定相的α-Ga2O3、β-Ga2O3、γ-Ga2O3、δ-Ga2O3、ε-Ga2O3和一种瞬态相的κ-Ga2O3，这几种晶相可以在一定条件下相互转化，其中β-Ga2O3为热力学最稳定的相，呈刚玉结构的α-Ga2O3是一个重要的相，其带隙约为5.3eV，巴利加优值(BFOM)是β-Ga2O3的3倍，因此，α-Ga2O3在未来的电力设备应用方面有着更大的应用潜力。另外，α-Ga2O3具有优良的化学稳定性、热稳定性和击穿场强大等优点，在深紫外透明导电薄膜、紫外探测器、半导体功率器件、自旋电子器件、气敏传感器等领域有广阔的应用前景。
目前，已经报道了很多制备Ga2O3薄膜的方法。例如：(1)金属有机化学气相沉积(MOCVD)；(2)分子束外延法(MBE)；(3)原子层沉积(ALD)；(4)卤化物气相外延(HVPE)等。上述方法生长氧化镓时需要在真空环境中进行，而且设备复杂、生长周期长。相对而言Mist-CVD设备可以在常压环境下进行薄膜制备，摆脱了昂贵复杂的真空系统的依赖，具有高速沉积的优点，而且，设备制造成本低、操作简单安全，工业兼容性较好，因此也受到国内外普遍的关注和研究。
目前，利用Mist-CVD设备沉积α-Ga2O3薄膜时，不同位置衬底上的气溶胶量不同会导致薄膜厚度存在差异，尚无法实现同时在多块衬底上沉积厚度均一的薄膜。虽然现在薄膜沉积速度可以通过载气流量控制，但是载气流量过大或过小会导致薄膜结晶质量降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置及方法，该装置及方法能调控电极板之间电场强度，从而对不同位置衬底上薄膜沉积速度和薄膜厚度进行控制。
为了实现上述目的，本发明提供一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，包括多块正电极极板、多块负电极极板、液位控制装置、雾化装置、反应腔和尾气处理装置，多块正电极极板并排放置在反应腔的一侧，多块负电极极板并排放置在反应腔的另一侧并与多块正电极极板对应设置，多块正电极极板和多块负电极极板构成多对正负电极极板，每对正负电极板之间形成电场；所述液位控制装置通过泵管与雾化装置相连，反应腔内放置有多块衬底，多块衬底放在沉积舟上，反应腔的一端通过气溶胶输送管道与雾化装置连通、另一端与尾气处理装置连通；雾化装置内盛放有前驱体溶液，雾化装置顶部通过载气控制系统与存储有载气的载气瓶相连。
优选的，每对正负电极板之间电压可调范围为0～10V。
优选的，所述前驱体溶液为浓度0.01～0.1mol/L的乙酰丙酮镓水溶液。
优选的，所述反应腔整体采用双层中空设计，中间空腔设为水冷循环。
优选的，所述载气瓶内储有氮气或氧气，载气流速为0.1～10L/min。
优选的，所述雾化装置的频率可调范围为1.5～2.5MHz。
优选的，所述液位控制装置采用差速蠕动泵组供液方式。
优选的，所述尾气处理装置包含一个催化燃烧室和两个吸附床。
一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的方法，具体步骤如下：
S1.将衬底放置在反应腔中，通过载气控制系统将载气瓶中的载气通入至反应腔中，使载气充满反应腔；
S2.将浓度为0.01～0.1mol/L的乙酰丙酮镓水溶液作为前驱体溶液加入到雾化装置中，液位控制装置采用差速蠕动的方式来稳定雾化装置中的前驱体溶液的液面高度；
S3.控制反应腔内温度为400～500℃；设置雾化装置的频率，雾化装置产生超声波使含前驱体溶液雾化成气溶胶前驱体；
S4.通过雾化装置的载气将气溶胶前驱体运送到反应腔中，通过调整成对电极极板之间的电压大小，将气溶胶前驱体加速吸附至不同衬底表面，控制沉积在不同位置衬底上的气溶胶前驱体量，进而实时控制不同衬底上薄膜成膜速度和沉积厚度；
S5.在热作用下发生化学反应，并在衬底上成膜，通过尾气处理装置将尾气净化后排放至大气环境中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用常压下沉积制备α-Ga2O3薄膜，无需真空装置和昂贵的维持真空设备，经济效果明显；
(2)本发明通过加装正负电极极板，通过调整成对电极极板之间的电压大小，将气溶胶前驱体加速吸附至不同衬底表面，控制沉积在不同位置衬底上的气溶胶前驱体量，进而实时控制不同衬底上薄膜成膜速度和沉积厚度；
(3)本发明采用超声雾化装置使前驱体溶液雾化，工艺流程简单，制备周期短，有利于降低成本，非常适合(半)工业化生产。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明中薄膜沉积速度随中间电极板之间电压的变化曲线图；
图中：1、多块正电极极板；2、多块负电极极板；3、载气控制系统；4、液位控制装置；5、雾化装置；6、衬底，7、反应腔，8、尾气处理装置，9、载气瓶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，包括多块正电极极板1、多块负电极极板2、液位控制装置4、雾化装置5、反应腔7和尾气处理装置8，多块正电极极板1并排放置在反应腔7的一侧，多块负电极极板2并排放置在反应腔7的另一侧并与多块正电极极板1对应设置，多块正电极极板1和多块负电极极板2构成多对正负电极极板，每对正负电极板之间形成电场；所述液位控制装置4通过泵管与雾化装置5相连，反应腔7内放置有多块衬底6，多块衬底6放在沉积舟上，反应腔7的一端通过气溶胶输送管道与雾化装置5连通、另一端与尾气处理装置8连通；雾化装置5内盛放有前驱体溶液，雾化装置5顶部通过载气控制系统3与存储有载气的载气瓶9相连。
每对正负电极板之间电压可调范围为0～10V。
所述前驱体溶液为浓度0.01～0.1mol/L的乙酰丙酮镓水溶液。
所述反应腔7整体采用双层中空设计，中间空腔设为水冷循环。
所述载气瓶9内储有氮气或氧气，载气流速为0.1～10L/min。
所述雾化装置5的频率可调范围为1.5～2.5MHz。
为了高精度保证前驱体液体量的恒定，从而使雾化出的雾滴均匀，由于是一直处于循环状态，也保证前驱体液体温度的恒定，所述液位控制装置4采用差速蠕动泵组供液方式。本实施例中采用的液位控制装置4的型号为CYWQ-202型，采用压阻式OEM压力传感器及高精度的智能化变送器处理电路。
所述尾气处理装置8包含一个催化燃烧室和两个吸附床。
一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的方法，具体步骤如下：
S1.将衬底6放置在反应腔7中，通过载气控制系统3将载气瓶9中的载气通入至反应腔7中，使载气充满反应腔7；
S2.将浓度为0.01～0.1mol/L的乙酰丙酮镓水溶液作为前驱体溶液加入到雾化装置5中，液位控制装置4采用差速蠕动的方式来稳定雾化装置5中的前驱体溶液的液面高度；
S3.控制反应腔7内温度为400～500℃；设置雾化装置5的频率，雾化装置5产生超声波使含前驱体溶液雾化成气溶胶前驱体；
S4.通过雾化装置5的载气将气溶胶前驱体运送到反应腔7中，通过调整成对电极极板之间的电压大小，将气溶胶前驱体加速吸附至不同衬底6表面，控制沉积在不同位置衬底6上的气溶胶前驱体量，进而实时控制不同衬底6上薄膜成膜速度和沉积厚度；
S5.在热作用下发生化学反应，并在衬底6上成膜，通过尾气处理装置8将尾气净化后排放至大气环境中。
对完成的薄膜进行厚度测量，从而获得不同电压下薄膜的沉积速度，如图2所示，其中当正负电极板之间电压为0V时，薄膜沉积速度为11nm/min；当正负电极板之间电压为6V时，薄膜沉积速度为17nm/min；当正负电极板之间电压为10V时，薄膜沉积速度为34nm/min，实现了实时控制薄膜的沉积速度，由此可以看出，随着电压的增大，底部吸附增多，沉积速度对应增加，因此本发明提供的系统非常适合用于控制沉积α-Ga2O3薄膜的速度。
本发明实例前驱体溶液还可以使用溴化镓、氯化镓、氢氧化镓等镓盐配合酸性或碱性助溶剂配制成镓源溶液。本发明实例在上述实例的基础上，在不更换前驱体溶液的情况下，通过改变电场电压可以实现不同厚度的氧化镓薄膜生长，通过改变反应腔4生长温度可以实现不同晶型氧化镓薄膜的生长。
Claims (9)
1.一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，包括多块正电极极板(1)、多块负电极极板(2)、液位控制装置(4)、雾化装置(5)、反应腔(7)和尾气处理装置(8)，多块正电极极板(1)并排放置在反应腔(7)的一侧，多块负电极极板(2)并排放置在反应腔(7)的另一侧并与多块正电极极板(1)对应设置，多块正电极极板(1)和多块负电极极板(2)构成多对正负电极极板，每对正负电极板之间形成电场；所述液位控制装置(4)通过泵管与雾化装置(5)相连，反应腔(7)内放置有多块衬底(6)，多块衬底(6)放在沉积舟上，反应腔(7)的一端通过气溶胶输送管道与雾化装置(5)连通、另一端与尾气处理装置(8)连通；雾化装置(5)内盛放有前驱体溶液，雾化装置(5)顶部通过载气控制系统(3)与存储有载气的载气瓶(9)相连。
2.根据权利要求1所述的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，每对正负电极板之间电压可调范围为0～10V。
3.根据权利要求1或2所述的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，所述前驱体溶液为浓度0.01～0.1mol/L的乙酰丙酮镓水溶液。
4.根据权利要求1或2所述的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，所述反应腔(7)整体采用双层中空设计，中间空腔设为水冷循环。
5.根据权利要求1或2所述的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，所述载气瓶(9)内储有氮气或氧气，载气流速为0.1～10L/min。
6.根据权利要求1或2所述的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，所述雾化装置(5)的频率可调范围为1.5～2.5MHz。
7.根据权利要求1或2所述的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，所述液位控制装置(4)采用差速蠕动泵组供液方式。
8.根据权利要求1或2所述的一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的装置，其特征在于，所述尾气处理装置(8)包含一个催化燃烧室和两个吸附床。
9.一种通过电场控制α-Ga2O3沉积速度的方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1.将衬底(6)放置在反应腔(7)中，通过载气控制系统(3)将载气瓶(9)中的载气通入至反应腔(7)中，使载气充满反应腔(7)；
S2.将浓度为0.01～0.1mol/L的乙酰丙酮镓水溶液作为前驱体溶液加入到雾化装置(5)中，液位控制装置(4)采用差速蠕动的方式来稳定雾化装置(5)中的前驱体溶液的液面高度；
S3.控制反应腔(7)内温度为400～500℃；设置雾化装置(5)的频率，雾化装置(5)产生超声波使含前驱体溶液雾化成气溶胶前驱体；
S4.通过雾化装置(5)的载气将气溶胶前驱体运送到反应腔(7)中，通过调整成对电极极板之间的电压大小，将气溶胶前驱体加速吸附至不同衬底(6)表面，控制沉积在不同位置衬底(6)上的气溶胶前驱体量，进而实时控制不同衬底(6)上薄膜成膜速度和沉积厚度；
S5.在热作用下发生化学反应，并在衬底(6)上成膜，通过尾气处理装置(8)将尾气净化后排放至大气环境中。
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