CN116641042A - 一种用于分子束外延设备的等离子体发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于分子束外延设备的等离子体发生装置，包括：气体离化腔、气体离化装置、加热装置；其中，气体离化装置、加热装置设置在气体离化腔内；气体离化腔设置在分子束外延设备的反应腔体内，且与分子束外延设备的反应腔体相连通；气体离化装置为电容耦合等离子体源，包括接地的上极板和连接射频电源的下极板；上极板和下极板之间具有等离子体产生区；气体离化腔将等离子体产生区包围，减少等离子体向分子束外延设备的反应腔体逸散；加热装置加热气体离化腔，使得气体离化腔的温度和气压均高于分子束外延设备反应腔体的温度和气压。本发明的等离子发生装置具有屏蔽性好、等离子体浓度高、均匀性佳等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体薄膜外延生长技术领域，具体涉及一种用于分子束外延设备的等离子体发生装置。
背景技术
Ⅲ-Ⅴ族材料因其优异的性能广泛应用于半导体发光器件、电子器件、光探测器、太阳电池等领域。目前常用的薄膜生长方式如金属有机化学气相沉积法（MOCVD）、溅射沉积、原子层沉积法（ALD）、氢化物气相外延（HVPE）对于InN材料及高In组分InGaN材料的制备均存在各自的不足。如金属有机化学气相沉积中高的氨气裂解温度与低的InN分解温度相矛盾，且采用有机源存在碳等元素污染问题；溅射沉积粒子能量较难控制，存在对薄膜材料刻蚀的问题；原子层沉积技术生长速率缓慢，而氢化物外延主要用于制备体材料，同时生长的薄膜材料具有高的背景电子浓度，难以实现P型掺杂。
分子束外延（MBE）被认为是目前生长InN材料及高In组分InGaN材料的良好选择，为了解决低温下氨气、氮气裂解率低的问题，引入等离子体发生装置用于离化气体提供活性氮源，如CN107675141A所公开的外延装置使用射频离子枪作为离化源，但是射频离子枪由于小的等离子体出射面积，难以形成大面积均匀的氮等离子体，难以应用在量产高质量氮化物薄膜的分子束外延设备中，为了实验高质量高In组分InGaN薄膜材料的量产，需要引入新的等离子发生装置。
CN114855270A所公开的类分子束外延设备引入容性耦合等离子体（CCP）发生装置用于离化气体提供活性氮源，并将金属蒸发区与等离子体产生区在空间上相分离，但只是简单的将两种源位置分开放置，并不能很好的将金属源和等离子源分隔开，仍会发生预反应。同时受到金属源扩散至衬底过程中平均自由程的影响，生长过程需要保持较低的气压，因此无法在生长过程保持高的气体浓度，而通过提高CCP装置的射频功率从而提高离化率的方法可能会引入刻蚀损伤。
针对上述问题，需要设计一种屏蔽性好、等离子体浓度高、均匀性佳的等离子发生装置用于较低温度下生长InN材料及高In组分的InGaN材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于分子束外延设备的等离子体发生装置，利用自主设计的气体离化腔将等离子体产生区与分子束外延设备的反应腔体分开，减少预反应；在高真空条件下，通过对气体离化腔进行半封闭、加入加热装置的方法，提高等离子体发生装置的气体离化率，提高等离子体浓度；采用喷淋头式的下极板提高等离子体产生的均匀性。以此进一步提高等离子体浓度和改善等离子体分布的均匀性。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于分子束外延设备的等离子体发生装置，特征是：包括气体离化腔、气体离化装置、加热装置，其中：
气体离化装置、加热装置设置在所述气体离化腔内；
气体离化腔设置在分子束外延设备的反应腔体内，且与分子束外延设备的反应腔体相连通；
气体离化装置为电容耦合等离子体源，包括接地和连接射频电源的上极板和下极板；
上极板和下极板之间具有等离子体产生区；
气体离化腔将等离子体产生区包围，减少等离子体向分子束外延设备的反应腔体逸散；
加热装置加热气体离化腔，使得气体离化腔的温度和气压均高于分子束外延设备反应腔体的温度和气压。
进一步的，气体离化腔底部设有进气口，进气口位于下极板的正下方。
进一步的，下极板具有若干个均匀分布的孔贯穿下极板的上下表面。
进一步的，上极板和下极板为中空的金属板。
进一步的，金属板内设置有冷却物质，对上极板和下极板进行冷却。
本发明的有益效果为：本发明提供的用于分子束外延设备的等离子发生装置通过引入气体离化腔，阻挡等离子体向外逸散，将等离子体产生区与金属源区隔绝开，减少薄膜沉积过程中的预反应几率，同时在离化腔中引入加热装置，能够使得离化腔内的温度和气压均高于反应腔的温度和气压，一定程度上能够提高气体离化装置的气体离化率，即提高了等离子体浓度，同时不影响离化腔外金属源的渡越。
通过对下极板均匀开孔，离化气体通过下极板的小孔中均匀入射到上下极板间，被约束在离化腔内，提高气体浓度的同时，气体离化后能够产生更加均匀的等离子。
等离子体发生装置的上下金属极板内设有冷却物质，该装置可以较长时间在较高温度下进行工作，提高了等离子发生装置的稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的分子束外延设备结构示意图。
图2为本发明的气体离化腔侧面结构示意图。
图3为本发明的气体离化装置上极板结构示意图。
图4为本发明的气体离化装置下极板结构示意图。
图5为本发明的气体离化装置下极板结构图，箭头为气体流动方向。
图6为本发明的气体离化装置电连接示意图。
实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步说明。此外，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
如图1-6所示，一种用于分子束外延设备的电容耦合等离子体发生装置，包括气体离化腔2、气体离化装置3和加热装置6，其中：气体离化腔2、气体离化装置3和加热装置6设置在分子束外延设备的反应腔体1内；气体离化腔2为中空、半开放形式，与分子束外延设备的反应腔体1相连通，气体离化腔2底部与分子束外延设备的反应腔体1底部相接触，气体离化装置3和加热装置设置6在气体离化腔2内。
气体离化装置3为容性耦合等离子体发生装置，包括连接射频电源的上极板31和下极板32，上极板31和下极板32之间具有等离子体产生区。
气体离化腔2将等离子体产生区包围，减少等离子体向分子束外延设备的反应腔体1逸散。
气体离化装置3的上极板31通过支撑板21放置在气体离化腔2中，通过绝缘材料22部分区域与气体离化腔2的侧壁相接触；电极线从支撑板21的开口处211与上极板31相连接，实现上极板31接地。
气体离化装置3的下极板32位于上极板31的正对下方，下极板32在除冷却管道321区域外均匀开孔，孔贯穿下极板32的上、下表面，以便气体均匀流入。下极板32通过支撑板21放置在气体离化腔2中，通过绝缘材料22部分区域与气体离化腔2侧壁相接触；电极线从支撑板21的开口处211与下极板32相连接，实现下极板32与匹配器、射频电源的连接。
上极板31、下极板32为中空结构，极板的内表面和外表面之间设有冷却管道3111、3121、321，冷却管道从气体离化腔2未开孔一侧的侧壁引入至绝缘材料22的开孔进水口221，221与极板的冷却管道相连接，连接口处设有防水密封圈223，冷却液体从222出水口流出。通过控制冷却管道内的冷却介质和流速能将气体离化腔2的温度控制在30℃以下。
加热装置6位于气体离化腔2的两侧，加热装置6采用热辐射方法对气体离化腔2进行加热，使得所述气体离化腔2的温度和气压均高于所述分子束外延设备的反应腔体1的温度和气压。
进气口4位于下极板32的下方、气体离化腔2底部的中心区域，用于通入需要离化的气体。
实施例1
本实施例的分子束外延设备采用本发明的等离子体发生装置离化气体用于提供生长所需的氮源，其结构示意图见图1；采用若干个设置在反应腔体1底部的束源炉81用于提供生长所需的金属源，束源炉81带有对应的屏蔽罩82用于约束金属源的逃逸；若干个衬底托盘52通过托盘连接杆51与腔体顶部旋转机构相连，位于同一圆周上，衬底托盘52可绕该圆周进行公转，公转时衬底托盘52经过等离子体发生装置的上极板31和下极板32之间；气体离化腔2和上极板31为衬底托盘52和托盘连接杆51旋转预留出位置。气体离化腔2的加热装置6位于气体离化腔2未开口的两侧，加热装置6的高度与衬底托盘52相平齐，在气体离化腔2外的反应腔体1底部设置了加热装置7，采用热辐射的方法对反应腔1进行加热。对反应腔体1抽真空的真空系统9包括机械泵92和分子泵91，分子泵91输入端设置在反应腔体1的中部侧壁上，以连通反应腔体1，机械泵92作为分子泵91的前级泵，机械泵92的输入端连接分子泵91的输出端。
进行材料生长之前，在若干衬底托盘52上安装若干衬底，开启加热装置6、7，开启真空系统9，对反应腔体1和气体离化腔2进行烘烤，烘烤温度高于材料生长温度，去除衬底表面挥发性物质，同时除去吸附在反应腔体1内的杂质气体，提高反应腔体1的本底真空，该过程保持衬底的低速旋转。在材料生长过程中，保持真空系统9运行，打开加热装置6、7，打开束源炉81加热，保持束源炉81坩埚盖闭合，衬底低速旋转，到达设置温度前，通入H2、Ar等刻蚀气体，打开气体离化装置3，去除衬底表面氧化物等杂质后停止气体通入，关闭气体离化装置3。衬底温度、束源炉温度到达设定温度后，通入所需离化气体，设定衬底旋转速度，打开气体离化装置3，打开束源炉81坩埚盖通入金属源，开始进行材料生长，上述过程中上极板31和下极板32的冷却系统始终保持开启。材料生长结束后，停止通入金属源，关闭束源炉81加热，关闭等离子体发生装置3，关闭反应腔体1、气体离化腔2的加热装置6、7，衬底低速旋转，反应腔体1温度得到下降后，停止通入离化气体，停止衬底旋转。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (5)
1.一种用于分子束外延设备的等离子体发生装置，其特征在于，包括：气体离化腔、气体离化装置、加热装置；
其中，所述气体离化装置、加热装置设置在所述气体离化腔内；
所述气体离化腔设置在所述分子束外延设备的反应腔体内，且与所述分子束外延设备的反应腔体相连通；
所述气体离化装置为电容耦合等离子体源，包括接地的上极板和连接射频电源的下极板；
所述上极板和所述下极板之间具有等离子体产生区；
所述气体离化腔将等离子体产生区包围，减少等离子体向所述分子束外延设备的反应腔体逸散；
所述加热装置加热气体离化腔，使得气体离化腔的温度和气压均高于所述分子束外延设备反应腔体的温度和气压。
2.根据权利要求1所述的用于分子束外延设备的等离子体发生装置，其特征在于：所述气体离化腔的底部设有进气口，所述进气口位于所述下极板的正下方。
3.根据权利要求1所述的用于分子束外延设备的等离子体发生装置，其特征在于：所述下极板具有若干个均匀分布的孔贯穿下极板的上表面和下表面。
4.根据权利要求1或3所述的用于分子束外延设备的等离子体发生装置，其特征在于：所述上极板和下极板为中空的金属板。
5.根据权利要求4所述的用于分子束外延设备的等离子体发生装置，其特征在于：所述金属板内设置有冷却物质，对所述上极板和下极板进行冷却。
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