CN117431624B - 一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置 - Google Patents
一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117431624B CN117431624B CN202311753387.3A CN202311753387A CN117431624B CN 117431624 B CN117431624 B CN 117431624B CN 202311753387 A CN202311753387 A CN 202311753387A CN 117431624 B CN117431624 B CN 117431624B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- source
- gaseous
- switch
- gas source
- tank body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000012010 growth Effects 0.000 title claims abstract description 66
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 45
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims abstract description 17
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 54
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 50
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 34
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 11
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 9
- 230000003561 anti-manic effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 4
- 238000009489 vacuum treatment Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 50
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 29
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 13
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001944 continuous distillation Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000011982 device technology Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000004508 fractional distillation Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N gallium antimonide Chemical compound [Sb]#[Ga] VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000013461 intermediate chemical Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000002688 persistence Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/14—Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the reactive gases
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
本发明提供了一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置，其采用锑烷作为气态锑源进行分子束外延生长，其中，锑烷包括SbH3及SbD3，具体包括：S1、使锑烷在预设温度下形成锑烷束流后进入MBE源炉内；S2、在MBE源炉内将锑烷升高至目标温度，使锑烷分解为锑束流及原子氢；S3、在衬底上进行分子束外延生长。本发明采用气态锑源进行分子束生长，不仅能够使锑化物材料的生长窗口不受工作环境、阀门开关重复性等因素影响，由此避免了上述因素导致超过1.5%的束流起伏，同时，其相比于固态源工况下的生长窗口能够增加一倍，基于此能够大大降低分子束外延工艺过程的难度，成倍提高产品良率，同时使外延材料的质量也能够显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体指一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置。
背景技术
分子束外延(MBE)技术是一种材料生长的先进技术，其在超高真空腔体中通过热蒸发或裂解多种超高纯单质源并形成原子或分子束流后，在合适的温度条件、晶格匹配的衬底上沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随高纯单质源的变化而迅速调整。MBE技术在其诞生之初主要用于科学研究，而近年来随着MBE技术的发展，该技术生产已经在半导体外延材料的生产加工方面得到了广泛的应用。
分子束外延生长是一个动力学过程，它既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，因此现阶段其已经可以实现普通热平衡生长方法难以生长的薄膜材料。基于其在材料化学组分和生长速率控制等方面的优越性，目前已经将此方法作为一种高真空高纯源蒸发的生长方式适用于各种化合物半导体及其合金材料同质结和异质结的外延生长过程以及半导体场效应晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结构场效应晶体管(HFET)、异质结双极晶体管(HBT)等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备过程中。相比与传统加工方式来说，分子束外延生长不仅可用来制备现有的大部分器件，而且也可以制备许多新器件，包括其它方法难以实现的，如借助原子尺度膜厚控制而制备的超晶格结构高电子迁移率晶体管和多量子阱型激光二极管等。
作为高新技术发展的重要驱动器，半导体技术正在向高性能、低功率、低成本的第四代半导体技术发展迭代，而窄带隙的锑化物是第四代半导体材料器件技术的重要目标材料体系。这其中，锑化物半导体材料已经成为第四代半导体材料器件加工过程中不可缺少的材料之一，具体地，锑化物半导体材料是指以铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等Ⅲ族元素以及砷(As)、磷(P)、锑(Sb)等Ⅴ族元素为基础组成的二元、三元、四元、五元及六元化合物材料，上述材料均具有红外发光、能带可调的物理特性，具有相同晶体结构的材料体系，与传统的激光与探测材料相比，其更是具有晶格匹配性好、均匀性好、单片基片尺寸大、半导体制备工艺兼容性高等独特优势，进而也具有巨大的发展潜力，目前已经在在成像、遥感、传感、气体探测等诸多方面具有重要用途，此外，锑化物半导体材料也是国际同行公认的新一代红外中长波段激光、探测、半导体光电集成芯片的首选材料体系，为各种新型功能芯片器件的研究提供了极大的发展空间。
在光电子领域中，锑化物材料体系有希望成为未来红外成像系统的主要材料体系。传统红外光电材料由于均匀性不足、基片面积小、良率低等瓶颈，难以实现大阵列、双色、多色焦平面以及甚远红外焦平面的制造。相比之下，锑化物具有显著的高性能优势，其带隙调控适用范围更广、成本更低、制造规模更大，由此，锑化镓基半导体外延材料技术已经成长为红外光电器件制造的主流。
在微电子领域，锑化物半导体具有超过前三代半导体体系的超高速迁移率，在发展超低功耗超高速微电子集成电路器件方面潜力巨大。在热电器件领域，含锑元素的各类晶体材料具有优良的热电和制冷效应，是长期以来热电制冷器件领域的重要技术方向，因此同样具有广阔的应用前景。在制备方面，锑化物窄带隙半导体与砷化镓、磷化铟等Ⅲ-V族体系的结构特性、制备工艺类似或兼容，因此不存在量产技术的障碍，其制备成本主要受单晶衬底晶圆面积、外延材料量产容量、工艺集成技术良率的制约。锑化物半导体在开发下一代的体积小、重量轻、低功耗、低成本器件，满足极为苛刻应用要求方面具有不可替代的优势，是包括民用、国防在内的细分领域——红外成像的热门候选材料。
目前MBE整个生长过程需要在超真空环境下进行，其过程通常为：从加热的克努森源炉中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。在每一个克努森炉里的坩埚中都装有生长层所需要的高纯源，使用时将坩埚设定到合适的温度，使得分子束流正好能在衬底的表面形成所期望的外延组分。上述过程中，为了保证组分的厚度和均匀性，坩埚在衬底周围以圆形排列，且衬底生长的过程中可以进行旋转。同时，在生长时，组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩埚的温度来实现，而组分的突变则是通过在每一个坩埚出口处的机械阀门(挡板)的开、关来实现。
作为锑化物原材料的锑源(Sb)同样是装在克努森炉里的坩埚中，坩埚外绕着加热丝，外层有防辐射层和冷却水装置(水冷套)，水冷套内有流动的循环水，防止炉内加热丝热量传递到炉外。MBE所有的Sb源炉类型为固态蒸发裂解炉，内部PBN材质坩埚整体较长，分为裂解区(cracking)、传导区(conductance)及原料贮存区(bulk)，裂解区伸入生长室腔体内部，而传导区及贮存区凸出在腔体外，由加热丝及源炉壳体水冷套水流冷却平衡，维持原料温度的稳定。通过高温加热，在贮存区，高纯Sb单质原料蒸发为Sb4分子，之后通过传导区及经裂解区高温裂解后形成Sb2分子束流，由此成为材料生长的最终原料。
现有裂解型固态Sb源炉有3个难以克服的问题：首先是克努森炉Sb源炉贮存区在MBE真空腔体的外部，暴露在洁净室气流环境中，洁净间气流/温度波动及水冷套内的循环水温、流速波动容易导致Sb炉温度不稳定，实践表明在材料生长的使用温度下Sb束流的变化幅度约1.5％/℃；其次Sb裂解炉阀门是设计在裂解区头端的PBN材质滑动套筒，一方面阀区PBN材料互相摩擦易产生粉末，被Sb束流带入腔体，影响束流的纯度，降低材料的性能及良率，另一方面阀门的传动机构运动会改变传导区温场，导致原料贮存区温度随阀门开度的变化难以保持稳定，而温度的缓慢变化会影响束流的稳定性，导致材料的良率下降；最后，Sb裂解炉束流大小是由阀门移动至不同开度控制的，受限于移动精度、传动配合度、阀门装配准直度等因素，阀门控制的重复性存在不确定性。另外，固态Sb源开始使用前，需要复杂的使用流程：为了提高束流稳定性及高纯源的纯度，固体Sb源料须经历熔化，以排出Sb颗粒表面的氧化物、内部的气体等杂质，再凝固实现固态原料成分、密度更加均匀等，既增加了成本，又提升了MBE真空系统风险。
综上所述，上述三种因素会导致Sb裂解炉在实际工艺应用中的束流不稳定性超过1.5％，而在锑化物红外材料外延工艺中，对Sb束流稳定性要求很高；以常用的GaSb衬底为例：高温(略低于GaSb衬底脱氧温度)生长阶段：GaSb生长的所需Sb(V族)、Ga(Ⅲ族)束流比对于量产型设备，受制于各源炉束流分布、装载衬底样品盘温度分布不均匀性，V族Ⅲ族束流比(V/III)窗口会收窄至3.5％以下，此时再叠加1.5％的Sb束流不稳定性，会导致实际工艺窗口仅有2.0％左右；低温生长阶段(低于GaSb衬底脱氧温度20～150℃)：GaSb生长的所需Sb(V族)、Ga(Ⅲ族)束流比窗口更窄，工艺窗口约2％，使用Sb裂解炉时实际工艺窗口能够保持在1％以下；同时由于MBE生长的特点，生长速度慢约0.1～2um/h，生长器件材料周期长(几小时～几十小时)，这些因素给锑化物材料的工程化应用带来了严峻的挑战。因此如果能够解决Sb束流稳定性问题，将会同时实现大幅扩宽工艺窗口、降低工艺难度、提升批量生产的稳定持续性、提高工程化产品良率及外延材料质量等目的。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中固态锑源影响Sb束流稳定性的问题，提供一种分子束外延气态锑源生产方法及设备。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种分子束外延生长方法，其采用锑烷制备气态锑源进行分子束外延生长，其中，所述锑烷包括SbH3及SbD3，具体包括如下步骤：S1、使所述锑烷在预设温度下形成锑烷束流后进入MBE源炉内；S2、在所述MBE源炉内将锑烷升高至目标温度，使锑烷分解为锑束流及原子氢；S3、在生长室内部衬底上进行分子束外延生长。
在本发明的一个实施例中，当所述锑烷为SbH3时，所述预设温度不高于100℃，所述目标温度不低于300℃；当所述锑烷为SbD3时，所述预设温度不高于200℃，所述目标温度不低于400℃。
在本发明的一个实施例中，所述气态锑源进入所述生长室之前需要对其传输管道进行真空化处理。
本发明提供了一种气态锑源供给装置，其用以实施上述分子束外延生长方法，其包括：传输装置，SbH3和/或SbD3通过所述传输装置进入生长室，所述传输装置包括传输管道，所述传输管道上设有气态源入口及气态源出口，所述气态源入口及所述气态源出口设置于所述传输管道两端，其中，所述气态源出口连通生长室；束流控制装置，所述束流控制装置连通所述传输管道。
在本发明的一个实施例中，所述传输装置还包括第一开关及第二开关，所述第一开关连接所述气态源入口，所述第二开关连接所述气态源出口，且所述第一开关及所述第二开关均设置为金属球阀或隔膜阀中的一种。
在本发明的一个实施例中，所述传输装置还包括调压阀以及至少一个压力表，所述调压阀及至少一个所述压力表均设置于所述传输管道上，且所述调压阀靠近所述气态源入口设置。
在本发明的一个实施例中，所述束流控制装置设置于靠近所述气态源入口一侧且与所述传输管道连通，其包括介质罐体、气态源罐体以及加热组件，其中，所述气态源罐体及所述加热组件均设置于所述介质罐体内部，且所述加热组件套设于所述气态源罐体外表面。
在本发明的一个实施例中，所述气态源罐体内部为加热空间，其上连接温度检测器，所述介质罐体于所述气态源罐体之间为介质存储空间，所述介质罐体上设有连通器内外部环境的介质出口及介质入口，所述加热组件包括套设于所述气态源罐体表面的加热丝以及连接与所述加热丝一端的电极。
在本发明的一个实施例中，所述束流控制装置还包括第三开关，当所述第三开关开启时，所述气态源罐体与所述气态源入口或所述气态源出口连通，当所述第三开关关闭时，所述气态源入口与所述气态源出口连通。
在本发明的一个实施例中，其还包括抽真空机构，所述抽真空机构包括分子泵组以及压力表，所述分子泵组与所述传输管道连通，所述压力表连接于所述分子泵组工作端，所述分子泵组上设有排尾气口。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的分子束外延气态锑源生产方法及设备，采用气态锑源进行分子束生长，其整体加工过程相比于传统固态锑源来说，能够大幅提升控制精度及束流稳定性，一方面，其不仅能够使锑化物材料的生长窗口不受工作环境、冷却水、挡板开关、阀门开关重复性等因素影响，由此避免了上述因素导致超过1.5％的束流起伏，另一方面，其相比于固态源工况下的生长窗口能够增加一倍，基于此能够大大降低分子束外延工艺过程的难度，成倍提高产品良率，同时使外延材料的质量也能够显著提升。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明优选实施例中气态锑源供给装置的结构示意图；
图2是图1中束流控制装置内部结构示意图。
说明书附图标记说明：100、传输装置；110、传输管道；111、气态源入口；112、气态源出口；113、第一开关；114、第二开关；120、总控开关；130、压力表；140、调压阀；150、第三开关；200、束流控制装置；210、介质罐体；211、介质存储空间；212、介质入口；213、介质出口；220、气态源罐体；221、加热空间；222、温度检测器；230、加热组件；231、电极；232、加热丝；300、抽真空机构；310、第四开关；320、分子泵组；330、排气口。
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说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
本实施例提供一种分子束外延生长方法，其采用锑烷制备气态锑源进行分子束外延生长，其中，锑烷包括SbH3及SbD3，具体包括如下步骤：S1、将锑烷升高至目标温度，以使锑烷分解为目标气态锑源及原子氢，得到加工空间；S2、在加工空间内部进行分子束外延生长。
本发明的分子束外延气态锑源生产方法及设备，采用气态锑源进行分子束生长，其整体加工过程相比于传统固态锑源来说，能够大幅提升控制精度及束流稳定性，一方面，其不仅能够使锑化物材料的生长窗口不受工作环境、冷却水、挡板开关、阀门开关重复性等因素影响，由此避免了上述因素导致超过1.5％的束流起伏，另一方面，其相比于固态源工况下的生长窗口能够增加一倍，基于此能够大大降低分子束外延工艺过程的难度，成倍提高产品良率，同时使外延材料的质量也能够显著提升。
锑烷(SbH3或SbD3)是有毒的电子特气，受锑化物应用市场起步较晚的影响，目前其制备及使用仍未收到充分开发。本实施例中的SbD3的合成方法为：采用NaBD4或LiAlD4与SbCl3反应，生成SbD3。气态产物采用多级分馏、连续蒸馏的方式进行提纯，确保气态源的纯度。
本实施例中采用SbD3进行加工，由此，本实施例中的预设温度不高于200℃以使且SbD3形成稳定的锑烷束流，同时目标温度不低于400℃，以便于使SbD3完全分解为锑源及原子氢，进一步地，得到的原子氢不仅有利于衬底材料表面的氧化物的还原，还兼具能降低衬底的脱氧温度，避免脱氧过程中衬底高温热脱氧损伤，提升外延材料的表面质量，降低材料盲源率等优势，此外，其在改善其它高纯源材料纯度、降低腔体内氧化物含量，提高产品质量等方面也有不可忽略的作用。基于此，本申请中的锑烷能够在高温分解后仅得到锑源以及有显著辅助优势的原子氢，除此之外即不会产生其他应影响后续生长过程及生长效果的副产物，也无需进行其他操作控制任意元素含量，相比与传统固态锑源需要在生长时额外添加原子氢的方式来说，其仅通过一个工作节拍即可实现双重效果，具体地，现阶段的分子束外延生长时，需要通过在2000℃以上的高温条件先经过热分解或射频激发形成具有高化学活性的原子氢，此过程不仅需要独立的加工过程以及操作步骤，而且其原料、设备、仪器等成本均会成倍增加，此外，在常规原子氢制备以及传输过程中还存在不可避免低损耗以及受污染的风险，由此，本申请不仅能够大大提高其整体作业效率以及效果，而且节约能源，极大程度简化了整体加工过程，并且还能够确保原子氢纯度，进而为后续分子束外延生长过程提供极大便利。
具体地，在SbD3进入生长室之前需要对其传输管道进行真空化处理以避免干扰误差。进一步地，本实施例中的气态源流量均通过高精度金属球阀或隔膜阀中的一种进行精密控制，其能够确保束流气浮在1％以下，且束流稳定后，上下波动幅度≤10-3量级，由此实现小于10-3量级变化的高稳定性、高重复性分子束流。更进一步地，本实施例中的气态源避免了固态源阀门开口大小变化的机械运动，既保证了束流的稳定性，又杜绝了机械摩擦带来的束流污染；在生产设备所在的净化间内，环境温度的变化对气流流量影响几乎为零，由此杜绝了环境温度及冷却水等波动导致的Sb束流的变化。
本申请中，气态锑源的源炉可采用气态源毛细管坩埚经高温裂解后形成Sb2束流以作为原料来源，或，气态锑源也可以不经高温裂解，直接以锑烷作为原料来源，这两种方式条件下，源炉挡板开启都对束流稳定性均不存在影响。由此通过采用气态Sb源避免了固态源在使用中各种因素导致的1.5％的束流起伏，保证了材料生长窗口的稳定性，将大幅降低工艺难度、保障生产的稳定性、提高外延材料质量，并提升材料的良品率。
实施例二
本实施例提供另一种分子束外延生长方法，采用SbH3进行加工，由此预设温度不高于100℃，同时目标温度不低于300℃，以便于使SbH3完全分解，此外，其余加工过程均与实施例一中相同，此处不做过多赘述。
实施例三
参见图1所示，本实施例提供一种气态锑源供给装置，其用以进行实施例一中的分子束外延生长方法，其包括：传输装置100，SbH3和/或SbD3通过传输装置100进入生长室，传输装置100包括传输管道110，传输管道110上设有气态源入口111及气态源出口112，气态源入口111及气态源出口112设置于传输管道110两端，其中，气态源出口112连通生长室；束流控制装置200，束流控制装置200连通传输管道110。
本实施例中，SbD3通过传输装置100进入生长室，在通入SbD3前需要将生长室内部温度升高至400℃以上，以便于SbD3在高温环境下分解为锑源及原子氢。参见图1所示，传输装置100还包括第一开关113及第二开关114，第一开关113连接气态源入口111，第二开关114连接气态源出口112，且第一开关113及第二开关114均设置为金属球阀或隔膜阀中的一种。进一步地，本实施例中的第一开关113及第二开关114均设置为金属球阀,其能够确保束流气浮在1％以下,由此提高其整体控制精度。本实施例中，当第一开关113及第二开关114均开启时，锑烷或加工后的锑烷能够沿传输管道110进入预备好的生长室。进一步地，本实施例中，第一开关113及第二开关114之间的传输管道110上还设有总控开关120，由此对传输管道110进行分段管理，操作人员能够通过调整第一开关113、第二开关114以及总控开关120实现对气体传输过程的精确控制，进一步地，传输装置100还包括调压阀140以及至少一个压力表130，调压阀140及至少一个压力表130均设置于传输管道110上，且调压阀140靠近气态源入口111设置。具体地，本实施例中的压力表130用以实时反馈其连接处的传输管道110内部气体流量大小。
由于受到各个开关的开度限制，若需要进一步提高气体输出流量时，可以通过束流控制装置200提高传输管道110内部气体流动速度，参见图2所示，束流控制装置200设置于靠近气态源入口111一侧且与传输管道110连通，其包括介质罐体210、气态源罐体220以及加热组件230，其中，气态源罐体220及加热组件230均设置于介质罐体210内部，且加热组件230套设于气态源罐体220外表面，具体地，气态源罐体220内部为加热空间221，其上连接温度检测器222，介质罐体210与气态源罐体220之间为介质存储空间211，介质罐体210上设有连通其内外部环境的介质出口213及介质入口212，加热组件230包括套设于气态源罐体220表面的加热丝232以及连接于加热丝232一端的电极231。其中，加热丝232通过电极231进行加热，介质罐体210内部设有用以传导热量的气态或液态，介质罐体210与气态源罐体220相互密封设置，锑烷进入气态源罐体220后经过加热组件230进行加热，由此使其膨胀进而实现提高传输管道110内部气体流速的目的，进一步地，本实施例中对于加热组件230的温度可以以及实际使用需求进行调节。
更进一步地，束流控制装置200还包括第三开关150，在第一开关113及第二开关114均开启的状态下，当第三开关150开启时，气态源罐体220与气态源入口111或气态源出口112连通，当第三开关150关闭时，气态源入口111与气态源出口112连通。
本实施例中还包括抽真空机构300，抽真空机构300包括分子泵组320以及压力表130，分子泵组320与传输管道110连通，压力表130连接于分子泵组320工作端，分子泵组320上设有排气口330。参见图1所示，抽真空机构300用以在通入锑烷前对传输管道110进行洁净处理，具体为：通过分子泵组320对传输管道110进行抽真空作业，并将传输管道110中的气体通过排气口330排出，在此过程中，其抽气流量同样能够通过压力表130进行实时反馈，由此，长期稳定的气态锑源能够为MBE系统长期稳定的运行提供保障，此外，本实施例中的抽真空机构300上还设有控制其是否与传输管道110连通的第四开关310，当抽真空机构300工作时，第四开关310开启，第一开关113、第二开关114以及第三开关150均关闭。
实施例四
本实施例提供另一种气态锑源供给装置，其主体结构以及连接方式与实施例三相同，本实施例中，SbH3通过传输装置100进入生长室，在通入SbH3前需要将生长室内部温度升高至350℃，以便于SbH3在高温环境下分解为锑源及原子氢。
综上，本发明的分子束外延气态锑源生产方法及设备，采用气态锑源进行分子束生长，其整体加工过程相比于传统固态锑源来说，能够大幅提升控制精度及束流稳定性，一方面，其不仅能够使锑化物材料的生长窗口不受工作环境、冷却水、挡板开关、阀门开关重复性等因素影响，由此避免了上述因素导致超过1.5％的束流起伏，另一方面，其相比于固态源工况下的生长窗口能够增加一倍，基于此能够大大降低分子束外延工艺过程的难度，成倍提高产品良率，同时使外延材料的质量也能够显著提升。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种分子束外延生长方法，其特征在于：采用锑烷作为气态锑源进行分子束外延生长，其中，所述锑烷包括SbH3及SbD3，具体包括如下步骤：
S1、使所述锑烷在预设温度下形成锑烷束流后进入MBE源炉内；
S2、在所述MBE源炉内将锑烷升高至目标温度，使锑烷分解为锑束流及原子氢；
S3、在生长室内部衬底上进行分子束外延生长；
其中，当所述锑烷为SbH3时，所述预设温度不高于100℃，所述目标温度不低于300℃；当所述锑烷为SbD3时，所述预设温度不高于200℃，所述目标温度不低于400℃。
2.根据权利要求1所述的分子束外延生长方法，其特征在于：所述气态锑源进入所述生长室之前需要对其传输管道进行真空化处理。
3.一种气态锑源供给装置，其特征在于：用以实施权利要求1～2中任意一项所述的分子束外延生长方法，其包括：
传输装置，SbH3和/或SbD3通过所述传输装置进入生长室，所述传输装置包括传输管道，所述传输管道上设有气态源入口及气态源出口，所述气态源入口及所述气态源出口设置于所述传输管道两端，其中，所述气态源出口连通生长室；
束流控制装置，所述束流控制装置连通所述传输管道，所述束流控制装置设置于靠近所述气态源入口一侧且与所述传输管道连通，其包括介质罐体、气态源罐体以及加热组件，其中，所述气态源罐体及所述加热组件均设置于所述介质罐体内部，且所述加热组件套设于所述气态源罐体外表面。
4.根据权利要求3所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述传输装置还包括第一开关及第二开关，所述第一开关连接所述气态源入口，所述第二开关连接所述气态源出口，且所述第一开关及所述第二开关均设置为金属球阀或隔膜阀中的一种。
5.根据权利要求3所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述传输装置还包括调压阀以及至少一个压力表，所述调压阀及至少一个所述压力表均设置于所述传输管道上，且所述调压阀靠近所述气态源入口设置。
6.根据权利要求3所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述气态源罐体内部为加热空间，其上连接温度检测器，所述介质罐体与所述气态源罐体之间为介质存储空间，所述介质罐体上设有连通其内外部环境的介质出口及介质入口，所述加热组件包括套设于所述气态源罐体表面的加热丝以及连接于所述加热丝一端的电极。
7.根据权利要求3所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述束流控制装置还包括第三开关，当所述第三开关开启时，所述气态源罐体与所述气态源入口或所述气态源出口连通，当所述第三开关关闭时，所述气态源入口与所述气态源出口连通。
8.根据权利要求3所述的气态锑源供给装置，其特征在于：其还包括抽真空机构，所述抽真空机构包括分子泵组以及压力表，所述分子泵组与所述传输管道连通，所述压力表连接于所述分子泵组工作端，所述分子泵组上设有排尾气口。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311753387.3A CN117431624B (zh) | 2023-12-20 | 2023-12-20 | 一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311753387.3A CN117431624B (zh) | 2023-12-20 | 2023-12-20 | 一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117431624A CN117431624A (zh) | 2024-01-23 |
| CN117431624B true CN117431624B (zh) | 2024-03-26 |
Family
ID=89551962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311753387.3A Active CN117431624B (zh) | 2023-12-20 | 2023-12-20 | 一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117431624B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0247826A (ja) * | 1988-08-10 | 1990-02-16 | Fujitsu Ltd | 分子線エピタキシャル成長方法及びそれを実施する装置 |
| US6146608A (en) * | 1997-11-24 | 2000-11-14 | Advanced Technology Materials, Inc. | Stable hydride source compositions for manufacture of semiconductor devices and structures |
| CN111033679A (zh) * | 2017-08-22 | 2020-04-17 | 普莱克斯技术有限公司 | 用于离子注入的含锑材料 |
-
2023
- 2023-12-20 CN CN202311753387.3A patent/CN117431624B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0247826A (ja) * | 1988-08-10 | 1990-02-16 | Fujitsu Ltd | 分子線エピタキシャル成長方法及びそれを実施する装置 |
| US6146608A (en) * | 1997-11-24 | 2000-11-14 | Advanced Technology Materials, Inc. | Stable hydride source compositions for manufacture of semiconductor devices and structures |
| CN111033679A (zh) * | 2017-08-22 | 2020-04-17 | 普莱克斯技术有限公司 | 用于离子注入的含锑材料 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Synthesis and Stabilization of Stibine for Low-Temperature Chemical Vapor Deposition of Carbon-Free Antimony Films;Michael A. Todd等;Chem. Mater.;19990202;第11卷(第3期);第547-551页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117431624A (zh) | 2024-01-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5073968B2 (ja) | 化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法 | |
| CN110055591B (zh) | 二维三元原子晶体的制备方法 | |
| US20170051400A1 (en) | Method for manufacturing a doped metal chalcogenide thin film, and same thin film | |
| JPH07118458B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| CN109437124B (zh) | 一种合成单层过渡金属硫族化合物的方法 | |
| Hino et al. | MOCVD growth of (AlxGa1− x) yIn1− yP and double heterostructures for visible light lasers | |
| Seidensticker | Dendritic web silicon for solar cell application | |
| CN117431624B (zh) | 一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置 | |
| US4504329A (en) | Process for the epitaxial deposition of III-V compounds utilizing a binary alloy as the metallic source | |
| CN214782131U (zh) | 一种二维材料制备装置 | |
| WO2019085679A1 (zh) | 一种制备多元合金化合物的装置 | |
| US3406048A (en) | Epitaxial deposition of gallium arsenide from an atmosphere of hydrogen and ga2h6+ascl3+ash3 vapors | |
| CN115787098A (zh) | 一种碲镉汞外延材料的p型热处理方法 | |
| US5047112A (en) | Method for preparing homogeneous single crystal ternary III-V alloys | |
| Dupuis | III–V semiconductor devices grown by metalorganic chemical vapor deposition—The development of the Swiss Army Knife for semiconductor epitaxial growth | |
| WO2016101388A1 (zh) | 一种化合物半导体薄膜材料的制备方法 | |
| Herman et al. | Molecular beam epitaxy | |
| CN105019028B (zh) | 一种制备特定形貌和晶体结构的InAs纳米线的方法 | |
| CN115434008A (zh) | 一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法 | |
| CN117822107B (zh) | 一种化学气相沉积法生成拓扑绝缘体薄膜的方法及设备 | |
| KR102626060B1 (ko) | 화학기상증착을 통한 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법, 이에 의해 제조된 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질 및 이를 포함하는 트랜지스터 | |
| Husain et al. | Epitaxial Lattice Matching and the Growth Techniques of Compound Semiconductors for their Potential Photovoltaic Applications | |
| CN113201726B (zh) | 一种二维材料制备方法 | |
| Ogawa et al. | Epitaxial growth and chemical vapor transport of ZnTe by closed-tube method | |
| Ptak et al. | Toward high-throughput deposition of III-V materials and devices using halide vapor phase epitaxy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |