CN203530429U - 一种半导体薄膜生长设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体薄膜生长设备，该生长设备适用于化学气相沉积工艺进行半导体薄膜的生长。所述半导体薄膜生长设备，其包括：载气装置、液态源装置、生长室、旁路以及真空系统，这些部件之间通过管道按一定的逻辑关系连结成一个整体；且每条管道可独立的打开或关闭。所述液态源装置包括多个源瓶，安装在一个惰性气体控制柜里，其中源瓶安装在恒温槽里，通过载气鼓泡法将液态源输送至生长室，并在生长室中进行化学反应合成所需半导体薄膜。所述载气直接通过主管道进入生长室，并通过打开或关闭旁路控制生长室气源，以达到控制薄膜生长以及切换过程中平衡生长室压力的目的。

Description

一种半导体薄膜生长设备

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)半导体薄膜生长设备。

背景技术

半导体薄膜材料是现代半导体技术的一个主要领域，它的发展十分迅速。半导体薄膜的制备离不开生长装置。迄今已经发展了数十种半导体薄膜生长装置及其生长方法，其中，化学气相沉积方法具有纯度高、可控、可大规模实施等优势已成为半导体薄膜生长的主流方法。现代商业化学气相沉积装置已变得非常复杂，并且装置本身非常昂贵，在这样的大型商业装置上可以沉积出各种复杂的微结构半导体薄膜材料，如AlGaN/GaN、InGaAs/GaAs等超晶格材料，这对于半导体光电子器件的制备具有重要的意义。另一方面，对于一些不需要精细结构的半导体薄膜，如II-VI、IV-VI二维层状薄膜晶体材料、过渡金属氧化物等新兴半导体超薄膜材料，如果仍然采用现有大型商业装置生长，则显得成本过高，且不易部署，急需发展新的半导体薄膜生长装置以及对应的生长方法来进行这些新兴半导体超薄膜的生长。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种半导体薄膜生长设备，能够为大多数二维层状薄膜晶体材料、过渡金属氧化物等半导体薄膜的制备提供设备及方法支持。

根据本实用新型的一个方面，其提供了一种半导体薄膜生长设备，包括：载气装置、液态源装置、生长室、旁路以及真空系统，这些部件之间通过管道按一定的逻辑关系连结成一个整体；且每条管道可独立的打开或关闭。该半导体薄膜生长设备适用于化学气相沉积工艺。

其中，所述载气装置依次通过手阀、单向阀以及流量计后与第一、第七和第八管道连接，其中第一管道进一步与第二管道和第三管道连接，第七管道进一步与生长室连接，第八管道进一步与旁路连接；所述液态源装置的入口端与第三管道连接，出口端与第四管道连接；第四管道与第五管道和第六管道连接，第六管道进一步与旁路连接；所述第五管道通过第七管道连接到生长室；所述生长室与真空系统、泵连接。

其中，所述管道连接的逻辑关系是：第一管道、第七管道和第八管道通过第一四通节点与载气装置连接，第一管道、第二管道和第三管道通过第一三通节点连接在一起，第二管道、第三管道和第四管道通过第二三通节点连接在一起，第五管道和第七管道通过第三三通节点与生长室连接，第六管道和第八管道通过第四三通节点与旁路连接。

相比于一般大型商业化学气相沉积设备，本实用新型采用可扩展、易于部署的逻辑结构，其结构可靠，操作简单，可以根据需要安装多个液态源装置，也可以根据需要卸载液态源装置，从而达到安装或卸载液态源的目的。每个液态源装置有独立的恒温和气路系统，能够独立、同时地由载气装置出来的载气经鼓泡法携带进入生长室进行半导体薄膜的生长，达到增加效率、提高生长质量和降低成本的目的。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例中半导体薄膜生长设备的结构示意图；

图2是本实用新型中液态源装置及其在惰性气体控制柜中的结构示意图；

图3是本实用新型另一优选实施例中半导体薄膜生长设备的结构示意图；

图4是使用本实用新型中半导体薄膜生长设备进行半导体薄膜生长时的具体数据示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

图1示出了本实用新型优选实施例中提供的半导体薄膜生长设备的结构示意图。如图1所示，该半导体薄膜生长设备适用于化学气相沉积工艺，所述半导体薄膜生长设备包括载气装置、液态源装置、生长室、旁路、真空系统以及泵，并且通过管道按一定的逻辑关系连结成一个整体。其中，旁路用于排空气体，真空系统用于维持和调节生长室的真空度，泵用于抽取生长室的气体。

其中，载气装置用于流通载气，使载气可以经载气装置出来后依次通过手阀、单向阀以及流量计(MFC)后与三个管道101、107、108连接，其中管道101进一步与管道102和管道103连接，管道107进一步与生长室连接，管道108进一步与旁路连接；液态源装置的入口端与管道103连接，出口端与管道104连接；生长室与真空系统、旁路与泵连接。所述管道逻辑关系为：管道101、107和108入口端通过一个四通节点1连接在一起，管道101、102和103通过一个三通节点2连接在一起，管道102、103和104通过一个三通节点3连接在一起，管道104、105和106通过一个三通节点4连接在一起，管道105和107通过一个三通节点5与生长室连接在一起，管道106和108通过一个三通节点6与旁路连接在一起。并且四通节点1、三通节点2、三通节点3、三通节点4、三通节点5和三通节点6可以独立打开、关闭。三通节点7将真空系统和旁路与泵连接在一起。所述液态源装置的源瓶耐压范围为1Pa-2E5Pa，所述液态源装置的恒温槽温度范围为-50℃-300℃，所述生长室耐压范围为10Pa至1E5Pa，温度范围为室温至1200℃。

所述载气装置流通的载气为惰性气体或者惰性气体和还原性气体的混合气体或者惰性气体和氧化性气体的混合气体。所述管道107的载气流量、管道108的载气流量相等，管道101的载气流量为管道107的载气流量的百分之一至五分之一。

本实用新型还提供了一种半导体薄膜生长方法，包括如下步骤：

开启泵，打开三通节点7，使泵可以抽取与三通节点7连接的管道，设定真空系统和旁路的压力；

依次打开管道106、管道104、管道102，使泵可以抽取管道106、管道104、管道102；

依次关闭管道103、管道105，使泵不可抽取管道103、管道105；

依次打开管道108、管道107、管道101，使泵可以抽取管道108、管道107、管道101；

通过四通节点1通入载气；

生长室压力至指定压力，升温至指定温度，维持此状态至预定时间；

关闭管道102，打开管道103，使载气流入液态源瓶，维持此状态至预定时间；

关闭管道106，打开管道105，使从液态源瓶出来的载气进入生长室，维持此状态至预定时间；

关闭管道105，打开管道106，使从液态源瓶出来的载气进入旁路排空，维持此状态至预定时间；

关闭管道103，打开管道102，使载气不进入液态源瓶，维持此状态至预定时间；

生长室压力至指定压力，温度至指定温度，维持此状态至预定时间；

生长室温度至室温，维持此状态至预定时间；

关闭四通节点1，使载气关闭；

依次关闭管道101、管道102、管道104、管道106，使泵不可抽取管道101、管道102、管道104、管道106；

依次关闭管道107、管道108，使泵不可抽取管道107、管道108；

依次关闭真空系统、旁路、三通节点7和泵。

图2示出了本实用新型中液态源装置的源瓶及其在惰性气体控制柜中的结构示意图。

如图2所示，所述液态源装置包括恒温槽208、源瓶207、注入口205、注入口206、载气入口管道203、载气出口管道204以及旁路管道202。所述液态源放置于源瓶中，所述源瓶207置于恒温槽208中以保持在恒定温度。所述惰性气体控制柜包括柜体209、惰性气体入口管道210、出口管道211、旁路管道212以及玻璃窗213。所述源瓶207、柜体209为厚3毫米的耐腐蚀不锈钢组成，所述玻璃窗213为厚8毫米的钢化玻璃组成。

图3示出了本实用新型另一优选实施例中半导体薄膜生长设备的结构示意图。如图3所示，所述半导体薄膜生长设备包括五组相互独立的载气装置、三组相互独立的液态源以及对应的旁路、生长室以及真空系统。所述液态源装置包括三个源瓶，其安装在一个惰性气体控制柜里，其中源瓶安装在恒温槽里。

所述五组独立的载气装置与三组独立的液态源装置的连接方式描述如下：生长时，可以使用五组相互独立的载气装置中的任意一种或者两种或者数种载气，它或者它们既作为通入生长室的主载气，直接通过主管道进入生长室，也作为通入液态源瓶用于携带液态源的载气，通过载气鼓泡法将液态源输送至生长室。同时可以使用三组相互独立的液态源装置中的任意一种或者两种或者三种液态源。例如，采用H₂载气装置，将一股H₂通入生长室，将3股H₂分别通入三组相互独立的液态源瓶并携带液态源后进入生长室，并在生长室中进行化学反应合成所需半导体薄膜。载气装置与生长室、液态源装置和旁路连接，可以通过打开和关闭三通节点达到开关生长室和旁路的目的，进而控制生长室气源，以达到控制薄膜生长以及切换过程中平衡生长室压力的目的。其中载气可以是H₂，N₂，Ar，O₂，CH₄中的一种；或者H₂和Ar的混和气体；或者N₂和Ar的混和气体；或者H₂和CH₄的混和气体；或者Ar和CH₄的混和气体。通入生长室和旁路的载气量范围为100sccm至1000sccm，通入源瓶的载气量范围为1sccm至200sccm。所述源瓶耐压范围为1Pa-2E5Pa，所述恒温槽温度范围为-50℃-300℃，所述生长室耐压范围为10Pa至1E5Pa，温度范围为室温至1200℃。

图4示出了使用本实用新型提供的半导体薄膜生长设备进行生长半导体薄膜时的具体数据示意图。

如图4所示，结合图3进一步说明，首先开启泵，稳定之后以Ar和H₂的混合气体作为通入生长室的载气，Ar和H₂的比例为8∶2，混合气体的流量为1000sccm，设定压力为200Pa。通入旁路和三个源瓶的载气为Ar，流量分别为1000sccm、200sccm、100sccm和50sccm，压力分别为200Pa、100Pa、100Pa和80Pa。源瓶1、源瓶2和源瓶3的温度分别为100℃、100℃和70℃。载气从源瓶流出，可以携带液态源。此时，通过开关三通节点将携带了液态源的载气经旁路通过泵进行排空，目的是使液态源处于待机状态。将生长室以10℃/分钟的升温速率升温至900℃，稳定10分钟后在20分钟内升温至生长温度1100℃，目的是为了使生长室升温稳定，不会由于升温过快或者其它原因引起生长室温度波动。然后将携带了液态源的载气从旁路通过开关三通节点切换到生长室，持续10分钟，以进行化学气相沉积生长半导体薄膜晶体材料。最后将携带了液态源的载气从生长室通过开关三通节点切换到旁路，通过泵进行排空。将生长室以自然冷却的方式进行降温，待室温后依次关闭载气装置、液态源装置、真空系统、旁路和泵。

参考前述本实用新型示例性的描述，本领域技术人员可以清楚的知晓本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型提供的半导体薄膜生长设备，集成设置了多个独立的液态源装置，并且各液态源装置可以方便地安装和卸载，整体上克服了现有技术中生长设备复杂、昂贵的局限性；提高了生长的效率，降低了能耗和成本。

2、本实用新型提供的半导体薄膜生长设备，其所述管道逻辑关系合理，每条管道可以独立地打开或关闭，以达到控制生长半导体薄膜的目的。

3、此外，本实用新型提供的半导体薄膜生长方法，通过一系列合理可靠的开关管道操作，可控地将生长的各种源气体进入或离开生长室，因此，气源之间相互独立，不会发生窜扰，从而保障了半导体薄膜生长的效率与可控性，同时也有利于获取高质量的薄膜材料。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体薄膜生长设备，其特征在于，包括：载气装置、液态源装置、生长室、旁路以及真空系统，所述载气装置依次通过手阀、单向阀以及流量计后与第一、第七和第八管道连接，其中第一管道进一步与第二管道和第三管道连接，第七管道进一步与生长室连接，第八管道进一步与旁路连接；所述液态源装置的入口端与第三管道连接，出口端与第四管道连接；第四管道与第五管道和第六管道连接，第六管道进一步与旁路连接；所述第五管道通过第七管道连接到生长室；所述生长室与真空系统、泵连接；其中，通过打开和关闭所述载气装置与生长室和旁路之间的管道，控制生长室气源。 

2.如权利要求1所述的半导体薄膜生长设备，其特征在于，所述液态源装置包括多个液态源瓶，且载气装置为多个，所述多个液态源瓶、多个载气装置和生长室互相连通。 

3.如权利要求1所述的半导体薄膜生长设备，其特征在于，所述管道连接的逻辑关系是：第一管道、第七管道和第八管道通过第一四通节点与载气装置连接，第一管道、第二管道和第三管道通过第一三通节点连接在一起，第二管道、第三管道和第四管道通过第二三通节点连接在一起，第五管道和第七管道通过第三三通节点与生长室连接，第六管道和第八管道通过第四三通节点与旁路连接。 

4.如权利要求3所述的半导体薄膜生长设备，其特征在于，所述四通节点和三通节点均可以独立打开和关闭。 

5.如权利要求1所述的半导体薄膜生长设备，其特征在于，所述真空系统通过三通节点与旁路和泵连接。 

6.如权利要求1所述的半导体薄膜生长设备，其特征在于，所述液态源装置包括源瓶、恒温槽及相关组件，所述液态源放置于源瓶中，所述源瓶置于恒温槽中，所述源瓶耐压范围为1Pa-2E5Pa，所述恒温槽温度范围为-50℃-300℃。 

7.如权利要求1所述的半导体薄膜生长设备，其特征在于，所述生长 室耐压范围为10Pa至1E5Pa，温度范围为室温至1200℃。 

8.如权利要求1所述的半导体薄膜生长设备，其特征在于，所述第七管道的载气流量、第八管道的载气流量相等，第一管道的载气流量为第七管道的载气流量的百分之一至五分之一。 

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