專利名稱：氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積反應室的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氧化物薄膜外延生長領域，特別涉及用于生長氧化物薄膜的金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備。
背景技術：
ZnO是具有直接帶隙的II-VI族寬禁帶化合物半導體材料，與GaN具有相近的晶格常數(shù)和禁帶寬度，同時ZnO有許多優(yōu)于那些同類材料如GaN的基礎性優(yōu)勢。ZnO的激子束縛能高達60 meV (GaN大約為25 meV)，遠大于室溫熱離化能Q6 meV),更容易實現(xiàn)室溫高效受激發(fā)射；ZnO具有較低的介電常數(shù)和大的機電耦合系數(shù)；高質量的SiO體單晶更容易獲得，生長方法簡單，成本低。這些優(yōu)異的特性使得SiO在聲表面波器件，場發(fā)射顯示器， 氣敏傳感器，發(fā)光二極管，固態(tài)儲氫技術，高速器件以及空間器件等方面有著巨大的應用前景?；赟iO的多元合金ZnMO (M為Mg，Be，Cd等)是一個直接帶隙的禁帶寬度涵蓋紫外、 可見光的材料體系。通過能帶工程實現(xiàn)了 ZnO基的異質結、量子阱或超晶格光電子器件。另一方面IIIA族金屬Al，Ga，h摻雜的ZnO基透明導電薄膜在太陽能電池和發(fā)光二極管前極以及透明薄膜晶體管(TFT)上具有廣泛的應用潛力。對于ZnO基氧化物薄膜的制備方法主要有M0CVD、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積(PLD)、射頻磁控濺射(RFMS)和熱蒸發(fā)法等等。MOCVD是一種廣泛使用的半導體生長技術，對于III族氮化物材料的生長已經(jīng)發(fā)展到非常成熟的階段。該技術用于GaN基薄膜材料生長，成膜質量好，生長速度快，并且成本低，能實現(xiàn)大面積、均勻、一次多片生長，在GaN 基LED上獲得了廣泛的應用。目前國際上最大的兩家MOCVD廠商Aixtron和Veeco占據(jù)著主要的市場份額，我國大多數(shù)光電子企業(yè)和部分研究院校都從這兩家公司購買MOCVD設備。這些商用化的設備主要用于III族氮化物的外延生長，缺少適用于氧化物薄膜生長的 MOCVD設備。對于氧化物薄膜的MOCVD生長，則相較于氮化物薄膜落后。一方面因為ZnO材料中的基礎問題，特別是P型摻雜機理尚未很好解決；另一方面由于常用的Si的金屬有機源(如DEZn、DMZn)與氧源(如H20，02等)有強烈的預反應，氣相中生成的顆粒一旦進入薄膜將降低薄膜的晶體質量。MOCVD設備由氣體輸運、反應室、自動控制、尾氣處理以及原位監(jiān)測等部分構成，其核心部分是反應室。III族氮化物薄膜的生長和P型摻雜方面取得的成功正是因為人們對 MOCVD反應室進行不斷改進，摸索出了符合III族氮化物薄膜生長的反應室結構。MOCVD 的反應室根據(jù)氣流與襯底的方向可分為兩種，即水平式和垂直式。水平式結構的氣流方向與襯底表面相平行，而垂直式的氣流方向則與襯底表面相垂直。無論水平式或垂直式，反應室設計都應該滿足薄膜生長均勻性好(組分均勻，厚度均勻)，晶體質量高，生長速率高等要求。對于氧化物薄膜的MOCVD生長，反應室的設計除了考慮加熱系統(tǒng)熱慣性小、反應氣體混合充分、生長條件可重復等之外，關鍵的兩點是避免尾氣與反應氣體的再反應和有效抑制金屬有機源與氧源預反應的不利影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于氧化物薄膜生長的金屬有機物化學氣相沉積設備，能夠有效抑制金屬有機源與氧源的預反應對氧化物薄膜晶體質量的不利影響，獲得高質量的ZnO基氧化物薄膜。其特點是(1)為垂直式，并且反應氣體從下往上輸運，金屬有機源和氧源分開進入反應室，在襯底下方混合；(2)金屬有機源和氧源的預反應生成的顆粒不會掉入薄膜中；(3)尾氣排氣口位于上法蘭盤，在氣流和熱作用下，反應尾氣在很短的時間內排出反應室，不會與反應氣體再反應；(4)襯底托可以朝下放置方形、圓形各種尺寸小于3英寸的襯底，特別適于在缺少大尺寸ZnO單晶襯底下的同質外延生長。本發(fā)明氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于包括
一反應室上法蘭盤。上法蘭盤有兩組循環(huán)水冷卻槽。該法蘭盤中心有一圓孔。中心圓孔旁邊有一尾氣排氣孔，以及一測溫孔?？蛇x地，該反應室上法蘭盤材料為不銹鋼。一反應室下法蘭盤。下法蘭盤有兩組循環(huán)水冷卻槽。該法蘭盤有均勻分布的多孔噴氣口，多孔噴氣口帶有控溫循環(huán)水槽裝置。該法蘭盤中心有一氣體噴管?？蛇x地，該反應室下法蘭盤材料為不銹鋼。一反應室側壁?？蛇x地，該反應室側壁材料為透明石英玻璃。一加熱裝置，包括電阻式加熱器和測溫計。該加熱器形狀可以為片狀，也可以為絲狀。加熱溫度在室溫和1000度之間可調?？蛇x地，測溫計為熱電偶。一旋轉裝置，包括伺服電機，磁流體密封軸承，聯(lián)軸器以及旋轉軸。磁流體密封軸承固定于上法蘭盤中心，一端利用聯(lián)軸器與伺服電機連接，另一端與旋轉軸連接。旋轉速度在0到1200轉每分鐘連續(xù)可調。一襯底托，包括襯底托主體和襯底托蓋。襯底托蓋具有一個或多個卡槽?？蛇x地，該襯底托材料為鉬或不銹鋼。一壓力控制裝置，包括壓力傳感器和下游壓力控制閥。反應室壓力在10到 760Torr連續(xù)可調。四路水冷裝置，包括兩路磁流體軸承冷卻水，上法蘭盤密封圈冷卻水，下法蘭盤密封圈冷卻水?？蛇x地，冷卻水溫度設置為15度。一金屬有機源控溫循環(huán)水槽。用來控制下法蘭盤中金屬有機源勻氣室的溫度?？蛇x地，控溫水槽的溫度設置為30度。


為進一步說明本發(fā)明的裝置結構和具體原理，以下結合附圖和示例詳細說明。其中
圖1為本發(fā)明的設計示意圖； 圖2為襯底托的細節(jié)示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1，本發(fā)明一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，包括反應室上法蘭盤(1)、反應室下法蘭盤(2)、反應室側壁(3)、旋轉軸(4)、電機(5)、磁流體密封軸承(6)、襯底托(7)、襯底加熱器(8)、熱電偶(9)、金屬有機源進氣口(10)、氧源進氣口(11)、尾氣排氣口(12)、壓力傳感器(13)、下游壓力控制閥(14)等部件。在生長之前， 打開反應室，將清洗好的襯底生長面朝下置入襯底托(7)。圖2詳細給出了特殊設計的適合于襯底朝下、氣流從下往上的氧化物薄膜外延生長的襯底托(7)。襯底托(7)由襯底托主體 (15)和襯底托蓋(16)兩部分構成。方形或圓形的襯底(17)置于襯底托蓋(16)的卡槽內， 襯底托蓋(16 )固定于襯底托主體(15 )下方。這樣襯底(17 )即使在襯底托(7 )高速旋轉的情況下也可以很好的固定，同時保證溫度的均勻性，并且不會影響反應氣體的輸運。放置好襯底(17)之后，開啟各路冷卻水，開啟機械泵對反應室抽真空，然后充氮氣到常壓，開啟電機(5)，開啟襯底加熱器(8)，達到一定溫度后，開始通入反應氣體。氧源(A)可以為高純水蒸氣H20，笑氣N20，氧氣02或二氧化碳C02。金屬有機源(B)可以為高純載氣(氮氣或氬氣) 攜帶的二乙基鋅DESu二茂鎂Cp2Mg、三甲基鋁TMA1、三甲基鎵TMGa。氧源(A)從氧源進氣口( 11)進入反應室，金屬有機源(B)從金屬有機源進氣口( 10)進入反應室。金屬有機源(B) 在加熱的襯底托(7)下方分解，與氧源(A)進行反應，沉積在固定于襯底托(7)下方的襯底 (17)上。襯底(17)可以為藍寶石A1203、硅Si、石英玻璃，也可以為氧化鋅單晶&ι0。襯底 (17)的溫度由襯底加熱器(8)和熱電偶(9)控制。反應室內的壓力由下游壓力控制閥(14) 和壓力傳感器(13)控制。反應產生的尾氣從尾氣排氣口(12)排出。氧化物薄膜生長結束之后，關閉金屬有機源(B)和氧源(A)，關閉電機(5)，反應室充入氮氣至常壓，待襯底托(7) 溫度降至100度以下時，停止通入氮氣，關閉機械泵，開啟反應室，取出樣品。
權利要求
1.一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，包含反應室上法蘭盤 (1)、反應室下法蘭盤(2 )、反應室側壁(3 )、旋轉軸(4)、電機(5 )、磁流體密封軸承(6 )、襯底托(7)、襯底加熱器(8)、熱電偶(9)、金屬有機源進氣口(10)、氧源進氣口(11)、尾氣排氣口 (12)、壓力傳感器(13)、下游壓力控制閥(14)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于為垂直式反應室。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于金屬有機源進氣口( 10)、氧源進氣口(11)位于反應室的下方，尾氣排氣口(12)位于反應室的上方。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于金屬有機源進氣口(10)為多孔狀法蘭。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于金屬有機源進氣口(10)帶有控溫循環(huán)水槽。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于氧源進氣口(11)為噴氣噴管；噴口可以為喇叭口，也可以為直口。
7.根據(jù)權利要求1或5所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于氧源進氣口(11)與襯底托(7)的距離在2cm到IOcm之間可調。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于襯底托(7)固定于旋轉軸(4)上，其方向垂直向下。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于襯底托(7)由襯底托主體和襯底托蓋兩部分構成；利用襯底托蓋上的卡槽，襯底固定于襯底托主體和襯底托蓋之間。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于襯底托(7)適用于方形或圓形的多片襯底。
11.根據(jù)權利要求1所述的一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室，其特征在于襯底加熱器(8)為電阻式加熱器；加熱器可以為抗氧化的金屬加熱片，也可以為抗氧化的金屬加熱絲。
全文摘要
本發(fā)明公開一種氧化物薄膜生長用金屬有機物化學氣相沉積設備反應室。本反應室包括，反應室上法蘭盤(1)、反應室下法蘭盤(2)、反應室側壁(3)、旋轉軸(4)、電機(5)、磁流體密封軸承(6)、襯底托(7)、襯底加熱器(8)、熱電偶(9)、金屬有機源進氣口(10)、氧源進氣口(11)、尾氣排氣口(12)、壓力傳感器(13)、下游壓力控制閥(14)等部件。本發(fā)明的反應室實現(xiàn)反應氣體從下往上垂直輸運，能夠有效抑制金屬有機源與氧源的預反應對氧化物薄膜晶體質量的不利影響，有利于獲得高質量的氧化物薄膜。
文檔編號C23C16/40GK102337517SQ20111034962
公開日2012年2月1日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權日2011年5月3日
發(fā)明者丁凱, 林鐘潮, 鄭清洪, 顏峰波, 黃豐, 黃順樂 申請人:中國科學院福建物質結構研究所