專利名稱：用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜生長的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)，是目前應(yīng)用十分廣泛的氣相外延生長技術(shù)。它是一種制備化合物半導(dǎo)體薄膜單晶的方法，在制備薄層異質(zhì)材料，特別是生長量子阱和超晶格方面具有很大的優(yōu)越性。MOCVD采用II族、III族元素的有機(jī)化合物和V族、VI族元素的氫化物作為源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長III-V族、II-VI族化合物半導(dǎo)體及其多元固溶體的薄層單晶。金屬有機(jī)化合物大多是具有高蒸汽壓的液體，·用氫氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w作載氣，通過裝有該液體的鼓泡器，將其攜帶進(jìn)入反應(yīng)室與V族、VI族的氫化物(PH3、AsH3> NH3等)混合。當(dāng)它們流經(jīng)加熱襯底表面時，通過大盤的旋轉(zhuǎn)，在襯底表面形成一層反應(yīng)物混合的薄層，在襯底上面發(fā)生熱分解反應(yīng)，并外延生成化合物晶體薄膜。MOCVD設(shè)備從反應(yīng)室來分有立式和臥式兩種，加熱方式有高頻感應(yīng)加熱、輻射加熱和電阻加熱之分，工作氣壓分為常壓和低壓。MOCVD系統(tǒng)一般由源供給系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)和流量控制系統(tǒng)、反應(yīng)室及溫度控制系統(tǒng)、尾氣處理及安全防護(hù)報警系統(tǒng)、自動操作及電控系統(tǒng)等組成。MOCVD氣體輸運(yùn)和流量控制系統(tǒng)分別控制閥門的開和關(guān)、輸運(yùn)管道和反應(yīng)室的壓強(qiáng)、載氣及氣體源的流量。MOCVD的工作原理大致為采用II族、III族元素的有機(jī)化合物和V族、VI元素的氫化物作為源材料，當(dāng)有機(jī)源處于某一恒定溫度時，其飽和蒸汽壓是一定的。通過流量計控制載氣的流量，就可知載氣流經(jīng)有機(jī)源時攜帶的有機(jī)源的量。多路載氣攜帶不同的源輸運(yùn)到反應(yīng)室內(nèi)，源材料在到達(dá)襯底之前，已經(jīng)相互混合，在氣相中發(fā)生熱解反應(yīng)和預(yù)反應(yīng)。然后輸送到襯底處，在高溫作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底上外延生長。反應(yīng)副產(chǎn)物經(jīng)尾氣管路排出。下面以III-V化合物為例簡要說明MOCVD生長過程的大體步驟I、參加反應(yīng)的氣體混合物部分熱解，發(fā)生均相反應(yīng)，生成的中間產(chǎn)物、熱解產(chǎn)物和未反應(yīng)氣相的混合物向淀積區(qū)輸運(yùn)；2、混合物穿過滯留層，擴(kuò)散到襯底表面；3、熱表面對氫化物分解起催化作用，分解產(chǎn)生的III族和V族元素被固相表面吸附；4、III族和V族元素在固相表面移動，找到合適的晶格位置并在那里生長；5、副產(chǎn)物分子通過解吸、擴(kuò)散被排出系統(tǒng)。這些過程是瞬間依次發(fā)生的。原子層淀積(ALD)技術(shù)充分利用表面飽和反應(yīng)，天生具備厚度控制和高度的穩(wěn)定性能，對溫度和反應(yīng)物通量的變化不太敏感。這樣得到的薄膜既具有高純度又具有高密度， 既平整又具有高度的保型性，即使對于縱寬比高達(dá)100:1的結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)良好的保型覆至 JHL ο
ALD的基本步驟如下首先將第一種反應(yīng)物引入反應(yīng)室內(nèi)，使之與基片表面發(fā)生化學(xué)吸附，直至表面化學(xué)吸附達(dá)到飽和；之后將清除氣體引入反應(yīng)室，進(jìn)一步將襯底表面過剩的第一種反應(yīng)物吹出清除；然后將第二種反應(yīng)物引入反應(yīng)室，使之與襯底上被吸附的第一種反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)；之后再將清除氣體引入反應(yīng)室。使剩余的反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)品通過泵抽或惰性氣體清除的方法清除干凈。這樣一個反應(yīng)過程被認(rèn)定為一個反應(yīng)循環(huán)，重復(fù)這樣的反應(yīng)循環(huán)。
這樣就可得到目標(biāo)化合物的單層飽和表面。這種ALD的循環(huán)可實(shí)現(xiàn)一層接一層的生長從而可以實(shí)現(xiàn)對淀積厚度的精確控制。
MOCVD系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用二十多年，ALD系統(tǒng)也已應(yīng)用十多年，在實(shí)際的材料生長中， 兩者各有特點(diǎn)，各有自己的適用范圍，同時，也在努力的將兩者的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行互相融合。 例如，發(fā)展了很多融合ALD技術(shù)的MOCVD技術(shù)專利。在AlGaN系材料生長中會具有很大優(yōu)勢，可以避免預(yù)反應(yīng)，降低顆粒的產(chǎn)生。但是，兩種材料生長方式無法完全融合。發(fā)明內(nèi)容
在我們的材料生長研究中，發(fā)現(xiàn)AlGaN系材料適合弓I入ALD技術(shù)外延，但I(xiàn)nGaN系材料更適合于MOCVD技術(shù)外延，但是目前可以得到的材料生長系統(tǒng)生長技術(shù)單一。因此，需要研發(fā)一種更為合適的外延系統(tǒng)，可以很好的適應(yīng)更廣泛的化合物材料外延。本發(fā)明提出一種用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)及其控制方法，在產(chǎn)品的反應(yīng)周期中，可以根據(jù)生長需要的不同采取不同模式進(jìn)行薄膜生長，以實(shí)現(xiàn)沉積用原材料的效率最大化與沉積薄膜質(zhì)量最優(yōu)化的統(tǒng)一。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)，包括非反應(yīng)氣源、 第一反應(yīng)源、第二反應(yīng)源、帶有旋轉(zhuǎn)載臺的反應(yīng)室和控制裝置，所述控制裝置控制所述雙模系統(tǒng)在第一反應(yīng)模式和第二反應(yīng)模式之間相互轉(zhuǎn)換；在所述第一反應(yīng)模式中，控制裝置提供第一反應(yīng)源和第二反應(yīng)源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通，并阻止非反應(yīng)氣源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通；在所述第二反應(yīng)模式中，控制裝置提供非反應(yīng)氣源、第一反應(yīng)源和第二反應(yīng)源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通，第一反應(yīng)源與第二反應(yīng)源沿旋轉(zhuǎn)載臺旋轉(zhuǎn)方向通過非反應(yīng)氣源的隔離作用，在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成相互間隔、依次排列的獨(dú)立區(qū)域，每種反應(yīng)源形成的獨(dú)立區(qū)域會發(fā)生獨(dú)立的生長反應(yīng)。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)
所述控制裝置包括控制單元以及若干閥門，由所述控制單元控制閥門的開閉；所述非反應(yīng)氣源、第一反應(yīng)源以及第二反應(yīng)源均設(shè)有與反應(yīng)室連通的支路，所述支路與反應(yīng)室的連通由閥門控制。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)
在所述第二反應(yīng)模式中，各源在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成四個或者四個以上的獨(dú)立區(qū)域。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)4
當(dāng)各源在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成四個獨(dú)立區(qū)域時，第一區(qū)域由第一反應(yīng)源形成，第二區(qū)域、第三區(qū)域由非反應(yīng)氣源形成，第四區(qū)域由第二反應(yīng)源形成，其中第一區(qū)域與第四區(qū)域相對連接設(shè)置并被第二區(qū)域與第三區(qū)域間隔；
當(dāng)各源在旋轉(zhuǎn)載臺上形成四個以上的獨(dú)立區(qū)域時，該等獨(dú)立區(qū)域數(shù)量為四的倍數(shù)。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)
所述第一反應(yīng)模式為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD反應(yīng)模式,所述第二反應(yīng)模式為原子層淀積ALD反應(yīng)模式。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)
所述第一反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物11族或III族或IV族元素或含有其成分的化合物，所述第二反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物iv族或V族或VI族元素或含有其成分的化合物；或者，
第一反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物IV族或V族或VI族元素或含有其成分的化合物，第二反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物=II族或III族或IV族元素或含有其成分的化合物。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)
所述第一反應(yīng)源和第二反應(yīng)源均包括載氣。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)
所述載氣為氫氣或氮?dú)饣蚨栊詺怏w。
優(yōu)選地，上述雙模系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)
所述非反應(yīng)氣源包括氫氣或氮?dú)饣蚨栊詺怏w。
本發(fā)明還提供一種用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)的控制方法，所述雙模系統(tǒng)根據(jù)薄膜生長的需要選擇第一反應(yīng)模式或第二反應(yīng)模式，由控制裝置實(shí)現(xiàn)第一反應(yīng)模式和第二反應(yīng)模式之間的轉(zhuǎn)換，其中，所述第一反應(yīng)模式為MOCVD反應(yīng)模式，所述第二反應(yīng)模式為ALD反應(yīng)模式。
MOCVD模式的具體實(shí)現(xiàn)方式是多路載氣攜帶不同的源輸運(yùn)到反應(yīng)室內(nèi)，通過大盤的高速旋轉(zhuǎn)使反應(yīng)源迅速到達(dá)襯底上方，源材料在到達(dá)襯底之前，已經(jīng)相互混合，在氣相中發(fā)生熱解反應(yīng)和預(yù)反應(yīng)。然后輸送到襯底處，充分混合，在高溫作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底上外延生長。反應(yīng)副產(chǎn)物經(jīng)尾氣管路排出。
ALD模式的具體實(shí)現(xiàn)方式是將反應(yīng)室進(jìn)口分成若干區(qū)域，由大盤帶動襯底以合適的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，首先將第一種反應(yīng)物引入反應(yīng)室內(nèi)設(shè)計位置，使之與此處的襯底表面發(fā)生化學(xué)吸附，直至襯底表面達(dá)到飽和；之后襯底轉(zhuǎn)動至第一清除區(qū)域，清除氣體進(jìn)一步將襯底表面過剩的第一種反應(yīng)物吹出清除；然后襯底轉(zhuǎn)動至第二種反應(yīng)物區(qū)域，第二種反應(yīng)物和襯底上被吸附的第一種反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)；之后襯底轉(zhuǎn)動至第二清除區(qū)域，剩余的反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)品通過泵抽或惰性氣體清除的方法清除干凈。這樣實(shí)現(xiàn)了一個ALD的反應(yīng)循環(huán)， 就可得到目標(biāo)化合物的單層飽和表面。這種ALD的循環(huán)同樣可實(shí)現(xiàn)一層接一層的生長從而可以實(shí)現(xiàn)對淀積厚度的精確控制。
本發(fā)明在薄膜生長系統(tǒng)中集合了 MOCVD與ALD兩種反應(yīng)模式，在產(chǎn)品的反應(yīng)周期中，可以根據(jù)反應(yīng)源的不同采取不同模式進(jìn)行原子層沉積，以達(dá)到沉積外延的最大效率化與外延質(zhì)量的統(tǒng)一。
此外，傳統(tǒng)的ALD反應(yīng)爐，由于氣流大小的周期性變化，在反應(yīng)室出口處以及尾氣處理系統(tǒng)中很容易沉積反應(yīng)所帶來的副產(chǎn)物，這就對反應(yīng)室的維護(hù)提出了更高要求，也對尾氣處理系統(tǒng)的閥門和真空泵造成一定的損傷，影響這些零部件的使用壽命。本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)載臺的旋轉(zhuǎn)，很好的回避了時序控制造成的氣流通斷，并保持反應(yīng)室氣流總量恒定，不僅能夠維持反應(yīng)在穩(wěn)壓條件下進(jìn)行，還對維護(hù)尾氣處理系統(tǒng)的維護(hù)提供良好的基礎(chǔ)。所以， 本發(fā)明解決了傳統(tǒng)ALD反應(yīng)爐通過時序控制反應(yīng)源和載氣的通斷，而引起的氣流突然變動問題。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的雙模系統(tǒng)的示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例的雙模系統(tǒng)在第一反應(yīng)模式的示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例的雙模系統(tǒng)在第二反應(yīng)模式的示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例的薄膜生長的產(chǎn)品組成示意圖。
具體實(shí)施方式
下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。
為了更好的理解圖中元件及標(biāo)記，請參照圖1，先對圖中部分元件及標(biāo)號進(jìn)行說明，A為質(zhì)量流量控制計(Mass Flow Controller)、B為流體管道、C為管道連接處，D為非管道連接處，另外，圖2和圖3中箭頭標(biāo)記為流體流向。
請參照圖1，本發(fā)明揭示了一種用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)，其包括非反應(yīng)氣源10、 第一反應(yīng)源20、第二反應(yīng)源30、帶有旋轉(zhuǎn)載臺(圖中未示出)的反應(yīng)室40以及控制裝置。所述控制裝置控制雙模系統(tǒng)在第一反應(yīng)模式和第二反應(yīng)模式之間相互轉(zhuǎn)換；在所述第一反應(yīng)模式中，控制裝置提供第一反應(yīng)源20、第二反應(yīng)源30到反應(yīng)室40內(nèi)的流體連通，并阻止非反應(yīng)氣源10到反應(yīng)室40內(nèi)的流體連通；在所述第二反應(yīng)模式中，控制裝置提供非反應(yīng)氣源 10、第一反應(yīng)源20、第二反應(yīng)源30與反應(yīng)室40內(nèi)的流體連通，第一反應(yīng)源20與第二反應(yīng)源 30沿旋轉(zhuǎn)載臺旋轉(zhuǎn)方向通過非反應(yīng)氣源10的隔離作用，在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成相互間隔、依次排列的獨(dú)立區(qū)域(圖中反應(yīng)室內(nèi)虛線劃分所示)，所述反應(yīng)源20、30形成的獨(dú)立區(qū)域會發(fā)生獨(dú)立的生長反應(yīng)。
所述控制裝置包括控制單元以及若干三通閥門K1、K2、K3，控制單元控制該等閥門 Κ1、Κ2、Κ3的開閉。
所述非反應(yīng)氣源10、第一反應(yīng)源20以及第二反應(yīng)源30均設(shè)有與反應(yīng)室40連通的支路，圖I為本發(fā)明的一種實(shí)施例，在該實(shí)施例中，非反應(yīng)氣源10可以有2條支路(即流體管道)與反應(yīng)室40連通，第一反應(yīng)源20可以有2條支路與反應(yīng)室40連通，第二反應(yīng)源30 可以有3條支路與反應(yīng)室40連通。該等支路與反應(yīng)室40的連通由閥門Κ1、Κ2、Κ3控制。 請參照圖2，在所述第一反應(yīng)模式中，控制裝置控制第一反應(yīng)源20的2條支路與反應(yīng)室40 流體連通，控制裝置控制第二反應(yīng)源30其中2條支路與反應(yīng)室40流體連通，控制裝置阻止非反應(yīng)氣源10與反應(yīng)室40流體連通。所述第一反應(yīng)模式為MOCVD反應(yīng)模式，第一反應(yīng)源20與第二反應(yīng)源30進(jìn)入反應(yīng)室40按照MOCVD反應(yīng)方式進(jìn)行反應(yīng)。請參照圖3，在所述第二反應(yīng)模式中，控制裝置控制第一反應(yīng)源20其中I條支路與反應(yīng)室40流體連通，控制裝置控制第二反應(yīng)源30的其中I條支路與反應(yīng)室40流體連通，控制裝置控制非反應(yīng)氣源10的 2條支路與反應(yīng)室40流體連通。在所述第二反應(yīng)模式中，各源10、20、30按照所述支路進(jìn)入反應(yīng)室40并在旋轉(zhuǎn)載臺上形成四個或四個以上的獨(dú)立區(qū)域。所述四個獨(dú)立區(qū)域，第一區(qū)域由第一反應(yīng)源20形成，第二區(qū)域、第三區(qū)域由非反應(yīng)氣源10形成，第四區(qū)域由第二反應(yīng)源 30形成，如圖3反應(yīng)室40分區(qū)虛線所示，其中第一區(qū)域與第四區(qū)域相對連接設(shè)置并將第二區(qū)域與第三區(qū)域間隔。若為四個以上獨(dú)立區(qū)域，則依次重復(fù)對四個獨(dú)立區(qū)域的劃分，并保證第一反應(yīng)源20和第二反應(yīng)源30通過非反應(yīng)氣源10相互間隔。一般來說，獨(dú)立區(qū)域?yàn)樗牡谋稊?shù)。所述第二反應(yīng)模式為ALD反應(yīng)模式，第一反應(yīng)源20與第二反應(yīng)源30進(jìn)入反應(yīng)室40 按照ALD反應(yīng)方式進(jìn)行反應(yīng)。
所述第一反應(yīng)源20包括一種或多種II族或III族或IV族元素或含有其成分的化合物，第二反應(yīng)源30包括一種或多種IV族或V族或VI族元素或含有其成分的化合物。 或者，第一反應(yīng)源20包括一種或多種IV族或V族或VI族元素或含有其成分的化合物,第二反應(yīng)源30包括一種或多種II族或III族或IV族元素或含有其成分的化合物。第一反應(yīng)源20和第二反應(yīng)源30均采用載氣來運(yùn)輸反應(yīng)源，載氣為氫氣或氮?dú)饣蚨栊詺怏w。另外， 非反應(yīng)氣源10為氫氣或氮?dú)饣蚨栊詺怏w。
本發(fā)明同樣也揭示了雙模系統(tǒng)的控制方法，其步驟為根據(jù)薄膜生長的需要選擇第一反應(yīng)模式或第二反應(yīng)模 式，由控制裝置實(shí)現(xiàn)第一反應(yīng)模式和第二反應(yīng)模式之間的原位轉(zhuǎn)換，所述第一反應(yīng)模式為MOCVD反應(yīng)模式,所述第二反應(yīng)模式為ALD反應(yīng)模式。
請同時參考圖I至圖4，下面就雙模系統(tǒng)的實(shí)際工作流程進(jìn)行詳細(xì)說明。
準(zhǔn)備工作
把藍(lán)寶石襯底放入樣品盤，并將樣品盤放到反應(yīng)室的旋轉(zhuǎn)載臺上，先試轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)載臺，保證其轉(zhuǎn)動的良好性。接著，設(shè)定好程序中的生長參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、生長溫度、生長時間、有機(jī)源流速、閥門的開和關(guān)、反應(yīng)室的壓強(qiáng)、載氣及反應(yīng)源的流量以及反應(yīng)室和源的溫度等，然后運(yùn)行程序。以生長InGaN/GaN基MQW藍(lán)光LED為例，成核層GaN的厚度在20 40nm范圍內(nèi)，溫度為攝氏400 600度。NH3和TMGa的流量分別是每分鐘O. 02 O. 4mol、 20 40ymol，V/III為1000 10000。在低溫GaN的生長中，生長速率為每小時100 400nm。緩沖層厚度控制在15 40nm左右。低溫GaN緩沖層生長結(jié)束以后，襯底被升溫到攝氏900 1000度進(jìn)行熱處理。高溫n-GaN體材料的生長條件如下溫度為攝氏1000 1100度，厚度為I 5 μ m。載氣為H2。NH3和TMGa的流量分別可取每分鐘O. 2 3. 5mol、 100 600 μ mol，V/III為1000 10000。生長速率為L 5 3 μ m。η型摻雜劑為SiH4，其電子濃度數(shù)量級在IO18 IO19CnT3之間。InGaN/GaN MQW作為活性區(qū)，其厚度分別為I. 5 2. 5nm和5 20nm GaN和InGaN的溫度可分別控制在攝氏700 900度和600 800度， V/III比為2000 20000。電子阻擋層Ala2Gaa8N的生長用H2作載氣，生長溫度同GaN體材料一致。高質(zhì)量的AlGaN的生長速率一般應(yīng)該小于每小時O. 03 O. 2 μ m。p-GaN的生長溫度在攝氏800 950度之間，厚度一般為100 500nm。
根據(jù)我們的設(shè)計，在Ala2Gaa8N生長時采用ALD模式，其它層生長采用MOCVD模式，請見圖4，一種薄膜生長完全的產(chǎn)品的示意圖，該產(chǎn)品包括GaN = Mg 71、Ala2Gaa8N 72、7CN 102925875 A書明說6/6頁InGaN/GaN MQff 73, GaN: Si buffer 74、Al0.2Ga0.8N75、Si GaN 緩沖層 76、GaN 成核層 77 以及襯底78。
生長過程
程序首先是MOCVD模式，三通閥門Kl、K2、K3分別通過控制裝置控制，接通各自的點(diǎn)I方向氣路，則成為如圖2所示的MOCVD模式，第一反應(yīng)源20、第二反應(yīng)源30的流體方向如圖2所示，第一反應(yīng)源20為Ga源、第二反應(yīng)源30為NH3，先低溫成核再高溫生長。首先，藍(lán)寶石襯底在氫氣氣氛中加熱到1170°C，并且保持8分鐘以獲得潔凈的襯底表面，然后將藍(lán)寶石襯底溫度降到500°C，生長25nm厚的GaN成核層，接著將藍(lán)寶石襯底溫度升高到 1050°C，第二反應(yīng)源30中增加SIH4，生長2μπι厚的摻Si的GaN緩沖層。
程序切換至ALD生長模式，三通閥門Κ1、Κ2、Κ3分別通過控制裝置控制，接通各自的點(diǎn)2方向氣路，則成為如圖3所示的ALD模式，第一反應(yīng)源20、第二反應(yīng)源30的流體方向如圖3所示，生長中斷30秒，清除環(huán)境氣氛，再打開第一反應(yīng)源20和第二反應(yīng)源30， 第一反應(yīng)源20為Al源和Ga源，第二反應(yīng)源30為NH3，在1100°C高溫下生長一層20nm厚 Ala2Gaa8I各源反應(yīng)過程為藍(lán)寶石襯底在第一區(qū)域反應(yīng)后旋轉(zhuǎn)到第二區(qū)域 或第三區(qū)域，非反應(yīng)氣源10的氣體吹走反應(yīng)殘留物，并接著旋轉(zhuǎn)到第四區(qū)域繼續(xù)反應(yīng)。
控制裝置再次切換至MOCVD生長模式，三通閥門K1、K2、K3分別通過控制裝置控制，接通各自的點(diǎn)I方向氣路，請見圖2，生長中斷30秒，清除環(huán)境氣氛，再根據(jù)控制裝置設(shè)置的次序打開第一反應(yīng)源20的In源和Ga源、第二反應(yīng)源30的NH3和SIH4,生長一層300nm 厚摻Si的GaN緩沖層，隨后生長的是5個周期的InGaN (3nm) /GaN (17nm)多量子阱，GaN 和InGaN的生長溫度分別控制在800°C和700°C。
控制裝置再次切換至ALD生長模式，三通閥門K1、K2、K3分別通過控制裝置控制， 接通各自的點(diǎn)2方向氣路，請見圖3，生長中斷30秒，清除環(huán)境氣氛，再打開第一反應(yīng)源20 的Al源和Ga源、第二反應(yīng)源30的NH3，其后生長20nm的AlGaN阻擋層。
控制裝置再次切換至MOCVD生長模式，三通閥門K1、K2、K3分別通過控制裝置控制，接通各自的點(diǎn)I方向氣路，請見圖2，生長中斷30秒，清除環(huán)境氣氛，再根據(jù)程序次序打開第一反應(yīng)源20Ga源和摻雜源Mg源、第二反應(yīng)源30的NH3,在920°C生長200nm厚的p型慘雜GaN層。
最后，生長結(jié)束，控制裝置進(jìn)入保護(hù)降溫，襯底溫度降至200度以下后控制裝置的流程結(jié)束，按操作規(guī)程取片。
本發(fā)明在薄膜生長系統(tǒng)中集合了 MOCVD與ALD兩種反應(yīng)模式，在產(chǎn)品的反應(yīng)周期中，可以根據(jù)反應(yīng)需要的不同采取不同模式進(jìn)行薄膜沉積，以實(shí)現(xiàn)沉積外延的最大效率化與外延質(zhì)量的統(tǒng)一。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，比如，對實(shí)例中的工藝參數(shù)進(jìn)行了簡單的改變，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。8
權(quán)利要求
1.一種用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)，其特征在于，包括非反應(yīng)氣源、第一反應(yīng)源、第二反應(yīng)源、帶有旋轉(zhuǎn)載臺的反應(yīng)室和控制裝置，所述控制裝置控制所述雙模系統(tǒng)在第一反應(yīng)模式和第二反應(yīng)模式之間相互轉(zhuǎn)換；在所述第一反應(yīng)模式中，控制裝置提供第一反應(yīng)源和第二反應(yīng)源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通，并阻止非反應(yīng)氣源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通；在所述第二反應(yīng)模式中，控制裝置提供非反應(yīng)氣源、第一反應(yīng)源和第二反應(yīng)源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通，第一反應(yīng)源與第二反應(yīng)源沿旋轉(zhuǎn)載臺旋轉(zhuǎn)方向通過非反應(yīng)氣源的隔離作用，在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成相互間隔、依次排列的獨(dú)立區(qū)域，每種反應(yīng)源形成的獨(dú)立區(qū)域會發(fā)生獨(dú)立的生長反應(yīng)。
2.如權(quán)利要求I所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制裝置包括控制單元以及若干閥門，由所述控制單元控制閥門的開閉；所述非反應(yīng)氣源、第一反應(yīng)源以及第二反應(yīng)源均設(shè)有與反應(yīng)室連通的支路，所述支路與反應(yīng)室的連通由閥門控制。
3.如權(quán)利要求I所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 在所述第二反應(yīng)模式中，各源在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成四個或者四個以上的獨(dú)立區(qū)域。
4.如權(quán)利要求3所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 當(dāng)各源在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成四個獨(dú)立區(qū)域時，第一區(qū)域由第一反應(yīng)源形成，第二區(qū)域、第三區(qū)域由非反應(yīng)氣源形成，第四區(qū)域由第二反應(yīng)源形成，其中第一區(qū)域與第四區(qū)域相對連接設(shè)置并被第二區(qū)域與第三區(qū)域間隔； 當(dāng)各源在旋轉(zhuǎn)載臺上形成四個以上的獨(dú)立區(qū)域時，該等獨(dú)立區(qū)域數(shù)量為四的倍數(shù)。
5.如權(quán)利要求I所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一反應(yīng)模式為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD反應(yīng)模式,所述第二反應(yīng)模式為原子層淀積ALD反應(yīng)模式。
6.如權(quán)利要求I所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物11族或III族或IV族元素或含有其成分的化合物，所述第二反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物 ν族或V族或VI族元素或含有其成分的化合物；或者， 第一反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物IV族或V族或VI族元素或含有其成分的化合物，第二反應(yīng)源包括一種或多種的如下化合物11族或III族或IV族元素或含有其成分的化合物。
7.如權(quán)利要求6所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一反應(yīng)源和第二反應(yīng)源均包括載氣。
8.如權(quán)利要求7所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 所述載氣為氫氣或氮?dú)饣蚨栊詺怏w。
9.如權(quán)利要求I所述的雙模系統(tǒng)，其特征在于， 所述非反應(yīng)氣源包括氫氣或氮?dú)饣蚨栊詺怏w。
10.一種如權(quán)利要求I 9所述的用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)的控制方法,其特征在于所述雙模系統(tǒng)根據(jù)薄膜生長的需要選擇第一反應(yīng)模式或第二反應(yīng)模式，由控制裝置實(shí)現(xiàn)第一反應(yīng)模式和第二反應(yīng)模式之間的轉(zhuǎn)換，其中，所述第一反應(yīng)模式為MOCVD反應(yīng)模式,所述第二反應(yīng)模式為ALD反應(yīng)模式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于薄膜生長的雙模系統(tǒng)及其控制方法，雙模系統(tǒng)包括非反應(yīng)氣源、第一反應(yīng)源、第二反應(yīng)源、帶有旋轉(zhuǎn)載臺的反應(yīng)室和控制裝置，控制裝置控制本系統(tǒng)在兩種反應(yīng)模式之間相互轉(zhuǎn)換；在第一反應(yīng)模式中，控制裝置僅提供兩類反應(yīng)源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通；在第二反應(yīng)模式中，控制裝置提供非反應(yīng)氣源、兩類反應(yīng)源到反應(yīng)室內(nèi)的流體連通，兩類反應(yīng)源沿旋轉(zhuǎn)載臺旋轉(zhuǎn)方向通過非反應(yīng)氣源的隔離作用，在旋轉(zhuǎn)載臺表面形成相互間隔、依次排列的獨(dú)立區(qū)域，每種反應(yīng)源形成的獨(dú)立區(qū)域會發(fā)生獨(dú)立的生長反應(yīng)。該雙模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MOCVD與ALD兩種反應(yīng)模式的原位轉(zhuǎn)換，從而解決了沉積用原材料的效率最大化與沉積薄膜質(zhì)量最優(yōu)化的矛盾。
文檔編號C30B29/48GK102925875SQ201210414939
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者陳弘, 馬紫光, 賈海強(qiáng), 王文新, 江洋, 王祿, 李衛(wèi) 申請人:中國科學(xué)院物理研究所