[发明专利]一种全自动控制的液相外延设备及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料制造工艺技术，具体涉及一种生长Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体外延薄膜或者低维结构材料的液相外延设备及控制方法。

背景技术

液相外延技术（LPE technique）是一种成熟的Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ材料生长技术，近平衡态生长提高外延层材料的纯度，生长的材料具有高的迁移率和荧光效率；沿外延衬底定向生长提供了高质量外延层，材料致密，应力能小，构建的光电器件暗电流小；掺杂剂可选的范围广，材料沉积效率高，外延生长费用低，这些优点伴随着开发不同的材料结构和新型器件已经有40年了。事实上，目前液相外延技术材料生长重复性差，在大面积衬底上材料均匀生长困难，高的沉积速率（0.1~1um/min）不利低维材料生长和新型器件多层结构制作，操作过程自动化程度低。

液相外延系统主要有水平滑舟型（horizontal slideboat）、倾翻型（tipping）和垂直浸渍型（vertical dipping）三种类型。因为水平滑舟型液相外延系统具有操作简单、生长母液少、组分容易控制和适合多层外延层生长等优点而被广泛应用于半导体光电材料和器件的研究。本发明的目的就是鉴于当前设备水平和研究需要，搭建一套自动化程度高，材料生长重复性好，便于低维材料器件研制的全自动控制液相外延水平滑舟型液相外延设备。

发明内容

基于目前科研要求和设备现状存在的缺陷，本发明的目的是提供一种全自动控制的液相外延设备，解决手动控制设备存在的繁杂性和控制生长过程的不重复性。

本发明包括排空系统、进气系统、温度控制系统、电机控制系统和程序控制系统。

所述的排空系统包括：石英管4（内径40mm，外径45mm），密封不锈钢底座，球阀10（日杨科技，通经KF25），皮拉尼真空计11(玉川真空PG500)，防爆电磁阀12（通经KF25），干泵13（爱德华EDXS5），用不锈钢1/4英寸的不锈钢通气管连接。工作时，先关闭进气阀27和排气阀25口，再打开干泵，然后打开电磁阀，再拧开球阀，对石英管腔体抽真空，当真空度可达到7Par左右，可进行下一步。

所述的进气系统包括：高压减压阀32，纯化器31，低压减压阀30，质量流量计29（MKS），换向阀28，进气阀27，排气阀25，单向阀26。高压减压阀32对钢气瓶出来的气体进行第一次减压，然后用气体纯化器31纯化气体，然后用低压减压阀30对气体二次减压，并供气到质量流量计29（MKS 1479A），通过串口RS2321×8扩展卡和多个继电器2来精确控制所留过的气体流量，然后打开换向阀28，选择其中一路气体通入石英管中。实验需要先对生长腔体进行保压处理，观察气体是否漏气，并保证腔体的气体纯度，然后正常通气。工作时，先关闭排气阀，打开进气阀，拧开换向阀28到H2气体中保持通路，然后开启质量流量计，调节所需流量300sccm直到流量计的示数显示为零，表明已经没有气体流量了。然后打开排气阀，设置流量200sccm。

所述的温度控制系统包括：温度表14（群特center305），热电偶15（omega），温度控制器16（eurotherm 2416），黄金炉17（TVU America），制冷机20，冷却机3。启动温度控制器16对三温区黄金炉（单温区的也可以）的电阻丝加热；加热炉采用黄金炉，虽然它的热质（thermal mass）小，抑制温区温度波动的效果较差，但在生长时可以看到外延层的生长情况，三温区黄金炉对比单温区的优点是具有较长的平坦稳温区；温度控制器采用有多段编程功能的欧陆表对黄金炉控温，制冷机20维持黄金炉局部恒温。置于衬底正下方连接温度表14的热电偶15可以检测石英管内部不同地方的温度，同时也可以作为温度控制器的反馈热电偶，从石英管底部插入的热电偶检测石英管内部温度。工作时，温度控制器依据指定程序给石英管加热，制冷机20维持黄金炉局部恒温，同时热电偶检测石英管内部温度。