[发明专利]一种雾相输运化学气相沉积生长氧化镓的薄膜生长系统

说明书

本发明属于化学气相沉积的材料生长方法技术领域，具体地说，是一种雾相输运化学气相沉积生长氧化镓的薄膜生长系统，包括气流导管、气流喷管、气流输运管道、气流恒温装置和温度监测装置，气流喷管和温度监测装置通过法兰部分嵌套于气流输运管道内部，气流恒温装置位于气流输运管道内部。气流恒温装置提高了薄膜生长区的热导率，实现薄膜生长区的温场均匀化，气流喷管提前对低温气流进行加热，降低气流对薄膜生长区的温场影响，从而获得更均匀的薄膜生长温度，温度监测可以准确的获得薄膜生长区的温度，从而实现最优的生长环境。本发明为实现高均匀度和高纯度的氧化镓外延薄膜制备提供一种有效的生长系统。

技术领域

本发明属于化学气相沉积的材料生长方法技术领域，具体地说，是一种雾相输运化学气相沉积生长氧化镓的薄膜生长系统。

背景技术

半导体材料是半导体器件的重要基础，氧化镓以其稳定的化学和热学性质以及独特的电学特性，在光电器件和电学器件中有着广泛的应用前景，可被用于制备用于深紫外的光电器件和更小尺寸高电压功率器件，特别是其高临界击穿场强(8MV/cm)和超宽禁带(4.8eV)被认为是下一代功率半导体的主要材料。化学气相沉积是氧化镓薄膜制备中的常见方法，化学气相沉积(CVD)是将成膜的反应物蒸发成气态，输送至衬底后，让其在衬底表面发生反应并沉积成膜的过程，利用这一工艺制备的薄膜质量高，生产成本低。在制备氧化物薄膜的化学气相沉积工艺中，雾相输运化学气相沉积(Mist-CVD)是最常用的一种方法。雾相输运化学气相沉积使得制备氧化镓薄膜成为可能。但是，雾相输运化学气相沉积受制于反应容器结构，成膜均匀性低于期望，薄膜纯度不足，导致后续器件制备难以获得合格的薄膜，为此在雾相输运化学气相沉积反应容器结构是一个重要问题。

现有的相关研究，多关注于制备氧化镓的雾相输运化学气相沉积的前驱物制备（包括起雾溶液制取、反应气体流速控制）、雾化生成、反应物输运（包括输运速率、载气种类以及输运通道）以及反应中气体的压力分布等。对于反应容器中反应物的温度分布结构并没有系统研究和设计。反应容器的结构，影响参与反应的气体与衬底的温度，对于薄膜的生长均匀度和薄膜的纯度有着至关重要的影响。同时在现有的雾相输运化学气相沉积反应系统中，反应区域的通道往往过大，反应区域的温度难以掌握和控制，会在一些区域将还未完成反应成膜的反应物与副产物一同转移出反应腔室，这就导致薄膜的均匀性欠佳、纯度难以达到预期。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种雾相输运化学气相沉积生长氧化镓的薄膜生长系统，采用气流喷管，有效控制了进入反应腔室的气流温度，此外，本发明还设计了一种用于雾相输运化学气相沉积的可动气流恒温装置，这一装置具有线性聚集区和薄膜生长区，并在薄膜生长区内形成恒温场，从而提升薄膜的纯度和均匀度；本发明还设计了用于雾相输运化学气相沉积的温度监测装置，实时监控气流和薄膜生长区的真实温度，从而提高薄膜生长过程中的反应精度。

本发明采用的技术方案如下：

一种雾相输运化学气相沉积生长氧化镓的薄膜生长系统，包括气流导管、气流喷管、气流输运管道、气流恒温装置和温度监测装置，气流喷管和温度监测装置通过法兰部分嵌套于气流输运管道内部，气流恒温装置位于气流输运管道内部。

具体地，气流恒温装置由形状镜像对称的两块石英座组合而成，石英座为半圆柱形状，一端斜向下切割一部分，石英座的弧形外壁紧贴在上述气流输运管道的内壁上，两块石英座之间留有空隙供气流通过，将石英座未切割部分两两相对的空隙设置为薄膜生长区，将石英座切割部分两两相对的空隙设置为线性聚集区。通过设置镜像对称的两块石英座，提高薄膜生长区的热导率，实现薄膜生长区的温场均匀化，从而提高薄膜生长的纯度和均匀度。

进一步地，气流输运管道为一石英圆管道，外部由加热装置所覆盖，一端通过法兰和所述气流喷管相连，另一端通过法兰与热电偶和排气系统相连。排气系统末端设置有尾气收集装置。由于低温气流冷却作用，气流输运管道内的恒温区会收到气流流速的影响，通过设置恒温装置在气流输运管道内部可以滑动，精确地调节反应生长温度，获得最优的生长条件。