一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及实现方法

1.本发明涉及半导体材料气相外延技术，具体涉及一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及其实现方法。


背景技术：

2.金属有机化合物化学气相沉积(mocvd)适用于化合物半导体异质结和低维结构的外延生长，而且易于实现大尺寸衬底上的规模化生产，是制备半导体光电子和微电子器件的重要方法，推动了半导体材料和器件制造技术的飞速发展。
3.在mocvd外延生长过程中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物(三甲基镓tmga、三甲基铝tmal、三甲基铟tmin、二茂镁cp2mg等)和氢化物(氨气nh3、硅烷sih4等)等反应剂并输运至反应室内，反应剂在气相中部分形成加合物。随着气体流向加热的衬底表面，反应剂和加合物逐步发生热分解，热分解后含活性反应源的反应产物吸附在衬底表面并在表面迁移，最终经过表面反应过程并入晶格形成外延层。通过加合物的中间过程逐步热分解的途径会增加外延过程中晶格缺陷和杂质的并入，加合物甚至会进一步在气相中成核形成多聚物，降低反应剂的利用效率。
4.提高反应剂的分解效率是实现高效mocvd外延过程的重要途径。以铟镓氮(ingan)材料的mocvd外延生长过程为例，在ingan材料的生长温度范围内，常用的氢化物源nh3的热分解效率极低，ingan材料的外延生长受到有效氮源分压的限制，导致in组分的并入效率不足和材料外延质量的恶化。利用光子能量与分子振动模式的相互耦合，将能量匹配的光场作用于反应剂分子引起其对光场能量的共振吸收，从而加快反应剂分子的裂解速率，为半导体材料的mocvd外延生长提供充足的活性反应源。光辅助mocvd技术不仅可以提高反应剂的利用效率，还可以改变传统mocvd的外延生长模式。
5.mocvd外延过程中，特别是用于大规模生产的mocvd装置中的质量输运过程和化学反应过程十分复杂，光场的存在将进一步增加mocvd中化学反应动力学的复杂程度。处于激发态的反应剂分子或裂解后的活性反应产物的寿命很短，必须将其快速输运到衬底表面才能发挥激光辅助外延生长的作用，同时活性反应源在输运过程中会加快气相中的寄生反应。现阶段，亟需解决光场和流场的均匀性问题，提高外延层质量以满足光电子器件的研制需求。


技术实现要素：

6.为了克服以上现有技术的不足，本发明提出了一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及其实现方法。
7.本发明的一个目的在于提出一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置。
8.mocvd系统为内部中空且密闭的反应腔，在反应腔内的底部设置加热盘，用于生长材料的衬底位于加热盘上；在反应腔外设置有多个独立的反应剂容器，针对不同的生长材料，各个反应剂容器内分别盛放相应的反应剂；每一个反应剂容器分别相应的对应一根独
立的气体输送管道，各个反应剂容器分别通过多根独立的气体输送管道连接至反应腔内，在各根气体输送管道上分别设置阀门和流量计控制气体输送。
9.本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置包括：光源、光束传输系统、mocvd系统和吸光材料；其中，
10.光束传输系统包括外壳、光束传输光路、机械固定与位置调节装置、冷却装置和光束特性测量与监控装置；其中，外壳为内部中空且不透光的壳体；在外壳内设置有光束传输光路、机械固定与位置调节装置、冷却装置和光束特性测量与监控装置；在外壳的侧壁上分别开设有入光口和出光口，光源正对入光口，出光口正对mocvd系统的入光窗口；光束传输光路设置在机械固定与位置调节装置上；光束特性测量与监控装置的采集端位于出光口前；
11.光束传输光路依次包括聚焦装置、分束装置、扩束装置和光路位置调节装置；
12.mocvd系统还包括入光窗口、出光窗口和惰性气体传输管道；在mocvd系统的反应腔的侧壁或顶壁上设置入光窗口，出光窗口位于入光窗口的对侧；对于入光窗口位于反应腔的侧壁上，光束平行照射至反应腔内的衬底表面，对于入光窗口位于反应腔的顶壁上，光束垂直入射至反应腔内的衬底表面；惰性气体传输管道的一端位于反应腔外，连接至惰性气体源，另一端穿过反应腔的顶壁或侧壁位于反应腔内；对于惰性气体传输管道的入口位于反应腔的顶壁，则惰性气体进入反应腔的传输方向为竖直向下，从而使得携带反应剂分子的载气垂直流向衬底表面，对于惰性气体传输管道的入口位于反应腔的侧壁，则惰性气体进入反应腔的传输方向为水平方向，从而使得携带反应剂分子的载气平行流向衬底表面；在出光窗口处放置光吸收材料；
13.光源发射出光束，光束中的光子能量与一种或多种反应剂分子的振动模式能量相匹配；光束通过外壳的入光口，进入光束传输系统的光束传输光路，经聚焦装置聚焦，由分束装置分束后经扩束装置调整成平行光，或者先经扩束装置调整成平行后由分束装置分束，经过光路位置调节装置调整光束的空间位置但光束的传输方向不变，从而控制光束通过外壳的出光口进入至mocvd系统的入光窗口或至气体输送管道的位置；通过机械固定与位置调节装置整体调整光束传输光路的位置，使得光束按照需求完全或者部分进入到mocvd系统；通过冷却装置对光束传输光路进行降温；光束特性测量与监控装置检测光束的形状和光强分布，根据光束的形状和光强分布，通过调整光源的功率和光路传输系统，从而调整控制进入到mocvd系统的光束的形状和光强分布；光束通过入光窗口进入至反应腔中，或者光束进入至气体输送管道并通过气体输送管道进入至反应腔中；载气经过反应剂容器与反应剂混合后，携带反应剂分子通过气体输运管道进入到反应腔中；进入至反应腔中的光束产生与一种或多种反应剂分子振动模式能量相匹配的光场，引起反应剂分子对光场能量的共振吸收，从而产生活性反应源，活性反应源输运到位于加热盘的衬底表面，实现光辅助的材料外延生长；位于出光窗口处的光吸收材料，吸收不参与光辅助过程的光；选择光束平行或垂直照射至衬底表面，以及选择携带反应剂分子的载气平行或垂直流向衬底表面，控制流畅和温场的耦合区域，实现四种不同的耦合方式，从四种耦合方式中选择一种耦合方式满足外延生长需求。
14.冷却装置采用风冷或水冷冷却；风冷为向光束传输系统的外壳内吹冷风；水冷为在每一个光学元件的侧壁上设置水冷装置。
15.光束特性测量与监控装置，采用光电探测器，光电探测器的采集端设置在光束传输系统的出光口前。
16.聚焦装置采用一个凹透镜和一个凸透镜的组合。
17.分束装置包括一个衍射分束元件和凹透镜。
18.扩束装置采用一个凹透镜和一个凸透镜组成的高斯光束扩束装置。
19.光路位置调节装置采用一对平行放置的反射镜，一对反射镜的角度联动调节，一对反射镜之间的距离为d，角度同时改变δα，则光束的传输方向不变且光束的空间位置改变量为dsinδα。
20.在出光窗口内或出光窗口外放置光吸收材料，吸收不参与光辅助过程的光，光吸收材料为对光束中光子具有吸收能力的材料，例如三氧化钨，氧化锡锑或者有机材料等。
21.机械固定与位置调节装置采用具有三维位置调节的导轨，并且通过螺丝固定光学元件的位置。
22.本发明的另一个目的在于提出一种光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置的实现方法。
23.本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置的实现方法，包括以下步骤：
24.1)光源发射出光束，光束中的光子能量与一种或多种反应剂分子振动模式能量相匹配；
25.2)光束通过外壳的入光口，进入光束传输系统的光束传输光路，经聚焦装置聚焦，由分束装置分束后经扩束装置调整成平行光，或者先经扩束装置调整成平行后由分束装置分束，经过光路位置调节装置调整光束的空间位置但光束的传输方向不变，从而控制光束通过外壳的出光口进入至mocvd系统的入光窗口的位置；
26.3)通过机械固定与位置调节装置整体调整光束传输光路的位置，使得光束按照需求完全或者部分进入到mocvd系统；通过冷却装置对光束传输光路的元件进行降温；光束特性测量与监控装置检测光束的形状和光强分布，根据光束的形状和光强分布，通过调整光源的功率和光路传输系统，从而调整控制进入到mocvd系统的光束的形状和光强分布；
27.4)光束通过入光窗口进入至反应腔中，或者光束进入至气体输送管道并通过气体输送管道进入至反应腔中；载气经过反应剂容器与反应剂混合后，携带反应剂分子通过气体输运管道进入到反应腔中；对于惰性气体通过惰性气体传输管道的入口进入反应腔的顶壁，则惰性气体进入反应腔的传输方向为竖直向下，从而使得携带反应剂分子的载气垂直流向衬底表面，对于惰性气体传输管道的入口位于反应腔的侧壁，则惰性气体进入反应腔的传输方向为水平方向，从而使得携带反应剂分子的载气平行流向衬底表面；
28.5)进入至反应腔中的光束产生与一种或多种反应剂分子振动模式能量相匹配的光场，引起反应剂分子对光场能量的共振吸收，从而产生活性反应源，活性反应源输运到位于加热盘的衬底表面，实现光辅助的材料外延生长；位于出光窗口处的光吸收材料，吸收不参与光辅助过程的光；
29.6)选择光束平行或垂直照射至衬底表面，以及通过选择惰性气体的传输方向为平行方向或垂直流向衬底表面，使得携带反应剂分子的载气平行或垂直流向衬底表面，控制流畅和温场的耦合区域，实现四种不同的耦合方式，从四种耦合方式中选择一种耦合方式满足外延生长需求。
30.本发明的优点：
31.本发明采用光束传输光路，对光束聚焦、分束、扩束准直和位置调节的操作，并对mocvd系统加设入光窗口、出光窗口和惰性气体传输管道，使得光束通过入光窗口进入至反应腔中，光束产生与一种或多种反应剂分子振动模式能量相匹配的光场，引起反应剂分子对光场能量的共振吸收，产生的活性反应源输运到位于加热盘的衬底表面，实现材料的外延生长；并通过选择惰性气体的传输方向为平行方向或垂直流向衬底表面，使得携带反应剂分子的载气平行或垂直流向衬底表面，控制流畅和温场的耦合区域，实现四种不同的耦合方式，从四种耦合方式中选择一种耦合方式满足外延生长需求；本发明能够实现光生活性反应源到衬底表面的快速输运，并减少活性反应源输运过程中的气相寄生反应，从而实现高效的光辅助mocvd外延生长。
附图说明
32.图1为本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置及其实现方法的一个实施例的示意图；
33.图2为本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装的扩束装置的一个实施例的示意图；
34.图3为本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装的分束装置的一个实施例的示意图；
35.图4为本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装的光路位置调节装置的一个实施例的示意图；
36.图5为本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装的光路位置调节装置的一个实施例的均匀分布的光场产生方案的示意图；
37.图6为本发明的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置的光场与反应剂气流场耦合方案的示意图，其中，(a)～(e)分别为不同种的耦合方案。
具体实施方式
38.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
39.如图1所示，本实施例的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置包括：光源、光束传输系统、mocvd系统和光吸收材料；
40.光束传输系统包括外壳、光束传输光路、机械固定与位置调节装置、冷却装置和光束特性测量与监控装置；其中，外壳为内部中空且不透光的壳体；在外壳内设置有光束传输光路、机械固定与位置调节装置、冷却装置和光束特性测量与监控装置；在外壳的侧壁上分别开设有入光口和出光口，光源正对入光口，出光口正对mocvd系统的入光窗口；光束传输光路设置在机械固定与位置调节装置上；光束特性测量与监控装置的采集端位于出光口前；
41.光束传输光路依次包括聚焦装置、分束装置、扩束装置和光路位置调节装置；
42.mocvd系统还包括入光窗口、出光窗口和惰性气体传输管道；在mocvd系统的反应腔的侧壁或顶壁上设置入光窗口；对于入光窗口位于反应腔的侧壁上，光束平行照射至反应腔内的衬底表面，对于入光窗口位于反应腔的顶壁上，光束垂直入射至反应腔内的衬底
表面；惰性气体传输管道的一端位于反应腔外，连接至氮气源，另一端穿过反应腔的顶壁或侧壁位于反应腔内；对于惰性气体传输管道的入口位于反应腔的顶壁，则惰性气体进入反应腔的传输方向为竖直向下，从而使得携带反应剂分子的载气垂直流向衬底表面，对于惰性气体传输管道的入口位于反应腔的侧壁，则惰性气体进入反应腔的传输方向为水平方向，从而使得携带反应剂分子的载气平行流向衬底表面；在出光窗口外设置光吸收材料；
43.在本实施例中，冷却装置采用风冷；光束特性测量与监控装置，采用光电探测器，光电探测器的采集端设置在出光口前；惰性气体源采用氮气；光吸收材料采用三氧化钨。
44.如图2所示，扩束装置采用一个凹透镜301和第一凸透镜302组成的高斯光束扩束装置，进入扩束装置前的束腰为ω1，经过扩束装置后的束腰为ω2，ω2＞ω1。如图3所示，分束装置包括一个衍射分束元件401和第二凸透镜402。如图3所示，聚焦装置采用一个凹透镜301和第一凸透镜302的组合。如图4所示，光路位置调节装置采用一对平行放置的反射镜201，一对反射镜的角度联动调节，一对反射镜之间的距离为d，角度同时改变δα，则光束的传输方向不变且光束的空间位置改变量为dsinδα。图5是利用多束高斯分布光束产生均匀分布光场的示意图。
45.本实施例的光辅助金属有机化合物化学气相沉积装置的实现方法，包括以下步骤：
46.1)光源发射出光束，光束中的光子能量与一种或多种反应剂分子振动模式能量相匹配；
47.2)光束通过外壳的入光口，进入光束传输系统的光束传输光路，经聚焦装置聚焦，由分束装置分束后经扩束装置调整成平行光，或者先经扩束装置调整成平行后由分束装置分束，经过光路位置调节装置调整光束的空间位置但光束的传输方向不变，从而控制光束通过外壳的出光口进入至mocvd系统的入光窗口的位置；
48.3)通过机械固定与位置调节装置整体调整光束传输光路的位置，使得光束按照需求完全或者部分进入到mocvd系统；通过冷却装置对光束传输光路的元件进行降温；光束特性测量与监控装置检测光束的形状和光强分布，根据光束的形状和光强分布，通过调整光源的功率和光路传输系统，从而调整控制进入到mocvd系统的光束的形状和光强分布；
49.4)光束通过入光窗口进入至反应腔中；载气经过反应剂容器与反应剂混合后，携带反应剂分子通过气体输运管道进入到反应腔中；
50.5)进入至反应腔中的光束产生与一种或多种反应剂分子振动模式能量相匹配的光场，引起反应剂分子对光场能量的共振吸收，产生的活性反应源输运到位于加热盘的衬底表面，实现材料的外延生长；位于出光窗口处的光吸收材料，吸收不参与光辅助过程的光；
51.6)选择光束平行或垂直照射至衬底表面，以及选择携带反应剂分子的载气平行或垂直流向衬底表面，控制流畅和温场的耦合区域，实现四种不同的耦合方式，从四种耦合方式中选择一种耦合方式满足外延生长需求。
52.四种不同的耦合方式如图6所示，在图6(a)中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物源603和氢化物源604相互独立地且垂直于衬底602表面输运至反应腔内，金属有机化合物源603和氢化物源604在放置在加热的托盘601上的衬底602表面的耦合区域605完成混合；光束606平行于衬底602表面进入至反应腔，作用于混合后的反应剂气流上，并在衬底表
面附近形成光场和反应剂气流场的耦合区域605；反应剂分子通过上述光场和气流场耦合区域时，共振吸收光场能量形成活性反应源，并快速输运至加热的衬底表面实现光辅助外延生长。在图6(b)中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物源603和氢化物源604相互独立地且垂直于衬底602表面输运至反应腔内；光束606垂直于衬底602表面进入至反应腔。在图6(b)中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物源603和氢化物源604相互独立地且垂直于衬底602表面输运至反应腔内；光束606垂直于衬底602表面进入至反应腔。在图6(c)中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物源603和氢化物源604相互独立地且平行于衬底602表面输运至反应腔内；光束606垂直或平行于衬底602表面进入至反应腔。在图6(d)中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物源603和氢化物源604相互独立地且平行于衬底602表面输运至反应腔内；光束606垂直于衬底602表面进入至反应腔。在图6(e)中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物源603和氢化物源604相互独立地且平行于衬底602表面输运至反应腔内；光束606光束进入至气体输送管道，并通过气体输送管道进入至反应腔中，惰性气体传输管道610垂直于反应腔。
53.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。