基于ICP的化合物半导体的外延生长装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种基于ICP的化合物半导体的外延生长装置及方法，该装置包括：真空反应腔；样品台，样品台位于真空反应腔的底部；ICP激发单元，ICP激发单元位于真空反应腔的顶部；具有第一进气口的第一气路，用于向真空反应腔通入第一气态反应源；具有第二进气口的第二气路，用于向真空反应腔通入第二气态反应源；其中，ICP激发单元用于激发第一气态反应源和第二气态反应源电离分解，样品台可加热以将第一气态反应源和第二气态反应源热裂解，以进行外延生长。本发明专利技术的外延生长装置及方法具有生长温度低、薄膜质量好的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于ICP的化合物半导体的外延生长装置及方法
本专利技术属于薄膜生长设备
，具体涉及一种电感耦合等离子体（InductivelyCoupledPlasma，ICP）的化合物半导体的低温外延生长装置及方法。
技术介绍
以GaN、SiC为代表的新型化合物半导体材料近十几年来在国际上备受重视，在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、探测器，以及高频高温大功率电子器件等方面有着重要而广泛的应用。为了获得良好的器件性能，要求化合物半导体薄膜尽可能处于单晶状态。目前化合物半导体的外延生长方法主要有分子束外延（MBE）和金属有机物化学气相外延（MOVPE）。由于MBE具有真空条件要求苛刻、生长速率慢的缺点，目前普遍采用MOVPE进行化合物半导体外延生长的商业化生产。在化合物半导体的MOVPE生长过程中，要求反应物以层流的方式扩散到衬底表面，在衬底表面发生裂解、化合和迁移等反应，从而形成化合物半导体单晶薄膜。现有的MOVPE，反应物裂解、化合、迁移所需的能量主要通过衬底加热的方式获得，由于反应气体存在较强的化学键，且反应物粒子在衬底表面迁移需要一定的能量，从而要求外延过程中衬底具有极高的温度。以MOVPE外延生长GaN为例，反应物一般为Ga(CH3)3和NH3，Ga(CH3)3的裂解温度约500℃，NH3的裂解温度约为700℃，再考虑GaN在衬底表面的迁移，一般外延生长温度接近1000℃。如果采用Ga(CH3)3和N2进行外延，由于N2化学键更强，需要更高的生长温度。高温外延虽然能实现性能良好的光电子器件，如LED，但也存在很多问题。首先，衬底材料和尺寸受限。由于耐高温及晶格匹配的要求，目前能用于化合物半导体外延生长的衬底只能是少数几种单晶衬底，比如用于生长GaN基半导体的Al2O3、Si，用于生长GaAs基半导体的GaAs，用于生长SiC半导体的SiC、Si等，这些单晶衬底成本较高、尺寸受限，很难直接进行化合物半导体的大面积外延生长。而可用于大面积薄膜衬底的衬底，如玻璃、塑料等，都很难再高温条件下稳定工作。其次，由于衬底和外延薄膜的热膨胀系数往往存在一定的差异，外延温度越高，半导体薄膜的应力就越大，直接影响器件的性能。再次，一般希望沉积对应的化学反应只在衬底表面进行，尽量减少衬底表面以外的预反应，而在高温条件下，很难控制反应气体在衬底表面以外的预反应。针对MOVPE高温生长带来的问题，人们提出了等离子体增强MOVPE（PE-MOVPE）的想法，希望通过低温等离子体预先裂解反应物，提高反应物原子的势能，达到降低化合物半导体外延生长的目的。产生低温等离子体的常用方法有：电容耦合等离子体（CCP）、电感耦合等离子体（ICP）、电子回旋共振等离子体（ECR）。CCP反应室简单，但等离子体密度和能量无法独立调节。ECR的等离子体密度高，能量转换率高，已有的PE-MOVPE主要采用ECR的方式产生等离子体。但是ECR固有的模式跳变特性，使其难以用于大面积的薄膜沉积。ICP可以产生与ECR可比拟的等离子体密度，同时具有较好的等离子体均匀性，能在很大的气压范围内运行，在非外延生长的薄膜沉积中获得了广泛的应用。反应物气体产生等离子体后，正离子、亚稳态原子分子以及中性原子均能用来生成化合物半导体，但其中的正离子以及高能的中性粒子会对衬底造成轰击，从而影响化合物半导体的结晶特性。以PEMOVPE生长GaN为例，反应气体采用Ga(CH3)3和N2，氮等离子体中包含氮离子、氮原子、氮分子，原则上都可以参与GaN的生成，但氮离子以及高能中性粒子（如氮原子、氮分子）会对衬底造成轰击、Ga去吸附、GaN分解和点缺陷等问题。因此，为了提高低温外延生长的化合物半导体的结晶质量，必须设法降低到达衬底处的正离子密度以及高能的中性粒子密度，同时使低能活性粒子能尽量多的到达衬底参与反应。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述外延温度高的技术问题。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种外延温度地、薄膜质量好的基于等离子体的化合物半导体的低温外延生长装置。本专利技术的另一个目的在于提出一种外延温度地、薄膜质量好的基于等离子体的化合物半导体的低温外延生长方法。为实现上述目的，本专利技术实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，可以包括：真空反应腔；样品台，所述样品台位于所述真空反应腔的底部；ICP激发单元，所述ICP激发单元位于所述真空反应腔的顶部；具有第一进气口的第一气路，用于向所述真空反应腔通入第一气态反应源；具有第二进气口的第二气路，用于向所述真空反应腔通入第二气态反应源；其中，所述ICP激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解，所述样品台可加热以将所述第一气态反应源和第二气态反应源热裂解，以进行外延生长。根据上述本专利技术实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置具有生长温度低、薄膜质量好的优点。为实现上述目的，本专利技术实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长方法，可以包括以下步骤：将衬底置于真空反应腔的底部的样品台上；向所述真空反应腔分别通入第一气态反应源和第二气态反应源；采用电感应耦合激发等离子体ICP的方式使所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解，并且加热所述衬底至预设温度以使所述第一气态反应源和第二气态反应源热裂解，以进行外延生长；将所述衬底从所述真空反应腔取出。根据上述本专利技术实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长方法具有生长温度低、薄膜质量好的优点。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术一个实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置的结构示意图。图2是本专利技术另一实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置的结构示意图。图3是本专利技术实施例的作为空间隔离装置的金属板的示意图。图4是本专利技术另一实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置的结构示意图。图5是本专利技术实施例的交替脉冲通入气态反应源以及ICP激发单元脉冲工作的时序图。图6是本专利技术另一实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置的结构示意图。图7是本专利技术另一实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置的结构示意图。图8是本专利技术实施例的基于ICP的化合物半导体的外延生长方法的流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，包括：真空反应腔；样品台，所述样品台位于所述真空反应腔的底部；ICP激发单元，所述ICP激发单元位于所述真空反应腔的顶部；具有第一进气口的第一气路，用于向所述真空反应腔通入第一气态反应源；具有第二进气口的第二气路，用于向所述真空反应腔通入第二气态反应源；其中，所述ICP激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解，所述样品台可加热以将所述第一气态反应源和第二气态反应源热裂解，以进行外延生长。

【技术特征摘要】
1.一种基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，包括：真空反应腔；样品台，所述样品台位于所述真空反应腔的底部；ICP激发单元，所述ICP激发单元位于所述真空反应腔的顶部；具有第一进气口的第一气路，用于向所述真空反应腔通入第一气态反应源；具有第二进气口的第二气路，用于向所述真空反应腔通入第二气态反应源；其中，所述ICP激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解，产生高密度低能量的等离子体；所述样品台在垂直方向升降，以改变样品台和等离子体产生区域的距离，调节反应气体中的活性低能中性原子及分子、带电和高能粒子到达衬底表面的浓度和能量；所述的真空反应腔内包括隔离装置，所述隔离装置将所述真空反应腔分为等离子体放电区和等离子体下游区，所述隔离装置为空间隔离装置或时间隔离装置；所述样品台可加热以将所述第一气态反应源和第二气态反应源热裂解，并依靠样品台加热衬底，以进行外延生长，其中，所述的样品台绕中心点旋转。2.根据权利要求1所述的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述第一气态反应源的化学键强于所述第二气态反应源的化学键，所述ICP激发单元主要用于激发所述第一气态反应源电离分解，所述样品台可加热主要用于将所述第二气态反应源热分解。3.根据权利要求1所述的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述的隔离装置为空间隔离装置，所述空间隔离装置将所述真空反应腔分为等离子体放电区和等离子体下游区，其中，所述空间隔离装置滤除所述等离子体放电区中所述第一气态反应源的电离分解产物中的正离子和高能中性粒子，允许低能活性粒子进入所述等离子体下游区与所述第二气态反应源的热裂解产物反应以进行外延生长。4.根据权利要求3所述的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述空间隔离装置为水平设置在所述真空反应腔体内的、均布多个滤孔的金属板，所述金属板上加载有直流偏压。5.根据权利要求1所述的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述的隔离装置为时间隔离装置，所述时间隔离装置为水平设置在所述真空反应腔内的、由电场控制开关或者磁场控制开关控制开合的闸门，所述时间隔离装置将所述真空反应腔分为等离子体放电区和等离子体下游区，其中，所述时间隔离装置被配置为：当所述ICP激发单元为工作状态时，所述时间隔离装置将所述等离子体放电区和等离子体下游区隔离，以将所述第一气态反应源的电离分解产物限制在所述等离子体放电区进行自然衰减；当所述ICP激发单元为间歇状态时，所述时间隔离装置将所述等离子体放电区和等离子体下游区连通以使未衰减尽的低能活性粒子进入所述等离子体下游区与所述第二气态反应源的热裂解产物反应以进行外延生长。6.根据权利要求1所述的基于ICP的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述第一进气口邻近所述ICP激发单元，并且所述第二进气口邻近所述样品台，所述第一气路和所述第二气路被配置成脉冲交替地向所述真空反应腔分别通入所述第一气态反应源和所述第二气态反应源，并且所述ICP激发单元被配置...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗毅，王健，郝智彪，汪莱，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：