【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体加工，具体指一种分子束外延生长方法及气态锑源供给装置。
技术介绍
1、分子束外延(mbe)技术是一种材料生长的先进技术，其在超高真空腔体中通过热蒸发或裂解多种超高纯单质源并形成原子或分子束流后，在合适的温度条件、晶格匹配的衬底上沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随高纯单质源的变化而迅速调整。mbe技术在其诞生之初主要用于科学研究，而近年来随着mbe技术的发展，该技术生产已经在半导体外延材料的生产加工方面得到了广泛的应用。
2、分子束外延生长是一个动力学过程，它既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，因此现阶段其已经可以实现普通热平衡生长方法难以生长的薄膜材料。基于其在材料化学组分和生长速率控制等方面的优越性，目前已经将此方法作为一种高真空高纯源蒸发的生长方式适用于各种化合物半导体及其合金材料同质结和异质结的外延生长过程以及半导体场效应晶体管(mesfet)、高电子迁移率晶体管(hemt)、异质结构场效应晶体管(hfet)、异质结双极晶体管(hbt)等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备过程中。相比与传统加工方式来说，分子束外延生长不仅可用来制备现有的大部分器件，而且也可以制备许多新器件，包括其它方法难以实现的，如借助原子尺度膜厚控制而制备的超晶格结构高电子迁移率晶体管和多量子阱型激光二极管等。
3、作为高新技术发展的重要驱动器，半导体技术正在向高性能、低功率、低成本的第四代半导体技术发展迭
4、在光电子领域中，锑化物材料体系有希望成为未来红外成像系统的主要材料体系。传统红外光电材料由于均匀性不足、基片面积小、良率低等瓶颈，难以实现大阵列、双色、多色焦平面以及甚远红外焦平面的制造。相比之下，锑化物具有显著的高性能优势，其带隙调控适用范围更广、成本更低、制造规模更大，由此，锑化镓基半导体外延材料技术已经成长为红外光电器件制造的主流。
5、在微电子领域，锑化物半导体具有超过前三代半导体体系的超高速迁移率，在发展超低功耗超高速微电子集成电路器件方面潜力巨大。在热电器件领域，含锑元素的各类晶体材料具有优良的热电和制冷效应，是长期以来热电制冷器件领域的重要技术方向，因此同样具有广阔的应用前景。在制备方面，锑化物窄带隙半导体与砷化镓、磷化铟等ⅲ-v族体系的结构特性、制备工艺类似或兼容，因此不存在量产技术的障碍，其制备成本主要受单晶衬底晶圆面积、外延材料量产容量、工艺集成技术良率的制约。锑化物半导体在开发下一代的体积小、重量轻、低功耗、低成本器件，满足极为苛刻应用要求方面具有不可替代的优势，是包括民用、国防在内的细分领域——红外成像的热门候选材料。
6、目前mbe整个生长过程需要在超真空环境下进行，其过程通常为：从加热的克努森源炉中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。在每一个克努森炉里的坩埚中都装有生长层所需要的高纯源，使用时将坩埚设定到合适的温度，使得分子束流正好能在衬底的表面形成所期望的外延组分。上述过程中，为了保证组分的厚度和均匀性，坩埚在衬底周围以圆形排列，且衬底生长的过程中可以进行旋转。同时，在生长时，组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩埚的温度来实现，而组分的突变则是通过在每一个坩埚出口处的机械阀门（挡板）的开、关来实现。
7、作为锑化物原材料的锑源（sb）同样是装在克努森炉里的坩埚中，坩埚外绕着加热丝，外层有防辐射层和冷却水装置（水冷套），水冷套内有流动的循环水，防止炉内加热丝热量传递到炉外。mbe所有的sb源炉类型为固态蒸发裂解炉，内部pbn材质坩埚整体较长，分为裂解区（cracking）、传导区（conductance）及原料贮存区（bulk），裂解区伸入生长室腔体内部，而传导区及贮存区凸出在腔体外，由加热丝及源炉壳体水冷套水流冷却平衡，维持原料温度的稳定。通过高温加热，在贮存区，高纯sb单质原料蒸发为sb4分子，之后通过传导区及经裂解区高温裂解后形成sb2分子束流，由此成为材料生长的最终原料。
8、现有裂解型固态sb源炉有3个难以克服的问题：首先是克努森炉sb源炉贮存区在mbe真空腔体的外部，暴露在洁净室气流环境中，洁净间气流/温度波动及水冷套内的循环水温、流速波动容易导致sb炉温度不稳定，实践表明在材料生长的使用温度下sb束流的变化幅度约1.5%/℃；其次sb裂解炉阀门是设计在裂解区头端的pbn材质滑动套筒，一方面阀区pbn材料互相摩擦易产生粉末，被sb束流带入腔体，影响束流的纯度，降低材料的性能及良率，另一方面阀门的传动机构运动会改变传导区温场，导致原料贮存区温度随阀门开度的变化难以保持稳定，而温度的缓慢变化会影响束流的稳定性，导致材料的良率下降；最后，sb裂解炉束流大小是由阀门移动至不同开度控制的，受限于移动精度、传动配合度、阀门装配准直度等因素，阀门控制的重复性存在不确定性。另外，固态sb源开始使用前，需要复杂的使用流程：为了提高束流稳定性及高纯源的纯度，固体sb源料须经历熔化，以排出sb颗粒表面的氧化物、内部的气体等杂质，再凝固实现固态原料成分、密度更加均匀等，既增加了成本，又提升了mbe真空系统风险。
9、综上所述，上述三种因素会导致sb裂解炉在实际工艺应用中的束流不稳定性超过1.5%，而在锑化物红外材料外延工艺中，对sb束流稳定性要求很高；以常用的gasb衬底为例：高温（略低于gasb衬底脱氧温度）生长阶段：gasb生长的所需sb（v族）、ga（ⅲ族）束流比对于量产型设备，受制于各源炉束流分布、装载衬底样品盘温度分布不均匀性，v族ⅲ族束流比（v/iii）窗口会收窄至3.5%以下，此时再叠加1.5%的sb束流不稳定性，会导致实际工艺窗口仅有2.0%左右；低温生长阶段（低于gasb衬底脱氧温度20~150℃）：gasb生长的所需sb（v族）、ga（ⅲ族）束流比窗口更窄，工艺窗口约2%，使用sb裂解炉时实际工艺窗口能够保持在1%以下；同时由于mbe生长的特点，生长速度慢约0.1~2um/h，生长器件材料周期长（几小时~几十小时），这些因素给锑化物材料的工程化应用带来了严峻的挑战。因此如果本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种分子束外延生长方法，其特征在于：采用锑烷作为气态锑源进行分子束外延生长，其中，所述锑烷包括SbH3及SbD3，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的分子束外延生长方法，其特征在于：当所述锑烷为SbH3时，所述预设温度不高于100℃，所述目标温度不低于300℃；当所述锑烷为SbD3时，所述预设温度不高于200℃，所述目标温度不低于400℃。
3.根据权利要求1所述的分子束外延生长方法，其特征在于：所述气态锑源进入所述生长室之前需要对其传输管道进行真空化处理。
4.一种气态锑源供给装置，其特征在于：用以实施权利要求1~3中任意一项所述的分子束外延生长方法，其包括：
5.根据权利要求4所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述传输装置还包括第一开关及第二开关，所述第一开关连接所述气态源入口，所述第二开关连接所述气态源出口，且所述第一开关及所述第二开关均设置为金属球阀或隔膜阀中的一种。
6.根据权利要求4所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述传输装置还包括调压阀以及至少一个压力表，所述调压阀及至少一个所述压力表均设
7.根据权利要求4所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述束流控制装置设置于靠近所述气态源入口一侧且与所述传输管道连通，其包括介质罐体、气态源罐体以及加热组件，其中，所述气态源罐体及所述加热组件均设置于所述介质罐体内部，且所述加热组件套设于所述气态源罐体外表面。
8.根据权利要求7所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述气态源罐体内部为加热空间，其上连接温度检测器，所述介质罐体与所述气态源罐体之间为介质存储空间，所述介质罐体上设有连通其内外部环境的介质出口及介质入口，所述加热组件包括套设于所述气态源罐体表面的加热丝以及连接于所述加热丝一端的电极。
9.根据权利要求7所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述束流控制装置还包括第三开关，当所述第三开关开启时，所述气态源罐体与所述气态源入口或所述气态源出口连通，当所述第三开关关闭时，所述气态源入口与所述气态源出口连通。
10.根据权利要求4所述的气态锑源供给装置，其特征在于：其还包括抽真空机构，所述抽真空机构包括分子泵组以及压力表，所述分子泵组与所述传输管道连通，所述压力表连接于所述分子泵组工作端，所述分子泵组上设有排尾气口。
...【技术特征摘要】
1.一种分子束外延生长方法，其特征在于：采用锑烷作为气态锑源进行分子束外延生长，其中，所述锑烷包括sbh3及sbd3，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的分子束外延生长方法，其特征在于：当所述锑烷为sbh3时，所述预设温度不高于100℃，所述目标温度不低于300℃；当所述锑烷为sbd3时，所述预设温度不高于200℃，所述目标温度不低于400℃。
3.根据权利要求1所述的分子束外延生长方法，其特征在于：所述气态锑源进入所述生长室之前需要对其传输管道进行真空化处理。
4.一种气态锑源供给装置，其特征在于：用以实施权利要求1~3中任意一项所述的分子束外延生长方法，其包括：
5.根据权利要求4所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述传输装置还包括第一开关及第二开关，所述第一开关连接所述气态源入口，所述第二开关连接所述气态源出口，且所述第一开关及所述第二开关均设置为金属球阀或隔膜阀中的一种。
6.根据权利要求4所述的气态锑源供给装置，其特征在于：所述传输装置还包括调压阀以及至少一个压力表，所述调压阀及至少一个所述压力表均设置于所述传输管道上，且所述调压阀靠近所述气态源入...
【专利技术属性】
技术研发人员：周千学，陈意桥，于天，刘军陈，
申请(专利权)人：苏州焜原光电有限公司，
类型：发明
国别省市：
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