專利名稱：氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置 及制備方法，尤其是氧化鋅單晶的化學(xué)氣相沉積制備 裝置及制備方法。
背學(xué)技術(shù)
氧化鋅(ZnO)
有較寬的禁帶(3
0V)，是一種優(yōu)
光和紫光發(fā)光器
質(zhì)量、大尺寸的氧
外，人們對摻雜的
合金ZnxM 1-xO,
于氧化鋅熔點(diǎn)高達(dá)
高，因此采用傳統(tǒng)
氧化鋅體單晶。目
融法，化學(xué)氣相傳
具有優(yōu)異的光學(xué)和
.3 7 eV)和較大的 良的室溫紫外發(fā)光 件產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展 化鋅單晶基片的需 ZnO ( ZnO:M， M = A1， M二Be， Mg， Cd )也產(chǎn) 2 2 4 8 K， 并且 的提拉法等熔體生 前，常用的生長方 輸法三種方法。化
電學(xué)特性它
激子束縛能6材料。近年來，
，使得市場對高
求越來越大此
Ga)以及氧化物
生了興趣但由
熔化時(shí)蒸汽壓很
長工藝很難獲得
法有水熱法，熔
學(xué)氣相沉積法，特別是利用鋅的鹵化物或金屬鋅的蒸汽為原料的化學(xué)
氣相沉積法，具有較快的生長速度，可達(dá)6 0 ii m/h以 上，因此也可以用于生長氧化鋅單晶。
和其它化合物半導(dǎo)體如 GaAs、 GaN、 ZnSe的化學(xué) 氣相沉積過程相比，金屬Zn蒸汽和水蒸氣等氧化劑的 反應(yīng)很劇烈，因此容易在氣相中生成ZnO微粒(稱為 預(yù)反應(yīng))，也容易在反應(yīng)管內(nèi)壁及部件上形成大量疏松 的ZnO沉積物(稱為額外沉積或寄生生長)，尤其在生 長速度快時(shí)更嚴(yán)重。預(yù)反應(yīng)和額外沉積都會(huì)造成外延 層質(zhì)量惡化，沉積速率下降，后者還造成清洗設(shè)備的 頻率增加，因而生產(chǎn)效率下降。
A.Reisman，M.Berkenblit， S.A.Chan, 和 J.Anglilello等在 Journal of Electronic Materials 2 , 1 9 7 3 ， "Epitaxial growth of ZnO on sapphire and MgAl spinel using the vapor phase reaction of Zn and H20"的文章中公開了 一種利用鋅蒸氣和水蒸 氣之間的化學(xué)反應(yīng)Zn (g) +H20 (g) 〈 = >ZnO(s) +H2(g)的氧 化鋅化學(xué)氣相沉積制備裝置及制備方法。
圖1展示了該現(xiàn)有技術(shù)使用的化學(xué)氣相沉積制備 裝置。該裝置包括反應(yīng)管l，金屬舟組件6，襯底托 8 1，通道4 1。水平安置的反應(yīng)管1的外徑為3 0 mm，其內(nèi)安置有襯底托8 1。襯底托8 l水平安置，其上可放置襯底811 。金屬舟組件6包括依次連接
的通道6 2、金屬舟6 1、通道6 3、噴口6 4。此 處噴口6 4只是通道6 3的自然延伸。反應(yīng)管l的一 端(左端)封閉，噴口6 4從封閉處穿入反應(yīng)管1。 通道4l用于向反應(yīng)管l中通入反應(yīng)氣體，它從反應(yīng) 管l另一端(右端)插入，從襯底托8 l下方穿過， 其出口 4 2與噴口6 4相對。出口4 2與噴口6 4之 間的區(qū)域稱為混合區(qū)1 1 。 二溫區(qū)爐9 1和三溫區(qū)爐 9 2作為加熱裝置。二溫區(qū)爐9 1加熱金屬舟6 1 ，
三溫區(qū)爐9 2加熱反應(yīng)管1及襯底托8 1。反應(yīng)管l， 金屬舟組件6 ，通道4 1皆用石英玻璃制成。
使用該裝置生長ZnO的方法包括以下步驟在金 屬舟6 l中裝入金屬Zn，將放置了襯底8 1 1 (可以 是藍(lán)寶石或尖晶石襯底)的襯底托8l置于反應(yīng)管l 內(nèi)部。加熱裝置9加熱，使金屬舟6 1溫度達(dá)到4 8 0°C 5 8 0 °C， 襯底托8 l溫度達(dá)到7 5 0 °C 9 1 2 °C ，混合區(qū)1 1溫度達(dá)到約1 1 0 0 °C 。第 一 氣 體是He氣，從通道6 2通入，然后進(jìn)入金屬舟6 l并 與其中的液態(tài)Zn接觸，使Zn蒸汽混入第一氣體。第 一氣體繼續(xù)經(jīng)過通道6 3、噴口6 4進(jìn)入混合區(qū)1 1。 第二氣體是含有H20蒸汽的He氣，從通道4 l通入， 經(jīng)出口4 2進(jìn)入混合區(qū)1 1，在此處與第一氣體混合。 由于混合區(qū)1 1的溫度高，Zn蒸汽和H20蒸汽基本不 反應(yīng)，而是隨混合后的氣流流向襯底托8 1所在的沉 積區(qū)1 2 ，并在此處因?yàn)槔鋮s而發(fā)生反應(yīng)，在襯底沉 積ZnO。
在該現(xiàn)有技術(shù)中，為了減少第一和第二氣體之間 的預(yù)反應(yīng)和額外沉積，反應(yīng)管1中的混合區(qū)1 1被加 熱到1 1 0 0 °C或更高。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算， Zn (g) +H20 (g) 二ZnO (s) +H2 (g)這個(gè)反應(yīng)在這樣的高溫下 進(jìn)行的程度很小，因此混合區(qū)1 1內(nèi)預(yù)反應(yīng)和額外沉 積被有效抑制。而沉積區(qū)1 2的溫度維持在7 5 0 -9
1 2°C (最佳溫度8 0 0-8 1 5 °C)，上述反應(yīng)在此 溫度進(jìn)行的程度較大，因此ZnO被沉積在沉積區(qū)內(nèi)的 襯底8 1 1上。但是這種做法有許多缺點(diǎn)。第 一 ，不 合適直徑較大的反應(yīng)管。這是因?yàn)榛旌蠀^(qū)l l和沉積 區(qū)1 2溫差大，之間必然有 一 個(gè)較長的過渡區(qū)1 3使 得溫度能夠逐漸過渡，這使得反應(yīng)管l不得不做的很 長。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和我們的計(jì)算、實(shí)驗(yàn)，為了將混合區(qū)1
1加熱到1 1 0 0 °C的溫度，用作加熱裝置9的管式 爐一般需要長度相當(dāng)于2-3倍爐膛直徑的加熱段，而 混合區(qū)1 1沉積區(qū)1 2之間3 0 0 °C的溫差至少需要 長度相當(dāng)于2倍爐膛直徑的過渡區(qū)13來容納。因此 混合區(qū)1 1和過渡區(qū)1 3總長要有4 - 5倍爐膛直徑。 該現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)管1外徑只有3 0 mm ，爐膛比這
稍大， 這個(gè)長度是可以接受的。但是實(shí)際生產(chǎn)中需要
使用2英寸(50 . 8 mm )直徑或更大的襯底，這樣爐
膛直徑要1 00mm以上，反應(yīng)管1的長度將比沒有混
合區(qū)1 1和過渡區(qū)l 3時(shí)增力Q 4 0 0-5 0 Omm。這是
很難接受的，因?yàn)榉磻?yīng)管1通常是用易碎的石英玻璃
制成的。第二，過渡區(qū)1 3的溫度是逐漸降低的且長
度較長，因此過渡區(qū)的管壁和部件上的額外ZnO沉積
仍是不可避免的。第三，在圓柱形反應(yīng)管中水平安置
襯底托和襯底，其沉積的均勻性必然是不佳的。第四，因?yàn)榉磻?yīng)管1太長，氣流切換的陡峭性也不夠好， 這
會(huì)降低制備的zn0外延層的質(zhì)量。第五，不一定適合
生長ZnO以外的氧化物及多種氧化物的合金，因?yàn)椴?br> 同氧化物的生成反應(yīng)有不同的熱力學(xué)參數(shù)，因此混合
區(qū)11的溫度11 0 0 'C不一定足以阻止其預(yù)反應(yīng)和
額外沉積，而且不同組分的額外沉積程度不同，這使
得所得的的組分難以預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的巨的在于一種氧化物的化學(xué)氣相沉
積制備裝置及制備方法，該裝置能勝任直徑2英寸及
以上襯底的生長，可縮短反應(yīng)管長度，提高系統(tǒng)氣流
10
切換速度，減少額外沉積，提高沉積均勻性和沉積速
率，并提供更佳的結(jié)晶質(zhì)量，更高的原料利用率，更
少的設(shè)備清洗頻率。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供 一 種氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝
置，其特征在于，包括
一反應(yīng)管，反應(yīng)管內(nèi)部有一金屬舟組件和一襯底
托，該襯底托的一個(gè)表面上可以安置一個(gè)或多個(gè)襯底；
一進(jìn)氣口，用于輸送第二氣體到該反應(yīng)管內(nèi)并能
到達(dá)襯底處
一加執(zhí) "、、裝置，該加熱裝置安置在反應(yīng)管的外圍，
可加熱反應(yīng)管及其內(nèi)部的物件；
該金屬舟組件包括依次連通的 一 通道，一金屬
舟，一通道， 一噴口；金屬舟是中空的，用于容納金
屬噴口指向襯底托；從通道通入的第一氣體將依次
經(jīng)過金屬舟、通道和噴口，噴向襯底托及襯底，并在
經(jīng)過金屬舟時(shí)與其容納的金屬接觸，使金屬的蒸汽混
入第一氣體中。
g巾該噴口與該襯底托之間的距離小于襯底托外
徑的2倍，或者小于該反應(yīng)管內(nèi)徑的1 . 5倍。
其中該噴口包括2-l 2個(gè)互相分開的噴管，以便
從該噴口噴出的第一氣體能均勻分布于該襯底上。
3中該反應(yīng)管內(nèi)還安置——'氣體輸送組件，該氣體
輸送組件不與噴口相接觸，用于將第二氣體輸送到襯
底上
其中該氣體輸送組件包括通道，氣室，噴
□;該通道的 一 端連接在該氣室上，另一_^山 頓接受通入
的第二氣體;該噴包括連接在該氣室上的2至12
個(gè)互相分開的噴管，這些噴管的出都指向襯底托
從通道通入的該第二氣體依次流經(jīng)氣室、噴，噴向
襯底托
1中該襯底托為圓柱形，苴 Z 、軸線位于該反應(yīng)管的
軸線上，其面對噴口的一個(gè)底面上可以安置襯底。
其中加熱裝置為多溫區(qū)管式爐，可以將金屬舟和 襯底托加熱到不同溫度。
本發(fā)明提供 一 種氧化物的化學(xué)氣相沉積制備方 法，該方法是使用如權(quán)利要求1所述的氧化物的化學(xué)
氣相沉積制備裝置，其特征在于，包括以下步驟
步驟l:向金屬舟中裝入構(gòu)成所沉積的氧化物的 一種或幾種金屬；
步驟2:將襯底安置于襯底托上；
步驟3:加熱裝置將反應(yīng)管加溫；
步驟4:從通道通入第一氣體，從進(jìn)氣口通入第 二氣體；該第二氣體含有氧化劑，該氧化劑能與金屬舟中的金屬的蒸汽反應(yīng)生成金屬氧化物；該第一氣體 流經(jīng)金屬舟時(shí)與其中的金屬接觸，金屬的蒸汽混入該 第一氣體；該第一氣體、第二氣體在襯底上反應(yīng)而生 成金屬氧化物，沉積于襯底上。
其中該第二氣體中含有的氧化劑選自H20、 CO 2、 02、 N20或它們的混合物，向金屬舟中裝入的金屬是選 自Zn、Cd、Mg、Be、Al、Ga。
其中該第二氣體中含有的氧化劑是H20，向金屬
舟中裝入的金屬是Zn，在襯底上沉積Zn0的速率大于
10o微米每小時(shí)。
本發(fā)明提供 一 種氧化物的化學(xué)氣相沉積制備方
法，該方法是使用如權(quán)利要求1和4所述的氧化物的
化學(xué)氣相沉積制備裝置，其特征在于，包括以下步i乘
步驟1 :向金屬舟中裝入構(gòu)成所沉積的氧化物的
種或幾種金屬；
步驟2 :將襯底安置在襯底托上；
步驟3 :加熱裝置將反應(yīng)管加溫；
步驟4:從通道通入第一氣體，從進(jìn)氣口通入第
氣體，通過氣體輸送組件通入第三氣體；該第氣
體和第二氣體對于金屬舟中的金屬是惰性的，第二氣
體含有氧化劑，該氧化劑能與金屬舟中的金屬的蒸汽
反應(yīng)生成金屬氧化物；該第一氣體流經(jīng)金屬舟時(shí)與3中的金屬接觸，金屬的蒸汽混入該第一氣體；該第一
氣體、第三氣體在襯底上反應(yīng)而生成金屬氧化物，沉
積于襯底上；該第二氣體起到延緩第一氣體、第三氣
體混合的作用
其中該第三氣體中含有的氧化劑選自H20、C02、02、
N20或它們的混合物，向金屬舟6 1中裝入的金屬是選
白Zn、Cd、Mg、 Be、Al 、Ga


為進(jìn)步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合
實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)，即Re i sman等使用的裝置示意
圖
圖2是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例中氧化物的化學(xué)氣
相沉積制備裝置的示意圖
圖3是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中氧化物的化學(xué)氣
相沉積制備裝置的不意圖。
圖4是本發(fā)明的第一、第二實(shí)施例中金屬舟組件
6的示思圖
圖5是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中氣體輸送組件7
的示意圖
具體實(shí)施例方式
請參閱圖2，圖2是本發(fā)明的第-'實(shí)施例的思
圖。本發(fā)明種氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置，包
括
反應(yīng)管1，反應(yīng)管1內(nèi)部有一金屬舟組件6和
襯底托81，該襯底托8 1的——個(gè)表面上可以安置
個(gè)或多個(gè)襯底81
進(jìn)氣口4，用于輸送第氣體到該反應(yīng)管1內(nèi)
并能到達(dá)襯底811處；
加熱裝置9該加熱裝置9安置在反應(yīng)管1的
外圍，可加扭 "、、反應(yīng)管1及其內(nèi)部的物件該加執(zhí) "、、裝置
9為多溫區(qū)管式爐，可以將金屬舟61和襯底托8
加熱到不同溫度
該金屬舟組件6包括依次連通的通道62，
金屬舟6，一通道6 3 ，噴口64， 金屬舟6
1是中空的，用于容納金屬；噴Pl 64指向襯底托8
1;從通道62通入的第 一 氣體將依次經(jīng)過金屬舟6
1、通道63和噴□6 4 ， 噴向襯底托81及襯底8
11 ，并在經(jīng)過金屬舟6 1時(shí)與其容納的金屬接觸，
使金屬的蒸汽混入第一氣體中
其中該噴□64與該襯底托8 1之間的距離小于襯底托8 1外徑的2倍，或者小于該反應(yīng)管1內(nèi)徑的1.5倍；該噴口 6 4包括2 - 12個(gè)互相分開的噴管，以便從該噴口6 4噴出的第一氣體能均勻分布于該襯
底8 1 1上。
其中該襯底托8l為圓柱形，其軸線位于該反應(yīng)
管l的軸線上，其面對噴口6 4的 一 個(gè)底面上可以安
置襯底8 11
請參閱圖3 ，圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例的不息
圖。第二實(shí)施例與第一實(shí)施例基本相同，不同之處在
于，其中該反應(yīng)管l內(nèi)還安置一氣體輸送組件7，該
氣體輸送組件7不與噴口6 4相接觸，用于將第二氣
體輸送到襯底8 1 1上。
其中該氣體輸送組件7包括一通道7 1 ， 一氣室
72， 一噴口7 3; 該通道7 1的 一 端連接在該氣室
72上，另一端接受通入的第三氣體；該噴口 73包
括連接在該氣室72上的2至1 2個(gè)互相分開的噴
管,這些噴管的出口都指向襯底托8 1 ;從通道71
通入的該第三氣體依次流經(jīng)氣室7 2， 噴□ 7 3，噴
向襯底托8 1 。
請結(jié)合參閱圖2所示，本發(fā)明 一 種氧化物的化學(xué)
氣相沉積制備方法，該方法是使用第 一 實(shí)施例所述的
氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置，包括以下步驟
步驟1 :向金屬舟61中裝入構(gòu)成所沉積的氧化 物的一種或幾種金屬；
步驟2:將襯底8 1l安置于襯底托8 l上；
步驟3:加熱裝置9將反應(yīng)管1加溫；
步驟4:從通道6 2通入第一氣體，從進(jìn)
通入第二氣體；該第二氣體含有氧化劑，該氧 與金屬舟61中的金屬的蒸汽反應(yīng)生成金屬氧 該第 一 氣體流經(jīng)金屬舟6 1時(shí)與其中的金屬接
屬的蒸汽混入該第一氣體；該第一氣體、第二 襯底81l上反應(yīng)而生成金屬氧化物，沉積于 1 1上。
其中該第二氣體中含有的氧化劑選自H20、C02、02、 N20或它們的混合物，向金屬舟6 1中裝入的金屬選自
Zn、Cd、 Mg、 Be、 Al、 Ga，該第二氣體中含有的氧化
劑是H20,向金屬舟6 l中裝入的金屬是Zn，在襯底8
11上沉積Zn0的速率大于1 0 0微米每小時(shí)。
請結(jié)合參閱圖3，本發(fā)明一種氧化物的化學(xué)氣相
沉積制備方法，該方法是使用第二實(shí)施例所述的氧化
物的化學(xué)氣相沉積制備裝置，包括以下步驟
步驟1 :向金屬舟6 1中裝入構(gòu)成所沉積的氧化
物的一種或幾種金屬；
步驟2:將襯底8 1 l安置在襯底托8 l上；
氣Cl 4
化劑能
化物；
觸，金
氣體在
襯底8
步驟3 :加熱裝置9將反應(yīng)管1加溫 ，
步驟4:從通道6 2通入第一氣體，從進(jìn)氣□4
通入第二氣體，通過氣體輸送組件7通入第三氣體
該第一氣體和第二氣體對于金屬舟61中的金屬是惰
性的，第三氣體含有氧化劑，該氧化劑能與金屬舟6
1中的金屬的蒸汽反應(yīng)生成金屬氧化物；該第一氣體
流經(jīng)金屬舟6l時(shí)與其中的金屬接觸，金屬的蒸汽混
入該第一氣體；該第一氣體、第三氣體在襯底811
上反應(yīng)而生成金屬氧化物，沉積于襯底8 1 l上該
第氣體起到延緩第一氣體、第三氣體混合的作用。
其中該第三氣體中含有的氧化劑選自H20、C0:!、 02、
O或它們的混合物，向金屬舟6l中裝入的金屬選白
Zn、Cd、 Mg、 Be、 Al、 Ga。
實(shí)施例-*
圖2展示了本發(fā)明公開的氧化物的化學(xué)氣相沉積
制備裝置的一種實(shí)施方式該氧化物的化學(xué)氣相沉積
制備裝置包括反應(yīng)管1、密封組件2、密封組件3、
進(jìn)氣□4、排氣□5、金屬舟組件6、襯底托組件8
和加執(zhí) "、、裝置9 c
反應(yīng)管1是圓筒形，可以由任何耐熱抗氧化的材
料制成，如氧化鋁陶瓷等，但最合適的材料是石英玻璃。對于容納一片2英寸襯底的設(shè)備，反應(yīng)管尺寸可
以是..內(nèi)徑80- 100 mm， 長度1000- 1200
mm =>
反應(yīng)管1兩頭有密封組件2和密封組件3 ，使反
應(yīng)管1內(nèi)部和外界大氣隔開。密封組件2和密封組件 3通過金屬制成的法蘭2 1 、3 1 ，密封環(huán)2 2 、 3 2和橡膠密封圈2 3 、3 3等加以密封。法蘭2 1上 裝有進(jìn)氣口4，用以將第二氣體引入反應(yīng)管。法蘭3 1上還有排氣口 5 ，用以將反應(yīng)管中的廢氣排出。
金屬舟組件6 (詳見圖4)置于反應(yīng)管內(nèi)，包括 金屬舟6 1、通道6 2、通道6 3和噴口6 4。通道 6 2的一端連接在金屬舟6 l上，
另一端氣密地穿過 法蘭2l并接受通入的第一氣體；金屬舟6l是中空 的，用于容納金屬；通道6 3連通金屬舟6 l和噴口 6 4;噴口6 4指向襯底托8 1;該第一氣體將依次 經(jīng)過通道6 2、金屬舟6 1、通道6 3和噴口6 4， 噴向襯底托8 l及襯底8 1 1，并在經(jīng)過金屬舟6 1 時(shí)與其容納的金屬接觸，使金屬的蒸汽混入第一氣體 中。金屬舟組件6可以由石英玻璃制成，并做成一體。 噴口6 4包括2至1 2根(圖2和圖4中是4根)相 互分開的噴管。噴管可以是圓筒形，內(nèi)徑5 8mm。 這些噴管的入口端融合在一起并與通道6 3相連。這
些噴管的出口都指向襯底托8 1 ，并且出的中心最
好分布在 一 個(gè)以反應(yīng)管軸線為軸線的圓周上，此圓的
直徑為襯底托81直徑的0 . 3 - 0 . 6倍，即20
0mm這樣從該噴口6 4噴出的第一氣體能均勻分布
于
襯底托8 1上的襯底8 1 1上。第二氣體可以通過
這些噴管之間的空隙流向襯底托8 1 ，從而能夠均勻
分布于襯底8 11上。
襯底托組件8置于反應(yīng)管1內(nèi)，包括襯底托8 1，襯底托支撐桿82等。襯底托8 l是圓柱形，外徑6
07Omm, 與反應(yīng)管1同軸，朝向噴口64的一面
安置襯底8 1 1。襯底8 1 1直徑5 0 .8mm2英
寸)o噴口 6 4和襯底托8 1之間的距離，小于襯底托
81外徑2倍，或者小于反應(yīng)管1內(nèi)徑的5倍，而
最佳值為襯底托8 1直徑的0 . 5 - 1倍，約30 7
0mm襯底托支撐桿8 2連接在襯底托8背向噴口
64的一面上，并氣密地穿過法蘭31。襯底托支撐
桿82可以是中空的，里面插入熱偶8 21以便測量
襯底托的溫度。襯底托8 1可以用石墨制成，并包覆
碳化娃以防高溫下的氧化；也可以用高溫合金制成；
但不宜用熱導(dǎo)率低的材料如石英玻璃制成，以免造成
襯底81 1上溫度的不均勻。
加熱裝置9安置在反應(yīng)管1的外圍，可以是一多溫區(qū)管式爐，能夠把金屬舟61和襯底托S1分別加
執(zhí) "、、到不同的溫度，并保持溫度的均勻。圖2所不的加
執(zhí)裝置9有二個(gè)加熱區(qū)9 1 、9 2、 93， 、/ -目!J兩個(gè)負(fù)
責(zé)加執(zhí) "、、金屬舟6，后 一 個(gè)負(fù)責(zé)加熱襯底托8i和噴
64這樣，襯底托8 1和噴口 6 4之間的區(qū)域，
即混合區(qū)，實(shí)際上具有和襯底托8 1相同或相近的溫
度采用更多的加熱區(qū)有助于提高溫度的均勻性<
因?yàn)閲姟?4與襯底托8 1的距離足夠近，從噴
日64噴出的含金屬蒸汽的第一氣體可以在很短的時(shí)
間內(nèi)到達(dá)襯底81 ，而且此過程中金屬蒸汽向它
部件擴(kuò)散的很少，因此能夠把預(yù)反應(yīng)和額外沉積降低
到可接受的程度。這樣傳統(tǒng)技術(shù)中的高溫混合區(qū)11
不再需要了，反應(yīng)管的長度不會(huì)太長，且反應(yīng)管1中
的最高溫度無需超過襯底8 11的最高溫度約95
0°C)，這將降低對加熱裝置9的要求。而且金屬蒸汽
更加集中于襯底81 1附近，使其利用率提高，因而
沉積速度也提咼了。采用多個(gè)噴管構(gòu)成的噴64，
能夠?qū)⒔饘僬羝鶆蚍植加谝r底8 1 l上，從而獲
得厚度、組分、結(jié)晶質(zhì)量更均勻的外延層。
實(shí)施例_
圖3展不了本發(fā)明公開的氧化物的化學(xué)氣相沉積 制備裝置的另一種實(shí)施方式。
該氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置包括反應(yīng)管1、密封組件2和密封組件3 、進(jìn)氣口 4 、,排氣口 5 、
金屬舟組件6 、氣體輸送組件7 、襯底托組件8和加
扭 "、、裝置9 Q
反應(yīng)管l是圓筒形，可以由任何耐熱抗氧化的材
料制成，如石英玻璃、氧化鋁陶瓷或高溫合金等，但
最合適的材料是石英玻璃。對于容納一片2英寸襯底
的設(shè)備，反應(yīng)管尺寸可以是內(nèi)徑8 0-10 0 mm， 長
度100 0-1200 mm。
反應(yīng)管1兩頭有密封組件2和密封組件3 ，使反
應(yīng)管1內(nèi)部和外界大氣隔開。密封組件2和密封組件
3通過金屬制成的法蘭2 1 、3 1 ，密封環(huán)2 2 、 3
2和橡膠密封圈2 3 、 3 3等加以密封。法蘭2 1上
裝有進(jìn)氣口4，用以將第二氣體引入反應(yīng)管。法蘭3
上還有排氣口 5 ，用以將反應(yīng)管中的廢氣排出。
金屬舟組件6 (詳見圖4)置于反應(yīng)管內(nèi)，包括
金屬舟6 1、通道62、通道6 3、噴口6 4 ; 通道
62的一端連接在金屬舟6l上，另一端氣密地穿過
法義2l并接受通入的第一氣體；金屬舟6 1是中空
的用于容納金屬；通道6 3連通金屬舟6 1和噴口
64 噴口6 4指向襯底托8 1;該第一氣體將依次 經(jīng)過通道6 2、金屬舟6 1、通道6 3和噴口6 4， 噴向襯底托8 l及襯底8 1 1，并在經(jīng)過金屬舟6 1 時(shí)與其容納的金屬接觸，使金屬的蒸汽混入第一氣體 中。金屬舟組件6可以由石英玻璃制成，并做成一體。
噴口 6 4包括2至12根(圖3和圖4中是4根)相
互分開的噴管噴管可以是圓筒形，內(nèi)徑 5 8 mm
這些噴管的入口端融合在 一 起并與通道6 3相連。這
些噴管的出口都指向襯底托8 1 ，并且出口的中心最
好分布在—個(gè)以反應(yīng)管1軸線為軸線的圓周上，此圓
的直徑為襯底托81直徑的0 . 3 - 0 .6倍，艮卩1 8
4 0 mm 。這樣從該噴口 6 4噴出的第氣體能均勻分
布于襯底托81上的襯底8 1 1上。第二氣體可以通
過這些噴管之間的空隙流向襯底托81，從而能夠均
勻分布于襯底811上。這樣，所沉積的氧化物外延
層的厚度、組分、物理性質(zhì)的均勻性都得到了提高。
襯底托組件8置于反應(yīng)管1內(nèi)，由襯底托8 1，
襯底托支撐桿82等組成。襯底托81可以是圓柱形，外徑6 0 70mm與反應(yīng)管1同軸朝向噴口 64
的一面安置襯底8 1 1。襯底8 1 l直徑5 0.8 mm (2英寸)。噴口 6 4和襯底托8 1之間的距離，小于 襯底托8 1外徑2倍，或者小于反應(yīng)管1內(nèi)徑的1 . 5 倍，而最佳值為襯底托8 1直徑的0 . 5 - 1倍，約3070mm襯底托支撐桿82連接在襯底托81背
向噴□64的一面上，并氣密地穿過法旦31，襯底托支撐桿82可以是中空的，里面插入執(zhí) "、、偶82以
便測量襯底托的溫度襯底托81可以用石黑 審,制成，
并包覆碳化娃以防高溫下的氧化;也可以用高溫a全制成但不宜用熱導(dǎo)率低的材料如石英玻璃制成，以
免造成襯底811上溫度的不均勻。
加執(zhí) "、、裝置9安置在反應(yīng)管1的外圍，可以是多
溫區(qū)管式爐，能夠把金屬舟61和襯底托81分別加
扭到不同的溫度，并保持溫度的均勻圖2所不的加
執(zhí)裝置9有二個(gè)加熱區(qū)9 1 、92 、93，刖兩個(gè)負(fù)
責(zé)加執(zhí) j、"金屬舟61 ，后一個(gè)負(fù)責(zé)加熱襯底托81和噴
64這樣，襯底托8 1和噴n 64之間的區(qū)域，
即混合區(qū)，實(shí)際上具有和襯底托8 1相同或相近的溫
度采用更多的加熱區(qū)有助于提高溫度的均勻性。
氣體輸送組件7詳見圖5)置于反應(yīng)管1內(nèi)，
包括一通道71、 一氣室7 2、一噴73該通道
71的一端連接在該氣室7 2上，另端氣密地穿過
法乂21并接受通入的第三氣體。該噴□73包括連
接在該氣室72上的2至1 2根(圖3和圖5中是4
根互相分開的噴管，這些噴管的出□都指向襯底托
81這些噴管可以是圓筒形，內(nèi)徑5工0mm這
些噴管的出口都指向襯底托8 1，并且出口的中心最
好分布在一個(gè)以反應(yīng)管1軸線為軸線的圓周上此圓
的直徑最好為襯底托s;i直徑的0 ,4—1倍，即2
4 70 mm o該第三氣體依次流經(jīng)該通道71，氣室
7 2 ，噴口 73 ，噴向襯底托81氣室72是中空
的環(huán)狀，最好留有 一 缺口 ，以便金屬舟組件6的通道
6 3從中穿過。氣室72的作用是使第二氣體在內(nèi)
部形成均勻的分布，從而保證第二氣體經(jīng)由噴73
噴向襯底托81時(shí)是均勻的。噴73的噴管和噴□
6 4的噴管應(yīng)該互相分開，保持定距離噴□73
與襯底托8 1的距離可以和噴口64與襯底托81的
距離相等，或者比后者小5 30 inm ,
使用該裝置時(shí)，第一氣體含有金屬蒸汽，第二氣
體含有氧化劑，這樣金屬蒸汽和氧化劑都能夠均勻的
在襯底托8 1上分布，同時(shí)惰性的第氣體能夠在噴
□ 6 4和噴口7 3之間的空隙中流向襯底托81，并
在第一氣體和第三氣體噴出噴口64和噴73后在
它們之間起到隔離的作用，可以減少噴64和噴
7 3上的額外沉積。
方法實(shí)施例一
利用如實(shí)施例 一 所述的氧化物的化學(xué)氣相沉積制
25
備裝置生長ZnO外延層的步驟如下(結(jié)合參閱圖2):
1. 將金屬Zn裝入金屬舟6 1。
2. 將一片2英寸(0 0 0 1)取向的藍(lán)寶石襯底 清洗后安裝在襯底托8 1上。
3. 向進(jìn)氣口4和通道6 2通入N2氣，以排除反 應(yīng)管1和金屬舟組件6中的空氣。
4. 停止向通道6 2通氣，向進(jìn)氣口4繼續(xù)通入 1 1/min的N2，同時(shí)加熱裝置9加熱，使舟6 1的溫 度達(dá)到7 2 0 °C ，襯底托8 1的溫度達(dá)到7 9 0 °C 。
5. 從進(jìn)氣口4通入的N2(第二氣體)流量升至 91/min，維持1 0 min使反應(yīng)管1內(nèi)各部件溫度達(dá)到 穩(wěn)定。
6. 從通道6 2通入N2(第一氣體)，流量0.4 1/min，第一氣體吹過舟6 1中融化的Zn表面時(shí)，Zn 蒸汽混入其中并達(dá)到飽和，隨后第一氣體經(jīng)由通道6 3從噴口6 4噴向襯底托8 1。
7 .向第二氣體中摻入3 % (體積比)的水蒸氣。
以上兩步可以互換順序，或者同時(shí)開始。Zn蒸汽 和水蒸氣在襯底8 1 1上發(fā)生反應(yīng)，沉積出 ZnO外延層。
8.沉積完成之后，可以切斷氣體供應(yīng)，關(guān)閉加熱裝置9降溫，然后取出沉積好的襯底。
通常經(jīng)過 一 次沉積，金屬舟6 1中的Zn只消耗很 少 一 部分，故可以重復(fù)2 - 8的步驟繼續(xù)生長。
經(jīng)過測量，ZnO外延層沉積速率可以超過1 2 0微 米每小時(shí)，在2英寸襯底上的厚度不均勻性小于± 1 0 % 。經(jīng)過X射線衍射分析，ZnO外延層為單晶狀態(tài)，取 向?yàn)?O 0 0 2)。 (0 0 0 2)面搖擺曲線半高寬小于 1 0 0 0弧秒，最佳值小于2 0 0弧秒。經(jīng)顯微鏡觀 察其表面形貌比較平整。
方法實(shí)施例二
利用如實(shí)施例 一 所述的氧化物的化學(xué)氣相沉積制 備裝置并利用C02氣為氧化劑生長ZnO外延層的步驟如 下(結(jié)合參閱圖2 ):
1. 將金屬Zn裝入舟6 1，
2. 將一片2英寸(0 0 0 1)取向的藍(lán)寶石襯底 清洗后安裝在襯底托8 1上。
3. 向進(jìn)氣口4和通道6 2通入N2氣，以排除反 應(yīng)管1和金屬舟組件6中的空氣。
4. 停止向通道6 2通氣，向進(jìn)氣口4繼續(xù)通入 1 1/min的N2，同時(shí)加熱裝置9加熱，使舟6 l的溫
度達(dá)到7 2 0 °C ，襯底托8 1的溫度達(dá)到7 9 0 °C 。
5. 從進(jìn)氣口4通入的N2(第二氣體)流量升至 91/min，維持1 0 min使反應(yīng)管1內(nèi)各部件溫度達(dá)到 穩(wěn)定。
6. 從通道6 2通入N2(第一氣體)，流量0.4 1/min，第一氣體吹過舟61中融化的Zn表面時(shí)，Zn 蒸汽混入其中并達(dá)到飽和，隨后第 一 氣體經(jīng)由通道6 3從噴口64噴向襯底托81。
7 .向第二氣體中摻入5 % (體積比)的C02氣。
以上兩步可以互換順序，或者同時(shí)開始。Zn蒸汽 和C0 2在襯底8 1 1上發(fā)生反應(yīng)，沉積出Zn0外延層。 反應(yīng)式為
Z"g)+C02(g)=Zn0(s)+C0(g)
6.沉積完成之后，可以切斷氣體供應(yīng)，關(guān)閉加 熱裝置9降溫，然后取出沉積好的襯底。
方法實(shí)施例三
利用如實(shí)施例 一 所述的氧化物的化學(xué)氣相沉積制 備裝置生長Cd0外延層的步驟如下(結(jié)合參閱圖2 ):
1 .將金屬Cd裝入舟6 1 ，
2.將一片2英寸(0 0 0 1)取向的藍(lán)寶石襯底
清洗后安裝在襯底托81上。
3. 向進(jìn)氣口4和通道6 2通入N2氣，以排除反 應(yīng)管1和金屬舟組件6中的空氣。
4. 停止向通道6 2通氣，向進(jìn)氣口4繼續(xù)通入 1 1/min的N2，同時(shí)加熱裝置9加熱，使舟6 1的溫 度達(dá)到6 2 0 °C ，襯底托8 1的溫度達(dá)到7 9 0 °C 。
5. 從進(jìn)氣口4通入的N2(第二氣體)流量升至 91/min，維持1 0 min使反應(yīng)管1內(nèi)各部件溫度達(dá)到 穩(wěn)定。
6. 從通道6 2通入N2(第一氣體)，流量0.4 1/min，第一氣體吹過舟6 1中融化的Cd表面時(shí)，Cd 蒸汽混入其中并達(dá)到飽和，隨后第一氣體經(jīng)由通道6 3從噴口64噴向襯底托81。
7. 向第二氣體中摻入3% (體積比)的水蒸氣。
以上兩步可以互換順序，或者同時(shí)開始。Cd蒸汽 和水蒸氣在襯底8 1 1上發(fā)生反應(yīng)，沉積出Cd0外延層。
6.沉積完成之后，可以切斷氣體供應(yīng)，關(guān)閉加 熱裝置9降溫，然后取出沉積好的襯底。
方法實(shí)施例四
利用如實(shí)施例二所述的氧化物的化學(xué)氣相沉積制 備裝置生長ZnO外延層的步驟如下(結(jié)合參閱圖3 ): 1 .將金屬Zn裝入舟6 1 。
2. 將一片2英寸(0 0 0 1)取向的藍(lán)寶石襯底 清洗后安裝在襯底托8l上。
3. 向進(jìn)氣口4， 通道6 2和通道7 1通入N2氣， 以排除反應(yīng)管l，金屬舟組件6和氣體輸送組件7中 的空氣。
4. 停止向通道6 2和通道7 1通氣，向進(jìn)氣口 4繼續(xù)通入1 1/min的N2，同時(shí)加熱裝置9加熱，使舟
6 1的溫度達(dá)到7 2 0 °C ，襯底托8 1的溫度達(dá)到7 9 0 °C 。
5. 從進(jìn)氣口4通入的N2(第二氣體)流量升至
7 1/min，向通道7 l通入1(第三氣體)流量2 1 /mi n 。維持1 0 mi n使反應(yīng)管1內(nèi)各部件溫度達(dá)到穩(wěn) 定。
6. 從通道6 2通入N2(第一氣體)，流量0.4 1/min，混有Zn蒸汽的第一氣體經(jīng)噴口6 4噴向襯底 托8 1 。
7 .向第三氣體中摻入1 0 % (體積比)的水蒸氣。
以上兩步可以互換順序，或者同時(shí)開始。Zn蒸汽
和水蒸氣在襯底8 1 1上發(fā)生反應(yīng)，沉積出ZnO外延層。
6 .沉積完成之后，可以切斷氣體供應(yīng)，關(guān)閉加 熱裝置9降溫，然后取出沉積好的襯底。
方法實(shí)施例五
利用如實(shí)施例二所述的氧化物的化學(xué)氣相沉積制 備裝置生長CdO外延層的步驟如下(結(jié)合參閱圖3):
1 .將金屬Cd裝入舟6 1 。
2. 將一片2英寸(0 0 0 1)取向的藍(lán)寶石襯底 清洗后安裝在襯底托8 1上。
3. 向進(jìn)氣口4，通道6 2和通道7 1通入N2氣， 以排除反應(yīng)管1 ，金屬舟組件6和氣體輸送組件7中 的空氣。
4. 停止向通道6 2和通道7 1通氣，向進(jìn)氣口 4繼續(xù)通入1 1/min的N2，同時(shí)加熱裝置9加熱，使 舟6 1的溫度達(dá)到6 2 0 °C ，襯底托8 1的溫度達(dá)到 7 9 0 °C 。
5. 從進(jìn)氣口4通入的N2(第二氣體)流量升至 7 1/min，向通道7 1通入N2(第三氣體)流量2 1/min。 維持1 0 mi n使反應(yīng)管1內(nèi)各部件溫度達(dá)到穩(wěn)定。
6. 從通道6 2通入N2(第一氣體)，流量0.4 1/min，混有Cd蒸汽的第一氣體經(jīng)噴口6 4噴向襯底 托8 1 。
7 .向第三氣體中摻入1 0 Q% (體積比)的水蒸氣。
以上兩步可以互換順序，或者同時(shí)開始。Cd蒸汽 和水蒸氣在襯底8 1 1上發(fā)生反應(yīng)，沉積出CdO外延層。
6 .沉積完成之后，可以切斷氣體供應(yīng)，關(guān)閉加 熱裝置9降溫，然后取出沉積好的襯底。
方法實(shí)施例六
利用如實(shí)施例 一 所述的氧化物的化學(xué)氣相沉積制 備裝置生長ZnxCd 1 -x0混晶外延層的步驟如下(結(jié)合 參閱圖2 ):
1 .將金屬Zn和金屬Cd裝入舟6 1 ，其中Cd與 Zn的比例為1 :9 (摩爾比)。
2. 將一片2英寸(0 0 0 1)取向的藍(lán)寶石襯底 清洗后安裝在襯底托8 1上。
3. 向進(jìn)氣口4，通道6 2通入N2氣，以排除反 應(yīng)管1和金屬舟組件6中的空氣。
4. 停止向通道6 2通氣，向進(jìn)氣口4繼續(xù)通入 1 1/min的N2，同時(shí)加熱裝置9加熱，使舟6 1的溫度 達(dá)到6 6 0 °C ，襯底托8 1的溫度達(dá)到7 9 0 °C 。
5. 從進(jìn)氣口4通入的N2(第二氣體)流量升至 9 1/min，維持1 0 min使反應(yīng)管1內(nèi)各部件溫度達(dá)到 穩(wěn)定。
6. 從通道6 2通入N2(第一氣體)，流量0.4 1/min，混有Zn蒸汽和Cd蒸汽的第 一 氣體經(jīng)噴口 6 4 噴向襯底托8 1 。
7. 向第二氣體中摻入3% (體積比)的水蒸氣。
以上兩步可以互換順序，或者同時(shí)開始。Cd蒸汽、 Zn蒸汽和水蒸汽在襯底8 1 1上發(fā)生反應(yīng)，沉積出 ZnxCd 1 -xO混晶夕卜延層。
8. 沉積完成之后，可以切斷氣體供應(yīng)，關(guān)閉加 熱裝置9降溫，然后取出沉積好的襯底。
方法實(shí)施例七
利用如實(shí)施例二所述的氧化物的化學(xué)氣相沉積制 備裝置生長ZnxCd 1 -xO混晶外延層的步驟如下(結(jié)合 參閱圖3 ):
1 .將金屬Zn和金屬Cd裝入舟6 1 ，其中Cd與
Zn的比例為1 :9 (摩爾比)。
2. 將一片2英寸(0 0 0 1)取向的藍(lán)寶石襯底 清洗后安裝在襯底托8l上。
3. 向進(jìn)氣口4， 通道6 2和通道7 1通入N2氣， 以排除反應(yīng)管1 ，金屬舟組件6和氣體輸送組件7中 的空氣。
4. 停止向通道6 2和通道7 1通氣，向進(jìn)氣口 4繼續(xù)通入1 1/min的N2，同時(shí)加熱裝置9加熱，使舟
6 1的溫度達(dá)到6 6 0 °C ，襯底托8 1的溫度達(dá)到7 9 0 °C 。
5. 從進(jìn)氣口4通入的N2(第二氣體)流量升至
7 1/min,向通道7 1通入N2(第三氣體)流量2 1/min。 維持1 0 mi n使反應(yīng)管1內(nèi)各部件溫度達(dá)到穩(wěn)定。
6. 從通道6 2通入N2(第一氣體)，流量0.4 1/min，混有Zn蒸汽和Cd蒸汽的第 一 氣體經(jīng)噴口 6 4 噴向襯底托8 1 。
7 .向第三氣體中摻入1 0 % (體積比)的水蒸氣。
以上兩步可以互換順序，或者同時(shí)開始。Cd蒸汽、 Zn蒸汽和水蒸汽在襯底8 1 1上發(fā)生反應(yīng)，沉積出 ZnxCd 1 -x0混晶夕卜延層。
8 .沉積完成之后，可以切斷氣體供應(yīng)，關(guān)閉加 執(zhí) "、、裝置9降溫，然后取出沉積好的襯底。
使用本發(fā)明的氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置
時(shí)，因?yàn)閲娍?6 4與襯底托8 1的距離足夠近，從噴
6 4噴出的含金屬蒸汽的第一氣體可以在很短的時(shí)
間內(nèi)到達(dá)襯底811，而且此過程中金屬蒸汽向它
部件擴(kuò)散的很少，因此能夠把預(yù)反應(yīng)和額外沉積降低
到可接受的程度。這樣傳統(tǒng)技術(shù)中的高溫混合區(qū)i1
不再需要了，反應(yīng)管的長度不會(huì)太長，且反應(yīng)管i中
的最高溫度無需超過襯底81l的最高溫度約95
0°C )，這將降低對加熱裝置9的要求。而且金屬菡 '、、 汽
更加集中于襯底8 1 1附近，使其利用率提高，因而
沉積速度也提高了 。
進(jìn)步的，當(dāng)采用多個(gè)噴管構(gòu)成的噴口64時(shí)，
能夠?qū)⒔饘僬羝鶆蚍植加谝r底8 1 l上，從而獲
得厚度、組分、結(jié)晶質(zhì)量更均勻的外延層。
更進(jìn)一步的，增加氣體輸送組件7用于輸送含氧
化劑的第三氣體時(shí)，因?yàn)闅怏w輸送組件7與噴64
不相接觸，延緩了金屬蒸汽和氧化劑的混合，進(jìn)步
預(yù)反應(yīng)和額外沉積，尤其是噴口 6 4上的額外沉^共。
權(quán)利要求
1.一種氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置，其特征在于，包括一反應(yīng)管，反應(yīng)管內(nèi)部有一金屬舟組件和一襯底托，該襯底托的一個(gè)表面上可以安置一個(gè)或多個(gè)襯底；一進(jìn)氣口，用于輸送第二氣體到該反應(yīng)管內(nèi)并能到達(dá)襯底處；一加熱裝置，該加熱裝置安置在反應(yīng)管的外圍，可加熱反應(yīng)管及其內(nèi)部的物件；該金屬舟組件包括依次連通的一通道，一金屬舟，一通道，一噴口；金屬舟是中空的，用于容納金屬；噴口指向襯底托；從通道通入的第一氣體將依次經(jīng)過金屬舟、通道和噴口，噴向襯底托及襯底，并在經(jīng)過金屬舟時(shí)與其容納的金屬接觸，使金屬的蒸汽混入第一氣體中。
全文摘要
一種氧化物的化學(xué)氣相沉積制備裝置，包括一反應(yīng)管，反應(yīng)管內(nèi)部有一金屬舟組件和一襯底托，該襯底托的一個(gè)表面上可以安置一個(gè)或多個(gè)襯底；一進(jìn)氣口，用于輸送第二氣體到該反應(yīng)管內(nèi)并能到達(dá)襯底處；一加熱裝置，該加熱裝置安置在反應(yīng)管的外圍，可加熱反應(yīng)管及其內(nèi)部的物件；該金屬舟組件包括依次連通的一通道，一金屬舟，一通道，一噴口；金屬舟是中空的，用于容納金屬；噴口指向襯底托；從通道通入的第一氣體將依次經(jīng)過金屬舟、通道和噴口，噴向襯底托及襯底，并在經(jīng)過金屬舟時(shí)與其容納的金屬接觸，使金屬的蒸汽混入第一氣體中。
文檔編號C23C16/40GK101343776SQ20071011863
公開日2009年1月14日 申請日期2007年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月11日
發(fā)明者崔軍朋, 曾一平, 垚 段, 王曉峰 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所