电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统与技术.pdf

本发明的目的是提供一种兼有MOCVD和MBE的优点，能在较低温度(500℃
-700℃)下，对单质和多元素化合物薄膜，复杂层状结构，超薄型薄膜，超晶
格量子阱和量子点结构的低维半导体材料实现原子尺度控制生长原位实时监
测的、无离子损伤的高精密新型低温外延系统和技术。此外，本系统还能满足
等离子体与生长表面相互作用以及尘埃等离子体特性及其对成膜的作用机理
等相关基础研究的要求。

本发明的技术解决方案是，一种电子回旋共振ECR微波等离子体增强金属
有机化学汽相沉积外延系统，它由腔耦合型ECR微波等离子体源、超高真空系
统、检测与分析系统、配气系统及计算机数据采集与控制系统组成。腔耦合型
ECR微波等离子体源由腔长可调的圆柱型微波谐振腔和与其同轴的石英放电室
及可变长度天线组成；超高真空系统的外延室与石英放电室相通，外延室通过
真空插板阀与装样室相连，装样室与预处理室相连，外延室内设有加热器和样
品台，样品台与样品台转动机构和样品台升降器连接，外延室通过真空插板阀
分别与涡轮分子泵和溅射离子泵相连，外延室侧面设有观察窗、机械手和磁力
传动杆，以上所构成的多室结构超高真空系统可实现在真空状态下交换样品而
保证外延室的本底真空好于3×10-7Pa；外延室侧面设置的RHEED和荧屏与CCD
成像系统、四极质谱仪及外延室上面设置的光学测量和电磁测量构成检测与分
析系统，反射高能电子衍射仪和四极质谱仪共用一个差分抽气泵；配气系统由
气源，气体输运和开关网络控制系统组成，通过高真空阀分别与石英放电室和
外延室相连，通过配气系统对气体的切换和流量控制可随时方便地对薄膜生长
中所需要的多路反应气体和等离子体中的活性粒种进行切换和精确的组分调
变。

用电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统实施
的一种电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延技术，其特
点是：其一，外延生长时，对化学活性相差较大的反应粒子分别活化：活性差
的反应气体(如氮气)被送入石英放电室直接参与ECR放电，通过控制ECR等
离子体源的运行参数，实现高活化；而金属有机化合物蒸汽以氢气为载气，用
距样品台5cm的特制送气环送入样品附近远距离活化，避免直接暴露于ECR放
电等离子体中引起碳氢集团分解产生碳污染；其二，本系统上采用具有可调谐
振腔和磁多极场位形的腔耦合型ECR微波等离子体源，这种既利用又控制等离
子体活化作用，降低生长温度的新外延技的关键是提供一个具有高活化功能无
离子损伤的等离子体。活性粒子(原子及原子态离子)的产生源于能量大于其
分子键能的电子与其碰撞而产生的离解、激发和电离过程。这种腔耦合型ECR
微波等离子体源所产生的非磁化等离子体其电子能量分布有一个高能电子“尾
巴”，有利于反应粒子的活化；其离子温度低(＜2eV)，等离子体空间电位低
于离子损伤的阀值35V。通过控制等离子体源的运行参数来控制电子能量分布
获得一个高活化无离子损伤反应粒子源。通过调节ECR源的腔长选择腔模式，
可使其在很宽的运行参数范围(气压10-2Pa-100Pa，微波功率0.2-1.5Kw)都
能以很高的波耦合效率(95％以上)产生高活化功能无离子损伤大面积均匀非
磁化等离子体，因而本外延系统可运行在10-2Pa-100Pa宽气压范围；其三，
采用差分抽气结构，使RHEED和四极质谱仪对外延室工作气的压要求由10-3Pa
提高到10-2Pa。因而在外延室气压不高于5×10-2Pa时，可通过RHEED实现
原子尺度控制生长的原位实时监测，用四极质谱仪原位实时监测样品附近各活
性粒种含量；若工艺要求气体流量大，外延室气压高于5×10-2Pa时，则采用短
时间(10-20秒)暂停生长原位检测的方法：短时间关断供气停止生长，外延
室气压降至1×10-2Pa-5×10-2Pa时，再用RHEED原位检测生长表面的微观结
构，用四极质谱仪原位检测样品附近各活性粒种含量，之后恢复供气和等离子
体放电继续生长。RHEED衍射图样的形状和清晰度与基片表面的晶格结构和平
整度直接相关，衍射条纹直接反映薄膜的结晶性，晶相，生长模式是二维层状
生长还是三维岛状生长以及膜表面形貌；RHEED的衍射强度随时间的变化不仅
能显示膜表面粗糙度的变化而且能精确给出外延生长的单胞层数，因而，RHEED
的衍射强度随时间的振荡周期数可精确给出外延生长薄膜的厚度，从而可实现
原子尺度外延生长的原位实时监控；其四，用计算机数据采集与控制系统控制
整个外延系统的运行。

本发明的工艺过程如下：在真空状态下，用磁力传动杆把装有已作过化学
清洗的外延衬底的样品托从预处理室送入外延室，并用机械手把该样品托交接
到样品台上；对衬底表面作氢等离子体预处理：开加热器的电源与温控仪，设
定温度为300℃-400℃使样品升温，将配气系统的氢气质量流量控制器(MFC-H)
设定为40sccm-50sccm；开微波源预热；当样品温度升至设定温度，开高真空阀
A，开MFC-H向石英放电室送氢气，开微波源，通过微波传输系统和可变长度
天线将500-600W微波功率输入可调谐振腔在石英放电室激发ECR放电产生氢
等离子体，调节谐振腔的腔长及耦合销钉，使反射波最小，保持氢放电对衬底
表面预处理20-30分钟。当确定衬底表面已达到原子级平坦，则切换气源进行
下一步——对有些衬底，如GaAs(001)在氢等离子体原位预处理后须进行氮
等离子体氮化：关MFC-H，开氮质量流量控制器(MFC-N)，使氮流量为10-20sccm，
同时将微波功率降至300-400W，对已作过氢等离子体原位预处理的衬底表面进
行氮等离子体氮化；同时将设定温度调至450℃-500℃。在气体切换和降低微
波功率的过程中仍保持等离子体放电。氮化60-100秒，开高真空阀B，通过距
样品台5cm的特制送气环以氢气为载气将0.2-1.6sccm量流的III族气体，如三
甲基镓气体送到样品表面附近远距离活化与热解，产生的III族活性粒子与已被
等离子体活化产生的V族活性粒子反应，在450℃-500℃恒温生长缓冲层30-60
分钟；之后衬底温度升至600℃-650℃，恒温生长外延膜直至关断III族气体，
样品自然降温但仍保持其他工艺参数恒定和放电数分钟，降温至室温即可得到
平滑光亮透明的外延膜。缓冲层及后续膜生长中须严格控制气流量并V/III及衬
底温度。本外延技术特殊在于：a)氢等离子体原位预处理期间，可暂时关断微
波并关MFC-H 10-20秒钟，外延室气压降至10-2Pa-10-3Pa，同时通过差分抽气
泵保持RHEED电子枪的气压在5×10-3Pa-1×10-3Pa，开RHEED观测衬底表
面的RHEED衍射图像，之后关RHEED恢复氢放电预处理，当由衍射图像确定衬
底表面已达到原子级平坦，则切换气源进行下一步工艺；b)缓冲层及后续膜生
长中，通过差分抽气泵保持RHEED电子枪和四极质谱仪的气压在5×10-3Pa--1
×10-3Pa，外延室运行气压为1×10-2Pa-5×10-2Pa时，则用RHEED进行原子
尺度控制生长的原位实时监测，用四极质谱仪原位实时监测样品附近各反应粒
子含量；c)若工艺要求气体流量大，外延室气压高于5×10-2Pa，则采用暂停生
长原位检测的方法：关断气体流量10-20秒暂停生长，外延室气压降至1×10-2
Pa-5×10-2Pa，同时通过差分抽气保持RHEED电子枪和四极质谱仪的气压在5
×10-3Pa--1×10-3Pa，开RHEED和四极质谱仪，用RHEED原位检测生长表面
获得微结构信息并用四极质谱仪原位检测样品附近各活性反应粒子含量，之后
关RHEED电子枪和四极质谱仪，开MFC-N恢复等离子体放电继续生长。

采用上述技术方案不仅能在较低温度(600℃左右)制备各种单质和多元
素化合物半导体薄膜，而且能实现无离子损伤的低温外延生长，避免了高温生
长代来的弊端，克服了以往等离子体辅助生长中高能离子损伤的困扰。特别是
能对复杂层状结构，超薄层微结构半导体材料实现原子尺度控制生长的原位实
时监测；由于能对外延膜表面原位检测，提供生长表面微结构信息(表面重构，
生长模式，晶相，晶质等)，对膜生长工艺的优化，尤其对在大晶格失配衬底
上膜生长至关重要的初始生长工艺的优化十分有利，将大大缩短新型半导体薄
膜材料的研究开发周期。此外，还能满足等离子体与生长表面相互作用等相关
基础研究的要求。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。