优化薄膜外延生长均匀性的装置、方法及外延生长设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种优化薄膜外延生长均匀性的装置、方法及外延生长设备。所述方法包括：使承载衬底的托盘同时绕第一轴线和第二轴线做圆周运动，以使所述衬底上任一点沿一非圆形轨迹做摆线运动，从而使沉积到衬底表面不同位置的原料的量相同，其中，所述第一轴线为托盘自身轴线，所述第二轴线与第一轴线相互平行且不重合。本发明专利技术通过使衬底表面点做摆线运动，使衬底表面点可经过更多的路径以覆盖到更大的源炉束流的入射区域，源炉到衬底表面不同位置的入射距离多次取均值后基本保持恒定，从而使衬底表面不同位置的入射通量基本相同，进而提高了薄膜生长的均匀性。提高了薄膜生长的均匀性。提高了薄膜生长的均匀性。

【技术实现步骤摘要】
优化薄膜外延生长均匀性的装置、方法及外延生长设备


[0001]本专利技术特别涉及一种优化薄膜外延生长均匀性的装置、方法及外延生长设备，属于外延生长设备


技术介绍

[0002]分子束外延（MBE）是一种基于物理沉积方法的薄膜生长技术，在超高真空环境下，将组成化合物的各个元素分别放入不同的源炉内，加热源炉，使里面的分子（原子）以一定的热运动速度和束流强度比例喷射到衬底表面，在加热到一定温度的衬底表面沉积并实现薄膜晶体的生长。
[0003]由于各个源炉的相对角度和空间相对位置的不同，会严重影响薄膜的生长均匀性。对于多层材料结构的生长，由于生长过程中材料厚度或组分不均匀而达不到设计目标，影响着材料性能及器件特性，同时会降低器件的良率。另外，掺杂元素、不同元素组分比以及材料的V/III比不均匀也会影响材料电学或光学的性能，导致器件性能达不到设计要求和产品良率的降低。外延薄膜生长的均匀性取决于源炉束流发射到衬底表面不同位置上的分子（原子）束入射通量，即单位时间内入射到单位面积上的粒子数目，这与入射到衬底表面的距离成负相关。
[0004]目前商用MBE设备，均是采用MBE衬底托盘自转、衬底在盘槽内随盘一起转动的方式改进材料生长的均匀性，由于衬底转动时所产生的轨迹比较单一，片上单点的轨迹呈圆形，无法大面积覆盖源炉束流（分子或原子束流）喷射区域，并且，由于分子束在衬底托盘上的不均分布，衬底随托盘的同心旋转轨迹很难保证源炉束流到衬底表面不同位置的均匀性，因此也很难保证材料生长的均匀性。
[0005]图1a、图1b、图1c、图1d为以现有MBE设备进行薄膜生长的示意图，图1a、图1b示出的为单片型生长，图1c、图1d示出的为多片型生长，用于提供各组分的源炉排布在托盘的下方四周，采用的是托盘自转，衬底在托盘的盘槽内随托盘一起转动的方式，衬底接受来自源炉的源炉束流进行材料生长。由于源炉与衬底相对角度不同，空间相对位置不同，因此各组分源炉到衬底不同位置的入射通量也有差异，最终会造成组分不均匀，例如，Al
x
Ga1‑
x
As中各元素组分不均匀，掺杂不均匀，V/III比不均匀，即As/Ga元素比例不均匀等，进而影响着生长的薄膜材料的性能。
[0006]图2为以现有MBE设备进行薄膜生长时的生长模型示意图，其中衬底的轨迹线路径为单一的圆形，源炉发射的源炉束流以粒子流形式入射到旋转的衬底表面不同位置进行沉积，由于源炉束流喷射的速度是定值，因此单位时间内喷射到衬底表面进行沉积的粒子个数与入射距离（入射距离为源炉喷射点与源炉束流入射到衬底表面指定位置之间的直线距离）平方成反比（源炉束流大致以源炉出口为中心向前的球面上均匀分布，所以源炉束流强度（流量）与入射距离平方成反比），距离小的路径上沉积的粒子密度高些，相应的薄膜厚度会较厚。选取任一衬底为参考，假设源炉距衬底左边缘（图中的左边缘）的入射距离为L，与衬底径向夹角为，衬底的径向距入射左边缘距离（即托盘的圆形表面内任一点在径向上
到圆形表面边缘的距离）B为变量（0≤B≤d1），其中d1为衬底的直径，因此，源炉束流右端入射经过的距离C可表示为：其中，L与与源炉初始安装位置有关，为常量，一般源炉布置角度为90
°
到180
°
之间，因此按照上述公式可以获悉，C随着B（0≤B≤d1）的增大而增大，即源炉束流入射距离沿着径向从左至右逐渐增大，但由于入射的速度不变，因此单位时间入射到单位面积上的粒子数目与距离平方成反比，即入射距离越远的路径薄膜沉积厚度越薄，整个衬底的薄膜厚度从左至右逐渐变薄；示例性的，这里可以代入一组特殊值，当为90
°
，衬底的直径为入射距离L的1/2时，其最右端入射距离较最左端增加了约11.8%，即厚度最薄处与厚度最厚处不均匀性达到了约19%，很难保证材料的最终性能，同理，MBE托盘内其余不同位置的衬底的均匀性也满足此算法。
[0007]因此，如何优化分子束外延薄膜生长的均匀性，即让衬底上点的轨迹经过更多的路径覆盖束流喷射区域，使得源炉到衬底不同位置的入射通量基本相同，仍是业界亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于提供一种优化薄膜外延生长均匀性的装置、方法及外延生长设备，从而克服现有技术中的不足。
[0009]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术一方面提供了一种优化薄膜外延生长均匀性的方法，包括：将衬底置于托盘上，并使薄膜材料生长所需的原料以粒子流形式沉积到衬底上，以在衬底上外延生长薄膜材料；以及，所述方法还包括：使承载衬底的托盘同时绕第一轴线和第二轴线做圆周运动，以使所述衬底上任一点沿一非圆形轨迹做摆线运动，从而使沉积到衬底表面不同位置的原料的量相同，其中，所述第一轴线为托盘自身轴线，所述第二轴线与第一轴线相互平行且不重合。
[0010]本专利技术一方面提供了一种优化薄膜外延生长均匀性的装置，包括设置在反应室内的托盘和源炉，所述托盘用于承载衬底，所述源炉用于将薄膜材料生长所需的各组分以粒子流形式入射到衬底上，以及，还包括：驱动组件，与所述托盘传动连接，并用于驱使所述托盘同时绕第一轴线以及第二轴线做圆周运动，以使位于托盘上的衬底上任一点沿一非圆形的轨迹做摆线运动，从而使沉积到衬底表面不同位置的原料的各组分的量相同，其中，所述第一轴线为托盘自身的轴线，所述第一轴线和第二轴线相互平行且不重合。
[0011]本专利技术另一方面还提供了一种外延生长设备，包括所述的优化薄膜外延生长均匀性的装置。
[0012]与现有技术相比，本专利技术通过使衬底表面点做摆线运动，使衬底表面点可经过更多的路径以覆盖到更大的源炉束流的入射区域，源炉到衬底表面不同位置的入射距离多次取均值后基本保持恒定，从而使衬底表面不同位置的入射通量基本相同，进而提高了薄膜
生长的均匀性。
附图说明
[0013]图1a、图1b、图1c、图1d是以现有MBE设备进行薄膜生长的示意图；图2是以现有MBE设备进行薄膜生长时的生长模型示意图；图3是本专利技术实施例1中提供的一种优化薄膜外延生长均匀性的装置的结构示意图；图4a、图4b是本专利技术提供的一种优化薄膜外延生长均匀性的方法的原理示意图；图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f、图5g、图5h、图5i分别为本专利技术实施例1中D/d比值为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2、3、4、5时衬底三的圆心M的仿真运动轨迹曲线；图6a为衬底三的圆心M、图6b为衬底二的圆心K经本专利技术优化后的运动轨迹曲线；图6c为位于衬底三的圆心M与衬底三的边缘点V优化后的仿真运动轨迹曲线；图7a、图7b、图7c、图7d、图7e、图7f、图7g、图7h、图7i分别为衬底三的圆心M与一边缘点V位于初始位置以及滚动角度90
°
、180
°
、270
°
、360
°
、450
°
（即第二圈的90
°
位置）、540...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化薄膜外延生长均匀性的方法，包括：将衬底置于托盘上，并使薄膜材料生长所需的原料以粒子流形式沉积到衬底上，以在衬底上外延生长薄膜材料；其特征在于，所述方法还包括：使承载衬底的托盘同时绕第一轴线和第二轴线做圆周运动，以使所述衬底上任一点沿一非圆形轨迹做摆线运动，从而使沉积到衬底表面不同位置的原料的量相同，其中，所述第一轴线为托盘自身轴线，所述第二轴线与第一轴线相互平行且不重合。2.根据权利要求1所述的优化薄膜外延生长均匀性的方法，其特征在于，包括：使所述托盘在三维空间内沿一设定圆形轨迹移动，以使所述衬底上任一点E（x1，y1，z1）沿如下方程组所示的轨迹运动：其中，所述设定圆形轨迹的轴线为第二轴线，k=D/d，t= d1/d，d为所述托盘的直径，D为所述设定圆形轨迹的直径，d1为点E与衬底圆心之间的直线距离，为托盘的边缘轮廓上的任一点P转过的角度。3.根据权利要求1所述的优化薄膜外延生长均匀性的方法，其特征在于，包括：使所述托盘在三维空间内绕第一轴线沿第一方向自旋转，同时使所述托盘绕第二轴线沿一设定圆形轨迹、第一方向转动，以使所述衬底上任一点E（x1，y1，z1）沿如下方程组所示的轨迹运动：其中，所述设定圆形轨迹的轴线为第二轴线，且所述托盘与所述设定圆形轨迹相切，k=D/d，t= d1/d，d为托盘的直径，D为所述设定圆形轨迹的直径，d1为点E与衬底圆心之间的直线距离， 为托盘绕第二轴线转动的角速度， 为托盘绕第一轴线转动的角速度，为托盘的转动时间。4.根据权利要求1所述的优化薄膜外延生长均匀性的方法，其特征在于，包括：使所述托盘在三维空间内绕第一轴线沿第一方向自旋转，同时使所述托盘绕第二轴线沿一设定圆形轨迹、第二方向转动，以使所述衬底上任一点E（x1，y1，z1）沿如下方程组所示的轨迹运动：其中，所述第二轴线为设定圆形轨迹的轴线，且所述托盘与设定圆形轨迹相切，所述第一方向和第二方向相反，t= d1/d，d为托盘的直径，D为设定圆形轨迹的直径，d1为点E与衬底圆心之间的直线距离， 为托盘绕第二轴线转动的角速度， 为托盘绕第一轴线转动的角速度，为托盘的转动时间。5.一种优化薄膜外延生长均匀性的装置，包括设置在反应室内的托盘和源炉，所述托
盘用于承载衬底，所述源炉用于将薄膜材料生长所需的各组分以粒子流形式入射到衬底上，其特征在于，还包括：驱动组件，与所述托盘传动连接，并用于驱使所述托盘同时绕第一轴线以及第二轴线做圆周运动，以使位于托盘上的衬底上任一点沿一非圆形的轨迹做摆线运动，从而使沉积到衬底表面不同位置的原料的各组分的量相同，其中，所述第一轴线为托盘自身的轴线，所述第一轴线和第二轴线相互平行...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨钢，王庶民，薛聪，董建荣，
申请(专利权)人：埃特曼苏州半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：