【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及分子束外延设备，尤其涉及一种分子束外延用束源炉及其控制方法。
技术介绍
1、外延技术是半导体及相关领域的基础，其中分子束外延(mbe)技术由于其高真空生长环境、高纯的生长原料、低生长温度以及精确可控的生长条件在高质量半导体薄膜外延方面有着得天独厚的优势，因而其在科研、军事以及高端半导体电子设备量产方面有着重要的应用。
2、相比于其他外延技术，mbe中发生的反应过程相对简单且可控，然而在外延过程中，仍然不可避免地伴随着一些副反应的发生，并对外延生长造成不利的影响。比如在利用mbe外延生长氧化镓(ga2o3)薄膜的过程中，当镓(ga)源束流较小时，薄膜的生长速率会随着ga束流的增大而增大，而当ga束流继续增大时，ga会与ga2o3发生反应生成氧化二镓(ga2o)，其反应方程式为：
3、4ga+ga2o3→3ga2o
4、生成的ga2o会从薄膜表面脱附；因此，过量的ga束流不仅不会提升薄膜的外延速率，同时还会对已生长的薄膜进行刻蚀，从而极大地降低ga2o3薄膜的外延速率，进而难以满足许多微电子与光电子器件对于ga2o3外延薄膜厚度的需求。
5、近年来，已有一些研究提出利用ga2o替代单质ga作为mbe的ga源，ga2o不仅不会对ga2o3外延薄膜进行刻蚀，还能够在一定程度上补充外延中的氧含量，从而减少ga2o3外延薄膜中的氧空位缺陷。然而，由于ga2o极易挥发，ga2o束源炉中的原料并非直接采用ga2o源，而是使用高纯ga与高纯ga2o3的混合源，通过高纯ga与高纯ga2o
技术实现思路
1、本专利技术为解决上述问题，提供一种分子束外延用束源炉及其控制方法。
2、本专利技术目的在于提供一种分子束外延用束源炉，包括束源炉坩埚和温度控制系统；
3、所述束源炉坩埚由下至上依次包括反应区腔体、缓冲区腔体和束源出口；所述反应区腔体用于填入反应原料，所述反应原料的填充量小于所述反应区腔体的容积；所述缓冲区腔体的两端内缩形成脖颈；
4、所述温度控制系统包括三个结构相同的温度控制装置，分别对应安装于所述反应区腔体、所述缓冲区腔体和所述束源出口的外部，用于对所述反应区腔体、所述缓冲区腔体和所述束源出口实现独立的温度控制。
5、优选的，温度控制装置包括热电偶、加热电阻丝以及数显控制器，所述数显控制器用于接收所述热电偶的温度信号并根据信号反馈对所述加热电阻丝输入电流，实现对所述反应区腔体、所述缓冲区腔体或所述束源出口的温度控制。
6、优选的，束源出口呈倒圆锥形。
7、优选的，束源炉坩埚还包括快门挡板，所述快门挡板设置于所述束源出口的上方。
8、优选的，束源炉坩埚的材料为刚玉、氧化铍、石墨、铌、热解氮化硼、热解石墨、钽、钛、钨或氧化锆中的任意一种。
9、本专利技术还提供一种分子束外延用束源炉的控制方法，具体包括如下步骤：
10、s1.将反应原料填入至反应区腔体中，填入量不超过反应区腔体的最大容积；
11、s2.将加入反应原料的分子束外延用束源炉安装至分子束外延生长室中；将反应区腔体、缓冲区腔体和束源出口的温度保持100℃以上；
12、s3.将生长衬底导入至分子束外延生长室中，并将生长衬底温度升至预定温度；
13、s4.在准备生长目标半导体薄膜前，保持分子束外延用束源炉上方的快门挡板关闭，将反应区腔体的温度调节至反应原料的反应温度后进行反应；
14、s5.根据化合物源的饱和蒸汽压调节反应区腔体的温度；
15、s6.将束源出口的温度调节至高于缓冲区腔体的温度，防止化合物源在束源出口处冷凝；
16、s7.待反应区腔体、缓冲区腔体和束源出口的温度稳定以后，通入氧气，开启束源炉上方的快门挡板进行半导体薄膜的生长。
17、优选的，反应原料为高纯ga2o3粉末与高纯ga金属颗粒。
18、优选的，高纯ga2o3粉末与所述高纯ga金属颗粒的摩尔比为1～20：20～1。
19、优选的，高纯ga2o3粉末与所述高纯ga金属颗粒的摩尔比为1：5。
20、优选的，步骤s3中的预定温度大于200℃。
21、与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
22、本专利技术所设计的分子束外延用束源炉包括坩埚及三个独立的加热系统，坩埚底部的反应区腔体中填入反应原料，在反应区独立的温度控制系统的加热下发生反应，从而生成所需的目标化合物源；化合物源受热扩散至坩埚中部的缓冲区腔体，并在缓冲区腔体独立的温度控制系统下以适当的温度进行存储；随后化合物源扩散至束源出口，并以锥形的方式均匀覆盖衬底表面，束源出口配有独立的温度控制系统，以防止束源在出口处冷凝；与现有的技术相比，本专利技术提供的束源炉及相应的控制方法可以更加有效地提升化合物束源的稳定性和均匀性，从而提升mbe外延薄膜的生长速率、晶体质量以及薄膜均匀度。
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1.一种分子束外延用束源炉，其特征在于：包括束源炉坩埚和温度控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述温度控制装置包括热电偶、加热电阻丝以及数显控制器，所述数显控制器用于接收所述热电偶的温度信号并根据信号反馈对所述加热电阻丝输入电流，实现对所述反应区腔体、所述缓冲区腔体或所述束源出口的温度控制。
3.根据权利要求2所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述束源出口呈倒圆锥形。
4.根据权利要求3所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述束源炉坩埚还包括快门挡板，所述快门挡板设置于所述束源出口的上方。
5.根据权利要求4所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述束源炉坩埚的材料为刚玉、氧化铍、石墨、铌、热解氮化硼、热解石墨、钽、钛、钨或氧化锆中的任意一种。
6.权利要求1-5任意一项所述的一种分子束外延用束源炉的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种分子束外延用束源炉的控制方法，其特征在于：所述反应原料为高纯Ga2O3粉末与高纯Ga金
8.根据权利要求7所述的一种分子束外延用束源炉的控制方法，其特征在于：所述高纯Ga2O3粉末与所述高纯Ga金属颗粒的摩尔比为1～20：20～1。
9.根据权利要求8所述的一种分子束外延用束源炉的控制方法，其特征在于：所述高纯Ga2O3粉末与所述高纯Ga金属颗粒的摩尔比为1：5。
10.根据权利要求9所述的一种分子束外延用束源炉的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中的预定温度大于200℃。
...【技术特征摘要】
1.一种分子束外延用束源炉，其特征在于：包括束源炉坩埚和温度控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述温度控制装置包括热电偶、加热电阻丝以及数显控制器，所述数显控制器用于接收所述热电偶的温度信号并根据信号反馈对所述加热电阻丝输入电流，实现对所述反应区腔体、所述缓冲区腔体或所述束源出口的温度控制。
3.根据权利要求2所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述束源出口呈倒圆锥形。
4.根据权利要求3所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述束源炉坩埚还包括快门挡板，所述快门挡板设置于所述束源出口的上方。
5.根据权利要求4所述的一种分子束外延用束源炉，其特征在于：所述束源炉坩埚的材料为刚玉、氧化铍、石墨、铌、热解氮化硼、热...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳霖，刘可为，申德振，朱勇学，陈星，程祯，李炳辉，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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