具有水平式多孔喷淋装置的光辅助MOCVD反应器

摘要

一种具有水平式多孔喷淋装置的光辅助型MOCVD反应器，属于超导薄膜制备技术领域。其包括上下两个腔，上腔为由灯罩（1）和隔离板（2）围成的灯腔，下腔为反应腔；反应腔由水平喷淋头（4）、反应腔侧壁（5）和反应腔底座（7）围成；水平喷淋头（4）为具有一定厚度的长方体形结构，其由两个进气口、一个混气腔、多个等径等间距小出气孔和圆柱形空腔组成，多个小出气孔的出口均设置在圆柱形空腔内，水平喷淋头（4）安装在反应腔侧壁（5）的上方并与之焊接在一起。使用水平喷淋头增加了进气的横向分布均匀性，配合可旋转的基座可以确保基片生长速度的径向均匀，从而可确保至少3片直径2英寸的超导外延片均匀生长。

说明书

技术领域

本发明属于超导薄膜制备技术领域，具体涉及一种具有水平式多孔喷淋装置的光辅助MOCVD反应器。

背景技术

自1987年发现液氮温区超导材料后，高温超导材料（High TemperatureSuperconductor,简称HTS）及其应用得到了迅猛发展。HTS材料的应用可以分为强电领域和弱电领域。在弱电领域的应用包括利用HTS的低微波表面电阻这一特性，可用于研制高性能微波无源器件，如微波传输线、滤波器、谐振器、延迟线等，有些已非常接近实用化水平，并已经开始在卫星通讯、移动通讯地面基站、高灵敏度雷达接收机前端系统中得到了应用。这些HTS弱电应用的器件都是基于首先获得性能优良均匀的HTS薄膜。因而，对高质量大面积HTS薄膜的制备工艺的研究十分重要。

MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition即金属有机化学气相沉积）作为外延膜生长的主要工艺之一，具有可沉积面积大、生长速度较快、可控参数多等特点。在半导体工业中，MOCVD己成为制备多种半导体材料外延膜的最主要方法之一。

光辅助法是利用光能激励化学反应和物理变化的一种方法，在化学工业上早有应用。在MOCVD过程中，用光辅助的方法制备有利于降低生长温度，提高有机源的利用率，提高生长速度，改善外延层的质量等优势。尤其是在制备YBCO（钇钡铜氧，分子式YBa₂Cu₃O_7-x）等高温超导外延薄膜中，系统的研究工作已经证明光辅助MOCVD技术可以获得更高晶体质量（晶格取向的一致性，薄膜的致密性，晶格常数的一致性），更短的热处理时间。

P.C.Chou等在Physical C第254卷(1995年)第93-112页的“Optimization of J_c of YBCO films prepared by photo-assisted MOCVDthrough statistical robust design”一文中揭示了使用光辅助MOCVD实现沉积高温超导体YBCO膜的高沉积速率。Chou等使用发射范围较宽的电磁辐射（包括紫外光UV和红外线IR辐射）的卤素灯，并依靠卤素灯的红外线来加热基片以及进入沉积区的前体，紫外线以提高反应动力学。但文中所揭示的反应器仅能够保证较小面积（直径小于10mm）的薄膜厚度及质量的均匀性，不能用于大规模生产。

在博士论文“李国兴，《以光辅助MOCVD法制备大面积YBa₂Cu₃O_7-x高质量高温超导外延膜的初步研究》[D].长春:吉林大学，2009”中公开了一种MOCVD反应器。其反应腔为圆柱形，一端为单一的圆形进气口，另一端下部为出气口，基座设置在反应腔内，可旋转，这可保证直径1英寸面积上的薄膜厚度和质量均匀性，但在2英寸基片生长时，厚度均匀性差异较大，中间较厚，边缘较薄（仅仅达到中间厚度的50%）。这样的设计每次只能生长一片直径1英寸的样品，气体的利用率低，生产效率也低，不适合大面积外延膜的批量制备。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种用于较大面积（例如3片直径2英寸基片或等效面积）超导薄膜制备的具有水平式多孔喷淋装置的光辅助MOCVD反应器。其光辅助原理与Chou等人提出光优势理论相同，但本发明的光辅助MOCVD反应器具有水平喷淋进气结构和旋转的衬底基座，可以增加基片生长的均匀性，可以实现较大面积高效率的基片生长。

具体而言，本发明的光辅助MOCVD反应器包括上下两个腔，上腔是由灯罩1和隔离板2围成的长方体形灯腔；下腔是由水平喷淋头4、反应腔侧壁5、反应腔底座7围成圆柱体形反应腔。

在反应腔中设置有衬底托盘8，其表面可以放置三片2英寸基片。衬底托盘8在外部电机的带动下可以绕反应腔中心轴旋转，从而有利于大面积超导薄膜材料的均匀生长。为了确保衬底托盘8上表面温度的均匀性，可以采用目前普遍使用的衬底托盘下方多段式电阻加热，配合光照调节衬底温度的均匀性。在设备调试时，根据控制目标温度的不同，合理配置灯腔内灯光和多段式电阻加热器的功率分配比例。为了尽量保证光辅助的优势，应使上方的灯尽量工作在较高的功率，从而使光源发出的光谱涵盖近紫外光、可见光以及红外光。衬底托盘的高度可根据理论模拟和实验结果进行调节以确保托盘表面气流的均匀性。

灯腔和反应腔之间以胶圈密封，从而防止外界大气进入两腔体内，隔离板2把灯腔和反应腔分隔开，防止反应腔内的气体因对流或扩散进入到灯腔内。

在灯腔内部灯罩1的下方安装有一定功率的光源，其功率、尺寸、排布方式应根据衬底的面积来决定。灯罩1可由不锈钢等金属制成，在博士论文“李国兴，《以光辅助MOCVD法制备大面积YBa₂Cu₃O_7-x高质量高温超导外延膜的初步研究》[D].长春：吉林大学，2009”中已经公开了带有水冷结构的灯罩的形状，以及采用的1.5KW圆柱形卤素钨灯的型号和排布方式。灯罩1的功能：1)利用冷却水带走灯管发出的多余热量来提高灯管使用寿命；2)灯腔与反应腔之间以胶圈密封的方式，保持两个腔体的密封性。

隔离板2的材料选择上，应选择耐高温且具有较宽透过谱的材料，例如石英材料具有较宽的透过光谱可以作为隔离板材料，厚度在1～10mm之间都可以满足要求。

水平喷淋头4为具有一定厚度的长方体形结构，如图4所示，其由两个进气口、一个混气腔、多个等径等间距小出气孔和圆柱形空腔组成，多个小出气孔的出口均设置在圆柱形空腔内。如图1和图2所示，圆柱形空腔的内径与反应腔侧壁5的内径相同，且同轴。水平喷淋头4和反应腔侧壁5焊接在一起形成圆柱形的反应腔。

在水平喷淋头4前面安装有Y型进气管3，Y型进气管3具有前端一分支和后端二分支结构。Y型进气管3的前端一分支与MOCVD系统的输运管路相连接，进入该管路的气体为流量可控的气体；Y型进气管3的末端二分支与水平喷淋头4的两个进气管相连接。这样可以将进气管3内的气体二等分之后进入到水平喷淋头4的混气腔，在混气腔内混合均匀后通过多个小出气孔产生均匀的水平层流式气流，该气流经过圆形空腔后进入到反应腔内并掠过衬底表面，其气流模拟仿真图可参考图7。

在反应腔侧壁5的靠近底部处焊接有出气口6，出气口6与MOCVD系统中的蝶阀、真空泵等气压控制系统相连接，以实现排出反应腔尾气及反应腔内气体压强控制的功能。

本发明中的反应腔底壁7与反应腔侧壁5之间以胶圈形式密封以便于在反应腔内部需要维修和维护时打开此密封处。同时反应腔底壁7实现对整个光辅助MOCVD反应器的支撑。

本发明的益处在于：

1、以适当光谱范围的光源（如卤钨灯）作为化学及物理反应激发能源，能够提高外延层晶体质量，降低衬底温度，提高有机原材料的利用率，提高生长速率。

2、使用水平喷淋头增加了进气的横向分布均匀性，配合可旋转的基座可以确保基片生长速度的径向均匀。从而可确保至少3片直径2英寸的超导外延片均匀生长。

为了便于理解，下面将通过附图和具体的实施实例对本发明进行详细的描述。需要特别指出的是，附图和具体的实例仅仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根据本文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入本发明的范围内。

附图说明

图1：本发明的MOCVD反应器的立体剖面示意图；

图2：本发明的MOCVD反应器的正视平面剖面图；

图3：本发明的MOCVD反应器外形图，（a）俯视图与（b）正视图；

图4：本发明的MOCVD反应器的进气管及水平喷淋头的俯视剖面图；

图5：本发明的MOCVD反应器衬底表面上方1mm高度处的气流速度矢量分布图；

图6：本发明的MOCVD反应器纵向中心平面的速度矢量分布图；

图7：本发明的MOCVD反应器的速度流线图。

具体实施方式

实施例1

本发明所揭示的光辅助MOCVD反应器，应该配合外围输运管路控制系统，真空泵等压力控制系统以及温度、托盘旋转控制系统等自动控制设施来实现薄膜生长。

下面以制备高温超导体YBCO(YBa₂Cu₃O_7-x)基片为例说明薄膜制备的工艺流程：

首先将灯罩1抬起（可以利用电机或人力），取出隔离板2，将基片放在衬底托盘8的上表面。然后放回隔离板2，安装上灯罩1，开启机械旋转，使基片以一定的速度旋转，例如（50r/min）。

将不含有机源的气体如Ar（或氮气等不活泼气体）从进气管3处通入反应腔。同时利用外围的真空泵等压力控制系统通过出气口6将反应腔内的压强调节薄膜生长所需压强（一般为500-2000Pa之间，本实例中采用的腔体压强为1000Pa)。

本实例中使用的光辅助MOCVD反应器各部件尺寸及材质如下：进气管3：内径10.74mm，外径12.70mm；水平喷淋头4：混气腔长158mm，宽27mm，高16mm，小出气孔直径3mm，小出气孔共156个；衬底托盘8：上部直径：124mm，上部圆柱高170mm，下部直径30mm，长度100mm；出气管6：内径23.4mm，外径25.4mm，长度100mm；侧壁5：内径160mm，外径166mm，高度200mm；隔离板2：长度220mm，宽度200mm，高度5mm；灯罩1：长度220mm，宽度200mm，高度50mm，内部灯管直径25.72mm；以上材质均为不锈钢。

实验证明，采用5根水平排列（距离25mm）的Ushio FDB120V-1500WC型号卤素钨灯工作在75%额定功率下就可以将其下方距离为150mm的衬底托盘加热至830℃。实例中衬底加热至800℃，各个加热部分的功率分配按照预先设定的比例，确保基片各处温度差异在2%以内，精确的温度探测可以借助K型热电偶，温度控制可以借助PID自动控制程序来实现。

将携带气态金属有机源Y(tmhd)₃，Ba(tmhd)₂，Cu(tmhd)₂的Ar气体和O₂等氧化性气体以一定的比例和流量通入反应腔，例如由Ar携带三种金属有机源同O₂和N₂O组成的混合气体，其中Ar流量为250sccm（占总流量50％），O₂流量为150sccm（占总流量30％），N₂O流量为100sccm（占总流量20％）。此时薄膜即开始按照一定的速度进行外延生长。根据实验确定的薄膜生长速度，选择生长时间，可以获得一定厚度的YBCO外延薄膜。例如经过实验我们获得了200nm/min的YBCO生长速度，那么要获得600nm厚的薄膜只需要生长3分钟即可。

薄膜生长结束时，将不携带有机源的Ar通入反应腔内，同时开始降温处理，根据制备高性能YBCO薄膜的特殊要求，要经历一段特殊的后处理工艺。例如以10℃/min速度，在生长压强不变的氧分压条件下降温至680℃。之后停止通入反应腔的Ar和N₂O，只通入O₂直至反应腔内压强至1atm。在此1atm的O₂气氛下，以15℃/min的速度降温至460℃，并恒温30min。之后以15℃/min的速度降温至室温，停止通入反应腔的O₂，可以取出YBCO外延基片。

当生长双面YBCO基片时，需要将基片取出后翻转在此放入衬底托盘装置8上再次进行上述过程。实验发现在生长第二个面时，对第一个面的超导性质有微弱的影响，可以忽略。

我们利用目前MOCVD设计领域普遍采用的计算流体力学（ComputationalFluid Dynamics）方法对上述制备高温超导体YBCO(YBa₂Cu₃O_7-x)基片的案例进行了计算机模拟。模拟使用的软件为目前流行的ANSYS公司的FLUENT系列软件，目前FLUENT在MOCVD设计仿真中被广泛采用，其模拟结果具有很高可靠性。模拟采用高精度的二阶迎风格式，条件设置即为案例中的反应条件。图5、图6和图7为具体的模拟结果。根据惯例，我们选取衬底表面1mm高度的速度矢量分布图（即图5）、反应器纵向中心平面的速度矢量分布图（即图6）和反应器的速度流线图（即图7），由这三图可以看出衬底表面附近速度分布具有很高的均匀性，进而可以保证基片生长的均匀性，充分证明了本反应器适合大面积制备。