束源炉中源材料熔化时对应热偶温度的测量方法

摘要

本发明提供一种分子束外延(MBE)技术中测量束源炉中源材料熔化时对应源炉热偶温度的测量方法。其特征在于测定步骤是测量出束源炉升温时的热偶温度——功率曲线；测量出束源炉降温时的热偶温度——功率曲线；将升温时和的热偶温度——功率曲线上源材料开始熔化的对应温度和降温时的热偶温度、功率曲线上源材料开始凝固的对应温度进行比较，从而得出源材料熔化时对应束源炉中热偶的温度。本发明是利用分子束外延设备源炉中源材料在加热熔化和降温凝固过程中功率曲线在熔化与凝固温度附近会出现相应波动的实验现象，通过分析比较波动出现的位置精确定出束源炉中源材料熔化时对应的束源炉中热偶温度数值。所提供的测定方法对MBE技术在实际中的应用具有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明提供了一种分子束外延(MBE)技术中测量束源炉中源材料熔化时对应热偶温度数值的便捷方法，属于半导体材料、器件工艺技术领域。

背景技术

当前分子束外延(MBE)技术的发展已经相当成熟，可以精确地控制半导体材料生长厚度、组份等参数，在半导体光电材料器件方面应用非常广泛[A.Y.Cho，Growth of Periodic Structures by the Molecular-Beam Method，Appl.Phys.Lett.，19(11)，467-468(1971).E.H.C.Parker，The Technologyand Physics of Molecular Beam Epitaxy，Plenum Press(New York)，1985.]。MBE是一种超高真空下热蒸发源料，让束源分子或者原子在衬底上逐层淀积，从而实现薄膜外延生长的方法。生长源装在特别设计的坩埚中，不同的束源被热蒸发后产生的分子在衬底上按配比淀积，能够生长出不同组份的半导体材料。在分子束外延技术中将产生并控制发射源束流及方向的坩埚及其包含加热及温度监控线路等的支撑设备称为束源炉。固态源是将高纯固体材料装于束源炉内，加热到高温形成气态原子或分子束，通过机械快门来开关束流。加热器的温度控制是通过比例-积分-微分(PID)控制器精确控制，并通过热偶提供温度反馈。由于在束源炉中热偶在坩埚外面与源材料之间有一定的距离，热偶的温度读数与源材料的真实温度之间存在着一定的温度差，温差多少很难具体确定，所以在分子束外延生长过程中不能根据热偶的温度读数来确定源材料所处的具体温度，根据热偶得到的温度数值只有一个相对的参考价值。类似地，在分子束外延生长中衬底的真实温度与根据热偶得到的温度之间也存在很大的差别，所以进行材料生长时需要进行温度校正，例如在以GaAs为衬底生长样品时通常以GaAs的脱氧温度为标准进行温度校正的，GaAs的脱氧温度为580℃，首先，通过反射高能电子衍射(RHEED)的测量，观察GaAs何时脱氧，然后把GaAs脱氧时对应的热偶温度定为580℃，其它的温度点均以此为标准进行温度修正。在分子束外延生长过程中，当生长样品时需要升高源材料的温度，使其以一定的速率发射原子，当生长结束后要把源材料的温度降低到较低的温度以避免源材料的无谓消耗。在对源材料进行升降温的过程中需要非常小心，例如对于铝源来说，其熔点为660.4℃，在660.4℃的温度以下时铝源为固态，在660.4℃以上时铝源转为液态。当铝被加热到熔点熔化时体积膨胀率约为6％，反之液态铝凝固时体积会缩小6％，从而对坩锅产生应力。为了避免铝形态变化时的体积变化所产生的应力对坩埚的损害，在对铝源进行升降温时，当温度在熔点附近时需要格外小心，需要以很慢的速率进行升降温。然而如前所述，通常根据热偶得到的温度并非源材料本身真实的温度(通常可能产生上百度的偏差)，为了安全起见，在熔点附近很大的温度范围内都需要以很慢的速率进行升温，实验中通常在热偶温度500℃到900℃的范围内采用每秒0.03℃的慢速率进行升降温，导致生长样品的准备过程中花费很多时间。如果能发展一种方法准确的定出源材料熔化时对应的热偶温度，那样就可以只在测出的热偶温度附近很小的温度范围内进行慢速升降温，而在其它温度范围以较快的速率进行升降温，从而可以节约大量的时间，在实际工作中有很大的意义。

发明内容

本发明目的在于提供分子束外延(MBE)技术中测量束源炉中源材料熔化时对应热偶温度的测定方法。

通过实验，我们发现在设定的以恒定速率进行升降的温过程中，在记录的温度--功率曲线上会出现波动，在升温的过程中会出现一个向上的肩峰，在降温的过程中会出现一个向下的肩峰，通过分析研究发现，根据功率曲线上出现的肩峰的位置可以便捷地定出源材料熔化时对应的热偶温度读数。

本发明提供的测定方法具体包括三个步骤：1.测量束源炉温度上升过程的温度--功率曲线；2.测量束源炉温度下降时的温度--功率曲线；3.分析比较升温和降温过程中温度--功率曲线上的向上或向下肩峰的位置得出坩埚中源材料熔化或凝固时对应束源炉中热偶的温度。

具体是从升温时的温度-功率曲线上源材料开始熔化的对应温度A和从降温时的温度-功率曲线上源材料开始凝固温度B温度区间确定出所对应的源炉中源材料熔化时热偶的温度。由此可见，源材料熔化或凝固时的升温或降温的速率必须严格控制，太快会使温度-功率曲线上的向上肩峰或向下肩峰不明显，太慢则升降温时间过长，经济上不核算。此外，升、降温的速率还与源炉中源材料有关，通常选定在0.01～0.05℃/秒范围。

本发明提供的一种测量束源炉中源材料熔化时对应热偶温度的便捷方法，其优点在于：1.原位测量；2.准确可靠；3.应用方便；4.适应性广泛。其缺点在于应用时必须改变束源炉温度并且导致源炉中的源材料发生相变(熔化或凝固)。

附图说明

图1是以铝源为例测量的源炉升温过程的温度--功率曲线图，设定升温速率为每秒钟0.03℃；

图2是以铝源为例测量的源炉降温过程的温度--功率曲线图，设定降温速率为每秒钟0.03℃；

图3是由功率曲线确定坩埚中铝源熔化和凝固时对应的热偶温度示意图，图中垂直虚线大致对应坩埚中铝源熔化和凝固时对应的热偶温度。

具体实施方式

本发明目的是提供分子束外延(MBE)技术中测量束源炉中源材料熔化时对应热偶温度的便捷方法。

为了进一步对本方法进行说明，我们进行了实验测量。实验采用的是英国Oxford Instruments公司V90气态源分子束外延(GSMBE)系统，V族源采用气态的砷烷和磷烷，III族源采用Ga、Al和In，其中In炉、Ga炉采用ThermoCell，Al炉采用K-Cell。V90不仅可以作为实验设备，而且可以作为小规模的生产设备。其可以一次外延4英寸衬底一片，或者3英寸衬底一片，或者2英寸衬底三片，并且除了手动操作外还可以实现自动化的操作。我们对铝源炉的升温与降温过程进行了测量，记录了温度-功率曲线。图1为实验中测定的温度上升时的温度-功率曲线。设定的参数为每秒钟升温0.03℃，升温区间为500℃至900℃。由于坩埚的热损耗随着温度的升高越来越大，所以为了维持恒定的温度，功率应该随着温度的升高而加大，这就是我们看到的功率曲线为斜线而不是水平线的原因。功率曲线在源材料熔化时出现向上的肩峰的原因是由于在熔点处，铝从固态熔解成同温度的液态时需要吸收热量，铝的熔化热是3.97×10⁵J/Kg，即每熔化1Kg的铝需要吸收3.97×10⁵焦耳的热量。图2为实验中测定的温度下降时的温度--功率曲线。温度--功率曲线在源材料凝固时出现向下的肩峰，原因是由于在熔点处，铝从液态凝固成同温度的固态时需要放出热量，凝固热数值与熔化热相同。

图3给出由温度--功率曲线确定坩埚中铝源熔化和凝固时对应的热偶温度示意图，图中垂直虚线大致对应坩埚中铝源熔化和凝固时对应的热偶温度。由图可以看出，升温曲线上铝源开始熔化的A点对应的源炉热偶温度为708℃，降温曲线上铝源开始凝固的B点对应的源炉热偶温度为715℃，两者基本对应，因此可以由该方法定出源材料熔点对应的热偶温度，从而在实际应用中可以在源材料熔化和凝固点附近(比如712±2℃范围中)缓慢升降温，避免源材料凝固和熔化过程中的体积变化而可能造成危害。而在其他的温度范围可以适当提高升降温速率，以节省时间，提高效率。