專(zhuān)利名稱(chēng)：一種采用液相外延法制備膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液相薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，特別涉及一種采用液相外延法制備膜 的方法。
背景技術(shù)：
液相外延法(Liquid Phase Epitoxy， LPE)制備膜是一種重要的液相 薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，與固相成膜技術(shù)不同，LPE薄膜生長(zhǎng)時(shí)其生長(zhǎng)的原料在高 溫熔化，呈熔融狀態(tài)，這樣產(chǎn)生的好處是熔體中原料各組份可以在熔體中 充分混合均勻，通過(guò)選擇合適的襯底，可以獲得高質(zhì)量甚至單晶薄膜。這 種方法適用于生長(zhǎng)組成復(fù)雜的固相成膜法難以均勻生長(zhǎng)的膜。
LPE薄膜生長(zhǎng)方法主要有垂直浸漬方法和小舟法。
垂直浸漬LPE薄膜生長(zhǎng)方法的典型過(guò)程為首先在熔體熔點(diǎn)溫度附近 將固定在籽晶桿上的襯底(有時(shí)有過(guò)渡層)垂直進(jìn)入熔體中，襯底上粘附 一層熔體，將籽晶桿上提，使襯底與熔體脫離進(jìn)入空氣中；然后迅速旋轉(zhuǎn) 籽晶桿，使襯底上沒(méi)有成膜的熔體在旋轉(zhuǎn)作用下脫離膜表面，在這個(gè)過(guò)程 中襯底(有時(shí)有過(guò)渡層)表面的熔體迅速固化形成膜；最后通過(guò)一溫度控 制系統(tǒng)，按照一定降溫速率將爐體降溫至室溫，取下襯底(有時(shí)有過(guò)渡層) 獲得生長(zhǎng)膜。因此這種LPE膜生長(zhǎng)包括熔體粘附到襯底、脫離熔體的襯底 旋轉(zhuǎn)和熔體在襯底上固化成膜三個(gè)過(guò)程。
傳統(tǒng)的垂直浸漬LPE膜生長(zhǎng)方法由于熔體與上方空氣的溫度有一定 差別，通常上方空氣溫度低，后兩個(gè)過(guò)程即脫離熔體的襯底旋轉(zhuǎn)和熔體在 襯底(有時(shí)有過(guò)渡層)上固化成膜同時(shí)進(jìn)行，這樣產(chǎn)生的缺點(diǎn)是通常脫離 熔體后襯底上粘附的熔體降溫固化過(guò)程不能控制，襯底(有時(shí)有過(guò)渡層) 表面固化成膜和被吸附在襯底(有時(shí)有過(guò)渡層)上的熔體與空氣接觸的部 分熔體幾乎同時(shí)降溫固化，熔體固化很快，襯底材料底部吸附的熔體通常 不是均勻分布，在襯底底部會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一些地方熔體聚集過(guò)多的現(xiàn)象，在 熔點(diǎn)附近這些熔體粘度很大，加上熔體快速固化，旋轉(zhuǎn)襯底很難將襯底表
面的的熔體甩平，導(dǎo)致積聚熔體過(guò)多的地方部分熔體則通常凝固成粉末 狀，其結(jié)果是這樣生長(zhǎng)獲得的膜表面有許多粉末點(diǎn)，膜表面不平整；而且 膜的厚度幾乎不能夠人為控制，生長(zhǎng)獲得的膜質(zhì)量不穩(wěn)定，很難獲得較大 面積的完整膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用液相外延法制備膜的方法，使生長(zhǎng)獲 得的膜表面不平整，膜的厚度能夠人為控制，生長(zhǎng)獲得的膜質(zhì)量穩(wěn)定，而 且，獲得較大面積的完整膜。
本發(fā)明通過(guò)控制熔體上方空氣的溫度，使深入到熔體中的襯底脫離熔 體后，襯底上吸附的熔體仍保持熔液狀態(tài)，在這種狀態(tài)下快速旋轉(zhuǎn)籽晶桿 使襯底和被吸附的熔體快速旋轉(zhuǎn)，非緊鄰襯底面的熔體在高速旋轉(zhuǎn)作用力 的作用下被甩離襯底，達(dá)到使這部分熔體脫離襯底表面的效果后，將籽晶 桿上移至低溫區(qū)是襯底表面吸附的熔體在襯底的作用下固化結(jié)晶成膜，獲 得所需要生長(zhǎng)的膜。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，
一種采用液相外延生長(zhǎng)法制備膜的方法，首先，在設(shè)置于生長(zhǎng)爐中坩 堝內(nèi)的熔體熔點(diǎn)溫度附近將固定在籽晶桿上的襯底垂直進(jìn)入熔體中，襯底 上粘附一層熔體，將籽晶桿上提，使襯底與熔體脫離進(jìn)入空氣中；然后迅 速旋轉(zhuǎn)籽晶桿，使襯底上沒(méi)有成膜的熔體在旋轉(zhuǎn)作用下脫離膜表面，在這 個(gè)過(guò)程中襯底表面的熔體迅速固化形成膜；最后將爐體降溫至室溫，取下 襯底獲得生長(zhǎng)膜；在上述過(guò)程中，熔體上方空氣的溫度控制在不低于熔體 凝固點(diǎn)溫度；使深入到熔體中的襯底脫離熔體后，襯底上吸附的熔體保持 熔液狀態(tài)，在這種狀態(tài)下快速旋轉(zhuǎn)籽晶桿，速度為100~2000轉(zhuǎn)/分鐘，使 襯底和被吸附的熔體快速旋轉(zhuǎn)，非緊鄰襯底面的熔體在高速旋轉(zhuǎn)作用力的 作用下被甩離襯底，使這部分熔體脫離襯底表面，將籽晶桿上移至溫度低 于熔體凝固點(diǎn)的低溫區(qū)，使襯底表面吸附的熔體在襯底的作用下固化結(jié)晶 成膜，獲得所需要生長(zhǎng)的膜。
進(jìn)一步，熔體上方空氣的溫度控制方法采用在生長(zhǎng)爐爐腔內(nèi)壁對(duì)應(yīng)坩 堝口處設(shè)輔助加熱體。 所述的發(fā)熱體和輔助發(fā)熱體分別由獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)控制。 所述的襯底還可以設(shè)有過(guò)渡層，以調(diào)節(jié)生長(zhǎng)薄膜與襯底之間的晶格失配度。
通過(guò)輔助發(fā)熱體控制襯底底部吸附的熔體的溫度，從而控制其粘度， 使熔體能夠在襯底旋轉(zhuǎn)作用力的作用下甩去過(guò)剩吸附的熔體，使襯底底部 吸附的熔體表面平整，從而達(dá)到生長(zhǎng)完整膜的目的。
熔體和接近熔體上方的溫度控制范圍為800 1500°C 。
本發(fā)明的有益效果
1. 成膜后襯底表面絕大部分區(qū)域甚至可以是幾乎全部區(qū)域不會(huì)有粉末狀
固體出現(xiàn)，從而能夠獲得較大面積的高質(zhì)量膜，膜表面的平整性增加；
2. 通過(guò)控制熔體上方的空氣溫度，可以調(diào)節(jié)被襯底吸附的熔體的粘度， 影響被甩熔體的量，從而達(dá)到影響膜厚度的效果；
3. 通過(guò)調(diào)節(jié)籽晶桿旋轉(zhuǎn)速率，結(jié)合通過(guò)控制熔體上方的空氣溫度，可以 控制被拋熔體熔體的量，從而控制膜的厚度。


圖1為本發(fā)明采用的膜生長(zhǎng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖l，本發(fā)明采用的膜生長(zhǎng)裝置包括，生長(zhǎng)爐體l，其具有一個(gè)一 端開(kāi)口的腔體結(jié)構(gòu)100，其內(nèi)壁101沿圓周方向還開(kāi)有凹槽102;發(fā)熱體2， 設(shè)置于爐體1腔體結(jié)構(gòu)100內(nèi)側(cè)；爐管3，設(shè)置于爐體1腔體結(jié)構(gòu)100內(nèi)，其 底部放置耐火磚4;坩堝5，設(shè)置于爐管3內(nèi)的耐火磚4上；籽晶桿6，通過(guò) 爐體1爐蓋103上通孔伸入爐體1腔體結(jié)構(gòu)100內(nèi)的爐管3腔內(nèi)，對(duì)應(yīng)位于坩 堝5上方；輔助發(fā)熱體7，環(huán)設(shè)于爐體1內(nèi)壁凹槽102內(nèi)，其位置高于坩堝5 口，保證熔體上方空氣的溫度控制；該輔助發(fā)熱體7為圓圈形發(fā)熱體，其 為獨(dú)立發(fā)熱體，與發(fā)熱體2沒(méi)有關(guān)聯(lián)，可單獨(dú)作用；發(fā)熱體2和輔助發(fā)熱體 7均具有各自獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)(圖中未示)，該溫度控制系統(tǒng)為現(xiàn)有 技術(shù)，在此不再贅述。
首先，設(shè)置于生長(zhǎng)爐體1中坩堝5內(nèi)的熔體熔點(diǎn)溫度附近將固定在籽晶桿6上的襯底61垂直進(jìn)入熔體中，熔點(diǎn)溫度視所生長(zhǎng)膜的不同而有不同的
熔體熔點(diǎn)溫度，襯底61上粘附一層熔體，將籽晶桿6上提，使襯底61與熔 體脫離進(jìn)入空氣中；然后迅速旋轉(zhuǎn)籽晶桿6，使襯底61上沒(méi)有成膜的熔體 在旋轉(zhuǎn)作用下脫離膜表面，在這個(gè)過(guò)程中襯底表面的熔體迅速固化形成 膜；最后將爐體降溫至室溫，取下襯底61獲得生長(zhǎng)膜；在上述過(guò)程中，熔 體上方空氣的溫度控制在不低于熔體凝固點(diǎn)溫度(同理，熔體凝固點(diǎn)溫度 視所生長(zhǎng)膜的不同而有不同的溫度)，使深入到熔體中的襯底脫離熔體后， 襯底上吸附的熔體保持熔液狀態(tài)，在這種狀態(tài)下快速旋轉(zhuǎn)籽晶桿，速度為 100 2000轉(zhuǎn)/分鐘，使襯底和被吸附的熔體快速旋轉(zhuǎn)，非緊鄰襯底面的熔體 在高速旋轉(zhuǎn)作用力的作用下被甩離襯底，使這部分熔體脫離襯底表面，將 籽晶桿上移至溫度低于熔體凝固點(diǎn)的低溫區(qū)，使襯底表面吸附的熔體在襯 底的作用下固化結(jié)晶成膜，獲得所需要生長(zhǎng)的膜。
本發(fā)明通過(guò)設(shè)置輔助發(fā)熱體7，對(duì)坩堝5 (熔體)上方的空氣溫度控 制，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)被籽晶桿6下端襯底吸附的熔體的粘度，影響被甩熔體的量， 從而達(dá)到影響膜厚度的效果，保證了垂直浸漬LPE膜生長(zhǎng)方法能夠生長(zhǎng)組 分均勻的組分復(fù)雜的膜。
因此，本發(fā)明提供的LPE膜生長(zhǎng)方法在達(dá)到傳統(tǒng)垂直浸漬LPE膜生 長(zhǎng)方法能夠生長(zhǎng)組分均勻的組分復(fù)雜的膜的同時(shí)，能夠獲得生長(zhǎng)獲得大面 積厚度較均勻的高質(zhì)量膜，并且通過(guò)調(diào)節(jié)熔體上方的溫度和籽晶桿旋轉(zhuǎn)速 率可以調(diào)節(jié)膜的厚度，使LPE膜生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)高質(zhì)量薄膜成為可能。膜的 厚度減少，可以進(jìn)行多次生長(zhǎng)獲得多層疊加膜，以實(shí)現(xiàn)需要的特定功能。
實(shí)施例
液相外延方法生長(zhǎng)PZNT薄膜
在20(TC烘干除去結(jié)晶水后的高純PbO(>99.99%)，分析純(>99%)的 ZnO、 Ti02和Nb20s粉料按照Pb[(Zn^Nb2/3)。.wTi。.09]O3計(jì)量比配料，經(jīng)過(guò) 8小時(shí)球磨后放入到鉑金坩堝在90(TC保溫4小時(shí)進(jìn)行燒結(jié)；將燒結(jié)塊研 磨成粉，按照摩爾比為1 : 1加入PbO作助溶劑，混合均勻后，制成直徑 為20mm大小的壓片；將壓片放入鉑金坩堝進(jìn)行LPE生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，在1200 r并保溫半小時(shí)，使原料充分熔化，然后以3 5。C/min的速率降溫至熔點(diǎn)；
同時(shí)打開(kāi)第二加熱系統(tǒng)，仔細(xì)調(diào)節(jié)加熱功率，使坩堝中熔體表面溫度及接
近熔體表面的上部3 5cm高度的區(qū)域內(nèi)溫度為熔體凝固溫度1080°C;
(001)晶面的SrTi03晶圓片經(jīng)過(guò)光學(xué)拋光表面粗糙度均小于10A，平整 度小于15"并在無(wú)水乙醇中經(jīng)過(guò)15分鐘超聲清洗后，用去離子水仔細(xì)清 洗的籽晶片以2mm/s速度浸入高溫熔體中約15秒進(jìn)行液相外延生長(zhǎng)，生 長(zhǎng)完成后將其提拉出液面以上10mm，以1500轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速快速旋轉(zhuǎn)提拉 桿盡量甩掉附著在其表面上的熔體半分鐘后停止旋轉(zhuǎn)，以lcm/分中速率提 升籽晶桿至爐膛口附近，使熔體固化成膜；然后停止兩套加熱系統(tǒng)，使?fàn)t 體自然降溫至室溫；將籽晶桿提升出爐膛，獲得生長(zhǎng)的表面均勻的PZNT 薄膜。經(jīng)檢測(cè)，薄膜表面均勻無(wú)粉末，表面粗糙度達(dá)到2.6nm，厚度為80nm， 與SrTi03襯底有良好外延關(guān)系。
權(quán)利要求
1.采用液相外延法制備膜的方法，首先，設(shè)置于生長(zhǎng)爐中坩堝內(nèi)的熔體熔點(diǎn)溫度附近將固定在籽晶桿上的襯底垂直進(jìn)入熔體中，襯底上粘附一層熔體，將籽晶桿上提，使襯底與熔體脫離進(jìn)入空氣中；然后迅速旋轉(zhuǎn)籽晶桿，使襯底上沒(méi)有成膜的熔體在旋轉(zhuǎn)作用下脫離膜表面，在這個(gè)過(guò)程中襯底表面的熔體迅速固化形成膜；最后將爐體降溫至室溫，取下襯底獲得生長(zhǎng)膜；其特征是，在上述過(guò)程中，接近熔體的上方空氣的溫度控制在不低于熔體凝固點(diǎn)的溫度；使深入到熔體中的襯底脫離熔體后，襯底上吸附的熔體保持熔液狀態(tài)，在這種狀態(tài)下快速旋轉(zhuǎn)籽晶桿，速度為100～2000轉(zhuǎn)/分鐘，使襯底和被吸附的熔體快速旋轉(zhuǎn)，非緊鄰襯底面的熔體在高速旋轉(zhuǎn)作用力的作用下被甩離襯底，使這部分熔體脫離襯底表面，將籽晶桿上移至溫度低于熔體凝固點(diǎn)的低溫區(qū)，使襯底表面吸附的熔體在襯底的作用下固化結(jié)晶成膜，獲得所需要生長(zhǎng)的膜。
2. 如權(quán)利要求1所述的采用液相外延法制備膜的方法，其特征是，熔體—上:方空氣的溫度控制方法采用在生長(zhǎng)爐爐腔內(nèi)壁對(duì)應(yīng)坩堝U處設(shè)輔助加熱休。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的采用液相外延法制備膜的方法，其特征是， 所述的發(fā)熱體和輔助發(fā)熱體分別由獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)控制。
4. 如權(quán)利要求2所述的采用液相外延生長(zhǎng)法制備膜的方法，其特征是， 通過(guò)輔助發(fā)熱體控制襯底底部吸附的熔體的溫度，從而控制其粘度， 使熔體能夠在襯底旋轉(zhuǎn)作用力的作用下甩去過(guò)剩吸附的熔體，使襯底 底部吸附的熔體表面平整，從而達(dá)到生長(zhǎng)完整膜的目的。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的采用液相外延法制備膜的方法，其特征是， 熔體和接近熔體上方的溫度控制范圍為800~1500°C。
6. 如權(quán)利要求1所述的采用液相外延法制備膜的方法，其特征是，所述 的襯底還可以設(shè)有過(guò)渡層，以調(diào)節(jié)生長(zhǎng)薄膜與襯底之間的晶格失配度。
全文摘要
一種采用液相外延法制備膜的方法，首先，在設(shè)于生長(zhǎng)爐中坩堝內(nèi)的熔體熔點(diǎn)溫度附近將籽晶桿上的襯底垂直進(jìn)入熔體中，襯底上粘附一層熔體，籽晶桿上提，襯底與熔體脫離；旋轉(zhuǎn)籽晶桿，使襯底上沒(méi)有成膜的熔體脫離膜表面，襯底表面的熔體迅速固化形成膜；將爐體降溫至室溫，取下襯底獲得生長(zhǎng)膜；熔體上方空氣溫度控制在不低于熔體的凝固點(diǎn)溫度；使襯底上吸附的熔體保持熔液狀態(tài)，快速旋轉(zhuǎn)籽晶桿，使襯底和被吸附的熔體快速旋轉(zhuǎn)，非緊鄰襯底面的熔體在高速旋轉(zhuǎn)作用力的作用下被甩離襯底，這部分熔體脫離襯底表面；然后將籽晶桿上移至溫度低于熔體凝固點(diǎn)的低溫區(qū)，使襯底表面吸附的熔體在襯底的作用下固化結(jié)晶成膜，獲得所需要生長(zhǎng)的膜。
文檔編號(hào)C30B19/00GK101338451SQ20071004355
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
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