一种化学气相沉积系统的制作方法

本发明属于化学设备技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积系统。

背景技术：

二维材料是目前半导体领域发展的一个新方向，目前二维材料在许多领域展现出了不可匹敌的优势，比如可穿戴设备，新型电池等等。而想要大面积制备二维材料，目前最普遍的方法就是化学气相沉积(CVD)，但是单一材料的性质已经不能满足所需要的要求了，因此开始探索异质结中特有的性质，如在石墨烯与氮化硼的异质结中，氮化硼的生长目前最常用采用的就是氨硼烷作为固态源。但是目前市面上销售的CVD设备，针对的是最为普遍的情况，大部分都是通入气态源，然后在高温区基底上沉积。如果碰到固态源，就需要通过缠加热带或者通过双温区甚至多温区来对固态源进行加热，从而得到前驱体，但如果遇上低沸点的固态源(比如氨硼烷)，当高温区加热到一定温度的时候，散发出来的热辐射足够导致源不受控制挥发，从而导致不想发生的生长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种化学气相沉积系统，该系统可实现对低沸点固态源挥发的控制。

本发明提供了一种化学气相沉积系统，包括：

化学沉积室；所述化学沉积室包括反应腔体；

设置于化学沉积室外的高温加热装置；

与化学沉积室相连通的气体供给系统；所述气体供给系统包括气体源进气管与固体源气体进气管，所述固体源气体进气管位于气体源进气管的管内；所述固体源气体进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通；所述气体源进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通；

与化学沉积室的反应腔体相连通的真空系统。

优选的，所述化学气相沉积系统还包括进气法兰；所述进气法兰包括第一进气口、第二进气口与出气口；所述进气法兰的第一进气口与出气口相连通；所述出气口通过卡套接口与所述气体源进气管相连通；所述第二进气口与所述固体源气体进气管相连通，且所述第二进气口与第一进气口及出气口不连通。

优选的，所述气体源进气管的直径为40～60mm。

优选的，所述固体源气体进气管的直径为20～30mm；长度为400～600mm。

优选的，所述化学气相沉积系统还包括固体源加热装置；所述固体源加热装置与所述固体源气体进气管的进口相连通。

优选的，所述固体源加热装置还设置有载气进口。

优选的，所述固体源加热装置还设置有温度传感器。

优选的，所述固体源气体进气管外缠绕有加热带。

优选的，所述高温加热装置以硅钼棒作为加热元件，氧化镁作为保温材料，N型热电偶作为测温元件。

优选的，所述反应腔体为石英管。

本发明提供了一种化学气相沉积系统，包括：化学沉积室；所述化学沉积室包括反应腔体；设置与化学沉积室外的高温加热装置；与化学沉积室相连通的气体供给系统；所述气体供给系统包括气体源进气管与固体源气体进气管，所述固体源气体进气管位于气体源进气管的管内；所述固体源气体进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通；所述气体源进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通；与化学沉积室的反应腔体相连通的真空系统。与现有技术相比，本发明将固体源气体进气管与固体源气体进气管分开，使固体源气体完全不受气体源气体的影响，从而实现两种源无交叉污染生长；通过将固体源移到固体加热装置里，使固体源不受高温辐射的影响，从而实现对固体源蒸发速率的控制。

附图说明

图1为本发明提供的化学气相沉积系统的结构示意图；

图2为本发明提供的进气法兰的结构示意图；

图3为本发明提供的进气法兰的结构示意图；

图4为本发明提供的进气法兰的俯视图；

图5为本发明提供的进气法兰的侧视图；

图6为本发明提供的进气法兰的正视图；

图7为本发明实施例1中得到的六方氮化硼的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种化学气相沉积系统，包括：化学沉积室；所述化学沉积室包括反应腔体；设置于化学沉积室外的高温加热装置；与化学沉积室相连通的气体供给系统；所述气体供给系统包括气体源进气管与固体源气体进气管，所述固体源气体进气管位于气体源进气管的管内；所述固体源气体进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通；所述气体源进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通；与化学沉积室相连通的真空系统。

参见图1，图1为本发明提供的化学气相沉积系统的结构示意图，其中A为载气进口、B为固体源加热装置、C为温度传感器、D为固体源气体进气口、E为气体源进气口、F为真空计、G为固体源气体进气管、H为气体源进气管、J为高温加热装置、K为接真空系统口、L为挡板阀。

其中，所述化学沉积室为本领域技术人员熟知的化学沉积室即可，并无特殊的限制，本发明中所述化学沉积室包括反应腔体；所述反应腔体优选为石英管；所述反应腔体的直径优选为20～100mm，更优选为40～80mm，再优选为50～60mm，最优选为50mm；所述反应腔体的长度优选为1000～2000mm，更优选为1200～1800mm，再优选为1400～1600mm，最优选为1400mm。

所述化学沉积室外设置有高温加热装置；所述高温加热装置优选以硅钼棒作为加热元件，氧化镁作为保温材料，N型热电偶作为测温元件；所述高温加热装置优选还设置有温度控制装置；所述温度控制装置优选为宇电仪表。

作为本发明进一步改进的技术方案，化学沉积室外的高温加热装置采用N型热电偶进行测温，硅钼棒作为加热元件，氧化镁作为保温材料，宇电仪表作为温度控制器，化学沉积室采用50mm直径1400mm长的石英管作为反应腔体。

按照本发明，所述化学气相沉积系统包括与化学沉积室相连通的气体供给系统；所述气体供给系统包括气体源进气管与固体源气体进气管；所述固体源气体管位于气体源进气管的管内；所述固体源气体进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通；所述气体源进气管的出口与所述化学沉积室的反应腔体相连通。固体源进气管位于气体源进气管内，可以很大程度上的减少交叉污染，使得生长的异质结材料可以保持更好的品质。在本发明中，所述固体源气体进气管优选为石英管；所述固体源气体进气管外优选缠绕有加热带，以保证固体源气体在输送过程中不会冷却；所述加热带的温度优选为100℃～200℃，更优选为120℃～180℃，再优选为140℃～160℃，最优选为150℃；所述气体源进气管的直径优选为40～60mm，更优选为50mm；所述固体源气体进气管的直径优选为20～30mm，更优选为25mm；所述固体源气体进气管的长度优选为400～600mm，更优选为500mm。

按照本发明，所述化学气相沉积系统优选还包括进气法兰；所述进气法兰包括第一进气口、第二进气口与出气口；所述进气法兰的第一进气口与出气口相连通；所述出气口通过卡套接口与所述气体源进气管相连通；所述第二进气口与所述固体源气体进气管相连通，且所述第二进气口与第一进气口及出气口不连通。将进气法兰设计为两组法兰的结合体，使得由低温固态源挥发出来的气体可以从高温反应区的外部进入，不会受到高温区的影响。

按照本发明，所述进气法兰的第一进气口优选与三通相连通，更优选通过标准接口与三通相连通；所述三通的一头优选连接有真空计；所述三通的另一头优选连接有气体罐。

作为本发明进一步改进的技术方案，参见图2～6，图2与图3为本发明提供的进气法兰的结构示意图，图4为本发明提供的进气法兰的俯视图，图5为本发明提供的进气法兰的侧视图，图6为本发明提供的进气法兰的正视图。所述进气法兰更优选具体为：所述进气法兰装置一端为50mm的标准法兰即为出口，中间一段接KF16的标准接口，用于连接一个三通头，三通头另外两端分别接真空计，气体罐，其中从气体罐出来的气体通过Φ6的卡套接头连接，此卡套接口为第一进气口，真空计通过卡箍连接。第二进气口为25mm标准法兰，且在25mm标准法兰端留有25mm深的台阶，该台阶用于放置FFKM胶圈，通过拧紧螺丝挤压胶圈来密封25mm口径的小石英管，该小石英管为固体源气体进气管，长度为500mm，直接通入到高温反应区。

按照本发明，所述化学沉积系统优选还包括固体源加热装置；所述固体源加热装置与所述固体源气体进气管的进口相连通，更优选通过进气法兰与所述固体源气体进气管的进口相连通。所述固体源加热装置用于固体源的加热升华，将其移至化学沉积室外，可精确控制蒸发温度，实验变量可以被更好的控制，有助于实现对固体源挥发的控制，尤其是低沸点的固体源，使低沸点固体源可以受控制地被加热蒸发，不会导致不是计划中的生长。所述固体源加热装置优选设置有载气进口；所述载体进口优选设置有气体质量流量计，以实现对载气流量的控制，载气运载着由固体源升华出来的源进入固体源气体进气管中；所述固体源加热装置优选还设置有温度传感器；所述温度传感器为本领域技术人员熟知的温度传感器即可，并无特殊的限制，本发明中优选为PT100温度传感器。所述温度传感器优选连接有温度控制器。温度控制器通过比对设定值和测量值，通过PID算法给出调节信号来控制加热器的通断；所述固体源加热装置的加热器优选为环形的加热器，更优选为环形的陶瓷加热圈，加热快且比较安全。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述固体源加热升华被挪到反应管外，放置在外部的固体源加热装置中，优选为不锈钢反应釜；反应釜由FFKM胶圈密封，通过拧紧螺丝来压紧胶圈，胶圈变形后密封腔体。反应釜留有一个载气进口，一个出气口，一个PT100插槽。载气进口连接的是作为运载源气体的载气。由一个气体质量流量计控制气流量大小。并且通过一个Φ6的卡套快速接头连接到反应釜的进气端。在正中间留有一个Φ4的PT100插槽，用于探测反应釜内的温度。PT100采用的是两线制，精度可以达到±0.1℃。PT100连接到外部的温度控制器，控制器通过比对设定值和测量值，通过PID算法给出调节信号来控制加热器的通断。加热器是环形的陶瓷加热圈，加热快而且比较安全。在反应釜的左侧是一个出气口，载气运载着由低沸点固态源升华出来的源从这个出口汇入到进气法兰的一端即图2所标注的“固态源进气口”，同样是通过Φ6的卡套快速接头连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，在传输固态源所升华出来的气体时，采用了专用的传输通道即25mm直径500mm长度的石英管传输。为了防止中途传输时冷凝，在外部缠绕了加热带，加热带加热到150℃，保证传输过程中不会冷凝；并且所有的进气法兰密封胶圈全部采用FFKM胶圈，保证了不会因为胶圈的质量问题出现碳污染。

按照本发明，所述化学气相沉积系统还包括与化学沉积室相连通的真空系统。

作为本发明进一步改进的技术方案，真空系统的真空主要是通过机械泵产生，机械泵型号为爱德华RV8。密封元件包括：氟橡胶圈，波纹管，真空阀，以及真空法兰。

本发明将固体源气体进气管与固体源气体进气管分开，使固体源气体完全不受气体源气体的影响，从而实现对固体源气体的控制。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种化学气相沉积系统进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售。

实施例1

化学气相沉积系统包括：化学沉积室；所述化学沉积室包括反应腔体；设置于化学沉积室外的高温加热装置；与化学沉积室相连通的气体供给系统；所述气体供给系统包括气体源进气管与固体源气体进气管，所述固体源气体进气管位于气体源进气管的管内；所述固体源气体进气管的出口与所述化学沉积室相连通；所述气体源进气管的出口与所述化学沉积室相连通；与化学沉积室相连通的真空系统。

化学沉积室的高温加热装置采用N型热电偶进行测温，硅钼棒作为加热元件，氧化镁作为保温材料，宇电仪表作为温度控制器，化学沉积室采用50mm直径1400mm长的石英管作为反应腔体。

所述进气法兰包括第一进气口、第二进气口与出气口；所述进气法兰的第一进气口通过出口与所述气体源进气管相连通；所述第二进气口与所述固体源气体进气管相连通，且所述第二进气口与第一进气口及出气口不连通。

所述进气法兰装置一端为50mm的标准法兰即为出口，中间一段接KF16的标准接口，用于连接一个三通头，三通头另外两端分别接真空计，气体罐，其中从气体罐出来的气体通过Φ6的卡套接头连接，此卡套接口为第一进气口，真空计通过卡箍连接。第二进气口为25mm标准法兰，且在25mm标准法兰端留有25mm深的台阶，该台阶用于放置FFKM胶圈，通过拧紧螺丝挤压胶圈来密封25mm口径的小石英管，该小石英管为固体源气体进气管，长度为500mm，直接通入到高温反应区。

所述固体源加热升华被挪到反应管外，放置在外部的固体源加热装置中，优选为不锈钢反应釜；反应釜由FFKM胶圈密封，通过拧紧螺丝来压紧胶圈，胶圈变形后密封腔体。反应釜留有一个载气进口，一个出气口，一个PT100插槽。载气进口连接的是作为运载源气体的载气。由一个气体质量流量计控制气流量大小。并且通过一个Φ6的卡套快速接头连接到反应釜的进气端。在正中间留有一个Φ4的PT100插槽，用于探测反应釜内的温度。PT100采用的是两线制，精度可以达到±0.1℃。PT100连接到外部的温度控制器，控制器通过比对设定值和测量值，通过PID算法给出调节信号来控制加热器的通断。加热器是环形的陶瓷加热圈，加热快而且比较安全。在反应釜的左侧是一个出气口，载气运载着由低沸点固态源升华出来的源从这个出口汇入到进气法兰的一端即图2所标注的“固态源进气口”，同样是通过Φ6的卡套快速接头连接。

在传输固态源所升华出来的气体时，采用了专用的传输通道即25mm直径500mm长度的石英管传输。为了防止中途传输时冷凝，在外部缠绕了加热带，加热带加热到150℃，保证传输过程中不会冷凝；并且所有的进气法兰密封胶圈全部采用FFKM胶圈，保证了不会因为胶圈的质量问题出现碳污染。

真空系统的真空主要是通过机械泵产生，机械泵型号为爱德华RV8。密封元件包括：氟橡胶圈，波纹管，真空阀，以及真空法兰。

采用上述的化学气相沉积系统用于生长六方氮化硼。在本实验中采用常压CVD来生长六方氮化硼。在生长之前，先把沉积室温度升高到1025℃，退火30分钟，气体组分为氩氢混合气，流量为400sccm。退火完成后，升温到生长温度1065℃生长10～30分钟。固态源采用的是氨硼烷，加热温度为70℃，源的载气为30:1的氩氢混合气，流量100scmm。

利用扫描电子显微镜对得到的六方氮化硼进行检测，得到其扫描电镜照片，如图7所示。由图7可以看到采用本发明提供的化学气相沉积系统得到的形貌非常好的三角形单晶，说明这个系统能够很好地通过控制源的蒸发温度从而控制源的供给量。