一种改善薄膜材料表面形貌的石墨舟及薄膜的生长方法与流程

1.本发明属于薄膜材料的外延生长技术领域，涉及一种改善薄膜材料表面形貌的石墨舟及薄膜的生长方法，具体涉及一种改善水平液相外延生长薄膜材料表面形貌的石墨舟及薄膜的生长方法。


背景技术：

2.碲镉汞(hg
1-x
cd
x
te)材料具有带隙可调、光学吸收系数大、载流子寿命长、电子迁移率高、工作温度高等特点，其卓越的性能使碲镉汞成为制造红外焦平面器件一种非常重要的材料，多年来一直是制备红外探测器的首选。
3.水平推舟式液相外延技术生长碲镉汞薄膜材料，因具有生长母液用量少、组分容易控制等优点，从而得到广泛的应用。石墨舟是水平液相外延生长过程中最关键的部件，石墨舟的结构设计直接决定了液相外延生长薄膜的质量。但是，现有技术中所采用的水平推舟液相外延工艺生长的碲镉汞外延薄膜，表面常常会出现宏观波纹缺陷，在10微米厚的生长晶体表面会出现高度差至少3微米的波纹，这种表面波纹的出现，既影响了大规格芯片的互连工艺，而且将导致探测器成像“鬼影”现象，严重影响探测器组件点源目标的探测。因此降低表面起伏高度差，改善水平外延波纹现象对于芯片制程工艺及探测器成像质量至关重要。
4.目前水平液相外延的宏观波纹形成理论主要包括两个方面：一是受到温场均匀性影响，热梯度将导致外延过程中母液的对流，以溶质对流成为主导。溶质对流是一种空间不均匀的、时间依赖的现象，溶质不均匀将导致结晶点及组分的差异，从而导致宏观波纹缺陷。二是受到母液上方汞压均匀性的影响，汞保护源位置的设计及石墨舟的密闭性等因素都可能影响母液上方汞压差异，影响薄膜厚度组分均匀性。
5.目前报道中，为了改善水平液相外延的宏观波纹情况，降低宏观波纹对芯片制程工艺以及探测器成像质量的不利影响，通常采用平坦化工艺对外延生长的碲镉汞薄膜材料进行表面抛光处理。虽然抛光处理也能够改善外延薄膜表面的平整度，但是抛光处理无法改善溶质对流现象造成的外延薄膜不同部位组分产生差异的情况，无法改善组分差异带来的探测器成像“鬼影”现象，并且，抛光处理也会对外延薄膜材料或多或少都会带来一些表面损伤，严重影响探测器芯片的性能。
6.为改善外延薄膜宏观波纹现象，现有技术中也包括有对石墨舟的结构进行的改进。改善汞压均匀性的石墨舟设计较多，但单纯的汞压均匀性控制并不能解决宏观波纹缺陷，只有同时控制母液热对流导致的结晶点及组分的差异，才能有效减轻宏观波纹缺陷，改善探测器成像“鬼影”现象。
7.由此，目前需要提供一种技术方案来解决现有技术中所存在的上述技术问题。


技术实现要素：

8.本发明提供一种改善水平液相外延生长薄膜材料表面形貌的石墨舟及薄膜的生
长方法，至少可以解决现有技术中存在的部分问题。
9.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
10.一种水平液相外延石墨舟，其中，石墨舟包括母液盖板、保温盖板、母液板以及衬底板；所述母液盖板盖设于所述母液板上方，所述衬底板上设置有用于放置衬底的衬底槽，所述母液板上设置有用于放置母液用的母液槽，所述保温盖板盖设于所述母液槽上，所述母液板位于所述衬底板的上方且二者可相对滑动设置。
11.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述石墨舟还包括有底板，所述衬底板设置于所述底板上方。
12.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述母液板上还设置有汞源保护槽，所述汞源保护槽对称设置于母液槽的两侧。
13.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述母液槽的周围设置有隔热槽，所述保温盖板包括顶壁以及自顶壁四周向下延伸的侧壁，所述顶壁设置于所述母液槽的上方，所述侧壁插设于所述隔热槽中。
14.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述保温盖板的材质选自石英或氧化铝隔热材料。
15.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述保温盖板采用一体设计，保温盖板的侧壁为中空结构，或侧壁的厚度大于顶壁的厚度。
16.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述母液槽顶部尺寸大于底部尺寸。
17.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述母液槽的底部边缘设置有台阶结构。
18.作为本发明所述的一种水平液相外延石墨舟的优选方案，其中：所述母液槽底部尺寸等于或略小于衬底槽的尺寸。
19.为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
20.一种采用上述的水平液相外延石墨舟制备薄膜材料的方法，包括如下的步骤：
21.s1：将水平外延炉进行升温至母液均匀化的温度；
22.s2：水平外延炉分区降温至母液结晶点附近，使石墨舟的各个温区从左至右呈现一定的温度梯度，推动母液板，使母液槽位于衬底上方；
23.s3：生长结束，推动母液板，使母液槽离开衬底上方。
24.作为本发明所述的采用上述水平液相外延石墨舟制备薄膜材料的方法的优选方案，其中：水平外延炉具备3个以上单独控温的温区。
25.作为本发明所述的采用上述水平液相外延石墨舟制备薄膜材料的方法的优选方案，其中：生长过程中，温度较高的温区使用较快的降温速率，温度较低的温区使用较慢的降温速率，最终保证生长结束时，温度梯度与生长初始相反。
26.本发明的有益效果如下：
27.1、本发明提供的水平液相外延石墨舟通过母液槽四周及上方插入石英或氧化铝等隔热材料，通过保温盖板的中空设计或加厚设计，减少了石墨舟的热扩散，从而提高了母液中心与四周的温度均匀性，减缓了母液热对流。同时，在母液槽两侧设置的汞源保护槽可提供汞蒸气以对母液上方的汞压进行补偿，保温盖板能使两侧汞源产生的汞蒸气从母液的
四周缓慢汇入，从而消除了由于汞蒸气直接从两侧汇入导致的汞压差异，改善外延薄膜厚度及组分的不均匀性，解决了现有技术中仅单纯的对汞压进行控制不能完全解决外延薄膜宏观波纹缺陷的弊端，最终消除了外延生长薄膜的宏观波纹缺陷，改善探测器成像“鬼影”现象，提高了外延薄膜的生长质量。
28.2、采用本发明的石墨舟进行外延薄膜的制备，在外延薄膜的生长过程中，采用三区交叉控温方法，通过温场控制母液热对流中心位置的移动，进一步达到减轻宏观波纹缺陷的目的，使得所生长制备的碲镉汞薄膜外延平整度显著优化。
29.3、本发明的改进的石墨舟结构以及采用该石墨舟进行外延薄膜生长的控制方法，最终制备获得的外延薄膜无需进行后续的抛光平坦化处理工艺对外延薄膜的平整度进行改善，避免了抛光正减工艺对外延薄膜所造成的表面损伤，提升了芯片制程以及探测器芯片的工艺质量及性能。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
31.图1为本发明的石墨舟剖面结构示意图；
32.图2为本发明的外延薄膜生长过程中石墨舟移动位置示意图；
33.图3为本发明外延薄膜生长过程中控温曲线示意图；
34.图4a为采用未经改进的工艺所生长的外延材料的表面形貌图；
35.图4b为采用本发明经改进的工艺生长的外延材料的表面形貌图。
36.附图标号说明：
37.1-母液盖板，2-保温盖板，3-母液板，4-衬底板，5-底板，31-母液槽，32-汞源保护槽，33-隔热槽，41-衬底槽。
38.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
39.下面将结合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的一部分实施例，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作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。
40.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
41.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能
够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
42.本发明提供一种改善水平液相外延生长薄膜材料表面形貌的石墨舟及薄膜的生长方法，能够消除水平液相外延制备薄膜材料过程中由于溶质对流以及汞压差异导致外延生长的薄膜材料出现宏观波纹缺陷，提高薄膜材料厚度以及组分的均匀性及平整度，改善探测器成像“鬼影”现象。
43.实施例1
44.一种水平液相外延石墨舟，包括底板5、衬底板4、母液板3、保温盖板2以及母液盖板1。母液盖板1盖设于母液板3上方，衬底板4设置于底板5上方，衬底板4上设置有用于放置衬底的衬底槽41。母液板3上设置有用于放置母液用的母液槽31，母液槽31的周围设置有隔热槽33，保温盖板2包括顶壁以及自顶壁四周向下延伸的侧壁，保温盖板2盖设于母液槽31上，顶壁设置于母液槽的上方，侧壁插设于所述隔热槽中。母液板3位于衬底板4的上方且二者可相对滑动设置。
45.母液板3上还设置有汞源保护槽32，汞源保护槽32对称设置于母液槽31的两侧，有利于保证母液温度的均匀性。
46.保温盖板2采用一体设计，保温盖板2的侧壁为中空结构，或侧壁的厚度大于顶壁的厚度，保温盖板2的材质选自隔热材料，优选为石英或氧化铝材质。无论是保温盖板材质的选择，或是保温盖板保温结构的设置，目的都是为了提高母液槽的保温性能，既能减少石墨舟结构对外的热扩散，提高母液温度的均匀，同时也能够使补偿汞蒸气从母液四周汇入母液槽中，保证了汞压的均匀性。
47.母液槽31顶部尺寸大于底部尺寸，可以进一步保证外延区域上方母液温度的一致均匀性。
48.母液槽31的底部边缘设置有台阶结构，其底部尺寸等于或略小于衬底槽41的尺寸，这样可以避免母液进入衬底的背面，引起衬底背面沾液，影响衬底沉积质量。
49.实施例2
50.一种采用上述的水平液相外延石墨舟制备薄膜材料的方法，包括如下的步骤：
51.s1：将水平外延炉进行升温至母液均匀化的温度；
52.s2：水平外延炉分区降温至母液结晶点附近，使石墨舟左、中、右三区呈现一定的温度梯度，推动母液板，使母液槽位于衬底上方；
53.s3：生长结束，推动母液板，使母液槽离开衬底上方。
54.水平外延炉具备3个以上单独控温的温区，设置一定数量的可控温区有利于根据所制备的外延薄膜生长厚度的差异对温场及降温的速率进行适当的针对性的调整，从而保证了外延薄膜沉积的厚度及组分的均匀一致性。
55.附图3为本实施例外延薄膜生长过程中控温曲线示意图，图中横坐标为时间，纵坐标为温度，前段、中段、后段控温曲线分别对应附图2中石墨舟的左、中、右位置温度曲线。母液充分高温均匀化后，三段以不同的降温速率降温，目的使母液在结晶点温度附近时，石墨舟左、中、右位置呈现一定的温度梯度。随后推动母液板，使母液槽位于衬底上方，开始生长。生长阶段，前段降温速率最快，后段最慢，使生长结束时温场与生长开始时相反。生长阶段温场的变化，能使母液最高温度点位置发生移动，降低母液由于中心与四周散热差异导
致的温度不均匀情况，进一步减缓由于母液温度差异导致的宏观波纹缺陷。
56.在外延薄膜的生长过程中，通过对不同温区的降温速率进行针对性的调整和控制，能够使得不同的温区外延薄膜的生长更趋于均匀一致。温度较高的温区使用较快的降温速率，温度较低的温区使用较慢的降温速率，最终保证生长结束时，温度梯度与生长初始相反。
57.从附图4a中可以看出，未经改进的石墨舟及外延方法获得的外延薄薄膜材料，相邻波纹间的最大高低差达到4.145μm；而经过本发明改进后的石墨舟及外延方法获得的外延薄膜材料，从曲线数据中可见，相邻波纹间的最大高低差下降至1.36μm，外延薄膜材料表面的均匀性得到了显著提高。
58.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。