本发明公开了一种可连续生长多层膜并对每层膜均可防止母液残留的液相外延石墨舟,该石墨舟主要包括:底板、滑块、外壳、可转动衬底托件、转动轴。其特点是,滑块在底板上滑动过程中可自动控制可转动衬底托件的翻转与复位,从而能够在生长下一层薄膜之前,将生长上一层薄膜时残留的母液及时排除,防止母液残留而影响下一层膜的生长,提高多层膜样品的成品率的同时增大薄膜可用面积。
1.一种可连续生长多层膜的防止母液残留的液相外延石墨舟,包括底板(1)、滑块(2)、外壳(3)、可转动衬底托件(4)、转动轴(5),其特征在于,底板(1)上开有可容母液流下的梯形槽(1-1),控制滑块(2)自由滑动的卡槽(1-2)、安装转动轴(5)的圆孔、底板(1)的上表面梯形槽(1-1)的上部安装可转动衬底托件(4)的“凹”字形孔(1-4);所述底板(1)的梯形槽(1-1)的梯形边处平行于滑块(2)的滑移方向紧贴梯形槽壁的两侧开有两个对称的扇形槽(1-5),夹角为60°,可与可转动衬底托件(4)的圆柱形挡板的形状契合,梯形槽(1-1)的直角边上部设置一个45°的楔形角,可与可转动衬底托件(4)的135°棱角密合;梯形槽(1-1)靠近转动轴(5)的锐角棱处设置为半径1mm的圆弧凹面(1-6),可转动衬底托件(4)实心一侧(4-3)靠近圆心处也设置为半径1mm的1/4圆弧凸面(4-6),两者可密合;所述底板(1)在外壳(3)中滑动至底板(1)的前端与外壳(3)的挡板接触时,外壳(3)的母液收集槽(3-4)正好位于底板(1)的梯形槽(1-1)下部;所述的滑块(2)边缘呈锯齿状结构,且开有多个用于放置母液的液槽(2-1),每个锯齿的凸处底部靠左的位置为半径2mm的圆弧面(2-3),滑块(2)的每个液槽(2-1)沿滑块(2)滑移方向的宽度小于滑块(2)锯齿的凹处(2-2)沿滑移方向的宽度,且从垂直滑块(2)滑移方向上看,液槽(2-1)位于锯齿凹处(2-2)的范围之内,保证当液槽(2-1)推离可转动衬底托件(4)的衬底槽(4-1)并恰好全部位于底板(1)上表面上部时,可转动衬底托件(4)的近1/4扁圆柱形挡板正好能从滑块(2)锯齿的凹处(2-2)翘起;滑块(2)可嵌在底板(1)上的卡槽(1-2)内;底板(1)上加载滑块(2)后可在外壳(3)中自由滑动;外壳(3)底部(3-1)开有母液收集槽(3-4),顶部(3-2)开有可观察液槽(2-1)的条形槽(3-5),末端设有挡板;可转动衬底托件(4)呈近半圆柱形滚轮,其中一侧中部镂空以形成两个近1/4扁圆柱形挡板,另一侧(4-3)为实心,上部开有衬底槽(4-1),圆心部分开有安装转动轴(5)的圆孔,右端设置一个135°的棱角(4-5);转动轴(5)安装在可转动衬底托件(4)的圆孔和底板(1)上的圆孔中,使可转动衬底托件(4)的上表面处于水平状态时,可置于底板“凹”字形孔(1-4)内,且其上表面与底板“凹”字形孔(1-4)密合;可转动衬底托件(4)的主体部分置于底板的梯形槽(1-1)内,可绕转动轴(5)自由转动;所述转动轴(5)直径1mm,底板(1)上的圆孔和可转动衬底托件(4)的圆孔直径1.2mm,转动轴(5)能够在上述两圆孔中自由转动。技术领域
本发明涉及半导体单晶薄膜液相外延生长技术,具体指一种可连续生长多层膜的防止母液大面积残留的液相外延石墨舟,它适用于在生长刚结束的高温下残留母液仍呈液态,且在该状态下需要连续的在所形成的薄膜上继续生长多层膜的液相外延生长体系。
背景技术
在水平滑动液相外延生长系统中,水平滑移石墨舟的使用十分普遍。一般使用的石墨舟由底座,底板和滑块三部分组成。但是对于生长温度高,母液流动性强的生长体系,液相外延生长过程中容易发生母液大面积残留在薄膜表面的情况,且残留液不容易被滑块推走,降温后残留母液凝固在薄膜表面,从而降低了外延薄膜的成品率和薄膜的使用面积。对于需要生长多层膜的液相外延体系,比如需要生长缓冲层结构,或者p-n结等,如果其中任何一层有大量母液残留的现象,都会影响整个材料的生长,甚至导致整个多层膜结构遭到破坏。目前已有针对母液残留处理的几种石墨舟的改进设计,(见一种用于碲镉汞液相外延薄膜材料生长的带有母液清除装置的石墨舟[P],专利号CN1360090A,和一种防止母液大面积残留的液相外延石墨舟[P],公开号CN101586252A)。但是如上几种改良设计只针对单层薄膜生长可去除表面残留母液,对于需要生长多层膜的液相外延体系,就无法满足去除每一层薄膜的残留母液的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可连续生长多层膜并可防止母液大面积残留的液相外延石墨舟,解决多层外延薄膜生长过程中每层薄膜的母液残留问题。本发明一种可连续生长多层膜的防止母液残留的液相外延石墨舟如附图1所示,它包括底板1、滑块2、外壳3、可转动衬底托件4、转动轴5。底板1上开有可容母液流下的梯形槽1-1、控制滑块2自由滑动的卡槽1-2、安装转动轴5的圆孔1-3、表面梯形槽1-1上部开有一个“凹”字形孔1-4,梯形槽的斜边紧贴槽壁的两侧开有两个对称的扇形槽1-5,夹角为60°。滑块2边缘呈锯齿状结构,且开有多个用于放置母液的液槽2-1,每个液槽2-1沿滑块2滑移方向的宽度小于滑块2锯齿的凹处2-2沿滑移方向的距离,且从垂直滑块2滑移方向上看,液槽2-1位于锯齿凹处2-2的范围之内,保证当液槽2-1推离可转动衬底托件4的衬底槽4-1并恰好全部位于底板1上表面上部时,可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板正好能从滑块2锯齿的凹处2-2翘起。滑块2可嵌在底板1上的卡槽1-2内。滑块2的每个锯齿的凸处底部靠左的位置为半径2mm的圆弧面2-3。底板1上加载滑块2后可在外壳3中自由滑动。外壳3底部3-1开有母液收集槽3-4,顶部3-2开有可观察液槽2-1的条形槽3-5,末端设有挡板3-3。底板1在外壳3中滑动至底板1的前端与外壳3的挡板3-3接触时,外壳3的母液收集槽3-4正好位于底板1的梯形槽1-1下部。可转动衬底托件4的俯视图和侧视图分别如图12和图13所示,呈近半圆柱形滚轮,其中一侧中部镂空以形成两个近1/4扁圆柱形挡板4-2,另一侧4-3为实心,上部开有衬底槽4-1,可转动衬底托件4的圆心部分开有安装转动轴5的圆孔4-4,右端设置一个135°的棱角4-5。底板1的梯形槽1-1的直角边上部设置一个45°的楔形角,可与可转动衬底托件4的135°棱角4-5密合。转动轴5安装在可转动衬底托件4的圆孔4-4和底板1上的圆孔1-3中,使可转动衬底托件4的上表面平放时可置于底板“凹”字形孔1-4内,且其上表面与底板“凹”字形孔1-4密合。可转动衬底托件4的主体部分置于底板的梯形槽1-1内,可转动衬底托件4可绕转动轴5自由转动。可转动衬底托件4的两个近1/4扁圆柱形挡板4-2可与底板1的两个扇形槽形状契合。底板1的梯形槽1-1靠近转动轴5的锐角棱处设置为半径1mm的圆弧凹面1-6,可转动衬底托件4实心一侧4-3靠近圆心处也设置为半径1mm的1/4圆弧凸面4-6,两者可密合。转动轴(5)直径1mm,底板(1)上的圆孔(1-3)和可转动衬底托件(4)的圆孔(4-4)直径1.2mm,转动轴(5)能够在上述两圆孔中自由转动。生长前,石墨舟各部件的相对位置如图1所示,滑块2的前端将可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2压住不让其翘起,使可转动衬底托件4的上表面与底板1的水平面平行。生长第一层膜时,石墨舟的各部件的相对位置如图2所示。滑块推到图2位置,滑块2的前端仍然将可转动衬底托件4的上表面压至与底板1的水平面平行,液槽2-1和可转动衬底托件4的衬底槽4-1上下对正。生长完第一层膜后,滑块推到图3位置,此时滑块2锯齿的凹处2-2移动至可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2所在位置,由于可转动衬底托件4的重心在实心4-3一侧,导致可转动衬底托件绕转动轴5翻转,近1/4扁圆柱形挡板4-2翘起,其实心部分4-3向下倾斜使高温下呈液态的残留母液流入外壳3的母液收集槽3-4以去除残留的母液。生长第二层膜时,滑块2推到如图4所示位置,当滑块2锯齿凸处底部的圆弧面2-3滚过可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2时,滑块2锯齿的凸处再次将可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2压住不让其翘起,使可转动衬底托件4的上表面与底板1的水平面平行。同时液槽2-1和可转动衬底托件4的衬底槽4-1上下对正,生长第二层膜。生长完毕后可像第一层膜生长完毕后那样向前推滑块,使滑块的下一个锯齿凹处移动至可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2所在位置,使挡板4-2再次翘起从而去除残留母液。如要继续生长,可继续向前推动滑块,重复以上过程,从而实现多层膜的生长。生长完毕后,滑块2移动到图5所示位置。作为一个例子,如图1所示的石墨舟可连续生长4层膜并去除每层膜的残留母液。也可根据需要加长滑块、底板和外壳的长度并相应增加锯齿的个数及液槽的个数实现更多层膜的生长。本发明的优点在于:本发明不但能够实现传统的水平式液相外延连续生长多层半导体单晶薄膜,而且能够去除每层薄膜生长完毕后表面的残留母液。具体来说,每层薄膜生长完毕后,可以通过滑块滑动,自动控制可转动衬底托件翻转,去除薄膜表面残留的母液。母液去除后,又能通过滑块滑动,自动控制可转动衬底托件的复位,生长下一层薄膜。
附图说明
图1为生长前石墨舟的剖面结构示意图。图2为生长第一层薄膜时石墨舟的剖面结构示意图。图3为生长第一层薄膜完毕后去除残留母液时石墨舟的剖面结构示意图。图4为生长第二层薄膜时石墨舟的剖面结构示意图。图5为生长完毕后石墨舟的剖面结构示意图。图6为石墨舟底板的侧视局部放大图。图7为石墨舟底板的俯视图。图8为石墨舟滑块的侧视图。图9为石墨舟滑块的俯视图。图10为石墨舟外壳前端面示意图。图11为石墨舟外壳后端面示意图。图12为可翻转衬底托件的俯视图。图13为可翻转衬底托件的侧视图。图中:1-底板,1-1-可容母液流下的梯形槽,1-2-控制滑块自由滑动的卡槽,1-3-安装转动轴的圆孔,1-4-表面“凹”字形孔,1-5-两个对称的扇形槽,1-6-半径1mm的圆弧凹面;2-滑块,2-1-多个用于放置母液的液槽,2-2-滑块锯齿的凹处,2-3-半径2mm的圆弧面,3-外壳,3-1-外壳底部,3-2-外壳顶部,3-3-外壳末端挡板,3-4-母液收集槽,3-5-可观察液槽的条形槽,4-可转动衬底托件,4-1-衬底槽,4-2-近1/4扁圆柱形挡板,4-3-可转动衬底托件的实心部分,4-4-安装转动轴的圆孔,4-5-可转动衬底托件右侧135°棱角,4-6-可转动衬底托件中部半径1mm的1/4圆弧凸面,5-转动轴。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明进一步具体说明:本发明一种可连续生长多层膜的防止母液残留的液相外延石墨舟如图1所示,它包括底板1、滑块2、外壳3、可转动衬底托件4、转动轴5。底板1的侧视图和俯视图分别如图6和图7所示,开有可容母液流下的梯形槽1-1、控制滑块2自由滑动的卡槽1-2、安装转动轴5的圆孔1-3、表面梯形槽1-1上部开有一个“凹”字形孔1-4,梯形槽的斜边紧贴槽壁的两侧开有两个对称的扇形槽1-5,夹角为60°。滑块2的侧视图和仰视图分别如图8和图9所示,其边缘呈锯齿状结构,且开有多个用于放置母液的液槽2-1,滑块2可嵌在底板1上的卡槽1-2内。滑块2的每个锯齿的凸处底部靠左的位置为半径2mm的圆弧面2-3。底板1上加载滑块2后可放入外壳3中,且滑块2在底板1上可自由滑动;外壳3的前端面和后端面示意图分别如图10和图11所示,底部3-1开有母液收集槽3-4,顶部3-2开有可观察液槽2-1的条形槽3-5,末端设有挡板3-3。可转动衬底托件4的俯视图和侧视图分别如图12和图13所示,呈近半圆柱形滚轮,其中一侧中部镂空以形成两个近1/4扁圆柱形挡板4-2,另一侧4-3为实心,上部开有衬底槽4-1,圆心部分开有安装转动轴5的圆孔4-4。转动轴5插入可转动衬底托件4的圆孔4-4和底板1上的圆孔1-3中,将可转动衬底托件4和底板1连接起来,使可转动衬底托件4的上表面平放时可置于底板“凹”字形孔1-4内,可转动衬底托件4的主体部分置于底板的梯形槽1-1内,可转动衬底托件4可绕转动轴5自由转动。本发明的关键尺寸要求:(1)底板1上表面的“凹”字形孔1-4的形状与可转动衬底托件4的上表面形状相吻合。(2)滑块2边缘的锯齿状结构凹处和凸处等间距,均为12mm,如图8所示,每个液槽2-1宽度9mm,长度11mm,从垂直滑块2滑移方向上看,液槽2-1位于锯齿凹处2-2的范围之内,且其11mm边与凹处前端的垂直距离为2mm,如图9所示。(3)底板1加载滑块2后的高度与外壳3内腔的高度相吻合,且当底板1前端推至与外壳3底部挡板3-3相接触时,梯形槽1-1正好处于外壳3的母液收集槽3-4上方。(4)外壳3内腔的宽度与底板1的宽度相吻合。(5)外壳3上方的条形槽3-5的宽度11.1mm,当底板1加载滑块2位于外壳3中时,正好可通过条形槽3-5观察到每个液槽2-1的全貌。(6)可转动衬底托件4的半径为12mm,近1/4圆柱形挡板4-2臂长11mm,衬底槽4-1的长宽略小于液槽2-1的长宽,各小0.5mm为宜。(7)可转动衬底托件右端设置一个135°的棱角4-5,底板1的梯形槽1-1的直角边上部设置一个45°的楔形角,可与可转动衬底托件4的135°棱角4-5密合。(8)底板1的梯形槽1-1靠近转动轴5的锐角棱处设置为半径1mm的圆弧凹面1-6,可转动衬底托件4实心一侧4-3靠近圆心处也设置为半径1mm的1/4圆弧凸面4-6,两者可密合。(9)可转动衬底托件4的两个近1/4扁圆柱形挡板4-2可与底板1的两个扇形槽1-5形状契合。(10)转动轴5直径1mm,底板1上的圆孔1-3和可转动衬底托件4的圆孔4-4直径1.2mm,转动轴5能够在上述两圆孔中自由转动。针对连续生长多层膜的情况,本发明的使用步骤为:(1)将多个原料依次放进滑块2的几个母液槽2-1中,将衬底放在衬底槽4-1中,将滑块2放入底板的卡槽1-2内,使可转动衬底托件上表面保持水平。(2)将加载了滑块2的底板1放入外壳3中并推到底,使底板1的低端与外壳3的底端挡板3-3接触,把整个石墨舟放进石英管,各部件相对位置如图1所示。抽真空后,通入氢气,开始加热升温。到达高于生长温度约30摄氏度时,保持该温度温3-5小时使溶液均匀一致。(3)按一定速率降温,当到达第一层膜生长温度T_g1时,把滑块2推到如图2所示位置,滑块2的前端仍然将可转动衬底托件4的上表面压至与底板1的水平面平行,液槽2-1和可转动衬底托件4的衬底槽4-1上下对正。母液与衬底充分接触,开始生长第一层膜。(4)生长完第一层膜后,将滑块推到图3位置,此时滑块2锯齿的凹处2-2移动至可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2所在位置,使可转动衬底托件绕转动轴5翻转,近1/4扁圆柱形挡板4-2翘起,其实心部分4-3向下倾斜使衬底上高温下呈液态的残留母液流入外壳3的母液收集槽3-4以去除残留的母液。(5)当温度降至第二层膜生长温度T_g2时,将滑块2推到如图4所示位置,当滑块2锯齿凸处底部的圆弧面2-3滚过可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2时,滑块2锯齿的凸处再次将可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2压住不让其翘起,使可转动衬底托件4的上表面与底板1的水平面平行。同时液槽2-1和可转动衬底托件4的衬底槽4-1上下对正,母液与衬底充分接触,开始生长第二层膜。(6)第二层膜生长完毕后,继续向前推滑块,使滑块的下一个锯齿凹处移动至可转动衬底托件4的近1/4扁圆柱形挡板4-2所在位置,使挡板4-2再次翘起从而去除残留母液。(7)若要继续生长,可重复步骤(3)和(4)若干次,可最多生长薄膜的层数与滑块2的液槽数目相等。(8)生长完毕后,将滑块2推到图5所示位置。若生长薄膜的层数小于滑块2的液槽数目,也可在生长完毕后直接将滑块推到图5所示位置或者使挡板4-2处于翘起状态以结束生长。