分子束外延系统中固定GaSb衬底的方法及样品架

技术领域

本发明涉及分子束外延系统中GaSb衬底的安装固定方法及所用的样品架。

背景技术

分子束外延设备中，衬底的加热主要是通过与衬底平行的加热器热辐射加热。衬底加热器与衬底之间存在热辐射场梯度，衬底加热器平面上的温度场也存在不均匀性，这些因素会导致衬底温度不均匀。生长过程中通常将衬底设置在样品架上，该样品架为托盘，通过旋转衬底托盘使衬底托盘比较均匀受热从而改善衬底受热温度不均匀的情况，但是不能完全解决问题。现有技术采用钼托作为衬底托盘也就是样品架，钼托为Mo材质金属制成的圆柱形盘，厚度一般为2-3mm，其具有热容量大，温度稳定性高的特点，因此，业界一般采用利用低熔点的Ga或In液态金属粘连钼托与衬底的方式将GaSb衬底固定在钼托上以提升衬底温度均匀性。采用上述方式固定衬底，具有如下优点，常压下，Ga和In两者的熔点分别是30°C和156°C，在III-V族材料分子束外延生长过程中，衬底温度约400-550°C，因此，Ga和In在分子束外延过程中为液态，能够为衬底提供良好的热接触，并且非刚性的夹固衬底的方式能够很好的减少分子束外延薄膜生长过程中引入的应变和产生的位错。

然而，当对InAs，GaSb，AlSb等6.1Å材料体系的材料进行加工时，采用上述固定方式和样品支架，存在下列问题：对于InAs，GaSb，AlSb等6.1Å材料体系，GaSb是常用的晶格匹配衬底。采用In粘固定会出现衬底软化，导致衬底表面形成曲面，影响外延材料质量。与In相比Ga的熔点更低，与GaSb不会形成合金，具有易清洗的优点。用Ga粘虽然可以完全避免GaSb衬底软化的问题，但是高温下Ga具有很高的反应活性，长时间在550-600°C下使用会导致钼托被逐渐腐蚀，使得钼托材质变脆，使用寿命降低。另外，Ga的浸润性较差，将Ga均匀的涂抹在钼托与衬底之间也很困难，衬底温度均匀性难以保证。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术中固定GaSb衬底的方法存在的易使衬底软化、衬底的温度均匀性不易保证的不足，提供分子束外延系统中GaSb衬底的安装固定方法及所用的样品架。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种分子束外延系统中固定GaSb衬底所用的样品架，包括筒体、钽片和压紧固定装置，所述筒体和压紧固定装置均为在超高真空下不挥发，不放出气体的材质，在筒体内表面设置有支撑结构，钽片设置在支撑结构上，压紧固定装置位于钽片上方将钽片固定在筒体内；

支撑结构为环状凸缘，所述压紧固定装置为卡簧，所述卡簧能卡紧固定在所述筒体内；

筒体的材质为钼，所述压紧固定装置的材质为钨；

支撑结构的下端与筒体的底部平齐；

筒体为圆筒，所述钽片为圆片，所述卡簧为圆形卡簧，卡簧处于自然状态时的外径大于筒体的内径，两端靠近后的外径小于筒体的内径。

一种分子束外延系统中固定GaSb衬底的方法，采用如下方法将GaSb衬底固定在钽片上：将Ga液先涂在中间材料上，再将中间材料与钽片面对面相接触，使二者间产生相互平行移动，使Ga液均匀涂在钽片上，再将GaSb衬底粘贴在钽片上，所述中间材料为在高温超高真空环境中不产生杂质和挥发气体的稳定的材质；

中间材料为硅片或砷化镓；

采用样品架固定GaSb衬底，将Ga均匀地涂抹在温度高于Ga的熔点的硅片上，然后，将安装有钽片的筒体放置在硅片上来回推动，直到Ga在钽片上均匀覆盖；

最后，将GaSb衬底贴于均匀覆盖Ga且加热到温度高于Ga的熔点的钽片上，通过来回推动GaSb衬底，直到将界面中的气泡完全赶出；

采用上述样品架固定所述GaSb衬底；

硅片和钽片的加热温度分别为50±5C°。

采用本发明的样品架，利用钽片作为中间材料与GaSb衬底直接接触，钽性质稳定，不易与GaSb衬底发生反应，也不易被Ga腐蚀，钽具有一定的延展性，硬度适中，因此，可避免高温下与GaSb衬底反应或被Ga腐蚀，超高真空不挥发，高温下不会放出气体，因此，不会带来杂质，钽片位于钼质的筒体上设置的支撑结构上，钽片被压紧固定装置固定在支撑结构上，可防止使用过程中钽片移动，能保证加热均匀性。钽片具有一定的硬度，可以很好地支撑衬底，不会变形，完美地巧妙地解决了现有技术钼托样品架存在的技术问题。

本发明中，通过卡簧固定钽片，通过卡簧的开口大小适应筒体内圆周表面的直径，固定钽片时，仅需拉近卡簧两端使其径向缩小，放入筒体内后卡簧两端在弹力作用下张开，通过张紧力自动固定在筒体内，实现固定，因此，使钽片的固定简单、易操作。

采用本发明方法固定GaSb衬底，先将Ga液涂在中间材料上，再通过中间材料将Ga液均匀涂在钽片上，巧妙地解决了Ga液浸润性较差、不易均匀的涂抹在钽片与GaSb衬底之间的难题，将GaSb衬底均匀、稳固的粘在了钽片上，最终解决了GaSb衬底温度均匀性问题，为实现高质量Sb化物材料的生长提供了基础。

附图说明

图1是本发明样品架实施例结构立体示意图。

图2为本发明样品架实施例结构主视图示意图。

图3本发明样品架中筒体上设置支撑结构示意图；

图4是本发明样品架筒体上设置另一实施例支撑结构示意图。

附图标记说明

1-筒体； 2-钽片； 3-压紧固定装置；

4-衬底；11 -支撑结构

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地描述：

上述技术问题给本领域带来了一定的困难，成为本领域无法克服的技术难点，为了解决上述技术问题，对采用In粘固定造成衬底软化的问题进行了深入的研究，我们利用Gen II型MBE系统，尝试了采用In粘和Ga粘方式将GaSb衬底固定在钼托盘上。通过580°C加热实验验证，In粘的GaSb衬底出现了软化现象，衬底正面形成微小的曲面。通过EDS测试发现，衬底的与In粘面相对的生长面存在In元素，表明GaSb与In形成了InGaSb合金。另外，通过XRD测试发现，衬底材料依旧为单晶，表明衬底的软化不是来自于In的侵蚀渗透。InSb的熔点为527°C，GaSb的熔点为712°C。550-600°C高温下，背面的In金属与GaSb互溶形成InGaSb合金，其中In含量越高，熔点越低。因此，In粘GaSb衬底在高温下形成低熔点的InGaSb合金是GaSb衬底软化的主要原因。

基于上述研究发现，本发明提供一种样品架，包括筒体1、钽片2和作为压紧固定装置3的卡簧，筒体的材质为钼，在筒体的内圆周表面设置支撑结构11，钽片2平放在支撑结构上，钽片与筒体的轴线最好垂直，卡簧位于钽片上方压在钽片上表面，卡簧的外侧与筒体内圆周表面卡紧连接、将钽片固定在支撑结构上。如图2所示，支撑结构可以采用环状凸缘，也可采用如图3所示的多个凸缘，凸缘间断地沿筒体的圆周分布，各凸缘的连线形成环状。最好，支撑结构的下端与筒体的底部平齐。还可以采用其它环状开口的弹性元件作为钽片的压紧固定装置，比如，开口的弹性环状片，只要环状片压入到筒内后变径收缩向外施加弹性力，利用弹性与筒体内表面卡紧即可。为防止带来杂质，优选压紧固定装置的材质为钨等不产生杂质和挥发气体的稳定的材质。当然，卡簧的直径要与筒体内表面直径相适应，在其自然状态下，也就是两端张开状态下卡簧外径大于筒体内径，在其两端拉近状态下，小于筒体的内径便于卡入到筒体内。还可采用压环，在压环的外侧圆周上设置弹珠，压环的直径小于筒体的内径，当弹珠外突时，弹珠顶端形成的圆周大于筒体内径，方便压环压入到筒体内。支撑结构与筒体可以一体式设置，也可分体式设置。当然，筒体的截面也可采用其它形状，如多边形、椭圆形等。与之相适应，钽片也可采用多边形、椭圆形。

本发明采用如下方法固定GaSb衬底：

通过压紧固定装置3将钽片固定在支撑结构上，使钽片稳固地位于筒体内。

采用Si片作为辅助涂抹装置，先将Ga均匀地涂抹在加热到温度高于Ga的熔点的硅片上；或者砷化镓等不产生杂质和挥发气体的稳定材质的平面上。50±5C°

然后将钽片与硅片表面与表面接触，来回推动钽片和/或硅片，使二者产生相对平行移动，直到Ga在钽片上均匀覆盖；最好预先将Si片加热到50±5C°。

再将GaSb衬底贴于均匀覆盖Ga且加热到温度高于Ga的熔点的钽片上，通过来回推动GaSb衬底和/或钽片，直到将二者界面中的气泡完全赶出。推GaSb衬底和/或钽片时要缓慢小心，防止Ga达到GaSb衬底的正面，影响外延生长质量。最好预先将Si片加热到50±5C°。

为操作方便，一般按下列方式固定GaSb衬底。预先将硅片固定好。首先，将Ga均匀地涂抹在加热到50±5°C的硅片上；

然后，将安装有钽片的样品架放置在硅片上使钽片与硅片面对面，来回推动样品架，直到Ga在钽片上均匀覆盖；

最后，将GaSb衬底贴于均匀覆盖Ga且加热到50±5°C的钽片上，通过来回推动GaSb衬底，直到二者间界面中的气泡完全赶出，此时从侧面看Ga液基本覆盖钽片。推GaSb要缓慢小心，防止Ga达到GaSb衬底的正面，影响外延生长质量。