CN102127808A - 一种半导体生长设备独立的金属源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮化镓基材料生长所需要的金属源气体，利用金属的三氯化物作为源材料，通过载气输运并混合反应得到所需的源气体。本发明将一定量金属的三氯化物放置于石英腔加热，并以氢气、氮气、惰性气体或者它们的混合气体作为载气，调节载气的流量即可获得需要的三氯化物流量，转化气体后输运至材料生长系统，生长氮化镓基半导体材料。本发明的外置的金属源系统可以减小半导体生长系统的反应室体积，获得均匀的流场以及温场分布，降低了设备的设计与维护成本。

Description

一种半导体生长设备独立的金属源系统

技术领域

本发明涉及金属有机物化学气相淀积(MOCVD)以及氢化物气相外延(HVPE)生长设备技术领域，具体涉及一种独立的源气体制备、输运系统，可用于生长氮化镓基(GaN、AlGaN、InGaN以及四元合金材料)材料。

背景技术

氮化镓基材料(GaN、AlGaN、InGaN以及四元合金材料)具有宽的直接带隙、高的热导率、化学稳定性好等性质，广泛地应用于微电子器件和光电子器件，如用于照明或背光源的半导体发光二极管(LED)，用于信息存储和激光打印的蓝紫光激光器(LD)以及紫外(UV)探测器和高频高功率的晶体管等，对氮化镓基器件的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。

目前氮化镓基半导体器件发展的最大障碍是缺少高质量的同质衬底，现有的氮化镓基半导体发光二极管和激光器大多是在蓝宝石衬底上制备的，由于晶格失配和热膨胀系数不同，造成器件中存在开裂、翘曲以及位错密度较高等问题，严重地影响了器件的性能和寿命，因此制备高质量的氮化镓(GaN)同质衬底是目前亟待解决的问题。制备GaN材料的方法有很多，比如氢化物气相外延HVPE、金属有机物化学气相淀积MOCVD、分子束外延MBE、升华法以及高温高压法，但是这些方法都存在一定的缺点，不能达到商业化的要求。目前主流的方法是在异质衬底(蓝宝石、氧化锌或者碳化硅)上通过气相外延获得GaN厚膜，再利用激光剥离或者化学机械抛光等手段出去异质衬底，从而得到GaN的单晶材料。

对于GaN基材料生长设备，比如常规的HVPE系统结构中，将金属源材料(如Ga、In或者Al)内置于反应腔体内，在一定温度下(850℃左右)利用金属与氯化氢(HCl)反应得到金属的氯化物作为反应的前驱体，这种结构设计会造成反应室的结构复杂，并且难于实现对温场、流场的精确控制。本发明提供外置的金属源气体制备系统，源气体的外置可以改进传统生长设备如HVPE系统，简化反应室结构，得到均匀的温场分布和平缓的气体流场。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种氮化镓基材料(GaN、AlGaN、InGaN以及四元合金材料)生长所需要的金属源气体，在本发明中利用金属的三氯化物(GaCl₃、InCl₃或者AlCl₃)作为源材料，通过载气携带一定量的金属三氯化物在高温下与足量氢气反应得到反应所需的源气体(GaCl、InCl或者AlCl)。

为达上述目的，本发明的一种半导体生长设备独立的金属源系统，采用以下的技术方案：

一种半导体生长设备独立的金属源系统，由气体输运系统和两级加热炉构成，其特征在于，所述系统工艺方法包括如下步骤：

①、预热气体管道(A气路、B气路)以及石英腔，典型参数是A加热带温度：80～600℃，B加热带温度：500～1000℃，C加热带温度：500～1000℃，一级石英腔加热丝温度：80～600℃，二级石英腔加热丝温度：500～1000℃，用此典型温度预热30分钟；

②、将一定量金属的氯化物如三氯化镓(GaCl₃)放置于一级石英器皿中，加热一级石英器皿至一定温度(80～600℃)，使其中的氯化物(如GaCl₃)处于熔融状态；

③、打开连接到A气路的氮气和氢气，打开气动阀，使其进入一级石英腔作为载气，典型的流量是氮气：0～1000sccm、氢气：0～1000sccm，以氢气、氮气、惰性气体或者三者的混合气体作为载气，压力控制器用来稳定石英腔内气体压力位设定值，典型的压力设置为：500～1500Torr，保持一级石英器皿恒温恒压，一定的温度下熔融的氯化物(如GaCl₃)具有固定的饱和蒸汽压，载气的流量与所携带出的GaCl₃流量存在一个确定的比例关系，打开连接至B气路的氮气和氢气，此路气体作为补足载气，用于平衡反应室内的气流，B气路的气体典型流量是氮气：0～5000sccm、氢气：0～5000sccm，调节载气的流量即可获得需要的GaCl₃流量，以氢气、氮气、惰性气体或者三者的混合气体作为载气，载气通过熔融的GaCl₃后带出一定量的GaCl₃气体；

④、在载气携带下的GaCl₃被输运至二级石英腔，在高温下GaCl₃与足量氢气混合后反应，完全转化为外延生长所需要的GaCl源气体后输运至外延生长系统的反应室，持续的金属源气体在载气的携带下进入半导体材料生长设备；

⑤、材料生长结束后，关闭连接至A气路的氮气和氢气、关闭气动阀、关闭加热炉和关闭A加热带，打开B加热带和C加热带，典型的温度设置为是B加热带：500～1000℃，C加热带：500～1000℃，打开连接至B气路的氮气和氯化氢气体，高温下利用氯化氢(HCl)气体对输运管道进行刻蚀，防止金属源材料沉积在气路管道内。

本发明的有益效果：外置的金属源系统可以减小半导体生长系统的反应室体积，获得均匀的流场以及温场分布，利用加热炉上部的一级石英腔获得稳定金属三氯化物气体，输运至加热炉下部的二级石英腔后，在挡板区域与载气中足量的氢气完全混合反应后完全转化为金属一氯化物，高温下稳定的金属一氯化物进入反应室参加反应，从而可以实现商业化运行时，由一套金属源气体系统集中供应所有半导体生长设备所需要的源气体，降低了设备的设计与维护成本。

附图说明

图1所示为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。

图中相关结构主要包括以下装置(或零部件)：整体系统由两部分构成，包括由气动阀10、质量流量计、压力表、调压阀、A气路11、B气路12和A加热带1、B加热带2、C加热带3组成的气路输运系统，以及由电热丝4、保温砖5、石英挡板6、石英腔7、压力控制器8、金属源材料9组成的金属源气体制备系统。氢气、氮气、氯化氢气体的进气管道上依次设置调压阀、压力表、质量流量计、气动阀，氢气、氮气、氯化氢气体的混合气体经过B气路12连通B加热带2；氮气和氢气的混合气体经过A气路11连通A加热带1，然后进入石英腔7。石英腔7内装载金属源材料9，石英腔7外壁设有加热的电热丝4，电热丝4外侧设有保温砖5，石英腔7下面设有石英挡板6。

图1描述了本发明的一种金属源系统设计图，该系统由气体输运系统和两级加热炉构成，可以为III～IV族半导体材料生长设备如HVPE或者MOCVD提供金属源气体。应当注意到，附图仅仅给出了本发明的示范性实施方式，因此并不认为其限制了本发明的范围，而是本发明允许其它同样有效地实施方式。

本发明的原理：将一定量金属的三氯化物如GaCl₃放置于一级石英腔中，加热石英腔7至一定温度使其中的GaCl₃处于熔融状态，并以氢气、氮气、惰性气体或者三者的混合气体作为载气，利用确定的温度下熔融GaCl₃具有固定的饱和蒸汽压，保持石英器皿中恒温恒压，从而载气的流量与所携带出的GaCl₃流量存在一个确定的比例关系：

$f_{{\mathrm{GaCl}}_3}\≈\frac{P_{{\mathrm{GaCl}}_3}}{P_{\mathrm{Total}}}\×f_{\mathrm{CarryGas}}$

上式中的f_GaCl3是GaCl₃的流量，f_CarryGas是载气的流量，P_GaCl3是一定温度下GaCl₃的饱和蒸汽压，P_Total是石英腔中的压力，因此在固定石英腔内的温度与压力之后，调节载气的流量即可获得需要的GaCl₃流量。载气携带的GaCl₃被输运至二级石英腔体，在高温条件下GaCl₃与足量氢气在充分混合反应：

GaCl₃+H₂→GaCl+2HCl

从而将GaCl₃完全转化为GaCl气体后输运至材料生长系统，生长氮化镓基半导体材料。

本发明的半导体设备的独立金属源系统如图1所示，主要由气路输运系统和金属源气体制备系统两部分组成，采用加热源材料并用载气输运至反应室的方法获取反应所需要的金属源气体。其主要步骤如下：

1、预热气体管道(A气路11、B气路12)以及石英腔7，典型参数是A加热带1温度：80～600℃，B加热带2温度：500～1000℃，C加热带3温度：500～1000℃，一级石英腔加热丝温度：80～600℃，二级石英腔加热丝温度：500～1000℃，用此典型温度预热30分钟；

2、打开连接到A气路11的氮气和氢气，打开气动阀10，使其进入一级石英腔作为载气，典型的流量是氮气：0～1000sccm、氢气：0～1000sccm，压力控制器8用来稳定石英腔内气体压力位设定值，典型的压力设置为：500～1500Torr，打开连接至B气路12的氮气和氢气，此路气体作为补足载气，用于平衡反应室内的气流，B气路12的气体典型流量是氮气：0～5000sccm、氢气：0～5000sccm，持续的金属源气体在载气的携带下进入半导体材料生长设备；

3、材料生长结束后，关闭连接至A气路11的氮气和氢气、关闭气动阀10、关闭加热炉和关闭A加热带1，打开B加热带2和C加热带3，典型的温度设置为是B加热带2：500～1000℃，C加热带3：500～1000℃打开连接至B气路12的氮气和氯化氢气体，高温下氯化氢HCl气体对输运管道进行刻蚀，防止金属源材料沉积在气路管道内。

实施例一：

在一级石英腔7内放置粉末状固体三氯化镓300克，设置A加热带1温度为85℃，B加热带2温度为750℃，C加热带3温度为750℃，一级石英腔的电热丝4温度为85℃，二级石英腔的温度为900℃，预热30分钟。预热完成之后，打开气动阀10，打开连接至A气路11的氮气和氢气，流量设置氮气：50sccm、氢气：1000sccm，打开连接至B气路12的氮气和氢气，流量设置氮气：950sccm、氢气：100sccm，压力控制器8设置为1000Torr，保持加热带和加热炉的温度设置。正常生长完成之后，关闭A加热带1，关闭加热炉的电热丝4，关闭启动阀10，关闭连接到A气路11的氮气和氢气，打开连接至B气路12的氮气和氯化氢，流量设置氮气：500sccm，氯化氢HCl：100sccm，B加热带2温度设置为600℃，C加热带3温度设置为600℃，高温下对管道刻蚀30分钟。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种半导体生长设备独立的金属源系统，由气体输运系统和两级加热炉构成，其特征在于，所述系统工艺方法包括如下步骤：

①、预热气体管道以及石英腔(7)，参数是A加热带(1)温度：80～600℃，B加热带(2)温度：500～1000℃，C加热带(3)温度：500～1000℃，一级石英腔加热丝温度：80～600℃，二级石英腔加热丝温度：500～1000℃，用此典型温度预热30分钟；

②、将一定量金属的氯化物放置于一级石英器皿中，加热一级石英器皿至温度：80～100℃，使其中的氯化物处于熔融状态；

③、打开连接到A气路(11)的氮气和氢气，打开气动阀(10)，使其进入一级石英腔作为载气，流量是氮气：0～1000sccm、氢气：0～1000sccm，以氢气、氮气、惰性气体或者三者的混合气体作为载气，压力控制器(8)用来稳定石英腔内气体压力位设定值，压力设置为：500～1500Torr，保持一级石英器皿恒温恒压，一定的温度下熔融的氯化物具有固定的饱和蒸汽压，打开连接至B气路(12)的氮气和氢气，此路气体作为补足载气，用于平衡反应室内的气流，B气路(12)的气体流量是氮气：0～5000sccm、氢气：0～5000sccm，调节载气的流量即可获得需要的氯化物流量，以氢气、氮气、惰性气体或者三者的混合气体作为载气，载气通过熔融的氯化物后带出一定量的氯化物气体；

④、在载气携带下的氯化物被输运至二级石英腔，在高温下氯化物与足量氢气混合后反应，完全转化为外延生长所需要的氯化物源气体后输运至外延生长系统的反应室，持续的金属源气体在载气的携带下进入半导体材料生长设备；

⑤、材料生长结束后，关闭连接至A气路(11)的氮气和氢气，关闭气动阀(10)、关闭加热炉和关闭A加热带(1)，打开B加热带(2)和C加热带(3)，温度设置为是B加热带(2)：500～1000℃，C加热带(3)：500～1000℃，打开连接至B气路(12)的氮气和氯化氢气体，高温下利用氯化氢气体对输运管道进行刻蚀，防止金属源材料沉积在气路管道内。

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