CN103614704B - 一种前驱物流场控制棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢化物气相外延（HVPE）喷头设计，更具体地是提供了一种用于控制前驱物流场的控制棒。在一立式HVPE生长系统的前驱物通道中，所述控制棒包括始段圆环结构，中段实心圆柱体，末段控制端，所述三段同轴。所述圆环结构分为内外两侧，并包含复数个圆形通孔，所述复数个圆形通孔至少一个穿过圆环结构的内外两侧。该圆环结构外径与中段圆柱体直径相等；与中段圆柱体毗邻的末段控制端为圆锥、圆台、倒圆台或圆柱体结构中的一种，所述控制端与中段圆柱体相连处其直径相同。本发明提供的前驱物控制棒能使前驱物径向流场分布的均匀性最佳化，并扩展前驱物流场调控手段。

Description

一种前驱物流场控制棒

技术领域

本发明涉及氢化物气相外延（HVPE）沉积的喷头设计领域，特别是一种用于控制前驱物流场的控制棒。

背景技术

随着人们对发光二级管（LEDs）、激光二级管（LDs）、晶体管和集成电路的需求与日俱增，化学沉积效率与质量变得尤为重要。氢化物气相外延（HVPE）沉积法作为一种常用的Ⅲ族氮化物沉积方法，在HVPE生长系统中，卤化物与Ⅲ族金属反应生成前驱物之一诸如Ⅲ族卤化物，该前驱物随后与另一前驱物诸如含氮气体反应生成Ⅲ族氮化物。

在HVPE生长系统中，前驱物的流场分布对Ⅲ族氮化物的沉积效率与质量影响至关重要，然而，前驱物的流场分布往往决定于其进气结构，这就意味着喷头设计决定着整个生长系统的优劣性。在传统卧式HVPE生长系统中，衬底通常置于一与水平面呈一定角度的衬底支撑板上，喷头结构通常为一个以上水平或竖直方向的圆形喷嘴，该进气结构下的前驱物流场分布，无论在衬底的周向还是径向均分布不均匀；后来，随着研究的深入，出现了立式HVPE生长系统，在该系统中，衬底通常置于水平的衬底支撑板上，前驱物进气方向垂直衬底表面，前驱物进气喷头设计常为圆形或是同心圆环结构，更甚的是将至少一个圆形或同心圆环形喷头集成于一块挡板之上，形成气体分配板；在该生长系统的圆形喷头或是同心圆环喷头结构下，加之衬底随衬底支撑板的旋转运动，衬底周向前驱物流场分布均匀性有了相当大的改善；但是不可否认的是无论是圆形喷头还是同心圆环喷头等类似进气结构，共同存在一个问题便是该进气结构下流场径向分布不均匀，例如同心圆环喷头的径向流场特点为圆环中间区域高、两侧低，相互交替，呈波浪状；圆形喷头的径向流场特征为圆心处高、外围低，呈正态分布。通过数值模拟研究发现：在倒置支撑HVPE系统中，衬底上前驱物流场分布不均匀性在一定程度上得到缓解，但还没从根本上解决问题。另外，现阶段对于前驱物流场调节的手段过于单一，通常仅通过操作参数来调节，比如流量。

因此，为了改善前驱物流场在衬底上的径向分布不均匀性，并最终实现Ⅲ族氮化物高效率、高质量地沉积，以及扩展前驱物流场调节的方式与手段，存在改进前驱物进气装置的技术需求。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种用于控制前驱物流场的控制棒，主要用于控制前驱物气体流动趋势及分布规律，所述控制棒的提出使得前驱物流场在衬底表面径向分布更加均匀，最终有利于衬底上Ⅲ族氮化物生长厚度一致化。

所述前驱物之一可由HCl与液态金属Ga合成，如GaCl。

所述前驱物也可为含氮气体，如NH3。

所述Ⅲ族氮化物可由前驱物Ⅲ族卤化物与另一前驱物含氮气体反应生成，如GaN。

为达到上述目的，在悬挂立式HVPE系统中，所述前驱物的控制棒主要由三部分组成，其分别为始段圆环结构、中段圆柱体和末段控制端。

具体地说：在悬挂立式HVPE生长系统的前驱物通道中设计了一种控制棒，所述控制棒分为上、中、下三段，其始段（即上段）为圆环结构，中段为实心圆柱体，末段（即下段）为控制端。所述圆环结构分为内外两侧，且包含复数个圆形通孔，该复数个通孔至少一通孔穿过圆环内外两侧，所述圆环结构上至少一圆形通孔开孔方向为圆环半径方向，所述复数个圆形通孔至少一个为等直径通孔，其数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。该始段圆环结构与中段圆柱体同轴等直径，即始段圆环结构的外径与中段圆柱体直径相等，所述中段圆柱体长度根据前驱物通道的高度设计。所述前驱物流场控制棒末段控制端为圆锥结构，该圆锥与控制棒上、中两段同轴，圆锥底圆直径与中段圆柱体直径等同，圆锥高度为圆锥底圆直径的1~2倍，圆锥角度范围为15°~60°。前驱物通道外壁内侧始段设置有导流板，所述导流板为矩形导流板，相邻导流板之间形成导流槽，所述导流槽与控制棒始段圆形通孔位置相对应，前驱物通道末段为裙体扩展端，其高度与扩展角度依衬底尺寸大小而定。

作为上述方案的一种改进，在悬挂立式HVPE系统中，所述前驱物控制棒包括始段圆环结构，中段圆柱体，末段控制端。所述圆环结构外侧设置有复数个径向通孔，其数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。该始段圆环结构与中段圆柱体同轴，并且外径相等，所述前驱物流场控制棒的末段控制端与中段圆柱体相连，所述控制端为圆柱、圆台或倒圆台控制端中的一种。

作为上述方案的另一种改进，本发明提供的控制棒位于悬挂立式HVPE生长系统的前驱物通道中，所述控制棒由三段组成：其始段为圆环结构，中段为实心圆柱体，末段为控制端。所述圆环结构分为内外两侧，且包含复数个圆形通孔，该复数个通孔至少一通孔穿过圆环内外两侧，所述圆环结构上至少一圆形通孔开孔方向为圆环外切线方向，所述复数个圆形通孔至少一个为等直径通孔，其数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。所述中段圆柱体与始段圆环结构同轴且外径相等，前驱物流场控制棒末段为圆锥、圆柱、圆台或倒圆台控制端中的一种，该控制端始、中两段同轴，控制端与中段圆柱体相连部其直径等同，前驱物通道外壁内侧设置有导流板，所述导流板为螺旋向下结构。

本发明的前驱物流场控制棒，既可以用于悬挂立式HVPE系统，也可以应用于倒置支撑HVPE系统。所述倒置支撑系HVPE系统，即衬底位于系统的上部，前驱物气体通过生长系统底端输入。

具体地说，在倒置支撑HVPE生长系统中，前驱物通道中设计的流场控制棒分为上、中、下三段，其末段（即上段）为控制端，中段为实心圆柱体，始段（即下段）为圆环结构，所述三段同轴。所述圆环结构分为内外两侧，且包含复数个圆形通孔，该复数个通孔至少一通孔穿过圆环内外两侧，所述圆环结构上至少一圆形通孔开孔方向为圆环半径方向，所述复数个圆形通孔至少一个为等直径通孔，其数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。与所述始段圆环结构相连的中段为圆柱体，该圆柱体与始段圆环结构直径相等。前驱物流场控制棒末段为圆锥、圆柱、圆台或倒圆台中的一种，所述控制端与中段圆柱体相连处其直径相等。前驱物通道外壁内侧始段设置有导流板，所述导流板为矩形导流板，相邻导流板之间形成导流槽，所述导流槽与控制棒始段圆形通孔位置相对应，前驱物通道末段为裙体逐渐扩展端，其高度与扩展角度依衬底尺寸大小而定。

本发明前驱物流场的控制棒，其特征还在于：

所述前驱物流场控制棒工作环境温度为800k-1300k；

所述前驱物流场控制棒材质为高纯度石英，且石英结构表面极度光滑。

本发明的有益之处在于：通过前驱物流场物控制棒的设计，有效地控制前驱物气体的流动趋势及分布规律，克服常用圆形或同心圆环进气结构存在的流场径向分布不均的缺点，为随后Ⅲ族氮化物的高效沉积及生长厚度的一致化营造最佳的流场环境。同时，通过前驱物流场控制棒控制端的设计，扩展了前驱物流场调节的方式与手段。

附图说明

图1所示为本发明提供的悬挂立式HVPE系统中具有圆锥体控制端的前驱物控制棒结构剖面图，其中图A-A是指A-A方向剖面图；

图2所示为本发明提供的悬挂或立式HVPE系统中前驱物通道结构示意图，其中图B-B是指B-B方向剖面图；

图3所示为本发明提供的悬挂立式HVPE系统中前驱物流场控制棒结构示意图。

图3中（a）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为圆柱体；

图3中（b）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为圆锥体；

图3中（c）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为圆台；

图3中（d）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为倒圆台。

图4所示为本发明提供的倒置支撑HVPE系统中具有圆锥体控制端的前驱物控制棒结构剖面图,其中图C-C是指C-C方向剖面图。

图5所示为本发明提供的倒置支撑HVPE系统中前驱物通道结构示意图,其中图D-D是指D-D方向剖面图。

图6所示为本发明提供的倒置支撑HVPE系统中前驱物流场控制棒结构示意图。

图6中（a）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为圆柱体；

图6中（b）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为圆锥体；

图6中（c）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为圆台；

图6中（d）所示的前驱物流场控制棒，其控制端为倒圆台。

为了便于理解，已使用相同标号来标示在各图中通用的相同组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，结合附图，对本发明作进一步详细说明：

图1、图4分别为本发明提供的悬挂立式、倒置支撑HVPE系统中前驱物流场控制棒结构示意图。前驱物控制棒主要包括三部分：其始段为圆环结构101、中段为圆柱体102、末段为控制端103。

实施例一

在悬挂立式HVPE系统中，前驱物气体105由源气体供气系统终端进入前驱物流场控制棒始段的圆环结构101，如图2所示，所述圆环结构101外围设置有复数个规律排布的圆形通孔106，该复数个通孔106中至少一个开孔方向为圆环半径方向，以便前驱物气体105均匀的从控制棒中分配开来，进入前驱物通道107，所述复数个圆形通孔106至少一个为等直径通孔，其数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。所述通道107顶端外壁与控制棒始段圆环结构101顶端外围连成封闭体，以防前驱物气体105泄漏。

在该前驱物通道外壁107内侧设置有一定数量的导流板108，所述导流板108为矩形导流板；相邻导流板108之间形成导流槽109，该导流槽109与所述控制棒始段圆环结构101壁上规则排列的圆形通孔106位置相对应，所以导流槽109能很好的引导前驱物气体105均匀地往下流动。

所述前驱物通道外壁104末段为裙体逐渐扩张结构，根据衬底大小来决定该结构的几何形状及尺寸特征，包括结构的角度与高度，扩展前驱物均匀分布的有效面积，裙体角度变换范围为15°~60°。

如图2所示，所述前驱物流场控制棒始段圆环结构101与中段圆柱体102相连，二者同轴等直径，即始段圆环101外径与中段圆柱体102直径相等；与中段圆柱体102相连的控制端103为圆锥控制端，所述圆锥控制端103与上述上、中两段同轴，且圆锥控制端103的底圆直径与圆柱体102直径一致，该圆锥控制端103的高度为其底圆直径的1~2倍，圆锥角度变化范围为15°~60°。

根据材料生长对前驱物流场的需要，前驱物流场控制棒结合前驱物通道共同控制前驱物的流场分布，克服流场径向分布不均的缺点，最终为生长厚度一致的Ⅲ族氮化物材料营造最佳的流场环境。

实施例二

在此实施例中，如图1所示，在悬挂立式HVPE系统中，所述前驱物控制棒由三部分组成，其分别为始段圆环结构101，中段圆柱体102，末段控制端103。前驱物气体105由源气体供气系统终端进入前驱物流场控制棒始段的圆环结构101，如图2所示，所述圆环结构101外围径向设置有复数个规律排布的径向圆形通孔106，以便前驱物气体105均匀的从控制棒中分配开来，进入前驱物通道107；所述通道107顶端封闭，以防前驱物气体105泄漏。

在该前驱物通道外壁107内侧设置有一定数量的矩形导流板108，如图2所示；相邻导流板108之间形成导流槽109，该导流槽109能很好的引导前驱物气体105均匀地往下流动。

如图3所示，所述前驱物流场控制棒始段圆环结构101与中段圆柱体102相连，二者同轴等直径；与中段圆柱体102相连的控制端103为圆柱、圆台或倒圆台中的一种，如图3中（a）、（c）、（d）所示。所述控制端103与前驱物控制棒上、中两段同轴，该控制端103与中段圆柱体102相连处其直径一致。根据生长材料对前驱物流场的需要，前驱物流场控制棒的提出明显改善了前驱物在衬底上径向分布的均匀性，最终优化材料生长的最佳流场。

实施例三

在此实施例中，本发明提供的前驱物流场控制棒位于悬挂立式HVPE系统中，如图1所示，所述前驱物控制棒主要包括三部分：其始段为圆环结构101、中段为圆柱体102、末段为控制端103。如图2所示，前驱物气体105由源气体供气系统终端进入前驱物流场控制棒始段的圆环结构101，所述圆环结构101外围设置有复数个规律排布的圆形通孔106，该复数个通孔106中至少一个开孔方向为圆环外围切向方向，所述复数个通孔106中至少一个为等直径通孔，其数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。

在与圆形通孔106位置相对应的前驱物通道107外壁内侧始段设置有导流板108，所述导流板108为螺旋向下结构；前驱物气体105流经前驱物控制棒始段圆环结构101的圆形通孔106，再通过螺旋导流板108的导流作用，形成旋流，该旋流再经过前驱物通道107外壁末段的裙体扩展端的扩散与缓冲，使得所述旋流延伸至衬底表面，所述衬底位于裙体扩展端的正下方，该结构在一定程度上减少衬底对旋转动力装置的需求。

如图3所示，所述前驱物流场控制棒始段圆环结构101与中段圆柱体102同轴等直径，即始段圆环101外径与中段圆柱体102直径相等；中段圆柱体102高度依前驱物通道107高度而定；与中段圆柱体102相连的控制端103为圆锥、圆柱、圆台或倒圆台中的一种，如图3中（a）、（d）、（c）、（d）所示控制端。所述控制端103与上述上、中两段同轴，且控制端103底圆直径与圆柱体102直径一致。

根据材料生长对流场需求，前驱物流场控制棒结合前驱物通道107共同控制前驱物的流场分布，克服流场径向分布不均的缺点，最终为生长厚度一致的Ⅲ族氮化物材料营造最佳的流场环境。

实施例四

在此实施例中，本发明提供的前驱物流场控制棒位于倒置支撑HVPE系统中，如图4所示，所述前驱物控制棒主要包括三部分：其始段为圆环结构101、中段为圆柱体102、末段为控制端103。如图5所示，前驱物气体105由源气体供气系统终端进入前驱物流场控制棒始段的圆环结构101，所述圆环结构101外围径向设置有复数个规律排布的圆形通孔106，该复数个通孔106中至少一个开孔方向为圆环半径方向，以便前驱物气体105均匀的从控制棒中分配开来，进入前驱物通道107，所述复数个通孔106中至少一个为等直径通孔，其数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。所述通道107始段外壁与控制棒始段圆环结构101末端连成封闭体，以防前驱物气体105泄露。

在该前驱物通道外壁107内侧设置有一定数量的导流板108，所述导流板108为矩形导流板，如图5所示；相邻导流板108之间形成导流槽109，该导流槽109与上述控制棒始段圆环结构101壁上规则排列的圆形通孔106位置相对应，所以导流槽109能很好的引导前驱物气体105均匀地往上流动。

如图5所示，所述前驱物通道外壁104末段为裙体扩展结构，根据衬底大小决定该结构的几何形状及尺寸特征，包括结构的角度与高度，扩展前驱物均匀分布的有效面积，裙体角度变换范围为15°~60°；如图6所示，所述前驱物流场控制棒始段圆环结构101与中段圆柱体102同轴等直径，即始段圆环101外径与中段圆柱体102直径相等；与中段圆柱体102相连的控制端103为圆锥、圆柱、圆台或倒圆台中的一种，如图6中（a）、（b）、（c）、（d）所示控制端，所述控制端103与所述始、中两段同轴，且控制端101圆锥的底圆直径与圆柱体102直径一致。

根据材料生长对流场需求，前驱物流场控制棒结合前驱物通道107共同控制前驱物的流场分布，克服流场径向分布不均的缺点，最终为生长厚度一致的Ⅲ族氮化物材料营造最佳的流场环境。

需要进一步说明的是，在以上实施例一、二、三、四中，所述前驱物流场控制棒，其材质可以采用高纯度石英；所述前驱物流场控制棒，其工作环境温度为800k~1300k。

以上所述均仅为本发明的几个具体实施例，所以并不能用以限制本发明专利范围。应当指出的是，对于本领域的技术，凡在不脱离本发明的构思的前提下，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种前驱物流场控制棒，其特征在于，所述控制棒包括三部分：其始段为圆环结构，中段为圆柱实体，末段为控制端，所述三段同轴；所述圆环结构分为内外两侧，且包含复数个圆形通孔，该复数个通孔至少一通孔穿过圆环内外两侧为等直径通孔，所述控制棒圆环结构上至少一圆形通孔开孔方向为圆环半径或圆环外围切线方向；所述前驱物控制棒外围为前驱物通道，即控制棒位于悬挂立式HVPE系统或倒置支撑HVPE系统的前驱物通道中，所述前驱物通道外壁内侧始段设置有导流板，其末段为裙体逐渐扩展结构；所述前驱物由HCl与液态金属Ga合成；所述前驱物中的一种为含氮气体。

2.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，所述控制棒圆环结构上圆形通孔数量与孔径大小决定于前驱物流量的大小。

3.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，所述控制棒外围前驱物通道外壁始段设置有导流板，该导流板为矩形或螺旋结构，具体形状主要取决于圆环结构上圆形通孔开孔方向。

4.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，所述控制棒外围前驱物通道末段为裙体逐渐扩展端，裙体角度为15°～60°。

5.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，所述控制棒的控制端为圆锥结构，圆锥角度为15°～60°，圆锥高度为其底圆直径的1～2倍。

6.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征还在于，所述控制棒的控制端为圆柱、圆台或倒圆台中的一种。

7.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，所述始段圆环结构外围直径与中段圆柱体直径一致。

8.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，所述末段控制端与中段圆柱体相连部的直径一致。

9.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，所述控制棒工作环境温度为800k～1300k。

10.根据权利要求1所述的前驱物流场控制棒，其特征在于，其材质采用高纯度石英。