CN103668446A - 一种可控前驱物通道 - 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可控前驱物通道。所述通道位于悬挂立式或倒置支撑HVPE系统中，该通道包括前驱物进气口、通道顶部固定端、中心控制棒及通道外壁。所述进气口位于通道顶部与通道外壁顶端之间；所示通道顶部内嵌有一竖直螺柱；所述通道中心位置为控制棒，该控制棒分为上、下两段，上段为顶端带内螺纹套孔的圆柱体，下段为圆锥、圆台、倒圆台或圆柱控制端中的一种；所述通道外壁至少包括直径不相同的两个及以上圆筒，其中第一圆筒直径小于第二圆筒直径，两圆筒之间为过渡段，第二圆筒与裙体扩展段的一端相连。本发明提供的可控前驱物通道能使前驱物在衬底表面的径向分布最佳化，同时扩展前驱物流场调控手段。

Description

一种可控前驱物通道

技术领域

本发明涉及一种在气相沉积生长室中用于控制前驱物的通道及方法。

背景技术

近几年来，Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料成为国际上倍受关注的新型半导体材料，在制造与开发各种半导体器件中尤为重要，例如发光二级管（LEDs）、激光二级管（LDs）、晶体管和集成电路的电子器件。以氮化镓为代表的Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料相比于传统的半导体材料，具有带隙宽、化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀，GaN基器件具有抗辐射、高频和大功率的特点。其在汽车、航空、医疗、军事及普通照明方面的应用前景十分广泛。因此，Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料的研究和开发已成为半导体领域的一个热点。

目前，主要采用HVPE(Hydride vapor phase epitaxy，氢化物气相外延法)沉积方法制备Ⅲ-Ⅴ族薄膜，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，影响Ⅲ族氮化物的沉积效率与质量的直接或间接因素有很多，诸如温度、压强、流场、喷头结构、进排气方式等。而前驱物流场分布是决定Ⅲ族氮化物的沉积效率与质量的最直接因素，结构却往往决定流场的运动趋势。因此，喷头设计好坏直接影响整个生长系统性能的发挥。在传统水平卧式HVPE系统中，衬底支撑板通常与水平面呈一定角度，喷头结构通常为一个以上水平或竖直方向或介于两者之间的圆形喷嘴；随着研究的不断深入，出现了悬挂立式HVPE 系统和倒置支持HVPE系统，在该两种系统中，衬底通常置于水平的衬底支撑板上，对于小面积（<3片）衬底材料生长，前驱物进气喷头设计常为圆形或是同心圆环结构，前驱物进气方向垂直衬底表面；对于较大面积（>3片或大尺寸）衬底材料生长，前驱物进气结构通常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。对于圆形喷嘴，其前驱物通道为圆柱型流道；对于同心圆环形喷头结构，其前驱物通道为圆环型流道。无论是圆形喷嘴或是圆环行喷头结构，共同存在的问题是：在该喷头结构下，前驱物在衬底表面流场径向分布皆不均匀，比如，同心圆环喷头下的径向流场特点为圆环中间区域高、两侧低；圆形喷头下的径向流场特征为圆心处高、外围低，呈正态分布；所述二种均不利于衬底材料均匀地生长。

为了进一步提高前驱物流场在衬底径向分布的均匀性，并最终实现Ⅲ族氮化物高效率、高质量地沉积，需要对前驱物通道中的流场进行干预。因此，存在改进前驱物进气通道的技术需求。

发明内容

本发明提出一种气相沉积生长室中用于控制前驱物流场的可控通道，主要用于改善前驱物流场在衬底表面径向分布均匀性，以便在大面积衬底的材料生长中，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。

为了达到所述目的，本发明公开一种前驱物流场可控通道，置于悬挂立式HVPE系统或倒置支撑HVPE系统中，它由前驱物气体进口、通道外壁、通道中心控制棒和顶端固定端组成。具体地说，所述前驱物气体进气口，位于通道顶部固定端与通道外壁顶端之间，前驱物气体由通道顶部外围径向进入；所述前驱物通道外壁至少由两段组成，上段为等直径圆筒状，下段为裙体扩展段，其裙体高度与扩展角度依据衬底尺寸大小而定；所述控制棒位于通道中心，该控制棒分为上、下两段，所述控制棒的上段为圆柱体，其顶端中心位置设有内螺纹套孔，与螺柱的外螺纹吻合固定控制棒，所述控制棒的下段为圆锥，它与上段圆柱体同轴，其底圆直径与圆柱体直径相等，该圆锥高度为底圆直径的1~2倍，圆锥角度变化范围为15°～45°。所述顶端固定端由固定壁和螺柱的顶端构成，所述螺柱为双头螺柱，其一端固定于前驱物通道顶部固定壁，其身段带外螺纹与控制棒内螺纹进行螺柱连接。

根据衬料生长对前驱物流场的需要，可以更替具有不同形状控制端的控制棒，除了圆锥还可选择，如圆柱、圆台或倒圆台中的一种，也可以选择适合面积及相应工艺需要的裙体高度及扩展角度，以便形成最佳的前驱物可控通道及最佳化前驱物流场。

本发明一种前驱物流场可控通道，还可置于倒置支撑HVPE系统中, 所述倒置支撑HVPE系统，即衬底位于系统的上部，衬底表面朝下，前驱物气体通过生长系统底端输入。

本发明的优点在于，在传统的前驱物通道中引入具有不同形状控制端的控制棒，分别与不同结构的前驱物通道外壁共同形成一种可控的最佳前驱物通道，从而生成最佳的前驱物流场径向分布及最佳化前驱物流场，最终使得衬底材料生长厚度均匀。

附图说明

图1所示为本发明实施例中的前驱物通道结构示意图，其中图A-A是指A-A方向的剖面图。

图2所示为本发明实施例中的前驱物通道中心控制棒顶端与通道顶部螺柱外螺纹连接剖面图，其中图B-B是指B-B方向剖面图。

图3所示为本发明实施例中的前驱物通道中心具有不同控制端的控制棒结构示意图：

1.图3中（a）所示前驱物通道中的控制棒，其控制端为圆柱体；

2.图3中（b）所示前驱物通道中的控制棒，其控制端为圆锥体； 

3.图3中（c）所示前驱物通道中的控制棒，其控制端为圆台；

4.图3中（d）所示前驱物通道中的控制棒，其控制端为倒圆台。

图4所示为本发明实施例中一前驱物通道结构示意图。

图5所示为本发明另一实施例中一前驱物通道结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种可控前驱物通道，为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，现结合附图，对本发明作进一步详细说明：

图1、4、5分别为前驱物通道结构示意图，所述前驱物通道107包括通道外壁108、通道顶部固定端105、中心控制棒和前驱物进气口106；所述中心控制棒由上、下两段组成，其上段为圆柱体101，下段为控制端102。

实施例一

在一悬挂立式HVPE系统中，如图1所示，前驱物气体由源气体供气系统终端流经通道进气口106进入前驱物通道107；所述通道腔体外壁108由两段组成，上段为圆筒状，下段为裙体扩展段，裙体高度与扩展角度依衬底尺寸大小而定，所述上、下两段同轴，且相连处直径相等。所述通道107中心位置为一控制棒，该控制棒上段圆柱体101顶端中心位置带内螺纹套孔103，所述内螺纹103与螺柱104的外螺纹相吻合，如图2所示；所述螺柱104为双头螺柱，其一端与前驱物通道顶部固定壁105连在一起，而其身段带外螺纹与控制棒内螺纹103进行螺柱104连接；所述控制棒的上段为圆柱体101，其中心位置设有内螺纹套孔103，与螺柱104的外螺纹吻合固定控制棒，所述控制棒的下端控制端102为圆锥，它与上段圆柱体101同轴，并且圆锥102底圆直径与圆柱体101直径相等，该圆锥高度为其底圆直径的1~2倍，圆锥角变化范围为15°~45°，圆锥控制端102和前驱物通道外壁108共同形成可控通道，以控制前驱物在衬底表面的分布。所述衬底位于前驱物通道107正下方。

实施例二

在本实施例中，如图1所示，所述前驱物通道107位于一立式HVPE系统中，所述前驱物为含氮气体或Ⅲ族卤化物气体中的一种，该前驱物气体由进气口106进入前驱物通道107，所述进气口106位于通道顶部105与通道外壁108顶端之间，所述通道外壁108从上至下依次由圆筒和裙体扩展段组成，裙体上端直径与圆筒直径一致，裙体扩展角度由生长材料对前驱物扩散的有效面积需要而定。所述前驱物通道107中心为控制棒，该控制棒包括上段圆柱体101和下段控制端102，该圆柱体101顶端中心位置带内螺纹套孔103，所述内螺纹套孔103能很好的与通道顶部固定端105固定的螺柱104吻合，如图2所示，所述螺柱104为双头螺柱。所述控制棒下段控制端102为如图3中（a）、（c）、（d）所示的圆柱、圆台或倒圆台中的一种，所述控制端102的顶端与上段圆柱体101同轴等直径。所述通道外壁108和具有不同控制端102的控制棒形成不同的前驱物通道107，使前驱物流场最佳化。

实施例三

在本实施例中，如图4所示，在悬挂立式HVPE系统中，所述前驱物通道107包括前驱物进气口106、通道外壁108、通道中心控制棒和通道顶部固定端105。前驱物气体由源气体供气系统终端流经通道进气口106进入前驱物通道107；所述通道107中心位置为控制棒，该控制棒包括上、下两段，上段为圆柱体101，该圆柱体101顶端中心位置带内螺纹套孔103，所述内螺纹套孔103与螺柱104能很好的相接，如图2所示，该螺柱104固定于前驱物通道顶部固定端105；所述下段控制端102为圆锥、圆台、倒圆台或圆柱中的一种，分别如图3中（a）、（b）、（c）、（d）所示，该控制端102与上段圆柱体101同轴，且两段相连处直径相等。所述通道107外壁包括上、中、下三段，如图4所示，所述上段为圆筒，中段为过渡段，过渡段底圆直径大于顶圆直径，过渡段上端与其相连的上段圆筒同轴等直径；所述过渡段下端与裙体扩展段顶端相连，相接处二者直径相等。

实施例四

在本实施例中，如图5所示，前驱物通道107位于一悬挂立式HVPE系统中，该系统前驱物通道由前驱物进气口106、通道外壁108、中心控制棒和通道顶部105组成。所述前驱物进气口106位于通道顶部105与通道外壁108顶端之间，前驱物气体由进气口106进入前驱物通道107。所述通道外壁108包括第一圆筒、过渡段、第二圆筒和裙体扩展段，所述过渡段位于第一圆筒与第二圆筒之间，第二圆筒直径略大于第一圆筒直径；过渡段上端与第一圆筒底端相连，相连处二者直径相等，过渡段下端与第二圆筒顶端相连，相连处二者直径相等；与第二圆筒底端相连的为裙体扩展段，裙体扩展段顶圆直径与第二圆筒直径相等。所述通道107中心控制棒由上段圆柱体101与下段控制端102组成；所述圆柱体顶端中心位置带内螺纹套孔103，该套孔103与固定于顶端105的螺柱104能很好的吻合相接，如图2所示；与圆柱体101相连的控制端102为如图3中（a）、（b）、（c）、（d）所示的圆柱、圆锥、圆台、或倒圆台中的一种，所述控制棒上、下两段同轴，且相连处二者直径相等，所述控制棒与通道外壁108形成前驱物的可控通道，使前驱物流场分布最佳化。

需要进一步说明的是，在以上实施例一、二、三、四中，所述前驱物通道，其材质可以采用高纯度石英；所述前驱物通道，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)

1.一种氢化物气相外延（HVPE）喷头设计，特别是一种用于控制前驱物流场的通道设计，其特征在于，所述可控前驱物通道包括四部分，其分别为通道外壁、顶部固定端、前驱物进气口和中心控制棒，所述通道外壁分为上、下两段，上段为圆筒状，下段为裙体扩展段；所述前驱物通道顶部为固定端；所述控制棒由上、下两段组成，上段为圆柱体，该圆柱体顶端中心位置带内螺纹套孔，所述控制棒下段为控制端；               

所述前驱物可由HCl与液态金属Ga合成，如GaCl；

所述前驱物中的一种，其特征在于，该前驱物可为含氮气体，如NH3。

2.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，所述可控前驱物通道位于悬挂立式HVPE系统或倒置支撑HVPE系统中。

3.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，所述通道顶部固定端内嵌一竖直双头螺柱，该螺柱一端固定于顶部固定壁上，而螺柱身段带外螺纹，以便与不同控制棒进行螺柱连接。

4.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，该通道中心位置为一控制棒，该控制棒上段圆柱体顶端内螺纹套孔能与螺柱的外螺纹相吻合，所述控制棒下段控制端为圆锥、圆台、倒圆台或圆柱中的一种。

5.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，设置于该通道中心部的控制棒的上、下两段同轴，且相连处直径相等。

6.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，所述通道前驱物进气口位于顶部固定壁与通道外壁顶端之间，由外围径向进气。

7.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，所述通道外壁位于通道外围与通道径向相交；该通道上段为圆筒状，下段为裙体扩展段，中段为过渡段；该过渡段顶端与上段相连，相连处直径相等，过渡段下端与裙体顶端相连，且相连处直径一致。

8.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，所述通道外壁至少包括直径不同的两个及以上圆筒，其中第一圆筒直径小于第二圆筒直径，所述两圆筒之间通过过渡段相接，相接处直径相等，第二圆筒下段相连于裙体扩展段，其相连处直径相等。

9.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征在于，所述通道工作环境温度为800k~1300k。

10.根据权利要求1所述的可控前驱物通道，其特征还在于，其材质可采用高纯度石英。

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