CN108914202A - 一种可批量生产氮化镓的hvpe设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体材料技术领域，具体公开了一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，包括：气源室和生长室；气源室中设置有两条气体流入通道，两条气体流入通道的一端与气源室的上部连通，适于气体从气源室进入到生长室中并在生长室中混合；生长室的中部设置有主衬托盘以及布置在主衬托盘上的多个副衬托盘，副衬托盘用于放置衬底；其中，气体流入通道横向设置，主衬托盘的盘面水平放置，用于气体横向进入并与衬底竖向接触生长氮化镓。本发明通过分别设置横向气源室和竖向生长室，将资源气体的进气和氮化镓晶体的生长分开来，同时解决副衬托盘的数量以及资源气体不足的问题，进而实现了氮化镓晶体的大批量生产。

Description

一种可批量生产氮化镓的HVPE设备
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种可批量生产氮化镓的HVPE设备。
背景技术
GaN(含氮化镓的相关化合物：氮化铝、氮化铟、氮化镓铝、氮化镓铟等)是继硅和砷化镓后第三代半导体材料，是制作蓝光——紫外光波的发光器件(发光二极管和激光二极管)、探测器以及高温、高频、大功率电子器件的优良材料。氮化镓半导体效率是硅半导体效率的100-1000倍。此外，这种位错密度为5*106/cm2的氮化镓LED材料可以生产比传统LED效率高两倍的LED。
当前，氯化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)由于生产速率快，可以生产氮化镓，故是当前主流的氮化镓生产方法。但是如图1所示，传统的卧式HVPE设备中反应室水平放置的的，其反应室包括由卧式放置的石英管构成的资源区和放置衬底片1的生长区，其中，资源区中设置有多重以供不同气体通过的通道，多种气体在资源区的末端汇合，并于设置在凹陷生长区中与气体前进方向平行的衬底片1上反应生成氮化镓晶体；在该装置中，因需要保证石英管反应室内的反应温度，因此石英管的直径是有限的，在有限直径的石英管内衬底片1的尺寸和数量的增加也具有局限性，因此其广泛应用于研究而不适合大规模氮化镓的生产。最近，本领域也开发出了如图2所示的立式HVPE设备并开始用于研究或生产，在如图2所示，不同的反应气体从垂直于主托盘2盘面的管道中喷出并混合，进而在置于主托盘2上的副托盘3上反应生成氮化镓晶体；但是上述装置虽然增加了反应气体与副托盘3的接触面积，但是单一一组喷嘴设置的情况下，当底部衬片的尺寸增加时，气体的供应量无法完全覆盖所有的底部衬片，无法保证各衬片上氮化镓的均衡生长，而为了补偿气体的均匀性，需要使得主托盘2旋转且多个副托盘3自转以增强气流的均匀性。但是旋转副托盘3的现有方法如图3所示，是在通过在副托盘3上形成螺旋形式的气体流通通道进行气体的输入和输出，但是在使用时，由于气路容易堵塞或者气体控制难度较大，会造成主托盘2上的多个副托盘3的转速不一致，进而使得生长于副托盘3上的氮化镓晶体质量不一，因此，这种方法也无法实现均匀和高质量的氮化镓生长。
因此，针对以上不足，本发明急需提供一种可批量生产氮化镓的HVPE设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，以解决现有技术中氮化镓生产设备效率不高且产品合格率低的问题。
本发明提供了下述方案：
一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，包括气源室和生长室；所述气源室中设置有两条气体流入通道，两条所述气体流入通道的一端与所述气源室的上部连通，适于气体从所述气源室进入到所述生长室中并在所述生长室中混合；所述生长室的中部设置有主衬托盘以及布置在所述主衬托盘上的多个副衬托盘，所述副衬托盘用于放置衬底；
其中，所述气体流入通道横向设置，所述主衬托盘的盘面水平放置，用于气体横向进入并与所述衬底竖向接触生长氮化镓。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，还包括设置在所述生长室上方的喷气针孔束，所述喷气针孔束每个针孔包括第一喷气管针孔和第二喷气管针孔，所述第一喷气管针孔和所述第二喷气管针孔上部各对应连通一条气体流入通道，下部各针孔的延伸方向垂直于所述主衬托盘的盘面，其中
所述第一喷气管针孔的管径均大于所述第二喷气管针孔的管径，适于所述第二喷气管针孔对应穿插在所述第一喷气管针孔中，形成双壁结构的喷气针孔束。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，所述主衬托盘由第一驱动装置驱动沿第一方向旋转；所述副衬托盘与置于所述主衬托盘上的第二驱动装置连接，适于由第二驱动装置驱动沿第二方向旋转，所述第二方向与第一方向相反。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，所述主衬托盘通过其圆心处设置的旋转轴与所述第一驱动装置连接，所述旋转轴外套设有主齿轮，适于使所述主齿轮与所述旋转轴同步旋转；所述第二驱动装置为副齿轮，所述副齿轮固接在所述副衬托盘的下方，并与所述主齿轮相互啮合。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，还包括用于加热的加热器，所述加热器包括设置于所述气源室外侧适于气体预加热的第一加热器，和设置于所述生长室外侧适于保证反应温度的第二加热器。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，所述加热器还包括第三加热器，所述第三加热器平行设置于所述主衬托盘的下方，适于保证所述主衬托盘的温度。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，还包括冷却盘管和温度测试仪，所述冷却盘管和所述温度测试仪均设置于所述第三加热器的下方，适于检测和调整所述生长室的温度。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，所述喷气针孔束还包括与所述第一喷气管针孔连通的第一容腔以及与所述第二喷气管针孔连通的第二容腔，所述第一容腔与一条所述气体流入通道连通，所述所述第二容腔与另一条所述气体流入通道连通。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，所述气体流入通道设置有两个进气管。
如上所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，进一步优选为，生长室中还设置有围压进气管。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
本发明公开了一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，包括：
一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，包括气源室和生长室；所述气源室中设置有两条气体流入通道，两条所述气体流入通道的一端与所述气源室的上部连通，适于气体从所述气源室进入到所述生长室中并在所述生长室中混合；所述生长室的中部设置有主衬托盘以及布置在所述主衬托盘上的多个副衬托盘，所述副衬托盘用于放置衬底；其中，所述气体流入通道横向设置，所述主衬托盘的盘面水平放置，用于气体横向进入并与所述衬底竖向接触生长氮化镓。本发明通过分别设置横向气源室和竖向生长室，将资源气体的进气和氮化镓晶体的生长分开来，通过在生长室中设置多个副衬托盘解决传统卧式HVPE设备生产效率不高的问题，通过设置可扩充尺寸的横向气源室解决了传统立式HVPE设备中资源气体不足不能完全覆盖衬底片的问题，进而实现了氮化镓晶体的大批量生产。
附图说明
图1为现有技术中卧式氮化镓生产设备；
图2为现有技术中立式氮化镓生产设备；
图3为现有技术中立式氮化镓生产设备中主衬托盘和副衬托盘的结构；
图4为本发明中一种可批量生产氮化镓的HVPE设备的结构示意图；
图5为图4中主衬托盘、副衬托盘以及第一喷气管束和第二喷气管束的结构排列示意图；
图6为图4中主衬托盘、副衬托盘连接结构的分解示意图；
图7为图6中主齿轮和副齿轮的啮合传动示意图。
附图标记说明：
1-衬托盘，2-主托盘，3-副托盘，4-生长室，5-气源室，7-第一容腔，8-第二容腔，9-第一喷气管针孔，10-第二喷气管针孔，11-气体流入通道，13-舟皿，14-第一加热器，15-第二加热器，16-主衬托盘，17-副衬托盘，18-衬底，19-第三加热器，20-冷却盘管，21-温度测试仪，22-进气管，23-回收口回收口，24-盘管连接口，25-罩盖，26-主齿轮，27-副齿轮。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图4所示，本实施例公开了一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，包括气源室5和生长室4；气源室5中设置有两条气体流入通道11，两条气体流入通道11的一端与气源室5的上部连通，适于气体从气源室5进入到生长室4中并在生长室4中混合；生长室4的中部设置有主衬托盘16以及布置在主衬托盘16上的多个副衬托盘17，副衬托盘17用于放置衬底18；其中，气体流入通道11横向设置，主衬托盘16的盘面水平放置，用于气体横向进入转向与衬底18竖向接触生长氮化镓。上述装置中，用于进行氮化镓生长反应的两种气体分别通过两条横向设置的气体流入通道11进入生长室4中，并在生长室4中换向冲击混合向下流动，进而在放置于副衬托盘17上的具有氮化镓种子的衬底18上反应生成氮化镓。本实施例通过分别设置横向气源室5和竖向生长室4，将资源气体的进气和氮化镓晶体的生长分开来，通过在生长室4中设置多个副衬托盘17解决传统卧式HVPE设备生产效率不高的问题，通过设置可扩充尺寸的横向气源室5解决了传统立式HVPE设备中资源气体不足不能完全覆盖衬底18的问题，同时解决副衬托盘的数量以及资源气体不足的问题，进而实现了氮化镓晶体的大批量生产。
进一步的，在通入HCl气体的气体流入通道11中还设置有舟皿13，用于放置Ga，与通入的HCl气体反应生成氯化镓。
如图4、5所示，进一步的，在本实施例公开了一种可批量生产氮化镓的HVPE设备中，还包括还包括设置在生长室4上方的喷气针孔束，喷气针孔束的每个针孔包括第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10，第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10上部各对应连通一条气体流入通道，下部各针孔的延伸方向垂直于述主衬托盘16的盘面，其中第一喷气管针孔9的管径均大于第二喷气管针孔10的管径，适于第二喷气管针孔10对应穿插在第一喷气管针孔9中，形成双壁结构的喷气针孔束。上述装置中，喷气针孔束包括一组针孔，每个针孔又包括第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10，且因管径限定穿插到第一喷气管针孔9中的第二喷气管针孔10的末端与第一喷气管针孔9的末端平齐，即用于反应生成氮化镓晶体的GaCl气体和NH3分别通过两条气体流入通道11分别进入喷气针孔束中各针孔的的第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10中，经转向作用，在第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10的末端出口流出并充分混合，在生长室4中分布均匀，进而在放置有氮化镓种子的衬底18上反应结晶，实现大批量优质GaN晶体的生产。
如图4、5所示，进一步的，在上述实施例所公开的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备中，喷气束还包括与第一喷气管针孔9连通的第一容腔7以及与所述第二喷气管针孔10连通的第二容腔8，第一容腔7与一条气体流入通道11连通，第二容腔8与另一条所述气体流入通道11连通。本实施例中，进一步具体限定了喷气针孔束的结构，即包括第一容腔7、第二容腔8和分别与其一一对应连通的第一喷气管针孔9、第二喷气管针孔10，具体的，两块石英隔板上下平行设置将石英桶管分隔成密封的第一容腔7和第二容腔8，且第二容腔8位于第一容腔7的上方，第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10分别从下方密封连接在两块石英隔板上，其中第二喷气管针孔10穿过第一容腔7并穿插在第一喷气管针孔9中。氯化镓气体和氨气分别通过两条气体流入通道11进入到第一容腔7、第二容腔8中，并进一步通过第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10喷出，为氮化镓晶体的生成制造良好的条件。容腔的设置不仅为第一喷气管针孔9和第二喷气管针孔10提供了安装基体，同时还用于气体临时贮存，进而缓冲因流入气体流速等变化带来的反应室气体浓度变化，使氮化镓的生长条件始终如一，进而保障氮化镓的生产品质。
如图6、7所示，进一步的，在本实施例公开了一种可批量生产氮化镓的HVPE设备中，主衬托盘16由第一驱动装置驱动沿第一方向旋转；副衬托盘17与置于主衬托盘16上的第二驱动装置连接，适于由第二驱动装置驱动沿第二方向旋转，第二方向与第一方向相反。进一步的，主衬托盘16通过其圆心处设置的旋转轴与第一驱动装置连接，旋转轴外套设有主齿轮26，适于使主齿轮26与旋转轴同步旋转；第二驱动装置为副齿轮27，副齿轮27固接在副衬托盘17的下方，并与主齿轮26相互啮合。上述设置使得多个副衬托盘17成为主衬托盘16的行星盘，不仅能够跟随主衬托盘16转动，其自身还能够转动，且转动方向与主衬托盘16相反，且因副齿轮27的直径相同，多个副衬托盘17的转速也相同，而主齿轮26和副齿轮27的设置则用于实现这个传动方案。上述设置进一步促进置于副衬托盘17上的衬底18与反应气体的均匀接触，且接触程度基本相同，进而使得不同衬底18上生长的氮化镓晶体品质基本相同。
如图4所示，上述实施例中，主齿轮26和副齿轮27为石墨材料制成的石墨齿轮，且在旋转轴中还设置有抽气装置，在主衬托盘16上还设置有覆盖主衬托盘16的罩盖25，罩盖25上设有开口，副衬托盘17从开口处伸出。抽气装置的设置一方面将石墨齿轮啮合传动的碎屑抽离，避免影响衬底18上氮化镓晶体的质量，另一方面，还用于加速GaCl和NH3的流动速率，加速其在衬底18上反应结晶并将排出部分反应气体。罩盖25的设置避免了主衬托盘16能量的流失，还用于避免石墨齿轮在接触时产生的细石墨颗粒影响氮化镓结晶质量。
如图4所示，进一步的，在本实施例公开了一种可批量生产氮化镓的HVPE设备中，还包括用于加热的加热器，加热器包括设置于气源室5外侧适于气体预加热的第一加热器14，和设置于生长室4外侧适于保证反应温度的第二加热器15。在氮化镓晶体的制备过程，温度的控制和气体的混合均匀度同等重要，其反应时需要达到1100℃的高温，为此本实施例中设置了加热器，进一步的，本实施例中，第一加热器14为预加热部件，用于将气体的温度提高到800-900℃，再通过第二加热器15，使反应室的温度达到1100℃左右。预加热部件即第一加热器14的设置降低了气体的升温难度，同时还降低了能量损耗。
如图4所示，进一步的，加热器还包括第三加热器19，第三加热器19平行设置于主衬托盘16的下方，适于保证主衬托盘16的温度；进一步的，还包括冷却盘管20和温度测试仪21，冷却盘管20和温度测试仪21均设置在第三加热器19的下侧。设置于主衬托盘16下方的第三加热器19用于保证主衬托盘16的温度均衡性，而冷却盘管20和温度测试仪21的设置则用于时刻监控并调整主衬托盘16的温度，进而保持主衬托盘16中温度恒定，为氮化镓晶体的生成提供最佳温度环境。具体的，本实施例中第三加热器19采用射频加热器。冷却盘管20的盘管连接口25设置在生长室4外侧，用于与外接冷却液体连通。
如图4所示，进一步的，在本实施例所公开的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备中，气体流入通道11设有两个进气管22；生长室4中还设置有围压进气管22。两个进气管22中一个用于通入待反应气体，另一个则用于通入围压气体，即通过气体增压的方式，促进化学反应的进行，此处化学反应指HCl+Ga生成GaCl的反应以及GaCl+NH3生成GaCl晶体的反应；同时为了维持构成第一容腔7、第二容腔8的结构的稳定性，气源室5中还设置有稳压进气管22，进而保证第一容腔7、第二容腔8内外压强基本均衡。
如图4所示，进一步的，在本实施例所公开的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备中，生长室4中还设置有用于气体回收的回收口23。气体回收口23的设置用于回收气体反应产物以及未反应的资源气体，避免资源浪费以及空气污染。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，包括气源室和生长室；所述气源室中设置有两条气体流入通道，两条所述气体流入通道的一端与所述气源室的上部连通，适于气体从所述气源室进入到所述生长室中并在所述生长室中混合；所述生长室的中部设置有主衬托盘以及布置在所述主衬托盘上的多个副衬托盘，所述副衬托盘用于放置衬底；
其中，所述气体流入通道横向设置，所述主衬托盘的盘面水平放置，用于气体横向进入并与所述衬底竖向接触生长氮化镓。
2.根据权利要求1所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，还包括设置在所述生长室上方的喷气针孔束，所述喷气针孔束每个针孔包括第一喷气管针孔和第二喷气管针孔，所述第一喷气管针孔和所述第二喷气管针孔上部各对应连通一条气体流入通道，下部各针孔的延伸方向垂直于所述主衬托盘的盘面，其中
所述第一喷气管针孔的管径均大于所述第二喷气管针孔的管径，适于所述第二喷气管针孔对应穿插在所述第一喷气管针孔中，形成双壁结构的喷气针孔束。
3.根据权利要求1所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，所述主衬托盘由第一驱动装置驱动沿第一方向旋转；所述副衬托盘与置于所述主衬托盘上的第二驱动装置连接，适于由第二驱动装置驱动沿第二方向旋转，所述第二方向与第一方向相反。
4.根据权利要求3所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，所述主衬托盘通过其圆心处设置的旋转轴与所述第一驱动装置连接，所述旋转轴外套设有主齿轮，适于使所述主齿轮与所述旋转轴同步旋转；所述第二驱动装置为副齿轮，所述副齿轮固接在所述副衬托盘的下方，并与所述主齿轮相互啮合。
5.根据权利要求1所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，还包括用于加热的加热器，所述加热器包括设置于所述气源室外侧适于气体预加热的第一加热器，和设置于所述生长室外侧适于保证反应温度的第二加热器。
6.根据权利要求5所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，所述加热器还包括第三加热器，所述第三加热器平行设置于所述主衬托盘的下方，适于保证所述主衬托盘的温度。
7.根据权利要求6所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，还包括冷却盘管和温度测试仪，所述冷却盘管和所述温度测试仪均设置于所述第三加热器的下方，适于检测和调整所述生长室的温度。
8.根据权利要求2所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，所述喷气针孔束还包括与所述第一喷气管针孔连通的第一容腔以及与所述第二喷气管针孔连通的第二容腔，所述第一容腔与一条所述气体流入通道连通，所述所述第二容腔与另一条所述气体流入通道连通。
9.根据权利要求1所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，所述气体流入通道设置有两个进气管。
10.根据权利要求9所述的一种可批量生产氮化镓的HVPE设备，其特征在于，生长室中还设置有围压进气管。
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