CN109468680A - 一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,包括内设有镓舟的外管，所述外管内设有螺旋管，螺旋管沿着镓舟外围螺旋缠绕，螺旋管一端与进口管连接，螺旋管另一端与过渡连接管连接，该过渡连接管与喷淋头连接，螺旋管从镓舟上方开始以螺旋方式缠绕延伸至镓舟下方，使镓舟位于螺旋管内部。本发明通过螺旋管具有的较长传输路径，延长气体通过路径，使气体尽可能吸收热量升温至需要的温度，有效提升气体从喷淋头喷出来时的温度，提升热效率。

Description

一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置

技术领域

本发明属于半导体加工设备领域，具体地说是一种生长氮化镓单晶材料的氢化物气相外延设备的源气体预热装置。

背景技术

宽禁带半导体氮化物，如氮化镓、氮化铝，其外延结构，如发光二极管（LED）、半导体激光器（LD），一般生长在蓝宝石衬底上。由于氮化物与蓝宝石在晶格常数和热膨胀系数方面的不匹配，常温下蓝宝石上的氮化物外延层具有较高的内应力。此内应力会造成晶片的翘曲。同时，外延层在内应力作用下极易形成微裂纹，甚至在厚度较大时碎裂。另外，蓝宝石硬度大、绝缘和导热性能差，异质外延也限制了氮化物晶体质量。这些都给后续的器件制备及性能提升带来难度。

解决上述难题的方法是氮化物自支撑衬底上的同质外延。目前，氮化物自支撑衬底仅有氮化镓自支撑衬底有少量商业化应用。当前的氮化镓自支撑衬底生产方法良率低下，使其成本高昂，限制了其大规模推广。

氢化物气相外延（Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE）是当今生长氮化镓单晶方法的一种，有生长速率高，晶体质量好的优点。

HVPE生长氮化镓的工艺流程主要分为两步：

第一步：通入氯化氢气体，与镓舟处盛放的液态镓发生化学反应，生成氯化镓气体；

第二步：氯化镓气体与氨气在反应室发生化学反应，在衬底上生成氮化镓。其中，氨气在反应过程中，本身需要被加热至合适温度（通常为1000℃+），从而自身解离，为化学反应提供氮原子。

在这两步骤中，镓舟温度影响着氯化镓的转化率，衬底温度影响着晶体生长速率、表面形貌和晶体质量等。而源气体，包括反应气体和载气，其在反应腔中的温度长期以来不受重视。实际上，气体温度对晶体生长在多方面起着重要作用。以氨气为例，氨气作为氮化镓单晶制备时，氮原子的唯一提供者，其裂解率随温度的提高而显著提升。也就是说，当氨气温度不足（如低于800℃）时，将导致氨气的裂解率不足，导致参与反应的氨气比例降低。此时，为保证生长速率，工艺过程中通入大量氨气，提供足够解离的氨气。此举，将带来如下负面影响：1.造成源气体的浪费；2.未参与反应的氨气会与氯化氢反应生成氯化铵，以副产物的形式堵塞滤罐，使得机台需要频繁维护；3.低温气体还对衬底起着制冷作用，一定程度上降低所生长氮化镓的晶体质量；甚至，如果制冷效果足够明显，使得衬底无法提供足够多的能量保证镓原子与氮原子在表面上跨越能垒，将导致材料生长失败。

在现有氢化物气相外延机台中，气体进口到喷淋头是通过直管连接。气体从进口到喷淋头所经历的距离较短，加热炉无法及时将气体加热到足够高的温度，因此气体从喷淋头喷出时的温度偏低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置, 通过螺旋管所具有的较长传输路径，延长气体通过路径，使气体尽可能吸收热量升温至需要的温度，有效提升气体从喷淋头喷出来时的温度，提升热效率。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,包括内设有镓舟的外管，所述外管内设有螺旋管，螺旋管沿着镓舟外围螺旋缠绕，螺旋管一端与进口管连接，螺旋管另一端与过渡连接管连接，该过渡连接管与喷淋头连接。

所述螺旋管从镓舟上方开始以螺旋方式缠绕延伸至镓舟下方，使镓舟位于螺旋管内部。

所述螺旋管包括位于镓舟上方的上部螺旋管和位于镓舟下方的下部螺旋管，镓舟上设有槽位，该槽位中设有互连直管，该互连直管的上端与上部螺旋管连接、下端与下部螺旋管连接，下部螺旋管通过过渡连接管与喷淋头连接，上部螺旋管与进口管连接。

所述互连直管以竖直方式设在槽位中，并且该互连直管的外壁与镓舟的外壁平齐或者位于槽位内。

所述互连直管的上端向上延伸至镓舟上端上方，互连直管的下端向下延伸至镓舟下端下方。

所述过渡连接管和进口管分别为直管或者弯管。

本发明通过螺旋管具有的较长传输路径，延长气体通过路径，使气体尽可能吸收热量升温至需要的温度，有效提升气体从喷淋头喷出来时的温度，提升热效率。

附图说明

附图1为本发明实施例一的剖面结构示意图；

附图2为本发明实施例一去掉外管后的立体结构示意图；

附图3为本发明实施例二的剖面结构示意图；

附图4为本发明实施例二去掉外管后的立体结构示意图。

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，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

另外，对于以下的描述中，例如方向性的定义，“左”、“右”、“上方”、“下方”，分别是以图纸产品的方向为参考基准，在产品的摆放位置有变化时，位置关系会产生相应的变化，以上定义只是为了方便描述，并非是对产品的限定。

实施例一

如附图1和2所示，本发明揭示了一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,包括内设有镓舟104的外管105，所述外管105内设有螺旋管102，螺旋管102沿着镓舟104外围螺旋缠绕，该螺旋管102从镓舟104上方开始以螺旋方式缠绕延伸至镓舟104下方，使镓舟104位于螺旋管102内部，螺旋管102一端与进口管101连接，螺旋管102另一端与过渡连接管103连接，该过渡连接管103与喷淋头106连接。外管通常为直管，过渡连接管和进口管也设为直管，进口管用于与外部供气管路连接。

外管外部是加热炉。源气体从进口管101进入，然后通过螺旋管102。在此过程中，从镓舟外围螺旋缠绕而过的螺旋管内部的气体吸收热量升温，最后通过过渡连接管103进入喷淋头106。与传统的采用直管方式直接从上到喷淋头的直连方式，上述结构可将气体从喷淋头出来时的温度上升约200℃。

源气体可以是氨气及其载气（氢气、氮气或氢氮混合气），也可以是隔离气体（氢气、氮气或氢氮混合气）。

实施例二

如附图3和4所示，一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,包括内设有镓舟204的外管205，所述外管205内设有螺旋管，螺旋管包括位于镓舟204上方的上部螺旋管202a和位于镓舟204下方的下部螺旋管202b，镓舟204上设有槽位，该槽位中设有互连直管207，该互连直管207的上端与上部螺旋管202a连接、下端与下部螺旋管202b连接，下部螺旋管202b通过过渡连接管203与喷淋头206连接，上部螺旋管202a与进口管201连接。进口管201和过渡连接管203分别为直管。

所述互连直管207以竖直方式设在槽位中，并且该互连直管的外壁与镓舟的外壁平齐或者位于槽位内，使得镓舟尺寸不受互连直管的影响。互连直管的上端向上延伸至镓舟上端上方，互连直管的下端向下延伸至镓舟下端下方。

源气体从201直管进入，然后通过上部螺旋管202a，然后经互连直管207到达下部螺旋管202b,在此过程中，气体吸收热量升温，最后通过过渡连接管203进入喷淋头206。与传统的采用直管方式直接从上到喷淋头的直连方式，上述结构可将气体从喷淋头出来时的温度上升约200℃。

源气体可以是氨气及其载气（氢气、氮气或氢氮混合气），也可以是隔离气体（氢气、氮气或氢氮混合气）。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,包括内设有镓舟的外管，其特征在于，所述外管内设有螺旋管，螺旋管沿着镓舟外围螺旋缠绕，螺旋管一端与进口管连接，螺旋管另一端与过渡连接管连接，该过渡连接管与喷淋头连接。

2.根据权利要求1所述的应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,其特征在于，所述螺旋管从镓舟上方开始以螺旋方式缠绕延伸至镓舟下方，使镓舟位于螺旋管内部。

3.根据权利要求1所述的应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,其特征在于，所述螺旋管包括位于镓舟上方的上部螺旋管和位于镓舟下方的下部螺旋管，镓舟上设有槽位，该槽位中设有互连直管，该互连直管的上端与上部螺旋管连接、下端与下部螺旋管连接，下部螺旋管通过过渡连接管与喷淋头连接，上部螺旋管与进口管连接。

4.根据权利要求3所述的应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,其特征在于，所述互连直管以竖直方式设在槽位中，并且该互连直管的外壁与镓舟的外壁平齐或者位于槽位内。

5.根据权利要求4所述的应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,其特征在于，所述互连直管的上端向上延伸至镓舟上端上方，互连直管的下端向下延伸至镓舟下端下方。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的应用于氢化物气相外延设备的气体预热装置,其特征在于，所述过渡连接管和进口管分别为直管或者弯管。