CN114197037B - 一种气相外延生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气相外延生长装置，包括：第一容器，内部具有第一密闭空间；第二容器，设置在第一密闭空间内，第二容器内设有金属液态源；导体结构，设置在第一密闭空间内，并具有第二密闭空间或者与第一容器的底部形成第二密闭空间；托盘，设置在第二密闭空间内，并用于放置籽晶；气体输运系统，设置在第一容器外，并通过多个进气管将气体输送至托盘处，其中一个进气管连通第二容器。本发明通过导体结构可以将第一密闭空间划分为两个部分，导体结构既作为晶体生长的热源部件，又作为生长区域的密封隔离部件，使得整个气相外延生长装置的结构简化，同时感应加热方式具备可以根据设计温度曲线调控温度的优点，可以实现温度的快速变化。

Description

一种气相外延生长装置

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种气相外延生长装置。

背景技术

VPE(Vapour Phase Epitaxy，气相外延)技术广泛应用于生长半导体晶体材料，其中的HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)技术具有生长速度快、生产成本低等优点，非常适用于III族氮化物半导体材料的生长，例如氮化镓(GaN)薄膜或厚膜的生长。在HVPE生长系统中，卤化物与Ⅲ族金属反应生成前驱物如Ⅲ族卤化物，该前驱物随后与另一前驱物如含氮气体反应生成Ⅲ族氮化物。

一些现有HVPE设备采用电阻炉加热，但现有的电阻炉加热存在加热极限温度有限，升、降温速度慢，不能按所设计的温度曲线调控温度等缺点。由此限制了氮化镓晶体生长温区的温度调控。

发明内容

本发明提供了一种气相外延生长装置，可以解决或者至少部分解决上述技术问题。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种气相外延生长装置，包括：

第一容器，内部具有第一密闭空间；

第二容器，设置在所述第一密闭空间内，所述第二容器内设有金属液态源；

导体结构，设置在所述第一密闭空间内，并具有第二密闭空间或者与所述第一容器的底部形成第二密闭空间；

托盘，设置在所述第二密闭空间内，并用于放置籽晶；

气体输运系统，设置在所述第一容器外，并通过多个进气管将气体输送至所述托盘处，其中一个进气管连通所述第二容器；

加热系统，设置在所述第一容器外，包括用于对所述载气及所述金属液态源进行加热的加热器和对所述导体结构进行感应加热的感应线圈。

可选地，所述导体结构为筒状，包括筒壁和筒盖，所述筒壁、所述筒盖与所述第一容器的底部形成所述第二密闭空间。

可选地，所述第一容器的侧壁和所述导体结构的侧壁之间设置有至少一层隔热层。

可选地，还包括设置在所述第一容器外的第一旋转驱动件，所述第一旋转驱动件驱动连接有支撑杆，所述支撑杆贯穿所述第一容器的底部并连接所述托盘。

可选地，所述多个进气管包括：

连通所述第二容器的第一管道，所述第一管道通入反应气体；

第二管道，所述第二管道通入隔离气体；

第三管道，所述第三管道通入反应气体。

可选地，还包括真空尾气系统，所述真空尾气系统通过尾气管连通所述第二密闭空间；

所述气体输运系统还包括用于向所述第一密闭空间通入惰性气体的惰性气体管。

可选地，还包括分别设置在所述第一容器外的第一测温系统、第二测温系统和控制系统，所述第一测温系统和所述第二测温系统分别连接所述控制系统；

所述第一测温系统用于测量所述籽晶的实时温度，所述第二测温系统用于测量所述导体结构的实时温度；

所述控制系统根据所述籽晶的设定温度和实时温度以及所述导体结构的设定温度和实时温度，控制通入所述感应线圈的电流大小；

所述感应线圈的匝数和各匝之间的间距疏密能够被调整。

可选地，所述进气管的出气端连接有能够独立匀气的喷头管。

可选地，还包括隔离结构和第二旋转驱动件；

所述隔离结构设置在所述第二密闭空间内，并位于所述导体结构的侧壁和所述托盘之间；所述隔离结构上开设有多个通孔，所述隔离结构的底部转动连接所述第一容器的底部；

所述第二旋转驱动件设置在所述第一容器外，所述第二旋转驱动件驱动连接所述隔离结构，用于驱动所述隔离结构旋转；

所述隔离结构和所述导体结构的侧壁之间形成有收集通道，所述收集通道的底部连通有收集槽。

可选地，所述气体输运系统还包括用于向所述隔离结构的内侧通入清扫气体的清扫气体管。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的一种气相外延生长装置，通过导体结构可以将第一密闭空间划分为两个部分，一个部分为原料区域，包括气体输运系统的送气部分和第二容器内的金属液态源部分，另一个部分为生长区域，包括导体结构及其内部的托盘和籽晶，导体结构既作为晶体生长的热源部件，可以通过感应加热的方式受热，又作为生长区域的密封隔离部件，避免生长区域受到第一容器内壁产生的杂质影响，使得整个气相外延生长装置的结构简化，同时感应加热方式具备可以根据设计温度曲线调控温度的优点，可以实现温度的快速变化，能够为晶体生长提供更加符合要求的温度环境，而且加热系统设置在第一容器外，能够避免加热系统在高温下产生的杂质影响外延生长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的气相外延生长装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气相外延生长装置的另一结构示意图。

图示说明：

100、第一容器；10、气体输运系统；11、第一管道；12、第二管道；13、第三管道；14、阀门；15、惰性气体管；16、第一密闭空间；17、第一测温系统；18、第二容器；19、喷头管；20、导体结构；21、籽晶；22、托盘；23、支撑杆；24、加热器；25、第二密闭空间；26、感应线圈；27、隔热层；28、真空尾气系统；29、尾气管；30、第一旋转驱动件；31、下支撑；32、控制系统；33、第二测温系统；34、清扫气体管；35、收集通道；36、隔离结构；37、通孔；38、收集槽；39、第二旋转驱动件；40、转动环。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1所示。

本实施例提供了一种气相外延生长装置，包括第一容器100，第一容器100内部具有第一密闭空间16。可选地，第一容器100包括上盖、下支撑31以及连接上盖和下支撑31的侧壁。

在第一密闭空间16内分别设有第二容器18和导体结构20，第二容器18内设有金属液态源。可选地，金属液态源为III族金属液态源。进一步地，导体结构20具有第二密闭空间25或者与第一容器100的下支撑31形成第二密闭空间25。在第二密闭空间25内设置有托盘22，托盘22用于放置籽晶21，籽晶21用于引导半导体晶体生长。

进一步地，气相外延生长装置还包括分别设置在第一容器100外的气体输运系统10和加热系统。气体输运系统10通过多个进气管将气体输送至托盘22处，其中一个进气管连通第二容器18，然后在籽晶21表面沉积、形核，生长成半导体晶体，如氮化镓晶体，气体输运系统10中可以运输反应气体、隔离气体和载气。加热系统包括用于对载气及金属液态源进行加热的加热器24和对导体结构20进行感应加热的感应线圈26。

因此，导体结构20将第一密闭空间16划分为原料区域和生长区域，原料区域包括气体输运系统10的载气部分和第二容器18内的金属液态源部分，生长区域包括导体结构20及其内部的托盘22和籽晶21，导体结构20既作为晶体生长的热源部件，可以通过感应加热的方式受热，又作为生长区域的密封隔离部件，使得整个气相外延生长装置的结构简化，同时感应加热方式具备可以根据设计温度曲线调控温度的优点，可以实现温度的快速变化，能够为晶体生长提供更加符合要求的温度环境。

作为本实施例的一种可选实施方式，多个进气管包括：

连通第二容器18的第一管道11，第一管道11通入反应气体，如氯化氢，或者氯气混合氮气，氢气等反应气体与金属液态源化合生成前驱物之一如III族卤化物，第一管道11还可以通入载气以帮助反应气体传输和扩散；第三管道13，第三管道13通入反应气体，如含氮气体，第三管道13还可以通入载气以帮助反应气体传输和扩散；第二管道12，第二管道12通入隔离气体，例如通入防止前述气体预先反应的隔离气体，如氮气、氢气，第二管道12还可以通入载气以帮助隔离气体传输和扩散。

作为本实施例的一种可选实施方式，气相外延生长装置还可以包括真空尾气系统28，用于收集尾气；真空尾气系统28通过尾气管29连通第二密闭空间25，可通过阀门14控制第二密闭空间25的气压；气体输运系统10还包括用于向第一密闭空间16通入惰性气体的惰性气体管15；真空尾气系统28还连通第一密闭空间16，通过通入惰性气体，可以实现第一密闭空间16的气压调节。

第一管道11、第二管道12和第三管道13的进气端均设有阀门14，出气端均设有能够独立匀气的喷头管19，惰性气体管15和尾气管29上均设有阀门14，因此，可以调节第一管道11、第二管道12、第三管道13和惰性气体管15内的气体流速和压力。

作为本实施例的一种可选实施方式，加热器24可以分为一段或者多段，用于对金属液态源加热，以及对第一管道11、第二管道12、第三管道13以及喷头管19内的气体进行预热。

作为本实施例的一种可选实施方式，导体结构20为筒状，导体结构20可以包括筒壁和筒盖，导体结构20扣在第一容器100的底部，并与第一容器100同轴设置，导体结构20的筒壁和筒盖与第一容器100的底部形成第二密闭空间25。具体地，该导体结构20为可导电、耐热的导体筒，其上端有通孔，用于穿过喷头管19。可选地，导体结构20为石墨且镀有高纯涂层，如镀有热解氮化硼，且石墨可以保温，有利于晶体生长。

由于第二密闭空间25的内壁属于导体结构20的一部分，可被感应加热至较高的温度，在较高的温度下，可以使不希望沉积晶体的区域上的多晶分解，配合该内壁上的高纯涂层，使得第二密闭空间25的内壁具有一个高纯无多晶沉积的干净区域。

作为本实施例的一种可选实施方式，第一容器100的侧壁和导体结构20的侧壁之间设置有至少一层隔热层27，可以防止第一容器100的侧壁的温度过高，保持导体结构20的温度。

作为本实施例的一种可选实施方式，气相外延生长装置还包括设置在第一容器100外的第一旋转驱动件30，第一旋转驱动件30驱动连接有支撑杆23，支撑杆23贯穿第一容器100的底部并连接托盘22。因此，在生长晶体过程中，可以驱动托盘22旋转，使得晶体沉积区域更加均匀。

作为本实施例的一种可选实施方式，气相外延生长装置还包括分别设置在第一容器100外的第一测温系统17、第二测温系统33和控制系统32，第一测温系统17和第二测温系统33分别连接控制系统32。第一测温系统17用于测量籽晶21的实时温度，第二测温系统33用于测量导体结构20的实时温度。控制系统32可以根据籽晶21的设定温度和实时温度以及导体结构20的设定温度和实时温度，控制通入感应线圈26的电流大小，实现根据设计温度曲线调控温度。进一步地，感应线圈26的匝数和各匝之间的间距疏密能够被调整，通过该调整可以使得导体结构20的温度沿轴向梯度分布，实现温度的梯度控制。可选地，第一测温系统17和第二测温系统33均为非接触式测温系统。控制系统32可以通过PID自动控制技术调控温度。

由于加热器24、感应线圈26、第一测温系统17、第二测温系统33和控制系统32均设置在第一容器100外，且无需从第一密闭空间16内引出连接线缆、连接端子或连接电极，使得整个气相外延生长装置的结构更加简化。

实施例二

请参阅图2所示。

在实施例一的基础上，本实施例提供了一种气相外延生长装置，还包括隔离结构36和第二旋转驱动件39；隔离结构36设置在第二密闭空间25内，并位于导体结构20的侧壁和托盘22之间；隔离结构36上开设有多个通孔37，隔离结构36的底部转动连接第一容器100的底部；第二旋转驱动件39设置在第一容器100外，第二旋转驱动件39驱动连接隔离结构36，用于驱动隔离结构36旋转；隔离结构36和导体结构20的侧壁之间形成有收集通道35，收集通道35的底部连通有收集槽38。

可选地，隔离结构36为管状，隔离结构36与导体结构20同轴设置，隔离结构36的底部通过转动环40与下支撑31转动连接，当第二旋转驱动件39工作时，可以通过传动结构驱动隔离结构36旋转，形成离心力，在通孔37的配合作用下，使得隔离结构36范围内的杂质通过通孔37进入收集通道35，进而进入收集槽38。其中，隔离结构36和托盘22的旋转方向相同，且速度比托盘22的旋转速度快，以避免隔离结构36表面的杂质被托盘22旋转产生的离心力吸引。具体地，收集通道35为宽度为上端小、下端大的形状，导体结构20为靠近收集通道35扩散的结构，导体结构20的斜面有利于收集杂质。

进一步地，气体输运系统10还包括用于向隔离结构36的内侧通入清扫气体的清扫气体管34。通过通入高速的清扫气体形成屏障，可以阻止隔离结构36外的杂质进入隔离结构36内，并配合通孔37将隔离结构36内的杂质吸附至导体结构20的侧壁。

以上所述，以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种气相外延生长装置，其特征在于，包括：

第一容器，内部具有第一密闭空间；

第二容器，设置在所述第一密闭空间内，所述第二容器内设有金属液态源；

导体结构，设置在所述第一密闭空间内，并具有第二密闭空间或者与所述第一容器的底部形成第二密闭空间；

托盘，设置在所述第二密闭空间内，并用于放置籽晶；

气体输运系统，设置在所述第一容器外，并通过多个进气管将气体输送至所述托盘处，其中一个进气管连通所述第二容器；

加热系统，设置在所述第一容器外，包括用于对载气及所述金属液态源进行加热的加热器和对所述导体结构进行感应加热的感应线圈；

隔离结构，所述隔离结构设置在所述第二密闭空间内，并位于所述导体结构的侧壁和所述托盘之间；所述隔离结构上开设有多个通孔，所述隔离结构的底部转动连接所述第一容器的底部；

第二旋转驱动件，所述第二旋转驱动件设置在所述第一容器外，所述第二旋转驱动件驱动连接所述隔离结构，用于驱动所述隔离结构旋转。

2.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，所述导体结构为筒状，包括筒壁和筒盖，所述筒壁、所述筒盖和所述第一容器的底部形成所述第二密闭空间。

3.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，所述第一容器的侧壁和所述导体结构的侧壁之间设置有至少一层隔热层。

4.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，还包括设置在所述第一容器外的第一旋转驱动件，所述第一旋转驱动件驱动连接有支撑杆，所述支撑杆贯穿所述第一容器的底部并连接所述托盘。

5.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，所述多个进气管包括：

连通所述第二容器的第一管道，所述第一管道通入反应气体；

第二管道，所述第二管道通入隔离气体；

第三管道，所述第三管道通入反应气体。

6.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，还包括真空尾气系统，所述真空尾气系统通过尾气管连通所述第二密闭空间；

所述气体输运系统还包括用于向所述第一密闭空间通入惰性气体的惰性气体管。

7.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，还包括分别设置在所述第一容器外的第一测温系统、第二测温系统和控制系统，所述第一测温系统和所述第二测温系统分别连接所述控制系统；

所述第一测温系统用于测量所述籽晶的实时温度，所述第二测温系统用于测量所述导体结构的实时温度；

所述控制系统根据所述籽晶的设定温度和实时温度以及所述导体结构的设定温度和实时温度，控制通入所述感应线圈的电流大小；

所述感应线圈的匝数和各匝之间的间距疏密能够被调整。

8.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，所述进气管的出气端连接有能够独立匀气的喷头管。

9.根据权利要求1所述的气相外延生长装置，其特征在于，所述隔离结构和所述导体结构的侧壁之间形成有收集通道，所述收集通道的底部连通有收集槽。

10.根据权利要求9所述的气相外延生长装置，其特征在于，所述气体输运系统还包括用于向所述隔离结构的内侧通入清扫气体的清扫气体管。

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