CN115467019A - 用于氧化镓外延的集气环及用于氧化镓外延的mocvd设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于氧化镓外延的集气环以及具有该集气环的用于氧化镓外延的MOCVD设备，所述用于氧化镓外延的集气环包括环状本体，所述环状本体包括相对设置的第一端面、第二端面及位于第一端面和第二端面之间的内表面和外表面，所述第一端面、第二端面、内表面和外表面共同围合形成腔室，所述内表面上开设有与所述腔室连通的多个第一气流孔，所述外表面上开设有与所述腔室连通的多个第二气流孔。本发明的用于氧化镓外延的集气环以及用于氧化镓外延的MOCVD设备，能够解决现有设备内部各部件被氧化镓外延所需氧气氧化的问题。

Description

用于氧化镓外延的集气环及用于氧化镓外延的MOCVD设备
技术领域
本发明是关于外延生长薄膜技术领域，特别是关于一种氧化镓外延生长用集气环以及带有该集气环的用于氧化镓外延的MOCVD设备。
背景技术
第四代半导体材料氧化镓(Ga2O3)禁带宽度大于4eV，为超宽禁带半导体材料的一种，可用于制备大功率器件，在高温条件下使用，其电力损耗在理论上分别是Si器件的1/3400、SiC的1/10，且Ga2O3拥有高击穿电压，低导通电阻，拥有与氮化镓相近的良好的射频特性，将用于日盲、电力电子和深紫外等器件。
Ga2O3器件的外延设备有MBE、MOCVD、Mist-CVD和HVPE。其中， MBE设备缺陷数量极少，可以有效地控制载流子浓度，在制备Ga2O3基异质结和超晶格方面的优势明显，但价格比较昂贵，沉积速率比较低，不太适合产业化生产；Mist-CVD设备结构简单，成本低廉，但技术的积累还不够，主要用来制备α相Ga2O3薄膜，所以在产业化过程中，不能完全取代其他沉积技术；HVPE获得材料的纯度较高，生长速度较快，并且过程简便，可制备β -Ga2O3和α-Ga2O3，但生长的厚膜的表面比较粗糙，产生大量缺陷，大尺寸外延薄膜的厚度均匀性控制比较难；MOCVD可以大面积成膜，生长速率高，非常适合工业化生产，在Ga2O3外延薄膜沉积方面薄膜具有非常低的缺陷，电子迁移率接近理论预测值，在制备高性能功率器件方面具有很好的潜力，由于设备通常可以实现800摄氏度以上衬底加热，对于实现高浓度铝(Al)掺杂非常有利，目前用于外延Ga2O3的MOCVD处于实验室使用阶段，未有工业用量产机型。现有的外延GaN的MOCVD设备构造很适合外延Ga2O3薄膜，但是GaN外延所使用的大盘、加热丝或者加热片及设备内部的金属配件，在引入氧气后将被氧化失去加热能力或者减短使用寿命。
现有技术中，已经出现了针对现有的外延GaN的MOCVD设备进行改进以用于外延Ga2O3薄膜，例如公开号为CN215404508的实用新型专利，该专利改进现有GaN用MOCVD反应室，使用碳化硅(SiC)罩子覆盖在钨丝加热器外表面，且在碳化硅罩子外表面上开设有若干个凹槽放置衬底，防止氧气扩散至钨丝所在区域，将其氧化。采用SiC材质的载盘虽然具有使用寿命长，不易被氧化的优点，但SiC的杂质含量高、硬度高，不易机加工，且成本比传统的石墨盘高很多，不适用于量产使用。再例如，公开号为 CN114908419A的发明专利，公开了同质氧化镓衬底上制备氧化镓薄膜的方法，其使用激光器的激光光斑覆盖石墨托盘的整个顶部，由于高阻型氧化镓衬底对激光的吸收很小，激光可以直接照射到石墨托盘上，进而实现高阻型氧化镓衬底的均匀受热，制备出高质量、厚度均匀的同质外延氧化镓薄膜。该方法引入激光器加热，但是激光器的功率做不大，光束质量不高，大规模量产时，需要过多的激光器同时使用和复杂的光学系统，给加热系统的精确控温带来很多不确定性。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ga2O3外延生长用集气环以及带有该集气环的用于氧化镓外延的MOCVD设备，能够解决现有设备内部各部件被氧化镓外延所需氧气氧化的问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种用于氧化镓外延的集气环，环状本体，所述环状本体包括相对设置的第一端面、第二端面及位于第一端面和第二端面之间的内表面和外表面，所述第一端面、第二端面、内表面和外表面共同围合形成腔室，所述内表面上开设有与所述腔室连通的多个第一气流孔，所述外表面上开设有与所述腔室连通的多个第二气流孔。
在本发明的一个或多个实施方式中，多个所述第一气流孔均匀分布于所述环状本体的内表面上。
在本发明的一个或多个实施方式中，多个所述第二气流孔沿所述环状本体的周向排设，且所述第二气流孔与所述第二端面的距离小于所述第二气流孔与所述第一端面的距离。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一气流孔和/或所述第二气流孔的直径为2～10mm，相邻所述第一气流孔和/或相邻所述第二气流孔之间的间距为2～10mm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一气流孔和/或所述第二气流孔的直径为3～5mm，相邻所述第一气流孔和/或相邻所述第二气流孔之间的间距为3～5mm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一端面上开设有与所述腔室连通的多个第三气流孔。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第三气流孔的直径为2～10mm，相邻所述第三气流孔之间的间距为2～10mm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第三气流孔的直径为3～5mm，相邻所述第三气流孔之间的间距为3～5mm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一端面、第二端面、内表面、外表面上全部或部分沉积有防氧化涂层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述防氧化涂层包括SiC涂层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述环状本体的材质包括钼。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述环状本体的内表面和外表面之间的直线距离为5～15mm。
本发明还提供了一种用于氧化镓外延的MOCVD设备，包括壳体、上述的用于氧化镓外延的集气环、承载盘以及加热组件。所述壳体内形成有反应腔，所述壳体上设置有进气口和排气口；所述集气环设置于所述反应腔内，所述集气环中间形成有安装腔；所述承载盘设置于所述安装腔内，用于承载衬底；所述加热组件设置于所述安装腔内且位于所述承载盘的下方，所述加热组件用于加热所述承载盘。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述承载盘可转动设置于所述安装腔内，所述承载盘的材质包括石墨。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述承载盘表面以及所述加热组件表面均沉积有防氧化涂层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述防氧化涂层包括SiC涂层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述加热组件包括加热盘，所述加热盘由加热丝卷绕而成，所述加热丝的材质包括铁铬铝合金、镍铬合金、表面涂覆有Al2O3的铁铬铝合金或者表面涂覆有Al2O3的镍铬合金。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述加热组件包括加热电极，所述加热电极连接所述加热盘。
与现有技术相比，本发明实施方式的用于氧化镓外延的集气环，通过集气环内部腔室以及内表面、外表面上气流孔的设置，使反应气体经由集气环内表面上的第一气流孔流入集气环内部腔室，再由集气环外表面下方的第二气流孔排出，既减少了承载盘所在安装腔内部的气体量，又可以使气体均匀流出安装腔和反应腔，同时减少反应气体与反应腔内壁的接触沉积，减少反应腔的清理次数。
本发明实施方式的用于氧化镓外延的集气环，通过沉积防氧化涂层，能够有效防止被氧化镓外延用氧气氧化，延长使用寿命。
本发明实施方式的用于氧化镓外延的MOCVD设备，通过调整适合内径的集气环，配合合适尺寸的承载盘，减少流入承载盘下部空间的反应气体量，使更多的反应气体从集气环下方的的第二气流孔流出，延长内部金属零部件和加热组件的寿命。
本发明实施方式的用于氧化镓外延的MOCVD设备，通过在内部零部件表面沉积防氧化涂层，通过改变加热丝的材质，使用抗氧化材料，可进一步防止通入的氧气将其氧化。
附图说明
图1是本发明一实施方式的用于氧化镓外延的集气环的结构示意图；
图2是本发明一实施方式的用于氧化镓外延的MOCVD设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如背景技术所言，Ga2O3由于其出色的性能，被广泛用于日盲、电力电子和深紫外等器件。但是现有的用于Ga2O3外延的MOCVD设备，均处于实验室使用阶段，未有工业用量产机型。基于现有的外延GaN的MOCVD设备构造很适合外延Ga2O3薄膜，因此出现了多种技术对外延GaN的MOCVD设备构造进行改进，以使其适用于外延Ga2O3薄膜。但是上述改进的MOCVD设备，或多或少都存在一些缺陷，例如成本高，结构不易加工或者加热温度不易控制等。
为此，本发明针对现有的外延GaN的MOCVD设备，对其进行改进，以提出一种适用于Ga2O3外延的MOCVD设备，其通过集气环内部腔室以及内表面、外表面上气流孔的设置，使反应气体经由集气环内表面上的第一气流孔流入集气环内部腔室，再由集气环外表面下方的第二气流孔排出，减少了反应气体-氧气与反应腔及反应腔内部件的接触时间，防止反应腔内的部件被氧化，以延长内部部件的寿命；同时通过特殊材质的加热丝设置，能够提高反应腔的温控精度且成本低廉。
如图1所示，本发明一实施方式提供了一种用于氧化镓外延的集气环10，应用于外延Ga2O3薄膜的MOCVD设备。该集气环10包括环状本体，环状本体包括相对设置的第一端面101、第二端面102及位于第一端面101和第二端面102之间的内表面103和外表面104。其中，内表面103与外表面104嵌套设置，内表面103和外表面104之间的直线间距为5-15mm。第一端面101和第二端面102分别设置于内表面103和外表面104的两端且连接内表面103 和外表面104。第一端面101、第二端面102、内表面103和外表面104共同围合形成腔室。在本实施例中，第一端面101、第二端面102为两个环形端面。环状本体的内表面103，外表面104以及第一端面101、第二端面102上全部或部分沉积有防氧化涂层。在一具体本实施例中，防氧化涂层的材质包括SiC，环状本体的材质包括钼。
环状本体的内表面103上开设有多个第一气流孔1031。在本实施例中，第一气流孔1031的直径为2～10mm，优选的，第一气流孔1031的直径为 3～5mm。多个第一气流孔1031均匀分布于内表面103上，相邻的第一气流孔 1031之间的间距为2～10mm，优选的，相邻的第一气流孔1031之间的间距为 3～5mm。
环状本体的外表面104上开设有多个第二气流孔1041。多个第二气流孔 1041沿环状本体的周向均匀排设，且第二气流孔1041与第二端面102的距离远小于第二气流孔1041与第一端面101的距离，即第二气流孔1041开设于外表面104靠近第二端面102的一侧边缘。在本实施例中，第二气流孔1041 的直径为2～10mm，优选的，第二气流孔1041的直径为3～5mm。相邻第二气流孔1041之间的间距为2～10mm，优选的，相邻第二气流孔1041之间的间距为3～5mm。
在其他实施例中，环状本体的第一端面101上还开设有多个第三气流孔 1011。在本实施例中，第三气流孔1011的直径为2～10mm，优选的，第三气流孔1011的直径为3～5mm。多个第三气流孔1031均匀分布于第一端面101 上，相邻的第三气流孔1011之间的间距为2～10mm，优选的，相邻的第三气流孔1011之间的间距为3～5mm。
在上述实施例中，反应气体从环状本体的内表面103上的第一气流孔1031 和/或第一端面101上的第三气流孔1011进入环状本体内部的腔室内，后经环状本体的外表面104下端的第二气流孔1041流出，在集气环10设置于反应腔内时，可有效防止反应气体与反应腔的侧壁过于接触，造成氧化沉积。
如图2所述，本发明一实施方式提供了一种用于氧化镓外延的MOCVD 设备，包括壳体20、上述的用于氧化镓外延的集气环10、承载盘30以及加热组件40。壳体20内形成有圆柱形的反应腔21，集气环10、承载盘30以及加热组件40设置于反应腔21内，且承载盘30以及加热组件40设置于集气环10的中部。
壳体20具有一可打开的盖体22，盖体22上设置有进气口。在本实施例中，盖体22内形成有堆叠设置且不连通的两个内腔，每个内腔均连通有一个进气口以及每个内腔均连通于反应腔21。两个进气口分别用于供应两种反应气体。壳体20的底部还设置有排气口。
集气环10设置于反应腔21内，其中，集气环10上设置有第二气流孔1041 的一端(第二端面102)位于反应腔的底部，且壳体20上的排气口设置于第二气流孔1041所对应的壳体20上。集气环10的高度等于或略小于反应腔21 的高度，以使得盖体22盖上时，其能与集气环10的第一端面101尽可能贴合，以减少反应气体两者之间的缝隙流入集气环10的外表面104与反应腔21 的腔体壁之间。集气环10的内表面103的中间形成有安装腔12。承载盘30 可转动设置于安装腔12内，用于承载衬底。在本实施例中，承载盘30为石墨盘，石墨盘表面同样采用PECVD沉积有防氧化涂层，防氧化涂层包括SiC 涂层。
经进气口进入的反应气体，大部分均被集气环10所聚集于安装腔12内，在一定温度和压力条件下，一部分反应气体反应后沉积在承载盘30的衬底上，反应生成的气体和多余未反应的反应气体自集气环10的内表面103上的第一气流孔1031以及第一端面101上的第三气流孔1011，途径集气环10内部的腔室后自集气环10外表面104下方的第二气流孔1041排出。上述气体的流动方式，可在不断注入反应气体的同时，减少多余反应气体在反应腔内的停留时间，减少了反应气体在集气环10内部的运动路径，降低了反应气体扩散至承载盘30和加热组件40所在区域的概率，防止反应腔内的其他部件被未反应的反应气体-氧气氧化，从而保护承载盘30和加热组件40等相关部件；且反应气体自集气环10外表面104下方的第二气流孔1041排出，可防止反应气体与反应腔的腔体壁接触，造成氧化沉积，增加设备清理难度和清理次数。
加热组件40设置于安装腔12内且位于承载盘30的下方，加热组件40 用于加热承载盘30。加热组件40包括加热盘41以及加热电极，加热盘41由加热丝卷绕而成，加热丝采用抗氧化材料，其材质为铁铬铝合金、镍铬合金、表面涂覆有Al2O3的铁铬铝合金或者表面涂覆有Al2O3的镍铬合金。加热电极连接加热盘42，用于给加热盘42通电加热。在本实施例中，加热组件40的表面同样沉积有防氧化涂层，防氧化涂层包括SiC涂层。
与现有技术相比，本发明实施方式的用于氧化镓外延的集气环，通过集气环内部腔室以及内表面、外表面上气流孔的设置，使反应气体经由集气环内表面上的第一气流孔流入集气环内部腔室，再由集气环外表面下方的第二气流孔排出，既减少了承载盘所在安装腔内部的气体量，又可以使气体均匀流出安装腔和反应腔，同时减少反应气体与反应腔内壁的接触沉积，减少反应腔的清理次数。
本发明实施方式的用于氧化镓外延的集气环，通过沉积防氧化涂层，能够有效防止氧化，延长使用寿命。
本发明实施方式的用于氧化镓外延的MOCVD设备，通过调整适合内径的集气环，配合合适尺寸的承载盘，减少流入承载盘下部空间的反应气体量，使更多的反应气体从集气环下方的的第二气流孔流出，延长内部金属零部件和加热组件的寿命。
本发明实施方式的用于氧化镓外延的MOCVD设备，通过在内部零部件表面沉积防氧化涂层，通过改变加热丝的材质，使用抗氧化材料，可进一步防止通入的氧气将其氧化。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (13)

1.一种用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，包括：
环状本体，所述环状本体包括相对设置的第一端面、第二端面及位于第一端面和第二端面之间的内表面和外表面，所述第一端面、第二端面、内表面和外表面共同围合形成腔室，所述内表面上开设有与所述腔室连通的多个第一气流孔，所述外表面上开设有与所述腔室连通的多个第二气流孔。
2.如权利要求1所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，多个所述第一气流孔均匀分布于所述环状本体的内表面上。
3.如权利要求1所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，多个所述第二气流孔沿所述环状本体的周向排设，且所述第二气流孔与所述第二端面的距离小于所述第二气流孔与所述第一端面的距离。
4.如权利要求1所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，所述第一气流孔和/或所述第二气流孔的直径为2～10mm，相邻所述第一气流孔和/或相邻所述第二气流孔之间的间距为2～10mm。
5.如权利要求4所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，所述第一气流孔和/或所述第二气流孔的直径为3～5mm，相邻所述第一气流孔和/或相邻所述第二气流孔之间的间距为3～5mm。
6.如权利要求1所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，所述第一端面上开设有与所述腔室连通的多个第三气流孔。
7.如权利要求6所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，所述第三气流孔的直径为2～10mm，相邻所述第三气流孔之间的间距为2～10mm。
8.如权利要求7所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，所述第三气流孔的直径为3～5mm，相邻所述第三气流孔之间的间距为3～5mm。
9.如权利要求1所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，所述第一端面、第二端面、内表面、外表面上全部或部分沉积有防氧化涂层。
10.如权利要求1所述的用于氧化镓外延的集气环，其特征在于，所述环状本体的内表面和外表面之间的直线距离为5～15mm。
11.一种用于氧化镓外延的MOCVD设备，其特征在于，包括：
壳体，其内形成有反应腔，所述壳体上设置有进气口和排气口；
如权利要求1～10任一所述的用于氧化镓外延的集气环，设置于所述反应腔内，所述集气环中间形成有安装腔；
承载盘，设置于所述安装腔内，用于承载衬底；
加热组件，设置于所述安装腔内且位于所述承载盘的下方，所述加热组件用于加热所述承载盘。
12.如权利要求11所述的用于氧化镓外延的MOCVD设备，其特征在于，所述承载盘表面以及所述加热组件表面均沉积有防氧化涂层。
13.如权利要求11所述的用于氧化镓外延的MOCVD设备，其特征在于，所述加热组件包括加热盘，所述加热盘由加热丝卷绕而成，所述加热丝为铁铬铝合金、镍铬合金、表面涂覆有Al2O3的铁铬铝合金或者表面涂覆有Al2O3的镍铬合金。
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