CN116427036B - 一种半导体制备系统用管路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体制备系统用管路结构，涉及半导体制备领域，包括第二支管与两个第一支管，在储液腔体底部设有第三支管；在储液腔体内设有分流管，沿分流管的周向在其外圆周壁上水平设置有多个分流支管，外排管的下端部竖直向下延伸至储液腔体的底部；多个外排管通过挡环固定在储液腔室的内壁上，第三支管的延伸段外壁上设有多个溢流孔。本发明改变了传统的氯化氢气体的注气方式，通过在金属镓液内部注气的手段来增加氯化氢气体与镓液的反应时间，分别对产生的氯化镓以及氢气等气体进行不同方式的导流，使得转移至半导体晶体生长台处的气体持续足量地与氨气发生反应，进而缩短氮化镓晶体的生长周期。

Description

一种半导体制备系统用管路结构

技术领域

本发明涉及半导体制备技术领域，尤其涉及一种半导体制备系统用管路结构。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体材料的优秀代表，其具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、饱和电子漂移速度高和抗辐射能力强等特点，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料；由于具备高电流密度等优势，且能够显著减少电力损耗和散热负载，其被迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域，成为了未来最具增长潜质的化合物半导体；目前，氮化镓和氮化镓基半导体材料已经成为了世界各国研究的热点，氮化镓的外延生长方法主要有金属有机化学气相沉积 MOCVD、氢化物气相外延 HVPE、分子束外延 MBE 等，使用的衬底一般有蓝宝石、碳化硅、氮化镓和硅等。

传统的HVPE氮化镓制备工艺和设备均是为了生长单晶氮化镓而设计，在设计时有意抑制多晶氮化镓的生长，作为HVPE中较为关键的一环，氯化氢气体流过金属镓液的表面，在该表面上生成一氯化镓气体，该环节直接决定了GaN(氮化镓)最终的生长速度和源的利用率，此种反应方式极易出现氯化氢与液态镓接触时间短，氯化氢未来得及反应就已流出反应腔，另外，由于液态镓在不断的消耗，造成进气口与液体源的距离在不断改变，由此，导致氮化镓生长参数变化较大。

发明内容

本发明目的在于提供一种半导体制备系统用管路结构，以解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种半导体制备系统用管路结构，包括相互平行的第二支管与两个第一支管，第二支管通过连接板与两个第一支管连接，还包括储放液态镓的储液腔体，第二支管的出气端与储液腔体内部连通，在储液腔体底部设有与之内部连通的第三支管，且第三支管的上端贯穿储液腔体底部内壁后向上延伸至与第二支管的出气端对中；

在所述储液腔体内设有分流管，分流管的上端开放且下端封闭，第二支管的出气端与分流管的开放端连通，且沿分流管的周向在其外圆周壁上水平设置有多个与之内部连通的分流支管，在每一个分流支管的端部均竖直连接有外排管，且外排管的下端部竖直向下延伸至储液腔体的底部；且多个外排管通过挡环固定在储液腔室的内壁上，沿挡环的周向在每一个外排管的外壁上由上至下依次设有多个外排孔；

沿第三支管的周向在其延伸段外壁上水平开设有多个溢流孔，且溢流孔底部所处的水平面高度大于储液腔体内镓液的液位高度；在第三支管的延伸段内壁上设有与之同轴的内套管，内套管上端面与第三支管延伸段端面齐平，且内套管与第三支管延伸段之间留有环空，多个连通孔正对所述环空；

在储液腔体外壁设有加注镓液的石英管。

针对现有技术中，氯化氢气体在注入反应腔室后与金属镓液反应，通常只在镓液的表面进行，反应时间短即会导致反应效率低下，并且部分氯化氢气体还未反应便被排出反应腔室外，不仅会影响半导体晶体生长台上的氮化镓晶体的生长速率，还会导致氯化氢以及氨气等气体的大量耗用；对此，发明人经过长期研究，设计出一种半导体制备系统用的管路结构，改变传统的氯化氢气体的注气方式，通过在金属镓液内部注气的手段来增加氯化氢气体与镓液的反应时间，以增加氯化镓气体的产量，并且通过反应产物的特性，分别对产生的氯化镓以及氢气等气体进行不同方式的导流，使得转移至半导体晶体生长台处的气体持续足量地与氨气发生反应，进而缩短氮化镓晶体的生长周期。

具体的工作原理如下：

第一支管用于向半导体晶体生长平台所处的环境注入氨气；第二支管用于向储液腔体注入氯化氢气体，以方便氯化氢气体与金属镓液反应；第三支管用于引导氯化镓气体以及氢气向半导体晶体生长平台所处环境中移动，以促使氮化镓晶体的生长；储液腔体中放置有金属镓液，且连接有石英管，以便向储液腔体中持续注入金属镓，维持金属镓液的液位高度；

氯化氢气体经第二支管的出气端进入至储液腔室后，直接与分流管的开放端对接，经多个分流支管后经改向由外排管侧壁的外排孔排出，在进入金属镓液中后，会在产生气泡的同时开始产生反应后，产生氯化镓气体与氢气会在逐级向上移动，当气泡破碎后，由于氯化镓气体与氢气的密度存在差异，相对较轻的氢气会直接上移至储液腔体的顶部内壁，而氯化镓气体则聚集在靠近金属镓液的液位面上方，且随着两种气体总量的增加，氢气会沿内套管的上端进入至第三支管内，而氮化镓气体则会沿溢流孔进入至第三支管内，最终两种气体在半导体晶体生长台处与氨气发生反应，并借助位于导体晶体生长台上的晶体种子开始快速生长成氮化镓晶体。第三支管与两个第一支管下段通过固定板连接并安装在反应所需的反应釜内。

沿分流管的轴线在其封闭端内壁上设有分流块，且分流块的上端面为半球面。作为优选，在分流管的封闭端内壁上设有上端面呈半球面的分流块，能够快速引导第二支管中的氯化氢气体分别朝不同的分流支管移动，以保证各外排管中喷射出的气流量大致保持相同。

在所述分流管封闭端外壁上设有与之等直径的导向块，导向块为半球体且其半球面正对内套管的轴线。作为优选，分流管的封闭端内壁上设置分流块，在其封闭端外壁上设置导向块，可分别对反应发生前后的气体进行对应的引导，并且导向块为半球体，其半球面正对内套管的轴线，如此设置，使得在第三支管与导向块之间存在一个弧形的通道，以方便聚集在储液腔体顶部的氢气快速移动至内套筒内。

多个所述溢流孔沿第三支管的轴线由上至下被分成两组，位于上方的一组溢流孔的孔径为R，位于下方的一组溢流孔的孔径为S，且满足R＜S。作为优选，溢流孔设置成两组，且两组溢流孔分别设置在不同高度，具体在于，反应产生的氢气与氯化镓气体中，氢气的密度更小更轻，脱离金属镓液液位面后，向上移动的速度更快，并且会裹挟一部分的氯化镓气体上移，进而影响后续气体产物的外排，对此，两组溢流孔能针对性的将聚集在金属镓液液位面上方（并非是储液腔体的顶部内壁）的氯化镓气体有序外排；且位于上方的一组溢流孔的孔径为R，位于下方的一组溢流孔的孔径为S，且满足R＜S，使得孔径大的溢流孔能引导刚脱离镓液液位面的氯化镓气体向第三支管中泄流，而孔径小的溢流孔能引导被氢气裹挟的一部分氯化镓气体向第三支管中泄流，即实现不同反应产物的气体有序朝第三支管中移动。

在所述第三支管延伸段外壁上通过多个支撑杆连接有卡环，沿卡环的周向在其下端面等距间隔设置有多个呈竖直状态的连杆，在卡环下方设有圆形的调节网，调节网上设有用作骨架支撑的支撑环，连杆的下端与支撑环球接，且在调节网中部开有供第三支管活动贯穿的通孔。进一步地，在金属镓液中产生大量的气泡后，气泡上升至破裂后会形成大面积的镓液溅射，不仅会阻挡气体的上移，还容易沿溢流孔溅射至第三支管中，严重时甚至会造成半导体晶体生长平台及相关环境设备的腐蚀，因此，本技术方案中设置卡环以及调节网，调节网套设在第三支管的外壁上，且通过多个连杆与卡环球接，且因氯化氢气体喷射而导致金属镓液周向运动时，金属镓液液位面会发生不同程度的波动，此时球接状态下的调节网具备一定的翻转摆动能力，使用过程中，调节网置于金属镓液液位面以下，待气泡上升至与调节网接触后，利用调节网自身的格栅状肋条能将气泡提前切割破碎，即确保气泡提前破碎，以减小在金属镓液液面上的溅射面积；同时，调节网上设有支撑环作为骨架，并在其中部开有通孔，该通孔的孔径大于第三支管的外径，避免调节网的翻转摆动受到限制。

沿所述调节网的径向在其下表面设有多个倒齿；使用时，调节网置于储液腔体的液位面下方。作为优选，在调节网下表面设有多个倒齿，倒齿能加快诸多气泡的破碎，能提前将较大的气泡分隔成小气泡，再经调节网的切割后，能大幅度降低气泡破碎后的金属镓液溅射面积。

在所述内套管上端部设有引导筒，且引导筒的内径由上至下依次递减，引导筒的上端外壁与第三支管的内壁连接，引导筒的大直径端内径与第三支管的内径相同，引导筒的小直径端内径与内套管的内径相同。作为优选，引导筒的上端面设置成圆滑过渡，能减小气体移动的阻力，引导筒的小直径端内径与内套管内径匹配，能够保证气体顺利下移至第三支管中。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明改变传统的氯化氢气体的注气方式，通过在金属镓液内部注气的手段来增加氯化氢气体与镓液的反应时间，以增加氯化镓气体的产量，并且通过反应产物的特性，分别对产生的氯化镓以及氢气等气体进行不同方式的导流，使得转移至半导体晶体生长台处的气体持续足量地与氨气发生反应，进而缩短氮化镓晶体的生长周期；

2、本发明中，内套筒外壁与第三支管内壁之间形成有环空，该环空能避免氢气与氯化镓在第三支管的上端出现紊流，减小两种气体的下移阻力，同时保证在氢气的流速达到一定程度后才开始对氯化镓气体形成引导效果，进而加速氯化镓气体从储液腔体至第三支管之间的转移，同时保证第二支管中持续注入的氯化氢气体保持与金属镓液的反应效率；

3、本发明在使用过程中，调节网置于金属镓液液位面以下，待气泡上升至与调节网接触后，利用调节网自身的格栅状肋条能将气泡提前切割破碎，即确保气泡提前破碎，以减小在金属镓液液面上的溅射面积；同时，调节网上设有支撑环作为骨架，并在其中部开有通孔，该通孔的孔径大于第三支管的外径，避免调节网的翻转摆动受到限制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为外排管的结构示意图；

图4为调节网的结构示意图。

附图标记所代表的为：1-第一支管，2-第二支管，3-储液腔体，4-固定板，5-第三支管，6-半导体晶体生长台，7-分流管，8-分流块，9-导向块，10-分流支管，11-卡环，12-调节网，13-外排管，14-连接板，15-内套管，16-溢流孔，17-挡环，18-外排孔，19-连杆，20-通孔，21-支撑环，22-倒齿。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例包括相互平行的第二支管2与两个第一支管1，第二支管2通过连接板14与两个第一支管1连接，还包括储放液态镓的储液腔体3，第二支管2的出气端与储液腔体3内部连通，在储液腔体3底部设有与之内部连通的第三支管5，且第三支管5的上端贯穿储液腔体3底部内壁后向上延伸至与第二支管2的出气端对中；

在所述储液腔体3内设有分流管7，分流管7的上端开放且下端封闭，第二支管2的出气端与分流管7的开放端连通，且沿分流管7的周向在其外圆周壁上水平设置有多个与之内部连通的分流支管10，在每一个分流支管10的端部均竖直连接有外排管13，且外排管13的下端部竖直向下延伸至储液腔体3的底部；且多个外排管13通过挡环17固定在储液腔室的内壁上，沿挡环17的周向在每一个外排管13的外壁上由上至下依次设有多个外排孔18；

沿第三支管5的周向在其延伸段外壁上水平开设有多个溢流孔16，且溢流孔16底部所处的水平面高度大于储液腔体3内镓液的液位高度；在第三支管5的延伸段内壁上设有与之同轴的内套管15，内套管15上端面与第三支管5延伸段端面齐平，且内套管15与第三支管5延伸段之间留有环空，多个连通孔20正对所述环空；

在储液腔体3外壁设有加注镓液的石英管。

本实施例的具体工作原理如下：

第一支管1用于向半导体晶体生长平台所处的环境注入氨气；第二支管2用于向储液腔体3注入氯化氢气体，以方便氯化氢气体与金属镓液反应；第三支管5用于引导氯化镓气体以及氢气向半导体晶体生长平台所处环境中移动，以促使氮化镓晶体的生长；储液腔体3中放置有金属镓液，且连接有石英管，以便向储液腔体3中持续注入金属镓，维持金属镓液的液位高度；第三支管5与两个第一支管1下段通过固定板4连接并安装在反应所需的反应釜内。

氯化氢气体经第二支管2的出气端进入至储液腔室后，直接与分流管7的开放端对接，经多个分流支管10后经改向由外排管13侧壁的外排孔18排出，在进入金属镓液中后，会在产生气泡的同时开始产生反应后，产生氯化镓气体与氢气会在逐级向上移动，当气泡破碎后，由于氯化镓气体与氢气的密度存在差异，相对较轻的氢气会直接上移至储液腔体3的顶部内壁，而氯化镓气体则聚集在靠近金属镓液的液位面上方，且随着两种气体总量的增加，氢气会沿内套管15的上端进入至第三支管5内，而氮化镓气体则会沿溢流孔16进入至第三支管5内，最终两种气体在半导体晶体生长台6处与氨气发生反应，并借助位于导体晶体生长台上的晶体种子开始快速生长成氮化镓晶体。

其中，在氯化氢气体外排时，是通过多个外排管13侧壁上的外排孔18进行，外排管13采用耐高温的石英材质，且在外排孔18内设置有单向阀，以防止金属镓液的反灌，外排管13的个数为多个，且沿挡环17的周向设置，当氯化氢气体喷射出时，会在金属镓液内部产生多个呈弧形的气流，该气流会推动金属镓液进行一定程度的周向运动，且通过多个外排管13的均匀布置，即金属镓液中出现多处的周向作用力后，金属镓液的周向运动幅度增加，而氯化氢喷射出后所受到的阻力相对减小，使之进行周向运动的时间增加，在氯化氢气体停止其周向运动后，会被分隔成多个独立的气泡，且受到金属镓液的内部挤压后开始向上移动直至移出其液位面，在此过程中，氯化氢从喷射脱离外排孔18时即开始与金属镓液开始反应，即在气泡产生至上移脱离金属镓液液位面之间，均会产生氯化镓气体与氢气，同时气泡的体积以及个数也会逐级增加；如此，在大幅度延长氯化氢与金属镓液的接触面积以及接触时间的前提下，反应所产生的氯化镓气体与氢气的体量足够满足在半导体晶体生长平台上的结晶需求。

需要进一步解释的是，相对而言，由于反应产生的氢气量大于氯化镓气体量，即在储液腔体3顶部的氢气会大量聚集，在通过内套筒上端时开始泄流，在内套筒的引导下快速向第三支管5中移动，此时，在第三支管5内会产生一个移动速度相对较快的氢气流，而聚集在金属镓液液位面上方的氯化镓气体上升至储液腔体3顶部内壁的几率不大，通过溢流孔16向第三支管5中泄流，即在第三支管5内形成第二气流且其移动速度相对较慢，此时在第三支管5的内外壁处则形成一个气压差，快速移动的氢气流会带动氯化镓气体加速沿溢流孔16处移动，使得氢气与氯化镓先后聚集至第三支管5的底部。而内套筒外壁与第三支管5内壁之间形成有环空，该环空能避免氢气与氯化镓在第三支管5的上端出现紊流，减小两种气体的下移阻力，同时保证在氢气的流速达到一定程度后才开始对氯化镓气体形成引导效果，进而加速氯化镓气体从储液腔体3至第三支管5之间的转移，同时保证第二支管2中持续注入的氯化氢气体保持与金属镓液的反应效率。

作为优选，在分流管7的封闭端内壁上设有上端面呈半球面的分流块8，能够快速引导第二支管2中的氯化氢气体分别朝不同的分流支管10移动，以保证各外排管13中喷射出的气流量大致保持相同。

作为优选，分流管7的封闭端内壁上设置分流块8，在其封闭端外壁上设置导向块9，可分别对反应发生前后的气体进行对应的引导，并且导向块9为半球体，其半球面正对内套管15的轴线，如此设置，使得在第三支管5与导向块9之间存在一个弧形的通道，以方便聚集在储液腔体3顶部的氢气快速移动至内套筒内。

作为优选，溢流孔16设置成两组，且两组溢流孔16分别设置在不同高度，具体在于，反应产生的氢气与氯化镓气体中，氢气的密度更小更轻，脱离金属镓液液位面后，向上移动的速度更快，并且会裹挟一部分的氯化镓气体上移，进而影响后续气体产物的外排，对此，两组溢流孔16能针对性的将聚集在金属镓液液位面上方（并非是储液腔体3的顶部内壁）的氯化镓气体有序外排；且位于上方的一组溢流孔16的孔径为R，位于下方的一组溢流孔16的孔径为S，且满足R＜S，使得孔径大的溢流孔16能引导刚脱离镓液液位面的氯化镓气体向第三支管5中泄流，而孔径小的溢流孔16能引导被氢气裹挟的一部分氯化镓气体向第三支管5中泄流，即实现不同反应产物的气体有序朝第三支管5中移动。

本实施例中，在所述第三支管5延伸段外壁上通过多个支撑杆连接有卡环11，沿卡环11的周向在其下端面等距间隔设置有多个呈竖直状态的连杆19，在卡环11下方设有圆形的调节网12，调节网12上设有用作骨架支撑的支撑环21，连杆19的下端与支撑环21球接，且在调节网12中部开有供第三支管5活动贯穿的通孔20。在金属镓液中产生大量的气泡后，气泡上升至破裂后会形成大面积的镓液溅射，不仅会阻挡气体的上移，还容易沿溢流孔16溅射至第三支管5中，严重时甚至会造成半导体晶体生长平台及相关环境设备的腐蚀，因此，本技术方案中设置卡环11以及调节网12，调节网12套设在第三支管5的外壁上，且通过多个连杆19与卡环11球接，且因氯化氢气体喷射而导致金属镓液周向运动时，金属镓液液位面会发生不同程度的波动，此时球接状态下的调节网12具备一定的翻转摆动能力，使用过程中，调节网12置于金属镓液液位面以下，待气泡上升至与调节网12接触后，利用调节网12自身的格栅状肋条能将气泡提前切割破碎，即确保气泡提前破碎，以减小在金属镓液液面上的溅射面积；同时，调节网12上设有支撑环21作为骨架，并在其中部开有通孔20，该通孔20的孔径大于第三支管5的外径，避免调节网12的翻转摆动受到限制。

作为优选，在调节网12下表面设有多个倒齿22，倒齿22能加快诸多气泡的破碎，能提前将较大的气泡分隔成小气泡，再经调节网12的切割后，能大幅度降低气泡破碎后的金属镓液溅射面积。

作为优选，在所述内套管15上端部设有引导筒，且引导筒的内径由上至下依次递减，引导筒的上端外壁与第三支管5的内壁连接，引导筒的大直径端内径与第三支管5的内径相同，引导筒的小直径端内径与内套管15的内径相同。引导筒的上端面设置成圆滑过渡，能减小气体移动的阻力，引导筒的小直径端内径与内套管15内径匹配，能够保证气体顺利下移至第三支管5中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半导体制备系统用管路结构，包括相互平行的第二支管（2）与两个第一支管（1），第二支管（2）通过连接板（14）与两个第一支管（1）连接，其特征在于：还包括储放液态镓的储液腔体（3），第二支管（2）的出气端与储液腔体（3）内部连通，在储液腔体（3）底部设有与之内部连通的第三支管（5），且第三支管（5）的上端贯穿储液腔体（3）底部内壁后向上延伸至与第二支管（2）的出气端对中；

在所述储液腔体（3）内设有分流管（7），分流管（7）的上端开放且下端封闭，第二支管（2）的出气端与分流管（7）的开放端连通，且沿分流管（7）的周向在其外圆周壁上水平设置有多个与之内部连通的分流支管（10），在每一个分流支管（10）的端部均竖直连接有外排管（13），且外排管（13）的下端部竖直向下延伸至储液腔体（3）的底部；且多个外排管（13）通过挡环（17）固定在储液腔室的内壁上，沿挡环（17）的周向在每一个外排管（13）的外壁上由上至下依次设有多个外排孔（18）；

沿第三支管（5）的周向在其延伸段外壁上水平开设有多个溢流孔（16），且溢流孔（16）底部所处的水平面高度大于储液腔体（3）内镓液的液位高度；在第三支管（5）的延伸段内壁上设有与之同轴的内套管（15），内套管（15）上端面与第三支管（5）延伸段端面齐平，且内套管（15）与第三支管（5）延伸段之间留有环空，多个连通孔（20）正对所述环空；

在储液腔体（3）外壁设有加注镓液的石英管。

2.根据权利要求1所述的一种半导体制备系统用管路结构，其特征在于：沿分流管（7）的轴线在其封闭端内壁上设有分流块（8），且分流块（8）的上端面为半球面。

3.根据权利要求1所述的一种半导体制备系统用管路结构，其特征在于：在所述分流管（7）封闭端外壁上设有与之等直径的导向块（9），导向块（9）为半球体且其半球面正对内套管（15）的轴线。

4.根据权利要求1所述的一种半导体制备系统用管路结构，其特征在于：多个所述溢流孔（16）沿第三支管（5）的轴线由上至下被分成两组，位于上方的一组溢流孔（16）的孔径为R，位于下方的一组溢流孔（16）的孔径为S，且满足R＜S。

5.根据权利要求1所述的一种半导体制备系统用管路结构，其特征在于：在所述第三支管（5）延伸段外壁上通过多个支撑杆连接有卡环（11），沿卡环（11）的周向在其下端面等距间隔设置有多个呈竖直状态的连杆（19），在卡环（11）下方设有圆形的调节网（12），调节网（12）上设有用作骨架支撑的支撑环（21），连杆（19）的下端与支撑环（21）球接，且在调节网（12）中部开有供第三支管（5）活动贯穿的通孔（20）。

6.根据权利要求5所述的一种半导体制备系统用管路结构，其特征在于：沿所述调节网（12）的径向在其下表面设有多个倒齿（22）；使用时，调节网（12）置于储液腔体（3）的液位面下方。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的一种半导体制备系统用管路结构，其特征在于：在所述内套管（15）上端部设有引导筒，且引导筒的内径由上至下依次递减，引导筒的上端外壁与第三支管（5）的内壁连接，引导筒的大直径端内径与第三支管（5）的内径相同，引导筒的小直径端内径与内套管（15）的内径相同。