CN117646192A - 一种减少寄生沉积及提高氨气均匀性的hvpe设备腔室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少寄生沉积及提高氨气均匀性的HVPE设备腔室，包括喷嘴、位于喷嘴上方的衬底、与喷嘴出气端连接的旋流管和位于衬底、旋流管外侧的石英外衬；所述旋流管设有三条气流通路，分别为供NH3和分隔气通过的第一气流通路，供分隔气通过的第二气流通路，供GaCl通过的第三气流通路；所述第一气流通路内设有离心装置，当NH3和分隔气通过第一气流通路时，离心装置使NH3和分隔气进行旋转和离心运动，由扩散预反应生成的细小晶粒被甩向石英外衬后受重力作用掉落集中在收集槽中，而气流沿着石英外衬壁面向衬底中心方向流动；小部分分隔气还经第二气流通路形成射流向垂直衬底方向流动，GaCl经第三气流通路沿垂直衬底方向向衬底中心流动。
Description
技术领域
本发明涉及单晶生长设备技术领域，尤其涉及一种减少寄生沉积及提高氨气均匀性的HVPE设备腔室。
背景技术
采用HVPE法生长GaN单晶材料时，在加热区域，HCl气体在载气N2的携带下与Ga舟反应生成GaCl气体，在反应腔区域，GaCl气体、NH3气体在N2气体的携带下混合反应成GaN，沉积到衬底上。但GaCl气体和NH3气体在未到达衬底表面前发生预反应，在喷嘴出口附近发生预反应生成细小的晶体颗粒附着在石英管壁上，易造成喷嘴的堵塞，降低GaN的生长速率与生长质量。
如图1所示，目前主要采用在GaCl气体与NH3气体间增加分隔气以解决上述问题，但当分隔气流量较小时，难以有效减少寄生沉积；随着分隔气流量的增大，NH3气体难以跨过分隔气扩散至衬底中心区域，导致衬底中心的NH3气体浓度低、边缘处的NH3气体浓度相对较高，对GaN单晶材料的生长质量造成不利影响。也有部分采用增加多路氨气进气管与使衬底旋转相结合的方式解决上述问题，此方案会使腔室内氨气的整体浓度有所提高，但也加剧腔室内的寄生反应，同时会使得腔室整体尺寸变大且要考虑气路的均衡；若盛放衬底的托盘转速过低，仍无法避免细小晶粒落在衬底上。
发明内容
发明目的：针对现有方案气体到达衬底前发生寄生反应而导致寄生沉积且衬底表面反应气体分布不均匀的缺点，本发明提供一种减少寄生沉积及提高氨气均匀性的HVPE设备腔室。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种减少寄生沉积及提高氨气均匀性的HVPE设备腔室，包括喷嘴和位于喷嘴上方的衬底，还包括与喷嘴出气端连接的旋流管和位于衬底、旋流管外侧的石英外衬；所述旋流管设有三条气流通路，分别为供NH3和分隔气通过的第一气流通路，供分隔气通过的第二气流通路，供GaCl通过的第三气流通路；所述第一气流通路内设有离心装置，当NH3和一部分分隔气通过第一气流通路时，离心装置使NH3和分隔气进行旋转和离心运动，并沿着石英外衬壁面后向衬底中心方向流动；另一部分分隔气还经第二气流通路形成射流沿垂直衬底方向流动，GaCl经第三气流通路沿垂直衬底方向向衬底中心流动。
进一步的，所述旋流管呈圆柱体，且所述第一气流通路位于旋流管最外侧，第二气流通路位于第一气流通路内侧，第三气流通路位于第二气流通路内侧；第一气流通路、第二气流通路呈同心圆环分布，第三气流通路为经过旋流管圆心的圆柱形。
进一步的，所述旋流管的第一气流通路内设有若干平行设置的的扇叶，所述扇叶所在平面与气体进气方向呈一定夹角倾斜设置以使经过扇叶的气体做离心运动。
进一步的，所述第二气流通路内设有呈圆周分布的气孔，气体经过所述气孔形成射流并流出旋流管。
进一步的，所述石英外衬包括大直径段和小直径段，所述大直径段位于旋流管外侧，所述小直径段位于衬底外侧，大直径段与小直径段之间通过斜面连接。
进一步的，所述石英外衬底部设有用于收集晶粒的收集槽，所述收集槽呈圆环形，收集槽内侧设有挡板。
进一步的，所述喷嘴具有供NH3流出的第一出气口、供分隔气流出的第二出气口和供GaCl流出的第三出气口，所述第一出气口与第二出气口呈同心圆环形，且第一出气口位于第二出气口外侧，第三出气口为位于喷嘴中心的圆柱形。
进一步的，所述旋流管与喷嘴直径相等，第三气流通路与第三出气口直径相等。
进一步的，所述喷嘴采用石英材质制成。
进一步的，所述喷嘴、衬底、旋流管、石英外衬的中心轴位于同一直线上。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是(1)通过设置旋流管改变气体流动方向，NH3做离心运动并经石英外衬反射后向衬底中心运动，使衬底表面的气体分布更加均匀，提高衬底上的长晶效率；(2)第二气流通路的分隔气包裹GaCl运动，使NH3和GaCl在到达衬底后再进行反应，降低预反应发生概率，减少寄生沉积；(3)预反应产生的晶粒与离心气流发生搅动，甩向石英外衬并沿石英外衬内壁下落，避免晶粒堵塞喷嘴，延长石英喷嘴的使用寿命；(4)后期维护只需清理、更换石英外衬即可，有效降低生产成本。
附图说明
图1为现有HVPE设备腔室的整体结构示意图；
图2为本发明HVPE设备腔室的整体结构示意图；
图3为本发明旋流管的结构示意图；
图4为本发明旋流管的俯视图。
具体实施方式
如图2所示，本实施例中的一种减少寄生沉积及提高氨气均匀性的HVPE设备腔室，包括石英喷嘴1、衬底2、旋流管3和石英外衬4，石英喷嘴1位于设备腔室下方，旋流管3与石英喷嘴1出气端连接，衬底2位于旋流管3上方，石英外衬4位于衬底2、旋流管3外侧，石英喷嘴1、衬底2、旋流管3、石英外衬4的中心轴位于同一直线上。石英喷嘴1具有供NH3流出的第一出气口、供分隔气流出的第二出气口和供GaCl流出的第三出气口，第一出气口与第二出气口呈同心圆环形排列，且第一出气口位于第二出气口外侧，第三出气口为位于喷嘴中心的圆柱形。石英外衬4包括大直径段和小直径段，大直径段位于旋流管3外侧，小直径段位于衬底2外侧，大直径段与小直径段之间通过斜面连接。石英外衬4底部设有用于收集晶粒的收集槽41，收集槽41呈圆环形且内侧设有挡板42。
如图3和图4所示，旋流管3呈圆柱体且设有三条气流通路，分别为供NH3和分隔气通过的第一气流通路，供分隔气通过的第二气流通路，供GaCl通过的第三气流通路。第一气流通路、第二气流通路呈同心圆环分布，第三气流通路为经过旋流管3圆心的圆柱形。第一气流通路位于旋流管3最外侧，且第一气流通路内设有若干平行设置的的扇叶31，扇叶31所在平面与气体进气方向呈一定夹角倾斜设置以使经过扇叶31的气体做离心运动。第二气流通路位于第一气流通路内侧，第二气流通路内设有呈圆周分布的气孔32，气体经过气孔32后形成射流并流出旋流管3。
旋流管3与石英喷嘴1直径相等，当旋流管3与石英喷嘴1出气端连接时，两者外表面平齐。第三气流通路与第三出气口直径相等，使得GaCl仅从第三气流通路流出，第二出气口的外径大于第一气流通路内径，且第二出气口的外表面位于靠近旋流管3外表面的一侧，使得从第二出气口流出的气体大部分从第一气流通路流出，小部分从第二气流通路流出。
本发明的HVPE设备腔室工作原理如下：气体从石英喷嘴1喷出，其中NH3从第一出气口喷出，分隔气从第二出气口喷出，GaCl从第三出气口喷出。NH3及大部分分隔气经过第一气流通道，在扇叶31的作用下向外做离心运动，再经过石英外衬4的阻挡和反射后向衬底2中心方向流动。GaCl经过第三气流出口向衬底2中心方向流动，还有小部分分隔气经过第二气流通路的气孔32流出并形成射流，此部分分隔气包裹着GaCl，防止GaCl与NH3在未到达衬底中心前发生预反应。NH3和GaCl均向衬底2中心方向流动，衬底2表面的气体分布更加均匀，并在到达衬底2后发生反应，减少寄生反应。由于扩散效应，部分反应气体发生预反应生成细小晶粒，晶粒与经过旋流管3后发生离心运动而旋转向上运动的气流形成搅动，甩向石英外衬4后受重力作用而沿石英外衬4内壁下落，最终落入收集槽41内，避免晶粒落入石英喷嘴1中堵塞喷嘴出气。
Claims (10)
1.一种减少寄生沉积及提高氨气均匀性的HVPE设备腔室，包括喷嘴(1)和位于喷嘴(1)上方的衬底(2)，其特征在于，还包括与喷嘴(1)出气端连接的旋流管(3)和位于衬底(2)、旋流管(3)外侧的石英外衬(4)；所述旋流管(3)设有三条气流通路，分别为供NH3和分隔气通过的第一气流通路，供分隔气通过的第二气流通路，供GaCl通过的第三气流通路；所述第一气流通路内设有离心装置，当NH3和一部分分隔气通过第一气流通路时，离心装置使NH3和分隔气进行旋转和离心运动，并沿着石英外衬(4)壁面向衬底(2)中心方向流动；另一部分分隔气还经第二气流通路形成射流沿垂直衬底(2)方向流动，GaCl经第三气流通路沿垂直衬底(2)方向向衬底中心流动。
2.如权利要求1所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述旋流管(3)呈圆柱体，且所述第一气流通路位于旋流管最外侧，第二气流通路位于第一气流通路内侧，第三气流通路位于第二气流通路内侧；第一气流通路、第二气流通路呈同心圆环分布，第三气流通路为经过旋流管(3)圆心的圆柱形。
3.如权利要求2所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述旋流管(3)的第一气流通路内设有若干平行设置的的扇叶(31)，所述扇叶(31)所在平面与气体进气方向呈一定夹角倾斜设置以使经过扇叶(31)的气体做离心运动。
4.如权利要求3所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述第二气流通路内设有呈圆周分布的气孔(32)，气体经过所述气孔(32)形成射流并流出旋流管(3)。
5.如权利要求1所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述石英外衬(4)包括大直径段和小直径段，所述大直径段位于旋流管(3)外侧，所述小直径段位于衬底(2)外侧，大直径段与小直径段之间通过斜面连接。
6.如权利要求5所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述石英外衬(4)底部设有用于收集晶粒的收集槽(41)，所述收集槽(41)呈圆环形，收集槽(41)内侧设有挡板(42)。
7.如权利要求2所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述喷嘴(1)具有供NH3流出的第一出气口、供分隔气流出的第二出气口和供GaCl流出的第三出气口，所述第一出气口与第二出气口呈同心圆环形，且第一出气口位于第二出气口外侧，第三出气口为位于喷嘴中心的圆柱形。
8.如权利要求7所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述旋流管(3)与喷嘴(1)直径相等，第三气流通路与第三出气口直径相等。
9.如权利要求1所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述喷嘴(1)采用石英材质制成。
10.如权利要求1所述的HVPE设备腔室，其特征在于，所述喷嘴(1)、衬底(2)、旋流管(3)、石英外衬(4)的中心轴位于同一直线上。
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