CN203007478U

CN203007478U - 气相外延材料生长多腔分步式处理装置

Info

Publication number: CN203007478U
Application number: CN 201220573278
Authority: CN
Inventors: 袁志鹏; 刘鹏; 张俊业; 王健辉; 王永旺; 张国义; 童玉珍; 孙永健
Original assignee: Peking University; Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Peking University; Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2022-11-02

Abstract

本实用新型公开了一种气相外延材料生长多腔分步式处理装置，增加反应腔体，针对性制造不同反应腔体，细化利用各种反应腔喷头。本实用新型包含有一个及以上的工艺处理腔，工艺处理腔侧面设有两个及以上的分步HVPE外延生长腔，工艺处理腔与分步HVPE外延生长腔之间设有一个及以上的装载/卸载晶片室，工艺处理腔、装载/卸载晶片室与分步HVPE外延生长腔之间设有传递作用的一个及以上的联动传递结构。本实用新型解决晶体材料生长步骤中热力学、化学反应动力学和不同生长条件沉积速率与反应腔喷头流速控制精度匹配等问题，以高效率批量获得高质量GaN衬底。

Description

气相外延材料生长多腔分步式处理装置

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，具体涉及一种适用于气相外延生长法制备薄膜材料装置，通过多腔综合设计来制造新型多片、大尺寸气相外延生产设备。

背景技术

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有宽禁带宽度，高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定等性能，非常适合制作抗辐射、高频率、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝光、绿光和紫外光电子器件。在半导体发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、紫外探测器以及高能高频电子器件等方面有广阔的应用前景。近年来倍受青睐，行业投资不断。

在多种GaN衬底生长技术中，氢化物气相外延（HVPE）以其高速率（可以达到800μm/h以上）生长、低成本、可大面积生长和均匀性好等显著优点，成为GaN衬底生长取得突破的首选，目前国内外绝大多数研究工作都集中于此。用HVPE技术生长GaN衬底，通常是在蓝宝石或砷化镓等衬底上外延0.5~1mm的GaN厚膜，然后通过激光剥离、研磨或蚀刻等方式将衬底移除，从而获得GaN抛光形成的自支撑GaN衬底。

现有的HVPE设备，均系单片或小尺寸晶片外延型，然而多片或大尺寸的却举步维艰。国内外，很多科研人员在通过复杂的流场、温度场模拟计算，试图寻找出一种既能低温慢速均匀生长，又能高温高速生长的反应腔，结果都不能达到所需要的效果。

实用新型内容

针对现存的技术问题，本实用新型目的在于提供一种气相外延材料生长多腔分步式处理装置，是一种材料生长腔分步式处理设备，本实用新型在氢化物气相外延设备上增加工艺处理腔。在氢化物气相外延设备上把原有的GaN不同的生长反应机理分散处理，增加反应腔体，针对性制造不同反应腔体，细化利用各种反应腔喷头。在氢化物气相外延设备上增加联动传递机械手。本装置解决晶体材料生长过程中热力、化学反应动力和不同生长条件沉积速率与反应腔喷头流速控制精度等的匹配问题，以高效率批量获得高质量GaN衬底。

为达到上述目的，本实用新型采用以下方案：

一种气相外延材料生长多腔分步式处理装置，包含有一个及以上的工艺处理腔，工艺处理腔侧边设有两个及以上的分步HVPE外延生长腔，工艺处理腔与分步HVPE外延生长腔之间设有一个及以上的装载/卸载晶片室，工艺处理腔、装载/卸载晶片室与分步HVPE外延生长腔之间设有传递石墨托盘的一个及以上的联动传递结构；工艺处理腔、分步HVPE外延生长腔、装载/卸载晶片室内都设有石墨盘装载盒。

在其中一些实施例中，所述分步HVPE外延生长腔顶部设有第一顶部法兰，第一顶部法兰上具有高温联接管道，第一顶部法兰下面设有第一腔体部分，第一腔体部分下面设有第一取片口，分步HVPE外延生长腔内部设有带转动盘的升降装置；分步HVPE外延生长腔包含有：第一HVPE外延生长腔、第二HVPE外延生长腔、第三HVPE外延生长腔。

在其中一些实施例中，所述工艺处理腔顶部设有第二顶部法兰，第二顶部法兰上部连接高温气体管道，第二顶部法兰下面设有第二腔体部分，第二腔体部分的外壳是一个主加热器，第二腔体部分的内部是空腔，第二腔体部分下面设有取晶体片口。

在其中一些实施例中，所述工艺处理腔的主体上设置多段快速升降温加热器，顶部设有气体输送法兰，中部设有密封腔室，下部设有取放晶片结构。

在其中一些实施例中，所述分步HVPE外延生长腔征包含：气体输运装置、反应腔、尾气处理装置、加热器、取放晶片结构。

在其中一些实施例中，所述装载/卸载晶片室上设有进料口、取料口；装载/卸载晶片室包含有：装载/卸载晶片一室、装载/卸载晶片二室。

在其中一些实施例中，所述联动传递结构包含传递机械手，传递机械手前端设有传递石墨盘装载盒的夹具，传递机械手主体部分具有360°的旋转自由度；墨盘装载盒内设有石墨托盘。

本实用新型装置包括一个或者多个工艺处理腔，两个或者两个以上的分步HVPE外延生长腔，一个或者多个联动传递结构，一个或者多个装载/卸载晶片室。本实用新型的优点是，在现有技术水平条件下，设计出一种既能实现低温慢速均匀生长，又能高温高速生长的反应腔，解决晶体材料生长步骤中热力学、化学反应动力学和不同生长条件沉积速率与反应腔喷头流速控制精度匹配等问题，以高效率批量获得高质量GaN衬底。

附图说明

图1所示实施例的整体示意图。

图2所示实施例分步HVPE外延生长腔的结构示意图。

图3所示实施例工艺处理腔的结构示意图。

图4所示实施例装载/卸载晶片室的结构示意图。

图5所示实施例传递机械手的示意图。

图6所示实施例石墨盘装载盒的示意图。

本实用新型主要组件标号说明：

第一HVPE外延生长腔1a、第二HVPE外延生长腔1b、第三HVPE外延生长腔1c、工艺处理腔2、装载/卸载晶片一室3a、装载/卸载晶片二室3b、传递机械手4、石墨盘装载盒5、第一顶部法兰11、第一腔体部分12、第一取片口13、升降装置14、第二顶部法兰21、第二腔体部分22、取晶体片口23、进料口31、取料口32、夹具41、石墨托盘51。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本实用新型的优点与精神，藉由以下通过实施例对本实用新型做进一步的阐述。

本实用新型提出来了一种气相外延材料生长逐步层次处理装置，包括一个或者多个工艺处理腔2，包括两个或者两个以上的分步HVPE外延生长腔（第一HVPE外延生长腔1a、第二HVPE外延生长腔1b、第三HVPE外延生长腔1c），包括一个或多个联动传递结构，包括一个或者多个装载/卸载晶片室。工艺处理腔2、分步HVPE外延生长腔、装载/卸载晶片室内都设有石墨盘装载盒5。

工艺处理腔2的主体上设置多段快速升降温加热器，顶部设有气体输送法兰，中部设有密封腔室，下部设有取放晶片结构；

分步HVPE外延生长腔包含：气体输运装置、反应腔、尾气处理装置、加热器、取放晶片结构；

联动传递结构包含：协调总体的晶片装载/卸载流程；设置为可分离式，以满足传递机械手4转移石墨托盘51；

本实用新型把不同HVPE腔组合成多腔分步式HVPE系统，如图1所示。

依次排列分步HVPE外延生长腔（第一HVPE外延生长腔1a、第二HVPE外延生长腔1b、第三HVPE外延生长腔1c），侧边设有工艺处理腔2，分步HVPE外延生长腔与工艺处理腔2之间设有装载/卸载晶片一室3a、装载/卸载晶片二室3b，前述部件之间通过传递机械手4进行石墨托盘51的传递，石墨托盘51装载石墨盘装载盒5内。

把原本在同一腔中实现 20～800μm/h 不同沉积速率的所有步骤分解到多个不同沉积速率反应腔中，细化利用颗粒运动速度的作用力（例如：气体分子的黏性力，温度梯度造成重力等），解决晶体材料生长过程中热力学、化学反应动力学和不同生长条件沉积速率与反应腔喷头流速控制精度匹配等问题，以高效率批量获得高质量GaN衬底。

分步HVPE外延生长腔具有如图2所示的共性：顶部设有第一顶部法兰11，第一顶部法兰11上具有高温联接管道，用于通入氨气、氮气、氢气、硅烷等，这些气体为材料生长提供气源。第一顶部法兰11下面是第一腔体部分12，主加热器安装在第一腔体部分12外壳上，是气相反应的主要热源。第一腔体部分12内部是反应腔体，材料生长的主要化学反应在这里发生。第一腔体部分12内部使用氢气和氮气作为运载气体，携带源气和氢化物反应剂进入反应腔体内部，随着气体流向被加热的衬底，其温度逐渐升高，气流中的气相反应物扩散至基座上的衬底，吸附在其表面并沿表面迁移，在此过程中发生化学反应。表面反应副产物从生长表面脱附、扩散进入主气流中，被载气带出反应腔。此外也有部分气相反应产物被气流直接带出反应室。第一腔体部分12下面是第一取片口13，是用于不同的分步HVPE外延生长腔之间传递半成品；分步HVPE外延生长腔内设有带转动盘的升降装置14。

第一HVPE外延生长腔1a、第二HVPE外延生长腔1b和第三HVPE外延生长腔1c的主要区别在于反应腔体的构造，有以下几种类型；

类型1：喷口密度大，喷头气流量少，均匀喷射源气。适合低速生长籽粒层。它内部的Ⅲ族和Ⅴ族气源喷口紧密分布，喷口距离样品近。Ⅲ族和Ⅴ族反应剂通过小网格时被迫转向大石墨托盘51基座呈散射状向外缘水平流动，经下部孔侧环流出。从流体力学的角度，降低基座到气流喷口之间的距离有利于抑制基座上方的涡流。可由于喷口与基座之间的距离近，易在喷口处发生寄生沉积，尽管提高总载气流量可以抑制这种沉积，但不能消除，还需定期清除。

类型2：喷头排列密度适中，温度可控性强。适合生长缓冲层。温度变化快和保持反应室内气体无涡流的层流流动是本反应室设计的关键。为降低热惯量的影响，达到温度快速变化目的，加热器外表设有水冷装置。为了消除反应室内热驱动对流，抑制有害的寄生反应，加热器和反应腔间设有氮气吹扫装置。在蓝宝石衬底上生长GaN，由于两者晶格失配大，当膜厚达到一定的数值，很容易产生裂纹或者碎裂，在工艺上，需要采用快速温度变化和气流变化的方法生长不同厚度和不同晶体质量的薄膜缓冲层，来缓冲晶格失配造成的应力。

类型3：喷头气流量大，喷口喷洒面积大，适合高速生长。利用喷口与石墨托盘51基座大距离和大流量，来扩大喷洒面积。但与此同时，喷口与基座的大距离会引起热对流漩涡。此处通过利用基座托盘公转加自转的方法，来抑制热对流漩涡的产生。因为托盘旋转产生的泵效应，它产生于流体的黏性力和旋转产生的离心力。在流体粘滞力下，表面的一层气体随同基座一起转动，在离心力作用下，气体不断沿径向甩到基座的边缘，然后流出反应腔。另外在生长速度动力学控制区中，生长速度随温度呈指数下降。如果采用单热源致其温度与高速率生长无法匹配，则无实用价值。所以在第三HVPE外延生长腔1c中，采用适当波长光照射衬底、反应区，利用光热解增强机制、光催化机制，增加生长速度。实验证明引入光照射能量还可以改善掺杂效率和晶体质量。在第三HVPE外延生长腔1c反应室设有能通过紫外线的窗口，光通过窗口垂直照射在衬底表面或者平行照射衬底上方的汽相。光源可采用低压贡灯、激光束、高压贡灯进行照射。

工艺处理腔2如图3所示：顶部设有第二顶部法兰21，第二顶部法兰21上部连接高温气体管道，通入氮气、氢气等，作为材料的保护气体。第二顶部法兰21下面是第二腔体部分22，第二腔体部分22外壳是一个主加热器，第二腔体部分22内部是空腔，用于做材料的工艺后处理，例如退火释放应力、平坦化等。第二腔体部分22下面是取晶体片口23。

工艺处理腔2因为不涉及内热式和外热式，可以采用不锈钢精密加工并且使用水冷。内部可以用感应加热线圈来控温。低温生长的籽粒层晶体质量差，需要在氨气气流中进行高温退火。退火温度和时间对GaN的质量有很大影响。有在籽粒层生长温度上升到快速生长温度（约1050℃）的升温过程中进行退火、也有在高于快速生长层的温度（如1200℃）退火。而对于P型氮化镓（P-GaN），在氮气气氛中退火的温度和时间都影响镁掺杂氮化镓（Mg-GaN）的电阻率，退火温度一般为700～800℃，时间为20～30min，使高阻的P -GaN变成低阻P -GaN。对于低温氮化铝（AlN）插入层结构，在氮气和氢气氛围下高温退火后会重新结晶，起到成核作用，在继续GaN生长中，应力得到一定程度的释放。

装载/卸载晶片一室3a、装载/卸载晶片二室3b如图4所示，用于把带有样品的基座放进和取出。内部有隔绝氧气装置和放进取出装置。装载/卸载晶片一室3a、装载/卸载晶片二室3b上设有进料口31、取料口32。

传递机械手4如图5所示：传递机械手4前端是传递石墨盘装载盒5的夹具41，用于传递时夹取或放置石墨托盘51。传递机械手4主体部分具有360°的旋转自由度。

石墨盘装载盒5如图6所示：石墨盘装载盒5内可容纳装有晶片的石墨托盘51，石墨盘装载盒5具有密封保温功能。

HVPE多腔体分步式生长顺序：

1、生长前期的准备：

采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）生长在蓝宝石衬底上的GaN作为模版，继续使用MOCVD在500℃的温度下沉积一个10nm厚的AlN层；

将装有样品的石墨托盘51放入指定位置；

传递机械手4自动把样品放入工艺处理腔2。在90%的高纯氮气和10%的高纯氢气氛围下，升温至1000℃，退火20分钟。低温AlN层经过高温退火后重新结晶；

2、生长过程：

在第一HVPE外延生长腔1a，以小于2um/h生长速率、在主温场600℃-900℃范围，进行籽粒层生长；

待在第一HVPE外延生长腔1a完成籽粒层生长后，转至第二HVPE外延生长腔1b，以约100um/h生长速率、在主温场800℃～1100℃范围，进行预生长。在预生长过程中，主要穿插进行缓冲层生长；

待在第二HVPE外延生长腔1b完成缓冲层生长后，转至第三HVPE外延生长腔1c。在第三HVPE外延生长腔1c，以约500um/h生长速率、在主温场950℃～1100℃范围，进行高速率生长；

最后，在第三HVPE外延生长腔1c结束生长后，转至工艺处理腔2，在高纯氮气氛围下做退火应力释放等工艺处理。

本实用新型的气相外延材料生长用多腔分步式处理装置，包括一个或者多个工艺处理腔2，包括两个或者两个以上的分步HVPE外延生长腔（第一HVPE外延生长腔1a、第二HVPE外延生长腔1b、第三HVPE外延生长腔1c），包括一个或多个联动传递结构（传递机械手4），包括一个或者多个装载/卸载晶片室（装载/卸载晶片一室3a、装载/卸载晶片二室3b）。本实用新型在氢化物气相外延设备上把原有的GaN不同的生长反应机理分散处理，增加反应腔体，细化利用各种反应腔喷头，解决了晶体材料生长过程中热力、化学反应动力和不同生长条件沉积速率与反应腔喷头流速控制精度等的匹配问题，以高效率批量获得高质量GaN衬底。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种气相外延材料生长多腔分步式处理装置，包含有：一个及以上的工艺处理腔，其特征在于，所述工艺处理腔侧边设有两个及以上的分步HVPE外延生长腔，所述工艺处理腔与分步HVPE外延生长腔之间设有一个及以上的装载/卸载晶片室，所述工艺处理腔、装载/卸载晶片室与分步HVPE外延生长腔之间设有传递石墨托盘的一个及以上的联动传递结构，所述工艺处理腔、分步HVPE外延生长腔、装载/卸载晶片室内设有石墨盘装载盒。

2.根据权利要求1所述的气相外延材料生长多腔分步式处理装置，其特征在于，所述分步HVPE外延生长腔顶部设有第一顶部法兰，所述第一顶部法兰上具有高温联接管道，所述第一顶部法兰下面设有第一腔体部分，所述第一腔体部分下面设有第一取片口，所述分步HVPE外延生长腔内部设有带转动盘的升降装置；

所述分步HVPE外延生长腔包含有：第一HVPE外延生长腔、第二HVPE外延生长腔、第三HVPE外延生长腔。

3.根据权利要求1所述的气相外延材料生长多腔分步式处理装置，其特征在于，所述工艺处理腔顶部设有第二顶部法兰，所述第二顶部法兰上部连接高温气体管道，所述第二顶部法兰下面设有第二腔体部分，所述第二腔体部分的外壳是一个主加热器，所述第二腔体部分的内部是空腔，所述第二腔体部分下面设有取晶体片口。

4.根据权利要求1所述的气相外延材料生长多腔分步式处理装置，其特征在于，所述工艺处理腔的主体上设置多段快速升降温加热器，顶部设有气体输送法兰，中部设有密封腔室，下部设有取放晶片结构。

5.根据权利要求1所述的气相外延材料生长多腔分步式处理装置，其特征在于，所述分步HVPE外延生长腔征包含：气体输运装置、反应腔、尾气处理装置、加热器、取放晶片结构。

6.根据权利要求1所述的气相外延材料生长多腔分步式处理装置，其特征在于，所述装载/卸载晶片室上设有进料口、取料口；

所述装载/卸载晶片室包含有：装载/卸载晶片一室、装载/卸载晶片二室。

7.根据权利要求1所述的气相外延材料生长多腔分步式处理装置，其特征在于，所述联动传递结构包含传递机械手，所述传递机械手前端设有传递石墨盘装载盒的夹具，所述传递机械手主体部分具有360°的旋转自由度；

所述墨盘装载盒内设有石墨托盘。