CN216639708U - 一种共用金属源的hvpe装置 - Google Patents

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赵毛毛
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金超
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Abstract

本实用新型提供了一种共用金属源的HVPE装置，包括气源室和若干个生长室，气源室和生长室之间设置可加热的第一输运管道；气源室包括第一加热装置、进气管道、以及金属承载舟；生长室包括第二加热装置，用于承载衬底的可旋转支撑件，以及第二输运管道；气源室内生成的金属前驱物气体经第一输运管道输送至生长室。通过将气源室与生长室分离，实现一个气源室同时连若干个生长室，提高生产效率；另外，将输送源气体的第二输运管道设置在生长室而不经过气源室，避免金属前驱物气体与源气体的反应生成物在气源室内壁沉积的不良效果，提高生长室内的源气体浓度，从而获得高质量的半导体外延层。

Description

一种共用金属源的HVPE装置
技术领域
本实用新型涉及半导体设备技术领域，更具体涉及一种共用金属源的HVPE装置。
背景技术
HVPE技术具有生长速度快、高结晶质量、生产成本低等优点，成为目前主流的半导体单晶衬底材料制备技术。常规的HVPE设备采用双温区结构，低温区用于氢化物与金属源反应生成金属前驱物气体，高温区用于生长材料。这种设计方式导致整个设备非常复杂，体积非常大，HVPE设备和半导体材料的制备成本高。另外，使用常规的HVPE设备制备半导体材料时，源气体从气源室输入，可能会出现在源气体未达到生长室的衬底附近时就与金属前驱物气体发生反应的不良情况，使得反应生成物沉积在HVPE设备内壁，从而降低了生长室中衬底上方的气体浓度；或者源气体与其他气体反应生成副反应生成物，影响半导体外延层的生长效率及质量。
有鉴于此，有必要对现有技术中的HVPE装置予以改进，以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于公开一种共用金属源的HVPE装置，从而实现一个共用金属源的气源室同时连接多个独立负责材料生长的生长室，且获得高质量的生长材料。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种共用金属源的HVPE装置，包括：气源室和若干个生长室，所述气源室和所述生长室之间设置可加热的第一输运管道，所述第一输运管道上设有第一阀门；
所述气源室包括环绕在所述气源室外部的第一加热装置、进气管道、以及用于放置金属源或金属卤化物的金属承载舟，以在所述气源室内生成金属前驱物气体；
所述生长室包括环绕在所述生长室外部的第二加热装置，用于承载衬底的可旋转支撑件，以及用于输入源气体的第二输运管道；
通过所述第一阀门控制所述第一输运管道，将所述气源室内生成的金属前驱物气体经所述第一输运管道输送至所述生长室。
作为本实用新型的进一步改进，所述进气管道为用于输运载气的第三输运管道，以通过载气将金属卤化物升华后的金属前驱物气体自所述气源室输送至所述生长室。
作为本实用新型的进一步改进，所述进气管道为用于输运载气的第三输运管道和用于输运反应气体的第四输运管道，以通过载气将反应气体和金属源生成的金属前驱物气体自所述气源室输送至所述生长室。
作为本实用新型的进一步改进，所述反应气体包括卤族氢化物或者卤族元素。
作为本实用新型的进一步改进，所述金属承载舟设置于所述第四输运管道内。
作为本实用新型的进一步改进，所述载气为H2、N2、He中的一种气体或者几种任意比例的混合气体。
作为本实用新型的进一步改进，所述气源室还包括设置于所述气源室外部的金属源补给装置，设置于所述金属源补给装置与所述金属承载舟之间的第五输运管道，设置于所述第五输运管道上的第二阀门，以通过所述第二阀门控制所述第五输运管道将所述金属源补给装置内的液体输送至所述金属承载舟内。
作为本实用新型的进一步改进，所述第一输运管道的温度范围为200-900摄氏度。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型提供一种共用金属源的HVPE装置，将低温区和高温区分离，即气源室和生长室独立设置，气源室内共用金属源，将气源室内生成的金属前驱物气体在载气的携带和保护作用下经加热的第一输运管道输送至只负责生长材料的生长室进行生长，以此方式，可以实现一个气源室同时连接若干个生长室，提高了生产效率，整体的运作成本大幅降低；
(2)该共用金属源的HVPE装置将输入源气体的第二输运管道设置在生长室而不经过气源室，不仅避免了金属前驱物气体与源气体的反应生成物在气源室内部寄生沉积的不良效果，而且提高了生长室中衬底表面的源气体浓度，进而提高生长效率且获得高质量的半导体外延层。
附图说明
图1为本实用新型一种共用金属源的HVPE装置在实施例一中的示意图；
图2为本实用新型一种共用金属源的HVPE装置在实施例二中的示意图；
图3为本实用新型一种共用金属源的HVPE装置在实施例三中的示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。
需要理解的是，在本申请中，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的治具或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术方案的限制。
参图1至图3所示，本实用新型所揭示的一种共用金属源的HVPE装置100包括气源室1和若干个生长室2，气源室1和生长室2之间设置可加热的第一输运管道3，第一输运管道3上设有第一阀门31。通过将HVPE装置中的气源室1和生长室2独立设置，气源室1内共用金属源，可以实现一个气源室1同时连接若干个生长室2，提高了生产效率，整体的运作成本大幅降低。
气源室1包括环绕在气源室1外部的第一加热装置11，进气管道，以及用于放置金属源或金属卤化物的金属承载舟12，以在气源室1内生成金属前驱物气体。生长室2包括环绕于生长室2外部的第二加热装置(未示出)，用于承载衬底的可旋转支撑件21，以及用于输入源气体的第二输运管道22。通过第一阀门31控制第一输运管道3，当第一阀门31处于开启状态，将气源室1内生成的金属前驱物气体经第一输运管道3输送至生长室2，并与输入生长室2内的源气体发生反应，以在衬底表面211生长出半导体外延层；其中，第一输送管道3的温度范围为200-900摄氏度。
需要注意的是，金属源包括但不限于Ga源、Al源、In源等，金属卤化物包括但不限于GaCl3、AlBr3等，生长出的半导体外延层可以是GaN，AlN，InN，GaAs，InP等二元III-V族半导体材料以及多个III族元素和多个V族元素形成的三元、四元及多元III-V组半导体材料，也可以是不同禁带宽度的有III族元素和V族元素形成的二元、三元及多元III-V族半导体材料。其中，GaN材料作为第三代半导体材料代表之一，GaN单晶衬底是制备氮化镓基光电子、微电子器件的理想衬底材料。在以下三个实施例中，均以制备GaN单晶衬底为例。
实施例一：
参图1所揭示的一种共用金属源的HVPE装置的一种具体实施方式。
参图1所示，金属承载舟12内放置金属卤化物，进气管道为用于输运载气的第三输运管道13，以通过载气将金属卤化物升华后的金属前驱物气体自气源室1经加热的第一输送管道3输送至生长室2。将H2、N2、He中的一种气体或者几种任意比例的混合气体等惰性气体作为载气，对气源室1内的金属前驱物气体进行保护，并携带金属前驱物气体经加热的第一输运管道3输送至生长室2。在本实施例中，载气为H2和N2的混合气体。
具体的，将环绕在气源室1外部的第一加热装置11温度设置在180摄氏度左右，并在气源室1内的金属承载舟12内放置固态GaCl3。当气源区1温度上升至180摄氏度左右，固态GaCl3升华，同时在第三运输管道13中输入H2和N2的混合气体，打开第一阀门31，通过H2和N2的混合气体将升华后的GaCl3气体自气源室1经加热的第一输运管道3输运至生长室2。将环绕在生长室2外部的第二加热装置温度设置在1050摄氏度，打开第二输运管道22输入源气体NH3，使得NH3与GaCl3气体在生长室2内进行反应。生长室2内的可旋转支撑件21上放置有衬底(例如蓝宝石衬底)，NH3与GaCl3气体反应后生成的GaN均匀地沉积在衬底表面211，以此制得所需要的GaN外延层。需要注意的是，固态GaCl3的升华温度较低，可以通过控制第一加热装置的温度来控制固态GaCl3的升华速度。
实施例二：
参图2所示，本实施例所揭示的一种共用金属源的HVPE装置与实施例一所揭示的一种共用金属源的HVPE装置相比，其主要区别在于，在本实施例中，进气管道为用于输运载气的第三输运管道13和用于输运反应气体的第四输运管道14。内置金属源的金属承载舟12设置于第四输运管道14内，在载气的保护和携带作用下，将反应气体和金属源充分反应生成的金属前驱物气体自气源室1经加热的第一输运管道3输送至生长室2。其中，反应气体包括卤族氢化物气体或者卤素气体。
以制备GaN单晶衬底为例，具体的生产工艺如下：将内置金属Ga源的金属承载舟12放置于第四输运管道14内，并将环绕于气源室1外部的第一加热装置11的温度设置为850摄氏度，将环绕于生长室2外部的第二加热装置(未示出)的温度设置为1050摄氏度；待气源室1内的温度达到850摄氏度时，于第四输运管道14内通入反应气体HCl，流经气源室1的HCl气体流量为0.05slm(即在0摄氏度、1个标准大气压下，HCl气体流量为0.05升/每分钟)，使得HCl与金属Ga源充分混合反应生成金属前驱物气体GaCl2，GaCl2气体从液态的金属Ga源的上部液面溢出。同时，于第三输运管道13内通入载气。本实施例中，载气为H2和N2的混合气体，载气流量为2slm，其中N:H为1:1(即载气中的N2和H2的分子数之比为1:1)。在载气的保护和携带作用下，生成的GaCl2气体自气源室1经加热的第一输运管道3输送至生长室2。
需要注意的是，金属前驱物气体在第一输运管道3内输送的过程中，第一输运管道3一直处于加热状态且温度范围为200-900摄氏度，避免由于温度骤减而出现副反应生成物，进而影响GaN材料的生长速度和生长均匀度。
当GaCl2气体进入生长室2时，打开第二输运管22道并通入源气体NH3，NH3流量为1.5slm，生长室2的生长压力为常压。生长室2内的GaCl2气体与源气体NH3进行充分混合发生反应，生成的GaN沉积在衬底表面211，以此制得所需要的GaN外延层。
实施例三：
当第四输运通道14内输入反应气体时，反应气体与放置于金属承载舟内12的金属源发生反应。随着时间的增加，金属源不断地被消耗，金属源的液面不断下降，导致在相同的工艺条件下，生成的金属前驱物气体浓度降低，从而导致生长室2中源气体供给的均匀稳定性变差，氮化物的生长速率也随之降低，最终无法获得高质量的半导体外延层。
参图3所示，本实施例所揭示的一种共用金属源的HVPE装置与实施例一所揭示的一种共用金属源的HVPE装置相比，其主要区别在于，在本实施例中，气源室1还包括设置于气源室1外部的金属源补给装置18，用于连接金属源补给装置18与金属承载舟12的第五输运管道16，以及设置于第五输运管道16上的第二阀门17，通过第二阀门17的开关来控制第五输运管道16将金属源补给装置18内的液体输送至金属承载舟12内。
具体的，当金属承载舟12内的金属源不断地被消耗，金属源的液面不断下降时，打开设置于第五输运管道16上的第二阀门17，使得金属源补给装置18内的液体通过第五输运管道16输运至放置于第四输运通道14内的金属承载舟12内。当补充足够的金属源时，调节第二阀门17以关闭第五输运通道16，停止补给金属源。本实施例与实施例一和/或实施例二中相同部分的技术方案，请参考实施例一所述，在此不再赘述。
本实用新型提供一种共用金属源的HVPE装置100，将低温区和高温区分离，即气源室1和生长室2独立设置，气源室1内共用金属源，将气源室1内生成的金属前驱物气体，在载气的保护和携带作用下，经加热的第一输运管道3输送至只负责生长材料的生长室2进行生长，以此方式，可以实现一个气源室1同时连接多个生长室2，提高了生产效率，整体的运作成本大幅降低；
其次，将输入源气体的第二输运管道22设置在生长室2而不经过气源室1，不仅避免了金属前驱物气体与源气体的反应生成物在气源室1的内壁15上寄生沉积的不良效果，而且提高了生长室2中衬底表面211的源气体浓度，进而提高生长效率且获得高质量的半导体外延层。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种共用金属源的HVPE装置，其特征在于，包括：
气源室和若干个生长室，所述气源室和所述生长室之间设置可加热的第一输运管道，所述第一输运管道上设有第一阀门；
所述气源室包括环绕在所述气源室外部的第一加热装置，进气管道，以及用于放置金属源或金属卤化物的金属承载舟，以在所述气源室内生成金属前驱物气体；
所述生长室包括环绕在所述生长室外部的第二加热装置，用于承载衬底的可旋转支撑件，以及用于输入源气体的第二输运管道；
通过所述第一阀门控制所述第一输运管道，将所述气源室内生成的金属前驱物气体经所述第一输运管道输送至所述生长室。
2.根据权利要求1所述的共用金属源的HVPE装置，其特征在于，所述进气管道为用于输运载气的第三输运管道，以通过载气将金属卤化物升华后的金属前驱物气体自所述气源室输送所述生长室。
3.根据权利要求1所述的共用金属源的HVPE装置，其特征在于，所述进气管道为用于输运载气的第三输运管道和用于输运反应气体的第四输运管道，以通过载气将反应气体和金属源生成的金属前驱物气体自所述气源室输送至所述生长室。
4.根据权利要求3所述的共用金属源的HVPE装置，其特征在于，所述反应气体包括卤族氢化物或者卤族元素。
5.根据权利要求3所述的共用金属源的HVPE装置，其特征在于，所述金属承载舟设置于所述第四输运管道内。
6.根据权利要求1所述的共用金属源的HVPE装置，其特征在于，所述气源室还包括设置于所述气源室外部的金属源补给装置，用于连接所述金属源补给装置与所述金属承载舟的第五输运管道，设置于所述第五输运管道上的第二阀门，通过所述第二阀门的开关控制所述第五输运管道将所述金属源补给装置内的液体输送至所述金属承载舟内。
7.根据权利要求1所述的共用金属源的HVPE装置，其特征在于，所述第一输运管道的温度范围为200-900摄氏度。
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