CN216864378U - 气相外延生长设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种气相外延生长设备，包括：外壳；托盘，设置在外壳内，用于放置衬底；第一内衬，设置在外壳内，围绕托盘设置，第一内衬朝向托盘的面围成生长区，第一内衬不易附着多晶/附着多晶后不易开裂；气体运输系统，设置在外壳外，通过多个进气管将气体输送至生长区；主加热系统，设置在外壳外，对应生长区设置，用于对生长区加热，能够在一定程度上缓解生长外延受环境影响导致不合格的问题。

Description

气相外延生长设备

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种气相外延生长设备。

背景技术

VPE（Vapour Phase Epitaxy，气相外延）技术广泛应用于生长半导体外延材料，其中的HVPE（Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延）技术具有生长速度快、生产成本低等优点，非常适用于III 族氮化物半导体材料的生长，例如氮化镓（GaN）薄膜或厚膜的生长。

现有技术中，生长得到的外延质量经常因为环境影响而导致不合格，十分浪费材料。

实用新型内容

本申请提出了一种气相外延生长设备，本申请的一个目的在于在一定程度上缓解生长外延受环境影响导致不合格的问题。

为解决上述问题，本申请提供了一种气相外延生长设备，包括：外壳；托盘，设置在所述外壳内，用于放置衬底；第一内衬，设置在所述外壳内，围绕所述托盘设置，所述第一内衬朝向所述托盘的面围成生长区，所述第一内衬不易附着多晶/附着多晶后不易开裂；气体运输系统，设置在所述外壳外，通过多个进气管将气体输送至所述生长区；主加热系统，设置在所述外壳外，对应所述生长区设置，用于对所述生长区加热。

在本申请的一个实施例中，所述第一内衬为铂内衬、钨内衬、铱内衬、钽内衬，氮化硅内衬、碳化硅内衬，热压氮化硼内衬，镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钽涂层的内衬、镀热解氮化硼涂层的内衬中的一种或几种。

在本申请的一个实施例中，还包括：第二内衬，设置在所述第一内衬内，位于所述托盘下方，所述第二内衬靠近所述托盘的端部围绕所述托盘设置，所述第二内衬与所述第一内衬形成导流通道，所述第二内衬不易附着多晶/附着多晶后不易开裂。

在本申请的一个实施例中，所述第二内衬为铂内衬、钨内衬、铱内衬、钽内衬，氮化硅内衬、碳化硅内衬，热压氮化硼内衬，镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钽涂层的内衬、镀热解氮化硼涂层的内衬中的一种或几种。

在本申请的一个实施例中，气相外延生长设备还包括：尾气系统，设置在所述外壳外，通过尾气管连通所述导流通道。

在本申请的一个实施例中，所述多个进气管包括：第一管道，通入反应气体；第二管道，通入隔离气体；第三管道，通入反应气体。

在本申请的一个实施例中，气相外延生长设备还包括：喷头管，设置在所述进气管位于所述生长区内的端部，所述喷头管能够对所述进气管从所述端部输出的气体独立匀气。

在本申请的一个实施例中，气相外延生长设备还包括：内部容器，设置在所述外壳内，所述第一管道通过所述内部容器连通所述生长区，所述内部容器内设有金属液态源，所述第一管道将所述内部容器反应产生的卤化物输送至所述生长区。

在本申请的一个实施例中，气相外延生长设备还包括：副加热系统，设置在所述外壳外，对应所述内部容器设置，用于对所述内部容器加热。

在本申请的一个实施例中，气相外延生长设备还包括：主加热系统，所述主加热系统为感应加热系统，所述设备还包括：导体筒，设置在所述外壳内，并罩设在所述第一内衬外，所述导体筒将所述生长区隔离成第二密闭空间。

由上述技术方案可知，本申请至少具有如下优点和积极效果：

本申请中提出的一种气相外延生长设备，包括外壳、托盘、第一内衬、气体运输系统和主加热系统，托盘设置在外壳内，用于放置衬底；第一内衬设置在外壳内，围绕托盘设置，第一内衬朝向托盘的面围成生长区，以使托盘附近形成稳定气流，也能在一定程度上避免外壳上的杂质污染外延层，从而降低环境对外延生长的影响；第一内衬不易附着多晶/附着多晶后不易开裂，不容易附着多晶的第一内衬可以避免附着在其上的多晶掉落至托盘，附着多晶后不易开裂的第一内衬可以避免第一内衬开裂产生的杂质掉落至托盘，能够进一步降低环境对外延生长的影响；气体运输系统设置在外壳外，通过多个进气管将载气输送至生长区，以向衬底上输送生长外延需要的气体；主加热系统设置在外壳外，对应生长区设置，用于对生长区加热，相比于将主加热系统设置在外壳内，能够更进一步降低环境对外延生长的影响。

附图说明

图1示意性示出了根据本申请的一个实施例的气相外延生长设备的结构示意图；

图2示意性示出了根据本申请的一个实施例的气相外延生长设备的结构示意图。

附图标记说明

1、外壳，11、第一密闭空间，111、托盘，112、衬底，113、内部容器，114、尾气系统，1141、尾气管，115、第一旋转驱动件，116、支撑杆，12、下支撑；

2、第一内衬，21、生长区，22、导流通道；3、第二内衬；4、气体运输系统；

51、第一管道，52、第二管道，53、第三管道，54、惰性气体管，55、阀门，56、喷头管；

6、主加热系统，61、导体结构，62、隔热层，63、第二密闭空间；7、副加热系统；

81、第一测温系统，82、第二测温系统，83、控制系统。

具体实施方式

体现本申请特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本申请能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本申请的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本申请。

本实施例提供了一种气相外延生长设备，如图1所示，包括外壳1，外壳1内部具有第一密闭空间11。可选地，外壳1包括上盖、下支撑12以及连接上盖和下支撑12的侧壁。

在第一密闭空间11内可以设有第一内衬2和托盘111，托盘111用于放置衬底112，衬底112用于引导外延生长。进一步地，第一内衬2围绕托盘111设置，第一内衬2朝向托盘111的面围成生长区21或者与外壳1的下支撑12形成生长区21。

其中，生长区21可以是封闭的，使衬底112在封闭空间内生长外延，能够避免封闭空间外的环境影响外延生长。在本申请的其他实施例中，生长区21也可以是在一个方向上有开口的空间，进入生长区21的工艺气体都是由一个方向进入的，能够使生长区21内形成稳定的气体层流，较佳的，开口与外延生长相对或相向设置，可以避免层流方向影响外延生长的方向，比如可以开设在托盘111上方，层流有利于气相沉积生长外延。

进一步地，第一内衬2可以是不易附着多晶的，21从而能够避免附着在第一内衬部2上附着的多晶掉落影响外延生长，也能够避免第一内衬2附着多晶过多导致第一内衬2碎裂。

在本申请的其他实施例中，可以使用附着多晶后不易开裂的第一内衬2，能够减少第一内衬2的更换次数，从而降低维护成本。

作为本实施例的一种可选实施方式，第一内衬2可以为铂内衬、钨内衬、铱内衬、钽内衬等不易附着多晶的/附着多晶后不易开裂的金属内衬中的一种或几种。第一内衬2可以为氮化硅内衬、碳化硅内衬，热压氮化硼内衬，氧化铝内衬等不易附着多晶的/附着多晶后不易开裂的非金属内衬中的一种或几种。在本申请的一个实施例中，还可以在上述内衬朝向托盘111的表面镀碳化钨、碳化钽、热解氮化硼、碳化硅等涂层，即可以是镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钽涂层的内衬、镀热解氮化硼涂层的内衬，比如第一内衬2可以为表面镀碳化钽的钽内衬，除了上述内衬，还可以在石墨内衬表面镀上述涂层，比如第一内衬2可以为表面镀碳化钨的钨或石墨内衬、表面镀碳化钽的石墨内衬，表面镀热解氮化硼的石墨内衬、表面镀碳化硅的石墨内衬中的一种或几种，这些内衬不仅具有不易附着多晶/附着多晶后不易开裂的特点，还能够在外延生长的环境中保持稳定，避免自身产生杂质影响外延。

作为本实施例的一种可选实施方式，气相外延生长设备还可以包括第二内衬3，设置在第一内衬2内，位于托盘111下方，第二内衬3靠近托盘111的端部围绕托盘111设置，第二内衬3与第一内衬2形成导流通道22，从而通过导流通道22将反应后的附产物气体和未反应的工艺气体进行收集和处理。

进一步地，第二内衬3可以为铂内衬、钨内衬、铱内衬、钽内衬等不易附着多晶的/附着多晶后不易开裂的金属内衬中的一种或几种。第二内衬3可以为氮化硅内衬、碳化硅内衬，热压氮化硼内衬，氧化铝内衬等不易附着多晶的/附着多晶后不易开裂的非金属内衬中的一种或几种。在本申请的一个实施例中，第二内衬3朝向托盘111的表面可以镀碳化钨、碳化钽、热解氮化硼、碳化硅等涂层，即可以是镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钽涂层的内衬、镀热解氮化硼涂层的内衬，比如第二内衬3可以为表面镀碳化钽的钽内衬，除了上述内衬，还可以在石墨内衬等其他内衬表面镀上述涂层，比如第二内衬3可以为表面镀碳化钨的钨或石墨内衬、表面镀碳化钽的石墨内衬，表面镀热解氮化硼的石墨内衬、表面镀碳化硅的石墨内衬中的一种或几种，这些内衬不仅具有不易附着多晶/附着多晶后不易开裂的特点，还能够在外延生长的环境中保持稳定，避免自身产生杂质影响外延

进一步地，第一内衬2可以为第一内衬筒，第二内衬3可以为第二内衬筒，第一内衬筒和第二内衬筒的轴心可以与托盘111及衬底112中心在一条直线上，从而避免第一内衬筒和第二内衬筒内的层流影响外延生长。

进一步地，气相外延生长设备还包括分别设置在外壳1外的气体输运系统和主加热系统6。气体输运系统通过多个进气管将气体输送至托盘111处，然后在衬底112表面沉积、形核，生长成半导体外延，如氮化镓外延。主加热系统6可以对应生长区21设置，用于对生长区21加热，主加热系统6可以包括电阻丝。

在本申请的其他实施例中，参照图2，若主加热系统6为感应加热系统，则气相外延生长设备还可以包括与感应加热系统配合的导体结构61，导体结构61与感应加热系统配合能够对第一内衬2中的生长区21加热，以调节外延生长温度，感应加热方式具备可以根据设计温度曲线调控温度的优点，可以实现温度的快速变化，能够为外延生长提供更加符合要求的温度环境。导体结构61可以是封闭的，导体结构61可以设置在第一内衬2外，从而使生长区21处于密闭环境中，使得整个气相外延生长设备的结构简化，能进一步降低环境对外延生长的影响，进一步地，外壳1的侧壁和导体结构61的侧壁之间设置有至少一层隔热层62，可以避免导体结构61产生的热量散出，同时也能防止外壳1的侧壁的温度过高。

在该实施例中，相比于将第一内衬2作为与感应加热系统6配合的结构，能够避免第一内衬2的温度变化快速导致第一内衬2本身结构不稳定，也能使生长区21内的温度更加稳定。

作为本实施例的一种可选实施方式，导体结构61可以为筒状，导体结构61可以包括筒壁和筒盖，导体结构61扣在外壳1的底部，并与外壳1同轴设置，导体结构61的筒壁和筒盖与外壳1的底部形成第二密闭空间63。具体地，该导体结构61为可导电、耐热的导体筒，其上端有通孔，用于穿过进气管。可选地，导体结构61可以为石墨且镀有高纯涂层，如镀有氮化硼，且石墨可以保温，有利于外延生长。

由于第二密闭空间63的内壁属于导体结构61的一部分，可被感应加热至较高的温度，在较高的温度下，可以使不希望沉积外延的区域上的多晶分解，配合该内壁上的高纯涂层，使得第二密闭空间63的内壁具有一个高纯无多晶沉积的干净区域。

作为本实施例的一种可选实施方式，在第一密闭空间11内可以设有内部容器113，内部容器113内设有金属液态源。可选地，金属液态源为III 族金属液态源。第一密闭空间11可以划分为原料区域和生长区21，原料区可以包括进气管和内部容器113内的金属液态源部分。气相外延生长设备还可以包括副加热系统7，设置在所述外壳1外，对应原料区设置，用于对进气管和内部容器113加热，从而让第一密闭空间11内的温度呈梯度趋势，更有利于氮化镓材料的制备。进一步地，原料区可以包括多个温区，生长区21可以包括多个温区，多个温区可以沿着外延生长的方向划分，更有利于氮化镓材料的制备。

作为本实施例的一种可选实施方式，多个进气管可以包括第一管道51、第二管道52和第三管道53：第一管道51连通内部容器113，第一管道51通过内部容器113连通生长区21，内部容器113内设有金属液态源，第一管道51将内部容器113反应产生的卤化物输送至生长区21，第一管道51可以通入反应气体，如氯化氢或氯气，第一管道51还可以通入载气如氢气和/或氮气，以帮助反应气体输送和扩散，反应气体与金属液态源化合生成前驱物之一如III 族卤化物，第一管道51中的载气还用于在第一管道51停止通入反应气体时进行管道吹扫；第二管道52，第二管道52通入隔离气体，例如通入防止前述气体预先反应的惰性隔离气体，如氢气和/或氮气，第二管道52还可以通入载气如氢气和/或氮气，以帮助隔离气体输送和扩散；第三管道53，第三管道53通入反应气体如含氮气体，第三管道53还可以通入载气如氢气和/或氮气，以帮助反应气体输送和扩散。

作为本实施例的一种可选实施方式，气相外延生长设备还包括尾气系统114，尾气系统114通过尾气管1141连通第一密闭空间11；气体输运系统还包括用于向第一密闭空间11通入惰性气体的惰性气体管54，通过通入惰性气体和尾气系统114收集尾气，可以实现第一密闭空间11的气压调节。外壳1的侧壁和导体结构61的侧壁之间设置有至少一层隔热层62，可以防止外壳1的侧壁的温度过高。进一步地，尾气管1141可以连通生长区21，能够快速收集衬底112附近的杂质，从而有利于降低环境对外延生长的影响。更进一步地，尾气管1141可以连通导流通道22，从而能够通过尾气系统114过滤收集附产物，处理掉未反应的工艺气体。

作为本实施例的一种可选实施方式， 第一管道51、第二管道52和第三管道53的进气端均设有阀门55，在进气管位于生长区21内的端部，可以设有能够对进气管从端部输出的气体独立匀气的喷头管56，惰性气体管54和尾气管1141上均设有阀门55，因此，可以调节第一管道51、第二管道52、第三管道53和惰性气体管54内的气体流速和压力。

作为本实施例的一种可选实施方式，气相外延生长设备还可以包括设置在外壳1外的第一旋转驱动件115，第一旋转驱动件115驱动连接有支撑杆116，支撑杆116贯穿外壳1的底部并连接托盘111。因此，在生长外延过程中，可以驱动托盘111旋转，使得外延沉积区域更加均匀。

作为本实施例的一种可选实施方式，气相外延生长设备还可以包括分别设置在外壳1外的第一测温系统81、第二测温系统82和控制系统83，第一测温系统81和第二测温系统82分别连接控制系统83。第一测温系统81用于测量衬底112的实时温度，第二测温系统82用于测量导体结构61、第一内衬2的实时温度。控制系统83可以根据衬底112的设定温度和实时温度以及导体结构61的设定温度和实时温度，以控制主加热系统6的温度，比如可以通过控制通入感应线圈的电流大小，实现根据设计温度曲线调控温度。进一步地，若主加热系统6为感应加热系统，则感应线圈的匝数和各匝之间的间距疏密能够被调整，通过该调整可以使得导体结构61的温度沿轴向梯度分布，实现温度的梯度控制。可选地，第一测温系统81和第二测温系统82均为非接触式测温系统。控制系统83可以通过PID自动控制技术调控温度。

由于主加热系统6、副加热系统7、第一测温系统81、第二测温系统82和控制系统83均设置在外壳1外，且无需从第一密闭空间11内引出连接线缆、连接端子或连接电极，使得整个气相外延生长设备的结构更加简化，从而能够降低环境对外延生长的影响。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离申请的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种气相外延生长设备，其特征在于，包括：

外壳；

托盘，设置在所述外壳内，用于放置衬底；

第一内衬，设置在所述外壳内，围绕所述托盘设置，所述第一内衬朝向所述托盘的面围成生长区，所述第一内衬不易附着多晶/附着多晶后不易开裂；

气体运输系统，设置在所述外壳外，通过多个进气管将气体输送至所述生长区；

主加热系统，设置在所述外壳外，对应所述生长区设置，用于对所述生长区加热。

2.根据权利要求1所述的气相外延生长设备，其特征在于，

所述第一内衬为铂内衬、钨内衬、铱内衬、钽内衬，氮化硅内衬、碳化硅内衬，热压氮化硼内衬，氧化铝内衬、热解氮化硼内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钽涂层的内衬、镀热解氮化硼涂层的内衬中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的气相外延生长设备，其特征在于，还包括：

第二内衬，设置在所述第一内衬内，位于所述托盘下方，所述第二内衬靠近所述托盘的端部围绕所述托盘设置，所述第二内衬与所述第一内衬形成导流通道，所述第二内衬不易附着多晶/附着多晶后不易开裂。

4.根据权利要求3所述的气相外延生长设备，其特征在于，

所述第二内衬为铂内衬、钨内衬、铱内衬、钽内衬，氮化硅内衬、碳化硅内衬，热压氮化硼内衬，氧化铝内衬、热解氮化硼内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钨涂层的内衬、镀碳化钽涂层的内衬、镀热解氮化硼涂层的内衬中的一种或几种。

5.根据权利要求3所述的气相外延生长设备，其特征在于，还包括：

尾气系统，设置在所述外壳外，通过尾气管连通所述导流通道。

6.根据权利要求1所述的气相外延生长设备，其特征在于，所述多个进气管包括：

第一管道，通入反应气体；

第二管道，通入隔离气体；

第三管道，通入反应气体。

7.根据权利要求6所述的气相外延生长设备，其特征在于，还包括：

喷头管，设置在所述进气管位于所述生长区内的端部，所述喷头管能够对所述进气管从所述端部输出的气体独立匀气。

8.根据权利要求6所述的气相外延生长设备，其特征在于，还包括：

内部容器，设置在所述外壳内，所述第一管道通过所述内部容器连通所述生长区，所述内部容器内设有金属液态源，所述第一管道将所述内部容器反应产生的卤化物输送至所述生长区。

9.根据权利要求8所述的气相外延生长设备，其特征在于，还包括：

副加热系统，设置在所述外壳外，对应所述内部容器设置，用于对所述内部容器加热。

10.根据权利要求6所述的气相外延生长设备，其特征在于，所述主加热系统为感应加热系统，所述设备还包括：

导体筒，设置在所述外壳内，并罩设在所述第一内衬外，所述导体筒将所述生长区隔离成第二密闭空间。

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