CN217733342U - 复合加热式氮化镓生长系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合加热式氮化镓生长系统，包括卧式生长炉、进气炉室、出气炉室、进气炉盖、出气炉盖和加热装置，卧式生长炉包括石英管、同轴反应舟和样品托架，其技术要点是：同轴反应舟由固定于石英管内的反应腔室、缩径出气筒构成，样品托架由托杆、设于托杆端部的托盘构成，托盘与托杆垂直且其上设有异质衬底，异质衬底与缩径出气筒的端口相对且留有设定的轴向间隙，加热装置由电阻加热器和电磁感应加热器构成，电阻加热器围绕于同轴反应舟的反应腔室外部，电磁感应加热器围绕于缩径出气筒和异质衬底外部。本系统解决了现有氮化镓生长炉受加热温度影响造成晶柱生长过程较慢、晶柱剥离难度高的问题，降低生产成本，保证产品质量。

Description

复合加热式氮化镓生长系统

技术领域

本实用新型涉及半导体材料生长系统，具体涉及一种复合加热式氮化镓生长系统。

背景技术

第三代半导体材料由于能量禁带一般大于 3.0 电子伏，又被称为宽禁带半导体。相比于传统的硅基和砷化镓基半导体材料，宽禁带半导体，例如碳化硅 (SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝 (AlN) 及氮化铟 (InN) 等，由于其特有的禁带范围、优良的光、电学性质和优异的材料性能，能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，在汽车及航空工业、医疗、军事和普通照明方面具有十分广泛的应用前景。氮化镓是一种优异的宽禁带半导体材料，是制作可以发射蓝绿光和紫外光的发光二极管和激光器、太阳目眩探测器、高能量凝聚态开关和整流器以及高能量密度微波晶体管的理想材料，目前，对以氮化镓为代表的第三代半导体材料及器件的研究和开发，已成为半导体领域的一个热点。

在没有高质量低错位的氮化物作为晶种的情况下，现有技术通常采用单片的方法生产氮化镓单晶，即在异质衬底，如蓝宝石或碳化硅上生长氮化镓单晶。常用方法为HVPE(Hydride vapor phase epitaxy)，即氢化物气相外延法。反应在HVPE反应器中进行，即通过在HVPE反应器中通入生长材料得到氮化镓单晶并沉积在异质衬底上外延形成氮化镓厚膜。 首先，利用液态镓与盐酸反应生成氯化镓，再由载气传输到衬底表面与氨气反应生成氮化镓，并沉积在蓝宝石或碳化硅的衬底表面，外延生长形成氮化镓厚膜。而后，再从生长温度冷却到室温或者冷却过程中，将异质衬底同氮化镓厚膜剥离，形成自支撑的氮化镓厚膜，再进一步进行研磨和抛光等加工后，作为器件生长的氮化镓单晶衬底。

但是上述形成氮化镓厚膜的过程存在如下问题：1、反应区和生长区都采用电阻加热方式，导致两区的温差通常只能达到150℃左右，而温差过小导致在异质衬底上生长氮化镓晶柱时生长驱动力过小，生长过程较为缓慢，导致制造成本非常高，不具有经济性，不利于大规模工业化生产。2、现有技术在进行异质衬底氮化时，采用电阻加热温度只能达到1050℃，在异质衬底表面生长氮化镓晶柱后，冷却状态下，在热应力作用下应力屈服层断裂，实现晶体剥离。但因为加热温度不够，在异质衬底表面形成的岛状钝化层上生长的晶柱高于钝化层程度过低，同时也因为温度过低，热应力作用过小，导致应力屈服层过薄断裂不彻底造成晶体剥离难度较高。3、现有技术进气的气流方向与石英管长度方向垂直，工艺气体无法均匀地通入反应腔，导致产品质量不稳定。

发明内容

本实用新型的目的是为了提供一种结构合理、使用可靠的复合加热式氮化镓生长系统，解决现有氮化镓生长炉受加热温度影响造成晶柱生长过程较慢、晶柱剥离难度高的问题，加快晶柱生长速度，降低生产成本，同时降低晶柱剥离难度，保证产品质量。

本实用新型的技术方案是：

一种复合加热式氮化镓生长系统，包括卧式生长炉、设于卧式生长炉两端的进气炉室、出气炉室、与进气炉室外端连接的进气炉盖、与出气炉室外端连接的出气炉盖、设于卧式生长炉外侧的加热装置，所述卧式生长炉包括石英管、设于石英管中的同轴反应舟和样品托架，其技术要点是：所述同轴反应舟由固定于石英管内的反应腔室、设于反应腔室一端的缩径出气筒构成，所述样品托架由与石英管同轴的托杆、设于托杆端部的托盘构成，所述托盘与托杆垂直且其上设有异质衬底，所述异质衬底与缩径出气筒的端口相对且留有设定的轴向间隙，所述加热装置由沿石英管轴向依次布置在石英管外侧的电阻加热器和电磁感应加热器构成，所述电阻加热器围绕于同轴反应舟的反应腔室外部，所述电磁感应加热器围绕于缩径出气筒和异质衬底外部。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述出气炉室的外壁上设有出气管道，所述出气管道的末端与二次过滤装置连通，所述二次过滤装置的出口管路与泵抽系统连通。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述进气炉室包括直炉管体、设于直炉管体一端并与进气炉盖连接的法兰盘，所述进气炉盖内部设有多条进气通道，进气炉盖对应法兰盘侧端面设有与进气通道连通的进气孔和出气孔，各条进气通道的进气孔均匀布置在进气炉盖的外圈，各条进气通道的出气孔布置于进气炉盖的内圈，所述法兰盘上固定有与进气炉盖的进气孔连通的进气接头，所述进气通道连通的出气孔外侧固定有出气接头，各个出气接头在进气炉盖的内圈均匀布置，出气接头与直炉管体的中心线平行，每个出气接头利用与其同轴的中间管路与同轴反应舟的反应腔室连通。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述进气接头为直角接头，所述直角接头的水平段端部由法兰盘背向进气炉盖侧穿过，到达法兰盘朝向进气炉盖侧端面并焊接固定，所述法兰盘朝向进气炉盖侧端面设有围绕直角接头水平段端部的环形密封凹槽，所述环形密封凹槽中设有密封圈。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述进气炉室和出气炉室的底部分别设有炉室支撑架，所述进气炉盖和出气炉盖的底部分别设有炉盖支撑架，进气炉室的炉室支撑架和进气炉盖的炉盖支撑架共同支撑在进气侧光轴导轨上，出气炉室的炉室支撑架和出气炉盖的炉盖支撑架共同支撑在出气侧光轴导轨上，所述炉室支撑架和炉盖支撑架的底部设有导轨滑块，所述进气炉室、出气炉室、进气炉盖和出气炉盖分别设有水冷腔体。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述出气炉盖中心设有与样品托架的托杆配合的密封轴承座，出气炉盖外侧另固定有驱动电机，所述托杆外端穿过密封轴承座后利用传动机构与驱动电机的输出端连接。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述电磁感应加热器包围的石英管内部覆有同轴的石墨毡层，储能保温效果好。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述进气炉盖和出气炉盖的外周面分别均匀设有多个U形连接耳，所述进气炉室和出气炉室的法兰盘的外周上分别设有与U形连接耳一一对应的铰接耳，所述固定杆一端与铰接耳铰接，另一端通过U形连接耳的开口处进入U形连接耳内并固定锁紧帽。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述进气炉盖包括炉盖本体和外侧盖板，所述炉盖本体上设有形成进气通道的一半凹槽，所述外侧盖板上设有形成进气通道的另一半凹槽，所述炉盖本体和外侧盖板焊接固定。

上述的复合加热式氮化镓生长系统，所述进气通道为连接一个进气孔和一个出气孔的短通道，或者为连接两个进气孔和一个出气孔的长通道，长通道的两端与进气孔连接，中部与出气孔连接且该出气孔的中心线与进气炉盖的中心线重合。

本实用新型的有益效果是：

1、升华区即同轴反应舟的反应腔室外部布置电阻加热器，采用电阻加热方式对反应腔室加热。而生长区即异质衬底所在区域的外部布置电磁感应加热器，采用电磁加热方式对异质衬底所在区域加热，加热温度可达到2000℃，从而提供了更大的生长温梯环境，给氮化镓晶柱生长提供了更大的驱动力，加快了晶柱的生长速度，降低了晶柱的生产成本，有助于实现工业化生产。

2、由于采用电磁加热方式对异质衬底所在区域加热温度可达到2000℃，则可实现对异质衬底的二次高温提纯，在进行氮化过程中，异质衬底不会因为异质衬底表面的杂质形成异质钝化层，从而保证产品氮化镓单晶的整体质量。

3、由于采用电磁加热方式对异质衬底所在区域加热温度可达到2000℃，生长在异质衬底上的氮化镓晶柱结构在冷却过程中，在更大热应力的作用下，会在应力屈服层裂开，从而使氮化镓厚膜从异质衬底上整体剥离，大大降低了剥离难度。

4、采用带有进气通道的进气端盖，进气接头布置于进气炉室的法兰盘上，工艺气体从进气接头进入，穿过法兰盘进入进气通道中，再由进气通道、出气接头和中间管路进入到反应腔室中，实现均匀进气，有利于提高产品质量。同时这种进气方式不影响炉盖的开合操作，方便生长设备的正常使用和检修维护。

综上所述，本实用新型解决了现有氮化镓生长炉受加热温度影响造成晶柱生长过程较慢、晶柱剥离难度高的问题，加快了晶柱生长速度，降低了生产成本，同时降低晶柱剥离难度，保证了产品质量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型部分结构的轴向剖面图；

图3是本实用新型进气端盖的结构示意图；

图4是本实用新型进气侧的结构示意图；

图5是图4中I部放大图；

图6是本实用新型进气端盖、进气炉室的分解结构示意图；

图7是本实用新型的二次过滤装置的结构示意图。

图中：1.进气炉盖、2.进气炉室、3.卧式生长炉、4.电阻加热器、5.电磁感应加热器、6.出气炉室、7.出气炉盖、8.二次过滤装置、9.泵抽系统、10.进气侧光轴导轨、11.出气侧光轴导轨、12.石英管、13.反应腔室、14.托杆、15.缩径出气筒、16.托盘、17.密封轴承座、18.石墨毡层、19.中间管路、20.传动机构、21.驱动电机、22.出气孔、23.进气孔、24.进气通道、25.U形连接耳、26.水冷腔体、27.出气接头、28.进气接头、29.法兰盘、30.外侧盖板、31.铰接耳、32.固定杆、33.锁紧帽、34.炉盖支撑架、35.炉室支撑架。

具体实施方式

根据说明书附图对本实用新型作详细描述。

如图1～图7所示，该复合加热式氮化镓生长系统，包括卧式生长炉3、设于卧式生长炉3两端的进气炉室2、出气炉室6、与进气炉室2外端连接的进气炉盖1、与出气炉室6外端连接的出气炉盖7、设于卧式生长炉3外侧的加热装置。所述卧式生长炉3包括石英管12、设于石英管12中的同轴反应舟和样品托架。

其中，所述同轴反应舟由固定于石英管12内的反应腔室13、设于反应腔室13一端的缩径出气筒15构成。所述样品托架由与石英管12同轴的托杆14、设于托杆14端部的托盘16构成。所述托盘16与托杆14垂直且其上设有异质衬底，所述异质衬底与缩径出气筒15的端口相对且留有设定的轴向间隙。所述加热装置由沿石英管12轴向依次布置在石英管外侧的电阻加热器4和电磁感应加热器5构成，所述电阻加热器4围绕于同轴反应舟的反应腔室13外部，所述电磁感应加热器5围绕于缩径出气筒15和异质衬底外部。所述电磁感应加热器5包围的石英管内部覆有同轴的石墨毡层18，储能保温效果好。所述出气炉盖7中心设有与样品托架的托杆14配合的密封轴承座17，出气炉盖7外侧另固定有驱动电机21，所述托杆14外端穿过密封轴承座17后利用传动机构20与驱动电机21的输出端连接。驱动电机21启动后，通过传动机构20带动托杆14转动，从而带动带有异质衬底的托盘16转动，保证工作过程中结晶均匀。所述出气炉室6的外壁上设有出气管道，所述出气管道的末端与二次过滤装置8连通，所述二次过滤装置8的出口管路与泵抽系统9连通。

本实施例中，所述进气炉室2包括直炉管体、设于直炉管体一端并与进气炉盖1连接的法兰盘29。所述进气炉盖1内部设有多条进气通道24，进气炉盖1对应法兰盘29侧端面设有与进气通道24连通的进气孔23和出气孔22，各条进气通道24的进气孔23均匀布置在进气炉盖1的外圈，各条进气通道24的出气孔22布置于进气炉盖1的内圈。所述法兰盘29上固定有与进气炉盖1的进气孔23连通的进气接头28，所述进气通道24连通的出气孔22外侧固定有出气接头27，各个出气接头27在进气炉盖1的内圈均匀布置，出气接头27与直炉管体的中心线平行，每个出气接头27利用与其同轴的中间管路19与同轴反应舟的反应腔室13连通。所述进气接头28为直角接头，所述直角接头的水平段端部由法兰盘29背向进气炉盖侧穿过，到达法兰盘29朝向进气炉盖1侧端面并焊接固定，所述法兰盘29朝向进气炉盖1侧端面设有围绕直角接头水平段端部的环形密封凹槽，所述环形密封凹槽中设有密封圈。

所述进气炉盖1包括炉盖本体和外侧盖板30，所述炉盖本体上设有形成进气通道24的一半凹槽，所述外侧盖板30上设有形成进气通道24的另一半凹槽，所述炉盖本体和外侧盖板30焊接固定。所述进气通道24为连接一个进气孔23和一个出气孔22的短通道，或者为连接两个进气孔23和一个出气孔22的长通道，长通道的两端与进气孔23连接，中部与出气孔22连接且该出气孔22的中心线与进气炉盖1的中心线重合。本实施例中，短通道为4个，长通道1个，其中两个短通道用于通入升华阶段用的氨气，一个短通道用于通入生长阶段用的氮气，另一个短通道用于通入氯化氢气体，长通道用于通入冷却阶段用的氮气。

所述进气炉盖1和出气炉盖7的外周面分别均匀设有多个U形连接耳25，所述进气炉室2和出气炉室6的法兰盘29的外周上分别设有与U形连接耳25一一对应的铰接耳31，所述固定杆32一端与铰接耳31铰接，另一端通过U形连接耳25的开口处进入U形连接耳25内并固定锁紧帽33。所述进气炉室2和出气炉室6的底部分别设有炉室支撑架35，所述进气炉盖1和出气炉盖7的底部分别设有炉盖支撑架34，进气炉室2的炉室支撑架35和进气炉盖1的炉盖支撑架34共同支撑在进气侧光轴导轨10上，出气炉室6的炉室支撑架35和出气炉盖7的炉盖支撑架34共同支撑在出气侧光轴导轨11上，所述炉室支撑架35和炉盖支撑架34的底部设有导轨滑块，所述进气炉室2、出气炉室6、进气炉盖1和出气炉盖7分别设有水冷腔体26。

在本实施例中有两个用于加热的加热器，分别是电阻加热器4和电磁感应加热器5，并分别对应升华区和生长区。

工作原理：

1、生长区采用电磁感应加热方式。预先对样品托架上的异质衬底进行高温加热，在高温2000℃的环境下，对异质衬底表面进行二次提纯。去除表面因生长环境、机械加工形成的缺陷杂质。在进行二次提纯后，温度降为1050℃的同时，通过进气端盖1通入氮气，氮气通过反应腔室13直接喷射在异质衬底表面，在异质衬底表面形成钝化层。

2、升华区采用电阻加热方式。先利用电阻加热器4升温至850℃，反应腔室13中预先投入的镓液开始升华得到镓蒸汽，通过进气接头28、进气端盖1的进气通道24、出气接头27和中间管路19向反应腔室13中通入氯化氢HCl和氨气NH3两种工艺气体，工艺气体在进入反应腔室13中后与镓蒸汽反应，反应后气体向生长区流动，气体传输到衬底表面后，会在钝化层处开始结晶生长出氮化镓晶柱。

3、原料耗尽或已生长至工艺要求的晶体厚度后，进行退火工艺，生长区温度降低，使晶体温度降为400摄氏度，稳定特定时间后快速升温至980度后关闭加热电源。同上述，通过进气端盖1通入冷态工艺气体N2，晶体在冷态工艺气体环境下迅速冷却，内部热应力得到释放，应力屈服层自行破裂，晶体生长结束。

4、通过异质衬底与缩径出气筒15的端口间的轴向间隙溢出的工艺气体经二次过滤装置8经过滤回收，避免环境污染及资源浪费。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种复合加热式氮化镓生长系统，包括卧式生长炉、设于卧式生长炉两端的进气炉室、出气炉室、与进气炉室外端连接的进气炉盖、与出气炉室外端连接的出气炉盖、设于卧式生长炉外侧的加热装置，所述卧式生长炉包括石英管、设于石英管中的同轴反应舟和样品托架，其特征在于：所述同轴反应舟由固定于石英管内的反应腔室、设于反应腔室一端的缩径出气筒构成，所述样品托架由与石英管同轴的托杆、设于托杆端部的托盘构成，所述托盘与托杆垂直且其上设有异质衬底，所述异质衬底与缩径出气筒的端口相对且留有设定的轴向间隙，所述加热装置由沿石英管轴向依次布置在石英管外侧的电阻加热器和电磁感应加热器构成，所述电阻加热器围绕于同轴反应舟的反应腔室外部，所述电磁感应加热器围绕于缩径出气筒和异质衬底外部。

2.根据权利要求1所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述出气炉室的外壁上设有出气管道，所述出气管道的末端与二次过滤装置连通，所述二次过滤装置的出口管路与泵抽系统连通。

3.根据权利要求1所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述进气炉室包括直炉管体、设于直炉管体一端并与进气炉盖连接的法兰盘，所述进气炉盖内部设有多条进气通道，进气炉盖对应法兰盘侧端面设有与进气通道连通的进气孔和出气孔，各条进气通道的进气孔均匀布置在进气炉盖的外圈，各条进气通道的出气孔布置于进气炉盖的内圈，所述法兰盘上固定有与进气炉盖的进气孔连通的进气接头，所述进气通道连通的出气孔外侧固定有出气接头，各个出气接头在进气炉盖的内圈均匀布置，出气接头与直炉管体的中心线平行，每个出气接头利用与其同轴的中间管路与同轴反应舟的反应腔室连通。

4.根据权利要求3所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述进气接头为直角接头，所述直角接头的水平段端部由法兰盘背向进气炉盖侧穿过，到达法兰盘朝向进气炉盖侧端面并焊接固定，所述法兰盘朝向进气炉盖侧端面设有围绕直角接头水平段端部的环形密封凹槽，所述环形密封凹槽中设有密封圈。

5.根据权利要求1所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述进气炉室和出气炉室的底部分别设有炉室支撑架，所述进气炉盖和出气炉盖的底部分别设有炉盖支撑架，进气炉室的炉室支撑架和进气炉盖的炉盖支撑架共同支撑在进气侧光轴导轨上，出气炉室的炉室支撑架和出气炉盖的炉盖支撑架共同支撑在出气侧光轴导轨上，所述炉室支撑架和炉盖支撑架的底部设有导轨滑块，所述进气炉室、出气炉室、进气炉盖和出气炉盖分别设有水冷腔体。

6.根据权利要求1所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述出气炉盖中心设有与样品托架的托杆配合的密封轴承座，出气炉盖外侧另固定有驱动电机，所述托杆外端穿过密封轴承座后利用传动机构与驱动电机的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述电磁感应加热器包围的石英管内部覆有同轴的石墨毡层。

8.根据权利要求1所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述进气炉盖和出气炉盖的外周面分别均匀设有多个U形连接耳，所述进气炉室和出气炉室的法兰盘的外周上分别设有与U形连接耳一一对应的铰接耳，固定杆一端与铰接耳铰接，另一端通过U形连接耳的开口处进入U形连接耳内并固定锁紧帽。

9.根据权利要求3所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述进气炉盖包括炉盖本体和外侧盖板，所述炉盖本体上设有形成进气通道的一半凹槽，所述外侧盖板上设有形成进气通道的另一半凹槽，所述炉盖本体和外侧盖板焊接固定。

10.根据权利要求3所述的复合加热式氮化镓生长系统，其特征在于：所述进气通道为连接一个进气孔和一个出气孔的短通道，或者为连接两个进气孔和一个出气孔的长通道，长通道的两端与进气孔连接，中部与出气孔连接且该出气孔的中心线与进气炉盖的中心线重合。

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