一种氢化物气相外延设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种氢化物气相外延(HVPE)设备。该设备包括水冷不锈钢真空腔室，保温层，源加热器，衬底加热器，腔室隔热器，内部反应室，衬底托盘和旋转机构，喷气口，金属舟，以及样品出入口等。本实用新型专利技术区别于常规的HVPE设备主要在以下方面：(a)水冷不锈钢腔室代替常规的石英腔室；(b)在真空腔室内置加热器代替常规的外置加热器。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氢化物气相外延(HVPE)设备，尤其是生长氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)的 HVPE 设备。
技术介绍
以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物已经成为一种重要的半导体材料。然而由于缺乏衬底材料，目前遇到发展瓶颈。氢化物气相外延(HVPE)是目前最有希望解决氮化物(氮化镓或GaN、氮化铝或AIN等)衬底的生长方法，因此受到重视。常规的HVPE设备，主体是一个石英管真空腔室。将衬底，源材料放入石英管内，多个加热器放在石英管外。这种设备虽然结构简单，成本低廉，但也有以下严重的缺点:①不安全，这是因为石英管是易碎材料，很容易破裂造成。尤其是生长氮化铝(AlN)材料时一氯化铝(AlCl)对石英还有腐蚀性生长温度受限，原则上不能超过120(TC。石英一旦超过1200°C就会软化，加热器(一般是镍铬合金)超过120(TC在空气环境下会烧毁容量有限，这是由于石英管不宜做成大腔室，否则承受不了大气压力；④材料均匀性不好，难以批量生产。水平反应室虽然气流稳定但衬底不能(或不容易实现)旋转，而垂直反应室虽然容易实现旋转但气流不易稳定；⑤不容易实现在线监控。这是由于在石英管上安装传感器是非常困难的事情，何况石英管外面还有加热器及保温层包围；⑥装片/取片都不方便。由此可见，以上6条原因都直接或间接与“石英反应室”有关。本专利技术就是为解决以上问题的，其核心思想是水冷不锈钢腔室代替石英管腔室，不锈钢腔室起真空密封作用。将加热器放入不锈钢腔室内部，在加热器和不锈钢腔室之间用保温层隔离。另外在加热器内放置内部反应室，由石英、耐高温陶瓷、石墨或碳纤维、或者耐高温金属制成。内部反应室主要起“气体导向”作用，限制气体的流动范围，不承担“真空密封”作用。内部反应室为水平结构，这种结构气体流动平稳，易形成层流流动。衬底托盘旋转，由固定在不锈钢腔室外的电机带动旋转，这样材料生长更均匀。
技术实现思路
本专利技术为一种氢化物气相外延(HVPE)设备，其核心思想是:①水冷不锈钢腔室代替常规HVPE设备中的石英管腔室，不锈钢腔室起真空密封作用；②将加热器放入不锈钢腔室内部，在加热器和不锈钢腔室之间用保温层隔离在加热器内放置内部反应室，由石英、耐高温陶瓷、石墨或碳纤维、或者耐高温金属制成。内部反应室主要起“气体导向”作用，限制气体的流动范围，不承担“真空密封”作用；④内部反应室为水平结构。与垂直结构相t匕，水平结构的气体流动平稳，易形成层流流动衬底托盘旋转，由固定在不锈钢腔室外的电机带动旋转，这样材料生长更均匀。本专利技术的HVPE设备，其结构包括:水冷不锈钢腔室(1)，保温层(2)，源加热器 (3)，衬底加热器(4)，腔室隔热器(5)，内部反应室￠)，衬底托盘(7)，托盘旋转升降机构(8)，喷气口(9)，金属舟(10)，等。水冷不锈钢腔室⑴分为三部分，分别为上盖板(IA)、下底板(IB)、墙板(IC)，中间用胶圈(21)密封，合起来是一个整体。水冷不锈钢腔室(I)的作用是将空气与腔室内部隔开，通过压强控制装置保存腔室(I)内部的压强。通过机械装置可以将上盖板(IA)、下底板(IB)、墙板(IC)分开，方便样品取出和装入。当上盖板(IA)、下第板(IB)、墙板(IC)合起来时，形成一个完整的水冷不锈钢腔室(I)。按照空间划分，这个腔室又分为以下四部分:(a)前端腔室(101)、金属舟腔室 (102)、生长腔室(103)、尾气腔室(104)。前端腔室(101)没有加热器和保温层，主要作用是安装喷气口(9)。金属舟腔室(102)内有源加热器(3)和保温层(2)，主要作用是为金属舟(10)以及内部反应室(6)的前端加热并提供合适的温度环境。生长腔室(103)内有衬底加热器(4)和保温层(2)，主要作用是为衬底托盘(7)以及内部反应室(6)的后端加热并提供合适的温度环境。尾气腔室(104)内没有加热器和保温层，主要作用是收集尾气并给尾气降温。水冷不锈钢腔室(I)，其结构可以是双层不锈钢结构，在夹层中通水，也可以是单层不锈钢结构，在不锈钢腔室的内侧(或外侧)紧贴一层专用水冷板(22)。所谓的专用水冷板(22)，一般是用紫铜材料制成。在一块紫铜板上焊接紫铜管，在紫铜管内通冷却水，达到降温的目的。为了开盖方便，专用水冷板(22)分为上下两部分，分别为上层水冷板(22A)和下层水冷板(22B)，其中上层水冷板(22A)与上盖板(IA)固定，下层水冷板(22B)与下底板(IB)固定。保温层(2)分为上下两部分，分别为上保温层(2A)和下保温层(2B)，其中上保温层(2A)与上盖板(IA)固定，下保温层(2B)与下底板(IB)固定。保温层(2)的作用是将腔室内部的高温区和水冷腔室隔开，防止热量从高温区传向水冷腔室。保温层(2)的材料，可以是由多层金属片(钨、钥、钽、不锈钢等)做成的光反射屏，也可以是有各种保温材料(石英棉、氧化锆纤维棉、氧 化铝纤维棉、碳毡等)做成的保温体，也可以是由这两种材料的组合。源加热器(3)也分为上下两部分，分别为:上层源加热器(3A)和下层源加热器 (3B)，其中上层源加热器(3A)与上盖板(IA)固定，下层源加热器(3B)与下底板(IB)固定。 源加热器(3)的作用是加热内部反应室(6)的前部以及金属舟(10)，使得内部反应室(6) 的前部以及金属舟(10)维持在一定的温度。上层源加热器(3A)和下层源加热器(3B)分别由两个温度控制器控制，两个加热器的温度可以是一致的，也可以略有差异。衬底加热器(4)也分为上下两部分，分别为:上层衬底加热器(4A)和下层衬底加热器(4B)，其中上层衬底加热器(4A)与上盖板(IA)固定，下层衬底加热器(4B)与下底板 (IB)固定。衬底加热器(4)的作用是加热内部反应室￠)的后部以及衬底托盘(7)，使得内部反应室￠)的后部以及衬底托盘(7)维持在一定的温度。上层衬底加热器(4A)和下层衬底加热器(4B)分别由两个温度控制器控制，两个加热器的温度可以是一致的，也可以略有差异。关于源加热器(3)和衬底加热器⑷的材料:可以是耐高温的金属材料(鹤、钥、 钽、镍铬合金等)，也可以是石墨材料和碳纤维材料，也可以是一些耐高温的导电陶瓷材料 (如硼化钛陶瓷)做成。关于源加热器(3)和衬底加热器(4)的加热方式:既可以是电阻加热，也可以是电磁感应加热。腔室隔热器(5)也分为上下两部分，分别为上腔室隔热器(5A)和下腔室隔热器(5B)，其中上腔室隔热器(5A)与上盖板(IA)固定，下腔室隔热器(5B)与下底板(IB)固定。腔室隔热器(5)的作用是将源舟腔室(102)和生长腔室(103)隔开，防止这两个腔室内的热量相互传递，保持这两个腔室内有一定的温度差，以致使得金属舟(10)和衬底托盘(7)保持一定的温度差。腔室隔热器(5)可以是耐高温、电绝缘、隔热陶瓷材料做成，如氧化铝陶瓷，氧化硅(石英陶瓷)，莫来石(氧化铝和氧化硅混合陶瓷)，氧化锆陶瓷，氧化镁陶瓷等。内部反应室(6)为长方形管，它的前端有一块或两块隔板(601)，隔开金属(镓、铝等)源、气体源或顶层气体(一般是携带气体)。它的前端还有一金属源加料口 ￠02)，加料完毕后用加料口专用盖子(603)盖上。它的后端有两个圆孔:一个圆孔为托盘镶嵌孔(604),其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢化物气相外延设备，其特征在于：其结构包括水冷不锈钢腔室(1)，保温层(2)，源加热器(3)，衬底加热器(4)，腔室隔热器(5)，内部反应室(6)，衬底托盘(7)，托盘旋转升降机构(8)，喷气口(9)，金属舟(10)；?水冷不锈钢腔室(1)分为三部分，分别为上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C)，中间用胶圈(21)密封，合起来是一个整体；?当上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C)合起来时，形成一个完整的水冷不锈钢腔室(1)；按照空间划分，这个腔室又分为以下四部分：(a)前端腔室(101)、金属舟腔室(102)、生长腔室(103)、尾气腔室(104)；?前端腔室(101)没有加热器和保温层；?金属舟腔室(102)内有源加热器(3)和保温层(2)；?生长腔室(103)内有衬底加热器(4)和保温层(2)；?尾气腔室(104)内没有加热器和保温层；?保温层(2)分为上下两部分，分别为上保温层(2A)和下保温层(2B)，其中上保温层(2A)与上盖板(1A)固定，下保温层(2B)与下底板(1B)固定；?源加热器(3)也分为上下两部分，分别为上层源加热器(3A)和下层源加热器(3B)，其中上层源加热器(3A)与上盖板(1A)固定，下层源加热器(3B)与下底板(1B)固定；上层源加热器(3A)和下层源加热器(3B)分别由两个温度控制器控制，两个加热器的温度可以是一致的，也可以略有差异；?衬底加热器(4)也分为上下两部分，分别为上层衬底加热器(4A)和下层衬底加热器(4B)，其中上层衬底加热器(4A)与上盖板(1A)固定，下层衬底加热器(4B)与下底板(1B)固定；上层衬底加热器(4A)和下层衬底加热器(4B)分别由两个温度控制器控制，两个加热器的温度可以是一致的，也可以略有差?异；?腔室隔热器(5)也分为上下两部分，分别为上腔室隔热器(5A)和下腔室隔热器(5B)，其中上腔室隔热器(5A)与上盖板(1A)固定，下腔室隔热器(5B)与下底板(1B)固定；?内部反应室(6)为长方形管，它的前端有一块或两块隔板(601)，隔开金属源、气体源或顶层气体；它前端还有一金属源加料口(602)，加料完毕后用加料口专用盖子(603)盖上；它后端有两个圆孔：一个圆孔为托盘镶嵌孔(604)，其的直径略大于衬底托盘(7)的直径，一般大2～4毫米即可；平时衬底托盘嵌入圆孔(604)内；另一个圆孔为样品装卸孔(605)，平时用装卸孔专用盖子(606)盖上；内部反应室(6)的尾端有若干尾气孔(607)，化学反应后尾气从尾气孔(607)中排出；?内部反应室(6)两端与墙板(1C)固定；?内部反应室(6)横跨前端腔室(101)，金属舟腔室(102)，生长腔室(103)，尾气腔室(104)；它的前端与喷气口(9)对接，源气体和携带气体从喷气口流经内部反应室(6)，在衬底托盘(7)上进行外延生长，尾气从它的尾气孔(607)排出内部反应室(6)；?衬底托盘(7)是生长材料时放置衬底的地方，外形为圆形，直径略小于托盘镶嵌孔(604)，一般小2～4毫米即可；平时衬底托盘(7)嵌入托盘圆孔(604)内；衬底托盘(7)的下部与托盘旋转升降机构(8)中的旋转轴(801)相连；在进行材料外延生长时，由托盘旋转升降机构(8)带动衬底托盘(7)旋转，转速在每分钟10～120转之间；在往托盘上装卸衬底或样品时，由托盘旋转升降机构(8)往上顶出内部反应室(6)；?托盘旋转升降机构(8)是由旋转轴(801)、电机(802)、磁流体轴承(803)、波?纹管(804)及直线滑移机构等组成，其中衬底托盘(7)的下部与旋转轴(801)相连；?喷气口(9)外形为长方体；它有2～3个进气口(901)，这些进气口接源气体；另有密集的喷气孔(902)，孔径在1毫米以下，这些喷气孔(902)与内部反应室(6)对接；?金属舟(10)是一长方形器皿，口大深度浅；横向尺寸略小于内部反应室(6)宽度的内尺寸，一般情况下小于4毫米即可；深度一般小于10毫米；在外延生长时，当有氯化氢等气体经过金属舟(10)上面时，氯化氢与熔融金属发生化学反应生成金属氯化物。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘祥林，
申请(专利权)人：刘祥林，
类型：实用新型
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