專利名稱：一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫化物氣相外延HVPE生長系統(tǒng)，用于生長如GaN基材料等半導(dǎo)體材料，為一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料為主的III-V族氮化物材料(又稱GaN基材料) 是近幾年來國際上倍受重視的新型半導(dǎo)體材料。GaN基材料的生長有很多種方法，如金屬有機物氣相外延(MOCVD)、高溫高壓合成體GaN單晶、分子束外延(MBE)、升華法以及氫化物氣相外延(HVPE)等。由于GaN基材料本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用化。氫化物氣相外延由于具有高的生長率和橫向-縱向外延比，可用于同質(zhì)外延生長自支撐GaN襯底，引起廣泛地重視和研究。由于傳統(tǒng)臥式HVPE系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣流輸運等的限制，大面積(> 2英寸)GaN基材料生長的均勻性仍需要進一步研究改進。在立式HVPE生長系統(tǒng)中，由于反應(yīng)腔體可以設(shè)計成軸對稱的，氣體的輸運系統(tǒng)遠比臥式系統(tǒng)更容易并且更均勻，最終生長得到的材料厚度也更均勻。不斷改進立式HVPE生長系統(tǒng)對于GaN基材料的生長具有重要意義。另外在HVPE系統(tǒng)中，由于反應(yīng)產(chǎn)物中有氯化銨，在低于340攝氏度時很容易變成粉塵沉積堵塞反應(yīng)腔體，造成反應(yīng)終止，系統(tǒng)運行時間短等，這是HVPE生長系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的問題，目前沒有有效的方法解決。在立式HVPE系統(tǒng)中，由于氨氣和feiCl的預(yù)反應(yīng)，會堵塞管路，造成 GaCl反應(yīng)氣體輸運的終止，而阻礙了反應(yīng)的進一步進行。本發(fā)明設(shè)計的立式HVPE系統(tǒng)針對上述問題提出了創(chuàng)新性方法，由于可以持續(xù)運行，除了基本應(yīng)用外，可以專用于厘米級大尺寸GaN體單晶材料的生長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是改進現(xiàn)有的HVPE生長系統(tǒng)，能夠大批量生產(chǎn)具有良好均勻性的半導(dǎo)體薄膜材料；能夠長時間持續(xù)運行，進行厘米級大尺寸GaN體單晶材料的生長。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)，包括反應(yīng)腔體、石墨支托、外延生長襯底和加熱系統(tǒng)，石墨支托設(shè)置在反應(yīng)腔體的生長區(qū)內(nèi)，反應(yīng)腔體為立式結(jié)構(gòu)，生長區(qū)高1 5cm，多片外延生長襯底設(shè)置在石墨支托上方或倒置在石墨支托下方，尾氣出口位于反應(yīng)腔體下部，其中反應(yīng)腔體為軸向套管結(jié)構(gòu)，由腔體管和氣體導(dǎo)管套接組成， 氣體導(dǎo)管位于腔體管的入口部份，氣體導(dǎo)管的入口部分內(nèi)部為多路分隔氣路結(jié)構(gòu)，多路分隔氣路軸向均勻分布，用于將反應(yīng)氣體送至生長區(qū)的外延生長襯底處，氣體導(dǎo)管的外導(dǎo)管壁延伸超過石墨支托的位置，石墨支托直徑隨著設(shè)置的外延生長襯底數(shù)目的不同從60mm 到500mm，反應(yīng)腔體內(nèi)保持0. 1-1個大氣壓。本發(fā)明加熱系統(tǒng)采用雙溫區(qū)或單溫區(qū)方式，加熱方式為電阻加熱或射頻加熱，射頻加熱為反應(yīng)腔體外設(shè)有石墨套管，石墨套管設(shè)置在超音頻電磁感應(yīng)加熱器的感應(yīng)線圈中，石墨套筒外層包覆導(dǎo)熱非易燃絕緣層，并置于惰性氣體環(huán)境中。進一步的，不同的反應(yīng)氣體通過不同的氣體導(dǎo)管氣路輸送，氨氣和feiCl兩種反應(yīng)氣體氣路之間設(shè)有一路隔離管理通氬氣或者隊氣體，以防止在到達襯底前兩種氣體發(fā)生反應(yīng)，最大的好處是可以防止因預(yù)先反應(yīng)造成的在feci出口處造成的GaN沉積，阻塞管路從而減慢生長速率甚至終止生長。采用該分隔管路，可以增加持續(xù)生長時間到幾十甚至上百小時，最終可以使得樣品生長到毫米甚至厘米量級的厚度。本發(fā)明由于氣體導(dǎo)管的特殊結(jié)構(gòu)，反應(yīng)氣體在襯底表面發(fā)生反應(yīng)后，反應(yīng)尾氣必須穿過生長加熱區(qū)，再由經(jīng)下部排出。因為反應(yīng)尾氣中存在氯化銨粉塵，該氯化銨粉塵的存在會堆積并在反應(yīng)腔體內(nèi)部溫度低于340攝氏度左右的地方沉積、堵塞管路，從而造成反應(yīng)腔體壓力過大而容易爆炸，并且會污染所生長的材料本身。本發(fā)明通過讓反應(yīng)尾氣通過加熱系統(tǒng)內(nèi)部的高溫環(huán)境有效防止了氯化銨的沉積而輸運到生長系統(tǒng)下方合適的位置通過冷凝后、水清洗去除。而且由于氣體的輸送在反應(yīng)腔體內(nèi)有專門的氣體導(dǎo)管，無論是從上至下的傳輸方向還是從下至上的傳輸方向，該清洗過程都可以在生長過程中隨時進行，可以讓系統(tǒng)長時間運行，從而獲得厘米級的大尺寸GaN體單晶材料。目前利用該設(shè)計，我們已獲得毫米級GaN樣品。為改善生長的半導(dǎo)體薄膜的均勻性，本發(fā)明石墨支托繞縱向中心軸線旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速 0 1000轉(zhuǎn)/分；氣體導(dǎo)管的出口連接有勻氣環(huán)，勻氣環(huán)由連通的氣路進口和氣路出口構(gòu)成，其中氣路出口設(shè)有4-30個，在圓環(huán)上均勻分布，勻氣環(huán)氣路進口連接氣體導(dǎo)管出口。本發(fā)明提出一種立式氫化物氣相外延(HVPE)生長設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)GaN基襯底材料等半導(dǎo)體薄膜材料生長的大規(guī)模應(yīng)用。本發(fā)明可實現(xiàn)單片、3片、7片甚至更多片數(shù)的GaN襯底材料的生長，石墨支托最大可承載60片2英寸樣品進行外延生長。本發(fā)明提出了一種倒置的襯底方式方式，所采用的倒置式襯底樣品結(jié)構(gòu)有利于獲得高質(zhì)量的樣品， 防止預(yù)反應(yīng)的GaN顆粒沉積在襯底表面。本發(fā)明提出的分隔管路結(jié)構(gòu)和尾氣傳輸結(jié)構(gòu)，可以有效的防止預(yù)反應(yīng)和反應(yīng)尾氣造成的沉積、堵塞，提高HVPE系統(tǒng)的持續(xù)生長時間，獲得目前無法自然不存在、常規(guī)方法無法生長的GaN體單晶材料。這是本發(fā)明應(yīng)用的主要領(lǐng)域。本發(fā)明的創(chuàng)新之一是氨氣和feiCl之間的分隔氣體(氬氣或者氮氣)管路，由于該分隔氣體的存在，可以防止因預(yù)先反應(yīng)造成的在feci出口處造成的GaN沉積，阻塞管路從而減慢生長速率甚至終止生長。采用該分隔管路，可以增加持續(xù)生長時間到幾十甚至上百小時，最終可以使得樣品生長到毫米甚至厘米量級的厚度。而如果沒有該管路的話，可能生長3，5個小時feiCl管路就被GaN堵塞了。本發(fā)明設(shè)備主要是用于厚膜體材料生長，因為HVPE的優(yōu)勢是生長速率可以達到幾百微米/小時，但是由于GaN預(yù)沉積和氯化銨的堵塞系統(tǒng)，一般HVPE生長不了幾個小時就需要停機清理，因為限制了應(yīng)用。本發(fā)明解決了這些問題。


圖1是本發(fā)明用于GaN生長的雙溫區(qū)立式HVPE系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明立式HVPE生長系統(tǒng)反應(yīng)腔內(nèi)部氣體輸運示意圖，顯示了反應(yīng)腔體的軸向套管結(jié)構(gòu)。反應(yīng)尾氣通過圖示的路線經(jīng)過高溫區(qū)然后被引出、冷凝沉積，一定時間后水清洗即可。圖3為實施例中GaN襯底樣品的均勻性圖表。
具體實施例方式本發(fā)明包括反應(yīng)腔體、石墨支托、外延生長襯底和加熱系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)，石墨支托設(shè)置在反應(yīng)腔體的生長區(qū)內(nèi)，反應(yīng)腔體為立式結(jié)構(gòu)，生長區(qū)高1 5cm，多片外延生長襯底設(shè)置在石墨支托上方或倒置在石墨支托下方，尾氣出口位于反應(yīng)腔體下部，其中反應(yīng)腔體為軸向套管結(jié)構(gòu)，由腔體管和氣體導(dǎo)管套接組成，氣體導(dǎo)管位于腔體管的入口部份，氣體導(dǎo)管的入口部分內(nèi)部為多路分隔氣路結(jié)構(gòu)，多路分隔氣路軸向均勻分布，用于將反應(yīng)氣體送至生長區(qū)的外延生長襯底處，氣體導(dǎo)管的外導(dǎo)管壁延伸超過石墨支托的位置，加熱系統(tǒng)采用電阻爐或者射頻加熱方式均可，如圖1，為用于GaN生長的雙溫區(qū)立式HVPE系統(tǒng)示意圖，HCl和金屬源在I區(qū)反應(yīng)，生成的氣體產(chǎn)物進入生長區(qū)，在襯底表面和NH3混合發(fā)生反應(yīng)，形成GaN。尾氣及反應(yīng)塵埃通過抽氣系統(tǒng)抽出。金屬源區(qū)(I區(qū))溫度從300-1000攝氏度(生長GaN時溫度一般為850-900攝氏度，如圖示)，生長區(qū)(II區(qū))溫度從450-1100 攝氏度(生長GaN時溫度一般為1000-1100攝氏度)。本發(fā)明生長區(qū)(軸向恒溫區(qū))高度在5厘米范圍內(nèi)即可，石墨支托直徑隨著外延生長襯底數(shù)目的增加，可以從60mm到500mm，最大可承載60片2英寸樣品。無論采用何種加熱方式，加熱系統(tǒng)均可以采用雙溫區(qū)也可以只單溫區(qū)方式，射頻加熱方式適合于更大直徑的反應(yīng)腔體結(jié)構(gòu)，適用于更多片數(shù)的材料生長。本發(fā)明采用的射頻加熱方式，反應(yīng)腔體外設(shè)有石墨套管，石墨套管設(shè)置在超音頻電磁感應(yīng)加熱器的感應(yīng)線圈中，石墨套筒外層包覆導(dǎo)熱非易燃絕緣層，并置于惰性氣體環(huán)境中，這種方式加熱均勻快速，具有升降溫速率快等優(yōu)點。本發(fā)明的可采用不同的金屬源，鎵、銦、鋁、鎂等，每一種金屬源都有獨立的氣體導(dǎo)管輸送，兩種反應(yīng)氣體氣路之間設(shè)有一路隊氣體，以減少兩種氣體在到達襯底之前預(yù)混合造成的空間反應(yīng)。生長區(qū)石墨支托水平放置，可以圍繞支托中心線旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速從0 1000 轉(zhuǎn)/分鐘，可以改善GaN薄膜的均勻性。外延生長襯底可以采用倒置懸掛方式也可以采用正放置在石墨支托上的方式，反應(yīng)氣體進氣可以采用向上或者向下輸運的方式，隨襯底材料放置方式的不同而不同。倒置式襯底樣品結(jié)構(gòu)有利于獲得高質(zhì)量的樣品，防止預(yù)反應(yīng)的 GaN顆粒沉積在襯底表面。進一步的，本發(fā)明采用勻氣環(huán)這種進氣裝置，所述勻氣環(huán)為已授權(quán)專利技術(shù)《一種改進HVPE傳輸氣流均勻性的裝置》專利號ZL200810235278. 1，保證氣體進入圓形反應(yīng)腔體時形成均勻性軸心分布。本發(fā)明反應(yīng)腔體采用石英管軸向套管設(shè)計，如圖2所示。反應(yīng)氣體到襯底表面的輸運可以采用軸向設(shè)計的石英氣體導(dǎo)管保證軸向分布。反應(yīng)腔壓力保持在0.1-1個大氣壓。在氨氣和feci氣體之間采用N2分隔，以減少兩氣體預(yù)混合造成的空間反應(yīng)。載氣采用氮氣或者氬氣或者氫氣及氫氣和氮氣混合氣體。本發(fā)明技術(shù)實施方式之一，藍寶石襯底懸掛式立式HVPE生長系統(tǒng)中生長GaN厚膜。包括下面幾步
1、藍寶石襯底的清洗和處理。2、藍寶石襯底放入反應(yīng)器中后，緩慢升溫至生長溫度，即可開始生長GaN。生長溫度1000 1100°C。氣體流量分別NH3流量為2000sccm，NH3載氣流量為1000sccm，HCl流量為50SCCm，HCl載氣流量為200SCCm，總氮氣為4000sCCm。樣品為單片2英寸藍寶石襯底。反應(yīng)腔體壓力1個大氣壓。3、生長到合適的時間后，按照一定的速率緩慢降至室溫，取出樣品。本實施例中生長時間約為5小時，生長速率為120-150微米/小時，樣品厚度為650微米左右。樣品厚度均勻性如圖3所示，樣品中心厚度和邊緣厚度差在4%范圍內(nèi)，顯示出良好的厚度均勻性。在上述實施例的基礎(chǔ)上，擴大反應(yīng)腔體的直徑和石墨支托的面積，設(shè)置3片、7片甚至更多片數(shù)的GaN襯底材料，即可實現(xiàn)大量生長GaN薄膜材料。由于本發(fā)明的軸向套管結(jié)構(gòu)的反應(yīng)腔體，以及石墨支托、勻氣環(huán)等的設(shè)置，保證了多片生長材料時反應(yīng)氣體的均勻性，本發(fā)明特別采用的射頻加熱方式可以保證大直徑反應(yīng)腔體的加熱的均勻和快速，綜合起來實現(xiàn)了大量半導(dǎo)體薄膜材料的生長，并能夠保證材料生長厚度的均勻性。本發(fā)明采用的分隔管路通氣體、特殊設(shè)計的尾氣處理系統(tǒng)等，保證了立式HVPE系統(tǒng)的長時間持續(xù)運行，獲得了毫米級大尺寸GaN體單晶材料。
權(quán)利要求
1.一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)，包括反應(yīng)腔體、石墨支托、外延生長襯底和加熱系統(tǒng)，石墨支托設(shè)置在反應(yīng)腔體的生長區(qū)內(nèi)，其特征是反應(yīng)腔體為立式結(jié)構(gòu)，生長區(qū)高1 5cm，多片外延生長襯底設(shè)置在石墨支托上方或倒置在石墨支托下方，尾氣出口位于反應(yīng)腔體下部，其中反應(yīng)腔體為軸向套管結(jié)構(gòu)，由腔體管和氣體導(dǎo)管套接組成，氣體導(dǎo)管位于腔體管的入口部份，氣體導(dǎo)管的入口部分內(nèi)部為多路分隔氣路結(jié)構(gòu)，多路分隔氣路軸向均勻分布，用于將反應(yīng)氣體送至生長區(qū)的外延生長襯底處，氣體導(dǎo)管的外導(dǎo)管壁延伸超過石墨支托的位置，石墨支托直徑隨著設(shè)置的外延生長襯底數(shù)目的不同從60mm到500mm，反應(yīng)腔體內(nèi)保持0. 1-1個大氣壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)，其特征是加熱系統(tǒng)采用雙溫區(qū)或單溫區(qū)方式，加熱方式為電阻加熱或射頻加熱，射頻加熱為反應(yīng)腔體外設(shè)有石墨套管，石墨套管設(shè)置在超音頻電磁感應(yīng)加熱器的感應(yīng)線圈中，石墨套筒外層包覆導(dǎo)熱非易燃絕緣層，并置于惰性氣體環(huán)境中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)，其特征是不同的反應(yīng)氣體通過不同的氣體導(dǎo)管氣路輸送，兩種反應(yīng)氣體氣路之間設(shè)有一路氬氣或者隊氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)，其特征是石墨支托繞縱向中心軸線旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速0 1000轉(zhuǎn)/分；氣體導(dǎo)管的出口連接有勻氣環(huán)，勻氣環(huán)由連通的氣路進口和氣路出口構(gòu)成，其中氣路出口設(shè)有4-30個，在圓環(huán)上均勻分布，勻氣環(huán)氣路進口連接氣體導(dǎo)管出口。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)，其特征是石墨支托繞縱向中心軸線旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速0 1000轉(zhuǎn)/分；氣體導(dǎo)管的出口連接有勻氣環(huán)，勻氣環(huán)由連通的氣路進口和氣路出口構(gòu)成，其中氣路出口設(shè)有4-30個，在圓環(huán)上均勻分布，勻氣環(huán)氣路進口連接氣體導(dǎo)管出口。
全文摘要
一種立式氫化物氣相外延生長系統(tǒng)，包括反應(yīng)腔體、石墨支托、外延生長襯底和加熱系統(tǒng)，石墨支托設(shè)置在反應(yīng)腔體的生長區(qū)內(nèi)，反應(yīng)腔體為立式結(jié)構(gòu)，多片外延生長襯底設(shè)置在石墨支托上方或倒置在石墨支托下方，尾氣出口位于反應(yīng)腔體下部，其中反應(yīng)腔體為軸向套管結(jié)構(gòu)，由腔體管和氣體導(dǎo)管套接組成，氣體導(dǎo)管位于腔體管的入口部份，氣體導(dǎo)管的入口部分內(nèi)部為多路分隔氣路結(jié)構(gòu)，多路分隔氣路軸向均勻分布，用于將反應(yīng)氣體送至生長區(qū)的外延生長襯底處，氣體導(dǎo)管的外導(dǎo)管壁延伸超過石墨支托的位置。本發(fā)明可以有效的防止預(yù)反應(yīng)和反應(yīng)尾氣造成的沉積、堵塞，提高HVPE系統(tǒng)的持續(xù)生長時間，獲得目前無法自然不存在、常規(guī)方法無法生長的GaN體單晶材料。
文檔編號C30B29/38GK102465333SQ201010549729
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者修向前, 華雪梅, 張 榮, 施毅, 胡立群, 謝自力, 鄭有炓, 韓平, 顧書林 申請人:南京大學(xué)