專利名稱：一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料外延設(shè)備，更具體地，涉及一種采用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延氮化鎵(GaN)材料的設(shè)備配件。
背景技術(shù)：
以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料得到了廣泛應(yīng)用，具有寬禁帶，高擊穿電壓、高電子遷移率、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，非常適合制作抗輻射、高頻率、大功率和高密度集成的電子器件以及藍(lán)光、綠光和紫外光電子器件。最近日本LED大廠豐田合成以氮化鎵(GaN)為基板材料制作LED取得成功，其發(fā)光亮度是同樣大小藍(lán)寶石為基板的LED的3倍。目前氮化鎵(GaN)材料外延主要有以下兩種方法一種是化學(xué)氣相沉積(CVD)法CVD技術(shù)外延氮化鎵(GaN)材料時(shí)，薄膜成份易控，均勻性，重復(fù)性好，但是外延速率非常慢，每小時(shí)外延厚度為幾微米到十幾微米，化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)生長(zhǎng)速度慢，設(shè)備復(fù)雜，成本高，用于氮化鎵(GaN)材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)不合
笪
ο另一種是氫化物氣相外延(HVPE)法。其設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，外延速度快，每小時(shí)外延厚度可達(dá)幾十甚至幾百微米，在氮化鎵(GaN)薄膜和厚膜外延過(guò)程中都具有優(yōu)勢(shì)，最有可能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。HVPE技術(shù)外延速度快，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，但HVPE設(shè)備在外延過(guò)程中副產(chǎn)物生成快，設(shè)備反應(yīng)室石英部件容易發(fā)生故障，維護(hù)頻率高，設(shè)備連續(xù)工作性差，阻礙氮化鎵(GaN)材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。但，外延速度快帶來(lái)一個(gè)新問(wèn)題副產(chǎn)物的生產(chǎn)速率很快，為了提高HVPE外延的晶體質(zhì)量，99%的HVPE設(shè)備都選用了石英材料做反應(yīng)室壁，當(dāng)反應(yīng)室壁上副產(chǎn)物達(dá)到一定厚度，加上溫度變化，由于熱脹系數(shù)不一樣導(dǎo)致反應(yīng)室壁出現(xiàn)裂紋甚至破碎，系統(tǒng)無(wú)法正常工作，需要停機(jī)進(jìn)行維護(hù)。尤其在氮化鎵(GaN)厚膜外延(多用于制作自支撐襯底)過(guò)程中，僅幾爐或十幾爐外延，反應(yīng)室壁就會(huì)出較厚的副產(chǎn)物，并容易導(dǎo)致壁破裂，系統(tǒng)就要維護(hù)，其維護(hù)周期短，設(shè)備利用率低。因此，采用目前HVPE設(shè)備若不加改進(jìn)是難以實(shí)現(xiàn)氮化鎵(GaN)材料外延產(chǎn)業(yè)化的。目前氮化鎵(GaN)材料外延不足在于副產(chǎn)物污染和損壞系統(tǒng)，系統(tǒng)維護(hù)頻率高，設(shè)備利用率不高；托舟(放置襯底的載體)的清理難度大的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決由于氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體材料外延過(guò)程中副產(chǎn)物生成過(guò)快，導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)頻率高，設(shè)備利用率低，生產(chǎn)效率低，難以實(shí)現(xiàn)GaN材料外延的產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題。本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種新結(jié)構(gòu)的托舟，憑借其特殊結(jié)構(gòu)配以流暢控制技術(shù)，在氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體材料外延的過(guò)程中，使絕大部分副產(chǎn)物沉積在托舟內(nèi)部，很少沉積污染其他部位(托舟與尾氣管路除外)。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)簡(jiǎn)便地輪流替換備用的本發(fā)明托舟，系統(tǒng)在不間斷工作的情況下，清洗被換下的污染的托舟，從而大幅降低系統(tǒng)維護(hù)頻率，顯著提高生產(chǎn)效率。其發(fā)明結(jié)構(gòu)特征在于一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟，包含有托舟，托舟四周設(shè)計(jì)有高低不同凸起的側(cè)壁，材料外延時(shí)，將反應(yīng)前驅(qū)物定向噴射在其內(nèi)側(cè)壁，反應(yīng)物被噴灑在側(cè)壁內(nèi)側(cè)，側(cè)壁阻止反應(yīng)物和反應(yīng)生成物擴(kuò)散或過(guò)渡到系統(tǒng)其它部分，托舟底部設(shè)有數(shù)層可拆開(kāi)的分層結(jié)構(gòu)，托舟底部的襯底層上設(shè)有復(fù)數(shù)用于放置襯底的襯底槽，托舟輪換離機(jī)清洗卻不間斷材料生長(zhǎng)；托舟的襯底層下的流道層設(shè)置帶有隔壁的流道，托舟設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)尾氣出口，尾氣出口連接對(duì)應(yīng)的尾氣管道。在其中一些實(shí)施例中，所述托舟應(yīng)用于HVPE設(shè)備、CVD設(shè)備或其他材料生長(zhǎng)設(shè)備，托舟的分層結(jié)構(gòu)層數(shù)可以是I 20層。在其中一些實(shí)施例中，所述托舟的各層之間的流道，可以每層都設(shè)置，也可以只設(shè) 置在放襯底片的層與其下一層之間，托舟的尾氣出口個(gè)數(shù)可以是I 20個(gè)；側(cè)壁數(shù)可以是四個(gè)，也可以是一個(gè)(圓形或者橢圓形)、兩個(gè)(兩個(gè)弧形相交)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)……N個(gè)(自然數(shù))。在其中一些實(shí)施例中，所述托舟四邊各有一個(gè)側(cè)壁，其中相對(duì)兩個(gè)側(cè)壁高于比鄰另外兩個(gè)相對(duì)側(cè)壁，兩個(gè)相對(duì)較低的側(cè)壁高度低于反應(yīng)物噴灑頭噴口高度，以便在連續(xù)外延時(shí)，不用移動(dòng)噴灑頭就可以實(shí)現(xiàn)托舟的更換，兩個(gè)相對(duì)較低的側(cè)壁有利于反應(yīng)物的噴灑和托舟的移動(dòng)；外延時(shí)，噴灑頭可以直接對(duì)準(zhǔn)托舟側(cè)壁內(nèi)，將反應(yīng)物直接噴向托舟內(nèi)部。在其中一些實(shí)施例中，所述托舟底部分為多層，第一層如附圖2中的襯底層，襯底層上表面設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)襯底槽，用于外延時(shí)放置襯底，清理托舟時(shí)可以將附圖中的襯底層拆下，進(jìn)行清理；襯底層以下是流道層，托舟底部層與層之間設(shè)計(jì)有流道隔壁，使襯底層表面形成氣體流道，外延時(shí)氣流將通過(guò)此流道流向尾氣出口 ；托舟底部設(shè)置有一個(gè)尾氣出口，將尾氣出口直接對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的尾氣抽氣口，使反應(yīng)后的廢氣和副產(chǎn)物通過(guò)此通道離開(kāi)系統(tǒng)。每外延一爐或者幾爐后將被污染的托舟取下來(lái)(清理)，同時(shí)用備用的托舟替換上去。這樣，在清理一個(gè)被污染托舟時(shí)，系統(tǒng)可以使用備用托舟進(jìn)行外延，從而大幅提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率，利于產(chǎn)業(yè)化。整個(gè)托舟結(jié)構(gòu)再配合流暢控制就可以保證，從外延開(kāi)始到外延結(jié)束這一段時(shí)間內(nèi)，副產(chǎn)物基本上不生長(zhǎng)在除托舟和尾氣管道以外的其他部位，保證系統(tǒng)的清潔，大幅降低系統(tǒng)的維護(hù)頻率，顯著提高生產(chǎn)效率。本托舟實(shí)現(xiàn)了控制副產(chǎn)物生成位置，使副產(chǎn)物生長(zhǎng)在托舟內(nèi)部，以清理托舟方式來(lái)降低系統(tǒng)清理頻率，因?yàn)槎鄠€(gè)托舟輪換使用和清理，使設(shè)備生產(chǎn)不間斷，有利于實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)氮化鎵(GaN)材料的產(chǎn)業(yè)化。


圖I描述實(shí)施例采用的托舟的立體結(jié)構(gòu)圖；圖2描述實(shí)施例在有噴灑頭的情況下的截面結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)記說(shuō)明如下托舟I、噴灑頭2、側(cè)壁11、尾氣出口 12、流道隔壁13、襯底層14、襯底槽15、氣體流道16。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，解析本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神，藉由以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的詳述得到進(jìn)一步的了解。本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種新型托舟I (放置襯底的載體)的結(jié)構(gòu)，在托舟I四周設(shè)計(jì)了高低不同的側(cè)壁11，用于防止反應(yīng)物向系統(tǒng)其它區(qū)域(除托舟和尾氣管路之外的區(qū)域)擴(kuò)散。托舟I內(nèi)部設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu)，使副產(chǎn)物(生長(zhǎng)在非指定位置的任何物質(zhì))沉積在托舟I內(nèi)部，采用輪換使用和清洗托舟的方式降低清理系統(tǒng)頻率，節(jié)約大量時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。在各層結(jié)構(gòu)上設(shè)置流道，確保襯底表面的流場(chǎng)(物質(zhì)流動(dòng)的方向、軌跡和速度)穩(wěn)定，保證晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量。 參見(jiàn)附圖I所示的托舟結(jié)構(gòu)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖二，其四邊各有一個(gè)側(cè)壁11，其中有兩個(gè)側(cè)壁比另外兩個(gè)側(cè)壁略微高一些，以便在連續(xù)外延時(shí)，不用移動(dòng)附圖2中的噴灑頭2就可以實(shí)現(xiàn)托舟的更換。外延時(shí)，附圖2中的噴灑頭2，可以直接對(duì)準(zhǔn)托舟I的側(cè)壁11內(nèi)，將反應(yīng)物直接噴向托舟I內(nèi)部。托舟I分為兩層，第一層如附圖2中的襯底層14，在其上表面設(shè)計(jì)有8個(gè)襯底槽15，用于外延時(shí)放置襯底，清理托舟I時(shí)可以將附圖2中的襯底層14拆下，進(jìn)行清理。托舟I兩層之間設(shè)計(jì)有流道隔壁13，使兩層之間形成氣體流道16，外延時(shí)氣流將通過(guò)此流道流向尾氣出口 12。托舟I底部設(shè)置有一個(gè)尾氣出口 12，將尾氣出口 12直接對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的尾氣抽氣口，使反應(yīng)后的廢氣和副產(chǎn)物通過(guò)此通道離開(kāi)系統(tǒng)。使用本實(shí)施例托舟1，每外延一爐或者幾爐后將被污染的托舟I取下來(lái)(清理)，同時(shí)用備用的托舟I替換上去。這樣，在清理一個(gè)被污染托舟I時(shí)，系統(tǒng)可以使用備用托舟I進(jìn)行外延，從而大幅提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率，利于產(chǎn)業(yè)化。具體實(shí)施例采用托舟I四周設(shè)計(jì)有凸起的側(cè)壁11，托舟I四周設(shè)計(jì)高低不同的側(cè)壁11，噴灑頭2噴口方向指向托舟I側(cè)壁11內(nèi)側(cè)，將反應(yīng)物噴在托舟I內(nèi)側(cè)，噴灑頭2噴口將反應(yīng)前驅(qū)物定向噴射在其內(nèi)側(cè)壁11，側(cè)壁11阻止反應(yīng)物和反應(yīng)生成物擴(kuò)散或過(guò)渡到系統(tǒng)其它部分(托舟I與尾氣管路除外，防止反應(yīng)物及副產(chǎn)物向系統(tǒng)其它區(qū)域(除托舟I和尾氣管道之外的區(qū)域)擴(kuò)散。托舟I內(nèi)部設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu)，托舟I底部為分層結(jié)構(gòu)，分為數(shù)層，其中一層上設(shè)有復(fù)數(shù)襯底槽15用于放置襯底，副產(chǎn)物將在各分層構(gòu)件上附著和生長(zhǎng)，使副產(chǎn)物(生長(zhǎng)在非指定位置的任何物質(zhì))沉積在托舟I內(nèi)部。采用托舟I輪換方法，使托舟I離機(jī)清洗卻不間斷材料生長(zhǎng)；當(dāng)取下托舟I清理時(shí)可將各層構(gòu)件拆開(kāi)，進(jìn)行清理后可組裝再使用。托舟I各層構(gòu)件中設(shè)置有位于流道隔壁13中的流道，在托舟I各層設(shè)置流道，使襯底表面流場(chǎng)(物質(zhì)流動(dòng)的方向、軌跡和速度)穩(wěn)定；用于抽氣時(shí)控制襯底表面氣流路徑與方向。托舟I設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)尾氣出口 12，安裝后尾氣出口 12有對(duì)應(yīng)的尾氣管道，通過(guò)它將尾氣排出系統(tǒng)。反應(yīng)物和反應(yīng)生成物，經(jīng)過(guò)各層流道、尾氣出口 12、抽氣口和尾氣管道，被排出去。托舟I四邊各有一個(gè)側(cè)壁11，其中有兩個(gè)側(cè)壁11比另外兩個(gè)側(cè)壁11略微高一些，以便在連續(xù)外延時(shí)，不用移動(dòng)噴灑頭2就可以實(shí)現(xiàn)托舟I的更換。外延時(shí)，噴灑頭2可以直接對(duì)準(zhǔn)托舟I側(cè)壁11內(nèi)，將反應(yīng)物直接噴向托舟I內(nèi)部。托舟I分為兩層，第一層如附圖
2中的襯底層14，在其上表面設(shè)計(jì)有8個(gè)襯底槽15，用于外延時(shí)放置襯底，清理托舟I時(shí)可以將附圖2中的襯底層14拆下，進(jìn)行清理。例托舟I兩層之間設(shè)計(jì)有流道隔壁13，使兩層之間形成氣體流道16，外延時(shí)氣流將通過(guò)此流道流向尾氣出口 12。托舟I底部設(shè)置有一個(gè)尾氣出口 12，將尾氣出口 12直接對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的尾氣抽氣口，使反應(yīng)后的廢氣和副產(chǎn)物通過(guò)此通道離開(kāi)系統(tǒng)。每外延一爐或者幾爐后將被污染的托舟I取下來(lái)(清理)，同時(shí)用備用的托舟I替換上去。這樣，在清理一個(gè)被污染托舟I時(shí)，系統(tǒng)可以使用備用托舟I進(jìn)行外延，從而大幅提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率，利于產(chǎn)業(yè)化。
托舟I其應(yīng)用不限于HVPE設(shè)備，也可以是CVD設(shè)備等各種半導(dǎo)體材料或其他材料生長(zhǎng)設(shè)備。在諸如此類各種材料生長(zhǎng)設(shè)備中應(yīng)用的，托舟I的分層結(jié)構(gòu)層數(shù)可以是I 20層。托舟I的各層之間的流道，可以每層都設(shè)置，也可以只設(shè)置在放襯底片的層與其下一層之間。托舟I的出氣口個(gè)數(shù)可以是I 20個(gè)；側(cè)壁11數(shù)，可以是四個(gè)，也可以是一個(gè)(圓形或者橢圓形)、兩個(gè)(兩個(gè)弧形相交)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)……N個(gè)(自然數(shù))。本發(fā)明的托舟I (放置襯底的載體，以下簡(jiǎn)稱為托舟)可以將副產(chǎn)物(生長(zhǎng)在非指定位置的任何物質(zhì))控制在托舟內(nèi)，經(jīng)常清理托舟I內(nèi)副產(chǎn)物，減少副產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)室壁的損壞，降低了系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)頻率，提高了生產(chǎn)效率。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟，包含有托舟(I )，其特征在于，所述托舟(I)四周設(shè)計(jì)有高低不同凸起的側(cè)壁(11)，所述托舟(I)底部設(shè)有數(shù)層可拆開(kāi)的分層結(jié)構(gòu)，所述托舟(I)底部的襯底層(14)上設(shè)有復(fù)數(shù)用于放置襯底的襯底槽(15)，所述托舟(I)各層設(shè)置位于流道隔壁(13)中的流道，所述托舟(I)的襯底層(14)下設(shè)置有位于流道隔壁(13)中的流道，所述托舟(I)設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)尾氣出口(12)，所述尾氣出口( 12)連接對(duì)應(yīng)的尾氣管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟，其特征在于，所述托舟(I)應(yīng)用于HVPE設(shè)備、CVD設(shè)備或其他材料生長(zhǎng)設(shè)備，所述托舟(I)的分層結(jié)構(gòu)層數(shù)是I 20層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟，其特征在于，所述托舟(I)的尾氣出口(12)個(gè)數(shù)是I 20個(gè)；所述側(cè)壁(11)數(shù)是四個(gè)或是一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、五 個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟，其特征在于，所述托舟(I)四邊各有一個(gè)側(cè)壁(11)，其中相對(duì)兩個(gè)側(cè)壁(11)高于比鄰另外兩個(gè)相對(duì)側(cè)壁(11)，兩個(gè)相對(duì)較低的側(cè)壁(11)有利于反應(yīng)物的噴灑和托舟(I)的移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟，其特征在于，所述托舟(I)底部分為多層，第一層是襯底層(14)，襯底層(14)上表面設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)襯底槽(15)，襯底層(14)以下是流道層，所述托舟(I)底部層與層之間設(shè)計(jì)有流道隔壁(13)，使襯底層(14)表面形成氣體流道(16)，外延時(shí)氣流將通過(guò)此流道流向尾氣出口(12)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種適用于GaN材料外延產(chǎn)業(yè)化的托舟，解決氮化鎵半導(dǎo)體材料外延過(guò)程中副產(chǎn)物生成過(guò)快，導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)頻率高的難題。本發(fā)明包含有托舟，托舟四周設(shè)計(jì)有高低不同凸起的側(cè)壁，反應(yīng)物被噴灑在側(cè)壁內(nèi)側(cè)，托舟底部設(shè)有數(shù)層可拆開(kāi)的分層結(jié)構(gòu)，托舟底部的襯底層上設(shè)有復(fù)數(shù)用于放置襯底的襯底槽，在托舟各層設(shè)置位于流道隔壁中的流道，托舟設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)尾氣出口，尾氣出口連接對(duì)應(yīng)的尾氣管道。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了控制副產(chǎn)物生成位置，使副產(chǎn)物生長(zhǎng)在托舟內(nèi)部，以清理托舟方式來(lái)降低系統(tǒng)清理頻率，有利于實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)氮化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號(hào)C30B25/12GK102797034SQ201210309119
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者趙紅軍, 劉鵬, 畢綠燕, 袁志鵬, 張俊業(yè), 張國(guó)義, 童玉珍, 孫永健 申請(qǐng)人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司, 北京大學(xué)