專利名稱：一種制備氮化物單晶襯底的氫化物氣相外延裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體技術領域，特別指為了生長高質量、高均勻性的氮 化物單晶襯底材料而設計制備的一種簡單易用、高可靠性的豎直式氫化物
氣相外延及輔助裝置。
背景技術：
氮化物多元系材料的光譜從0.7^到6.2 ，可以用于帶間發(fā)光，顏色 覆蓋從紅外到紫外波長，不僅在光電子應用方面，如藍光、綠光、紫外光 發(fā)光二極管(LED)、短波長激光二極管(LD)，紫外探測器、布拉格反射 波導等方面獲得了重要的應用和發(fā)展，而且在微電子應用方面也得到了廣 泛的關注，可以制作高溫、高頻和大功率器件，如高電子遷移率晶體管 (HEMT)、異質結雙極晶體管(HBT)等。氮化鎵(GaN)材料作為第三 代半導體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽和電子漂移速度、 高擊穿電場和高熱導率、優(yōu)異的物理化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。尤其是近些 年來發(fā)光二極管照明迅猛發(fā)展，氮化物系的LED大量應用于顯示器、照 明、指示燈、廣告牌、交通燈等，在農業(yè)中作為加速光合成光源，在醫(yī)療 中作為診斷和治療的工具。但是目前，氮化物材料生長面臨的最大的問題 是缺少同質襯底，釆用傳統(tǒng)的單晶生長方法很難生長出體單晶使用異質 襯底，如藍寶石、碳化硅等存在著由于晶格失配和熱失配帶來的外延材料 缺陷密度大等的問題。而利用氫化物氣相外延的方法具有高生長速率，高 結晶質量，高均勻性生長和低的設備成本和運行成本，能夠實現(xiàn)氮化物材 料的厚膜生長，可以生長出具有襯底厚度的氮化物材料，也稱之為氮化物 自支撐襯底。
本發(fā)明以前有關用于氮化物單晶襯底制備的外延裝置在生長時存在 水平爐受對流的影響溫度均勻性差，氣相耗盡導致厚膜氮化物材料生長均 勻性低，填裝金屬源不方便，金屬鹵化物可控性差，反應爐使用不方便， 重復性差等缺點。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種制備氮化物單晶襯底材料的氫化物氣相外
延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的制備氮化物單晶襯底的氫化物氣相外
延裝置，包括
一外延生長室，為豎直設置； 外延生長室上、下端面裝有底盤進行密封； 一襯底裝置設于外延生長室內上方，襯底放置方式為面朝下； 襯底裝置在外延生長室外部接有調速馬達，以控制襯底裝置的轉速； 一金屬反應源放置器，內放置金屬源，位于外延生長室內，襯底裝置 下方，至少一反應氣體管道通入金屬反應源放置器內，以通入鹵族氫化物 或者鹵族氣體并與金屬反應源放置器中的金屬源反應生成金屬卣化物；
至少一載氣管道通過外延生長室下端面的底盤進入外延生長室內部， 通過該載氣管道攜帶氮源氣體進入外延生長室，在襯底裝置下方混合，并 向上流動到襯底裝置上進行反應生長氮化物單晶襯底；
一副產(chǎn)物收集裝置，與外延生長室出氣口連接，收集氫化物氣相外延 反應的副產(chǎn)物，以防止反應氣體管道路堵塞；
一加熱裝置，環(huán)繞于外延生長室外圓周；
一自動控制系統(tǒng)，用以控制載氣的開關、流量和壓力，控制加熱裝置 的溫度和升降溫速度、控制襯底裝置的旋轉速度，并進行實時記錄。
所述的氫化物氣相外延裝置，其中，金屬反應源放置器位于外延生長 室的外部，并由一管道與外延生長室內部相通；至少一反應氣體管道通入 金屬反應源放置器內，以通入鹵族氫化物或者鹵族氣體并與金屬反應源放 置器中的金屬源反應生成金屬鹵化物；至少--載氣管道通過外延生長室下 端面的底盤進入外延生長室，通過該載氣管道攜帶氮源氣體進入外延生長 室，在襯底裝置下方混合，并向上流動到襯底裝置上進行反應生長氮化物 單晶襯底。
所述的氫化物氣相外延裝置，其中，外延生長室為耐高溫耐腐蝕的材料。
所述的氫化物氣相外延裝置，其中，襯底為單片或者多片。 所述的氫化物氣相外延裝置，其中，襯底裝置采用橡膠圈加真空油脂
密封或者磁流體密封的方式密封。
所述的氫化物氣相外延裝置，其中，金屬反應源放置器為一個或者多
個，內裝有入鎵、銦、鋁、鐵、鎂中的一種或者多種金屬源。
所述的氫化物氣相外延裝置，其中，載氣為氮氣、氦氣、氫氣、氬氣 中的一種或多種。
所述的氫化物氣相外延裝置，其中，副產(chǎn)物收集裝置連接一濕法廢氣 處理裝置，收集的氫化物氣相外延反應副產(chǎn)物通過濕法廢氣處理裝置內的 酸性水溶液收集未反應的氨氣。
所述的氫化物氣相外延裝置，其中，加熱裝置為獨立控制的多溫區(qū)，
溫區(qū)數(shù)目為l至5個，加熱方式為電阻加熱或者射頻感應加熱。 所述的氫化物氣相外延裝置，其中，氮源氣體為氨氣。 本發(fā)明可以解決氮化物氣相反應水平爐受對流的影響溫度均勻性差， 氣相耗盡導致厚膜氮化物材料生長均勻性低，填裝金屬源不方便，金屬囟 化物可控性差，反應爐使用不方便，重復性差等缺點。能夠幫助實現(xiàn)高速 率生長高質量、高均勻性的氮化物單晶襯底材料，具有較高的反應效率， 從而降低了生長成本。
圖1是本發(fā)明的實施例一的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明的實施例二的結構示意圖； 圖3是濕法尾氣處理裝置的示意圖； 圖4為自動控制系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種豎直式襯底面向下制備氮化物單晶襯底的氫化物
氣相外延及輔助裝置，包括豎直式外延生長室、生長室加熱裝置、襯底 旋轉裝置、金屬反應源放置器或者獨立金屬鹵化物反應爐、氣體管道、自 動控制系統(tǒng)、反應副產(chǎn)物收集裝置和尾氣處理裝置。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的外延生長室一般為耐高 溫耐腐蝕的石英等材料，采用豎直方式放置，襯底面向下，襯底可以為單 片或者多片，反應氣體向上流動到襯底處進行反應生長氮化物單晶襯底。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的生長室加熱裝置可以為 多溫區(qū)加熱，溫區(qū)數(shù)目可以為1至5個，加熱方式為電阻加熱或者射頻感 應加熱，每個溫區(qū)可以獨立控制。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的襯底裝置具有旋轉功 能，采用橡膠圈加真空油脂密封、磁流體密封或者其它方式密封，旋轉由 可調速馬達控制，轉速為10-500轉/分鐘。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的金屬反應源放置器可以 根據(jù)生長要求，裝入鎵(Ga)、銦(In)、鋁(Al)、鐵(Fe)等一種或者 多種金屬源，用于生長氮化物材料。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的金屬反應源可以單獨作 為一個源爐進行反應，包括鎵(Ga)、銦(In)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鎂(Mg) 等不同金屬源和鹵族氫化物包括HC1、 HBr、 HI等或者鹵族氣體如入氯氣 等反應生成相應的金屬鹵化物， 一種或者多種金屬鹵化物通過載氣攜帶通 入外延生長室用于生長氮化物材料。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的載氣可以采用不同的氣 體，包括氮氣(N2)、氦氣(He)、氫氣(H2)、氬氣(Ar)等及其混合氣體，載氣攜帶反應氣體包括氨氣(NH3)和金屬鹵化物氣體進入反應室， 在襯底裝置下方混合，并向上流動到襯底上進行反應。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的使用自動控制系統(tǒng)控制 氣體的開關、氣體的流量和壓力的大小，控制加熱裝置的溫度和升降溫速 度，控制襯底的旋轉速度等，并進行實時記錄。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的使用專門的副產(chǎn)物收集 裝置收集反應副產(chǎn)物比如NH4C1，以防止氣路堵塞。
所述的氫化物氣相外延及輔助裝置，其所述的使用專門設計的濕法吸 收裝置吸收反應剩余的NH3，同時又不會造成水的反向擴散污染反應系統(tǒng)。
實現(xiàn)本發(fā)明所采取的技術措施有以下幾個方面 一是采用豎直式外延 生長室系統(tǒng)，可以有效地解決襯底反應表面溫度分布不均勻和水平爐氣相 耗盡導致外延生長不均勻的問題；二是采用襯底面朝下、反應源從下方混 合并在襯底上進行沉積的設計，不會產(chǎn)生由于氣相反應物在重力作用下掉 落到襯底表面污染生長表面，有利于高質量氮化物單晶的生長；三是金屬
反應源可以設計為獨立的金屬和鹵素或者其氫化物進行反應的爐子，進而 增加金屬鹵化物的可控性，增加氫化物氣相外延爐的易操作性和減小體 積；四是金屬反應源可以根據(jù)生長需要更換不同的金屬源材料，用于生長
不同的氮化物材料；五是可以更換不同的氣體作為載氣，從而改變生長條 件和氣流發(fā)布；六是使用自動控制系統(tǒng)，控制氣體的開關、氣體的流量和 壓力的大小，控制加熱裝置的溫度和升降溫速度，控制襯底的旋轉速度等, 并進行實時記錄，從而增加系統(tǒng)的重復性、穩(wěn)定性和易用性；七是使用副 產(chǎn)物收集裝置收集反應副產(chǎn)物，以防止系統(tǒng)管路的堵塞，增加系統(tǒng)維護的
周期；八是使用專門的濕法收集裝置收集廢氣，以避免可能造成的環(huán)境污 染和人身傷害。
為進一步說明本發(fā)明的內容，以下結合具體實施案例對本發(fā)明作一詳 細的描述
實施例一
如圖1所示，是本實施例的結構示意圖。該裝置可以增加一個真空泵，
進行低壓到常壓的生長，裝置由外延生長室l、加熱裝置2、上下底盤31 和32、襯底裝置4、調速馬達5、金屬反應源放置器6、反應氣體管道7、 副產(chǎn)物收集裝置8、濕法廢氣處理裝置9和自動控制系統(tǒng)10組成。其中， 外延生長室l為豎直設置，加熱裝置2環(huán)繞外延生長室1外圓周加熱，外 延生長室1上下端面裝有底盤31進行密封；襯底裝置4由外延生長室1 上方進入，襯底15放置方式為面朝下；襯底裝置4在生長室外部接有調
速馬達5;金屬反應源放置器6位于外延生長室1中；反應氣體管道7通
過生長室下端面的底盤32進入反應室；副產(chǎn)物收集裝置8在反應室出氣
口通過過濾和收集裝置收集氫化物氣相外延反應的副產(chǎn)物；濕法廢氣處理
裝置9通過酸性的水溶液和專門的設計既可以收集未反應的氨氣，又可以 有效避免水的反向擴散(如圖3所示，為本發(fā)明的一種示意圖)。
以生長GaN材料為例，本發(fā)明的生長工藝流程是通過自動控制裝置 IO進行整體控制(見圖4所示)，由生長室加熱裝置2加熱外延生長室1;
加熱裝置2可以分為多溫區(qū)加熱；金屬反應源放置器6所處區(qū)域溫度為 800-卯0'C，襯底15處溫度為900-1100"C，載氣、反應氣體HC1及NH3通過 外延生長室1底部反應氣體管道7進入生長室；載氣輸運反應氣體HC1至金屬反應源放置器6， HCl與Ga金屬進行反應，生成GaCl氣體；載氣運輸 GaCl至襯底15;同時載氣運輸反應氣體NH3襯底15; GaCl與NH3混合并在 襯底上反應生成GaN;生長時，調速馬達5控制襯底裝置4旋轉；生長過 程中的副產(chǎn)物NH4Cl通過副產(chǎn)物收集裝置8收集，尾氣則通過濕法尾氣處 理裝置9吸收其中的NH3等后排走。 實施例二
如圖2所示，是本實施例二的結構示意圖。該裝置可以增加--個真空 泵，進行低壓到常壓的生長，裝置由外延生長室1、加熱裝置2、上下底 盤31和32、襯底裝置4、調速馬達5、金屬鹵化物反應器6'、反應氣體管 道7、副產(chǎn)物收集裝置8、濕法廢氣處理裝置9和自動控制系統(tǒng)10組成。 其中，外延生長室l為豎直設置，加熱系統(tǒng)2環(huán)繞外延生長室1外圓周加 熱，外延生長室1上下端面裝有底盤31進行密封；襯底裝置4由外延生 長室1上方進入，襯底15放置方式為面朝下；襯底裝置4在生長室外部
接有調速馬達5;金屬反應源放置器6位于外延生長室1夕卜；反應氣體管 道7通過生長室下端面的底盤32進入反應室；副產(chǎn)物收集裝置8在反應
室出氣口通過過濾和收集裝置收集氫化物氣相外延反應的副產(chǎn)物；濕法廢
氣處理裝置9通過酸性的水溶液(見圖3)既可以收集未反應的氨氣，又
可以有效避免水的反向擴散。
以生長A1N材料為例，本發(fā)明的生長工藝流程是通過自動控制裝置 IO進行整體控制，由生長室加熱裝置2加熱外延生長室1;加熱裝置2可
以分為多溫區(qū)加熱，襯底15處溫度為800-1150°C;金屬鹵化物反應器6
生成AlCl3以及NH3通過外延生長室1底部反應氣體管道7進入生長室； A1C13與NH3混合并在襯底上反應生成A1N;生長時，調速馬達5控制襯底 裝置4旋轉生長過程中的副產(chǎn)物NH4C1通過副產(chǎn)物收集裝置8收集，尾 氣則通過濕法尾氣處理裝置9吸收其中的NH3等后排走。
根據(jù)以上描述，本發(fā)明可以解決生長氮化物單晶襯底材料存在的問 題，為生長高質量、均勻性好、重復穩(wěn)定性好和操作簡易的氮化物單晶襯 底材料提供了完善的氫化物氣相外延(HVPE)生長裝置,，
權利要求
1. 一種制備氮化物單晶襯底的氫化物氣相外延裝置，包括一外延生長室，為豎直設置；外延生長室上、下端面裝有底盤進行密封；一襯底裝置設于外延生長室內上方，襯底放置方式為面朝下；襯底裝置在外延生長室外部接有調速馬達，以控制襯底裝置的轉速；一金屬反應源放置器，內放置金屬源，位于外延生長室內，襯底裝置下方，至少一反應氣體管道通入金屬反應源放置器內，以通入鹵族氫化物或者鹵族氣體并與金屬反應源放置器中的金屬源反應生成金屬鹵化物；至少一載氣管道通過外延生長室下端面的底盤進入外延生長室內部，通過該載氣管道攜帶氮源氣體進入外延生長室，在襯底裝置下方混合，并向上流動到襯底裝置上進行反應生長氮化物單晶襯底；一副產(chǎn)物收集裝置，與外延生長室出氣口連接，收集氫化物氣相外延反應的副產(chǎn)物，以防止反應氣體管道路堵塞；一加熱裝置，環(huán)繞于外延生長室外圓周；一自動控制系統(tǒng)，用以控制載氣的開關、流量和壓力，控制加熱裝置的溫度和升降溫速度、控制襯底裝置的旋轉速度，并進行實時記錄。
2、如權利要求l所述的氫化物氣相外延裝置，其中，金屬反應源放置 器位于外延生長室的外部，并由一管道與外延生長室內部相通；至少一反 應氣體管道通入金屬反應源放置器內，以通入鹵族氨化物或者卣族氣體并 與金屬反應源放置器中的金屬源反應生成金屬囪化物；至少---載氣管道通 過外延生長室下端面的底盤進入外延生長室，通過該載氣管道攜帶氮源氣 體進入外延生長室，在襯底裝置下方混合，并向上流動到襯底裝置上進行 反應生長氮化物單晶襯底。
3、 如權利要求1或2所述的氫化物氣相外延裝置，其中，外延生長 室為耐高溫耐腐蝕的材料。
4、 如權利要求1或2所述的氫化物氣相外延裝置，其中，襯底為單 片或者多片。
5、 如權利要求1或2所述的氫化物氣相外延裝置，其中，襯底裝置 采用橡膠圈加真空油脂密封或者磁流體密封的方式密封。
6、 如權利要求1或2所述的氫化物氣相外延裝置，其中，金屬反應 源放置器為一個或者多個，內裝有入鎵、銦、鋁、鐵、鎂中的--種或者多 種金屬源。
7、 如權利要求1或2所述的氫化物氣相外延裝置，其中，載氣為氮 氣、氦氣、氫氣、氬氣中的--種或多種。
8、 如權利要求1所述的氫化物氣相外延裝置，其中，副產(chǎn)物收集裝 置連接一濕法廢氣處理裝置，收集的氫化物氣相外延反應副產(chǎn)物通過濕法 廢氣處理裝置內的酸性水溶液收集未反應的氨氣。
9、 如權利要求1所述的氫化物氣相外延裝置，其中，加熱裝置為獨 立控制的多溫區(qū)，溫區(qū)數(shù)目為1至5個，加熱方式為電阻加熱或者射頻感應加熱o
10、 如權利要求1或2所述的氫化物氣相外延裝置，其中，氮源氣體 為氨氣。
全文摘要
一種制備氮化物單晶襯底的氫化物氣相外延裝置，包括一外延生長室，為豎直設置；外延生長室上、下端面裝有底盤進行密封；一襯底裝置設于外延生長室內上方，襯底放置方式為面朝下；襯底裝置在生長室外部接有調速馬達，以控制襯底裝置的轉速；一金屬反應源放置器，位于外延生長室內襯底裝置下方或反應爐之外；反應氣體管道通過生長室下端面的底盤進入外延生長室，載氣通過反應氣體管道進入外延生長室，攜帶反應氣體向上流動到襯底上進行反應生長氮化物單晶襯底；一副產(chǎn)物收集裝置，與外延生長室出氣口連接，收集反應副產(chǎn)物，以防止反應氣體管道路堵塞；一加熱裝置環(huán)繞于外延生長室外圓周；一自動控制系統(tǒng)進行控制。
文檔編號C30B25/00GK101205627SQ20061016554
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月21日 優(yōu)先權日2006年12月21日
發(fā)明者喆 劉, 曾一平, 李晉閩, 段瑞飛, 王軍喜, 鐘興儒, 平 馬, 魏同波 申請人:中國科學院半導體研究所