一种制备氮化物单晶衬底的氢化物气相外延装置制造方法及图纸

一种制备氮化物单晶衬底的氢化物气相外延装置，包括：一外延生长室，为竖直设置；外延生长室上、下端面装有底盘进行密封；一衬底装置设于外延生长室内上方，衬底放置方式为面朝下；衬底装置在生长室外部接有调速马达，以控制衬底装置的转速；一金属反应源放置器，位于外延生长室内衬底装置下方或反应炉之外；反应气体管道通过生长室下端面的底盘进入外延生长室，载气通过反应气体管道进入外延生长室，携带反应气体向上流动到衬底上进行反应生长氮化物单晶衬底；一副产物收集装置，与外延生长室出气口连接，收集反应副产物，以防止反应气体管道路堵塞；一加热装置环绕于外延生长室外圆周；一自动控制系统进行控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别指为了生长高质量、高均匀性的氮 化物单晶衬底材料而设计制备的一种简单易用、高可靠性的竖直式氢化物气相外延及辅助装置。
技术介绍
氮化物多元系材料的光谱从0.7^到6.2 ，可以用于带间发光，颜色 覆盖从红外到紫外波长，不仅在光电子应用方面，如蓝光、绿光、紫外光 发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)，紫外探测器、布拉格反射 波导等方面获得了重要的应用和发展，而且在微电子应用方面也得到了广 泛的关注，可以制作高温、高频和大功率器件，如高电子迁移率晶体管 (HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。氮化镓(GaN)材料作为第三 代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、 高击穿电场和高热导率、优异的物理化学稳定性等优异性能。尤其是近些 年来发光二极管照明迅猛发展，氮化物系的LED大量应用于显示器、照 明、指示灯、广告牌、交通灯等，在农业中作为加速光合成光源，在医疗 中作为诊断和治疗的工具。但是目前，氮化物材料生长面临的最大的问题 是缺少同质衬底，釆用传统的单晶生长方法很难生长出体单晶使用异质 衬底，如蓝宝石、碳化硅等存在着由于晶格失配和热失配带来的外延材料 缺陷密度大等的问题。而利用氢化物气相外延的方法具有高生长速率，高 结晶质量，高均匀性生长和低的设备成本和运行成本，能够实现氮化物材 料的厚膜生长，可以生长出具有衬底厚度的氮化物材料，也称之为氮化物 自支撑衬底。本专利技术以前有关用于氮化物单晶衬底制备的外延装置在生长时存在 水平炉受对流的影响温度均匀性差，气相耗尽导致厚膜氮化物材料生长均 匀性低，填装金属源不方便，金属卤化物可控性差，反应炉使用不方便， 重复性差等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备氮化物单晶衬底材料的氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)装置。为实现上述目的，本专利技术提供的制备氮化物单晶衬底的氢化物气相外延装置，包括一外延生长室，为竖直设置； 外延生长室上、下端面装有底盘进行密封； 一衬底装置设于外延生长室内上方，衬底放置方式为面朝下； 衬底装置在外延生长室外部接有调速马达，以控制衬底装置的转速； 一金属反应源放置器，内放置金属源，位于外延生长室内，衬底装置 下方，至少一反应气体管道通入金属反应源放置器内，以通入卤族氢化物 或者卤族气体并与金属反应源放置器中的金属源反应生成金属卣化物；至少一载气管道通过外延生长室下端面的底盘进入外延生长室内部， 通过该载气管道携带氮源气体进入外延生长室，在衬底装置下方混合，并 向上流动到衬底装置上进行反应生长氮化物单晶衬底；一副产物收集装置，与外延生长室出气口连接，收集氢化物气相外延 反应的副产物，以防止反应气体管道路堵塞；一加热装置，环绕于外延生长室外圆周；一自动控制系统，用以控制载气的开关、流量和压力，控制加热装置 的温度和升降温速度、控制衬底装置的旋转速度，并进行实时记录。所述的氢化物气相外延装置，其中，金属反应源放置器位于外延生长 室的外部，并由一管道与外延生长室内部相通；至少一反应气体管道通入 金属反应源放置器内，以通入卤族氢化物或者卤族气体并与金属反应源放 置器中的金属源反应生成金属卤化物；至少--载气管道通过外延生长室下 端面的底盘进入外延生长室，通过该载气管道携带氮源气体进入外延生长 室，在衬底装置下方混合，并向上流动到衬底装置上进行反应生长氮化物 单晶衬底。所述的氢化物气相外延装置，其中，外延生长室为耐高温耐腐蚀的材料。所述的氢化物气相外延装置，其中，衬底为单片或者多片。 所述的氢化物气相外延装置，其中，衬底装置采用橡胶圈加真空油脂密封或者磁流体密封的方式密封。所述的氢化物气相外延装置，其中，金属反应源放置器为一个或者多个，内装有入镓、铟、铝、铁、镁中的一种或者多种金属源。所述的氢化物气相外延装置，其中，载气为氮气、氦气、氢气、氩气 中的一种或多种。所述的氢化物气相外延装置，其中，副产物收集装置连接一湿法废气 处理装置，收集的氢化物气相外延反应副产物通过湿法废气处理装置内的 酸性水溶液收集未反应的氨气。所述的氢化物气相外延装置，其中，加热装置为独立控制的多温区，温区数目为l至5个，加热方式为电阻加热或者射频感应加热。 所述的氢化物气相外延装置，其中，氮源气体为氨气。 本专利技术可以解决氮化物气相反应水平炉受对流的影响温度均匀性差， 气相耗尽导致厚膜氮化物材料生长均匀性低，填装金属源不方便，金属囟 化物可控性差，反应炉使用不方便，重复性差等缺点。能够帮助实现高速 率生长高质量、高均匀性的氮化物单晶衬底材料，具有较高的反应效率， 从而降低了生长成本。附图说明图1是本专利技术的实施例一的结构示意图； 图2是本专利技术的实施例二的结构示意图； 图3是湿法尾气处理装置的示意图； 图4为自动控制系统的框图。具体实施例方式本专利技术提供了一种竖直式衬底面向下制备氮化物单晶衬底的氢化物气相外延及辅助装置，包括竖直式外延生长室、生长室加热装置、衬底 旋转装置、金属反应源放置器或者独立金属卤化物反应炉、气体管道、自 动控制系统、反应副产物收集装置和尾气处理装置。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的外延生长室一般为耐高 温耐腐蚀的石英等材料，采用竖直方式放置，衬底面向下，衬底可以为单 片或者多片，反应气体向上流动到衬底处进行反应生长氮化物单晶衬底。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的生长室加热装置可以为 多温区加热，温区数目可以为1至5个，加热方式为电阻加热或者射频感 应加热，每个温区可以独立控制。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的衬底装置具有旋转功 能，采用橡胶圈加真空油脂密封、磁流体密封或者其它方式密封，旋转由 可调速马达控制，转速为10-500转/分钟。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的金属反应源放置器可以 根据生长要求，装入镓(Ga)、铟(In)、铝(Al)、铁(Fe)等一种或者 多种金属源，用于生长氮化物材料。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的金属反应源可以单独作 为一个源炉进行反应，包括镓(Ga)、铟(In)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg) 等不同金属源和卤族氢化物包括HC1、 HBr、 HI等或者卤族气体如入氯气 等反应生成相应的金属卤化物， 一种或者多种金属卤化物通过载气携带通 入外延生长室用于生长氮化物材料。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的载气可以采用不同的气 体，包括氮气(N2)、氦气(He)、氢气(H2)、氩气(Ar)等及其混合气体，载气携带反应气体包括氨气(NH3)和金属卤化物气体进入反应室， 在衬底装置下方混合，并向上流动到衬底上进行反应。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的使用自动控制系统控制 气体的开关、气体的流量和压力的大小，控制加热装置的温度和升降温速 度，控制衬底的旋转速度等，并进行实时记录。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的使用专门的副产物收集 装置收集反应副产物比如NH4C1，以防止气路堵塞。所述的氢化物气相外延及辅助装置，其所述的使用专门设计的湿法吸 收装置吸收反应剩余的NH3，同时又不会造成水的反向扩散污染反应系统。实现本专利技术所采取的技术措施有以下几个方面 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氮化物单晶衬底的氢化物气相外延装置，包括：一外延生长室，为竖直设置；外延生长室上、下端面装有底盘进行密封；一衬底装置设于外延生长室内上方，衬底放置方式为面朝下；衬底装置在外延生长室外部接有调速马达，以控制衬底装置的转速；一金属反应源放置器，内放置金属源，位于外延生长室内，衬底装置下方，至少一反应气体管道通入金属反应源放置器内，以通入卤族氢化物或者卤族气体并与金属反应源放置器中的金属源反应生成金属卤化物；至少一载气管道通过外延生长室下端面的底盘进入外延生长室内部，通过该载气管道携带氮源气体进入外延生长室，在衬底装置下方混合，并向上流动到衬底装置上进行反应生长氮化物单晶衬底；一副产物收集装置，与外延生长室出气口连接，收集氢化物气相外延反应的副产物，以防止反应气体管道路堵塞；一加热装置，环绕于外延生长室外圆周；一自动控制系统，用以控制载气的开关、流量和压力，控制加热装置的温度和升降温速度、控制衬底装置的旋转速度，并进行实时记录。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段瑞飞，刘喆，钟兴儒，魏同波，马平，王军喜，曾一平，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]