一種前驅物流場控制棒的製作方法
2023-06-14 18:16:51
一種前驅物流場控制棒的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種氫化物氣相外延（HVPE）噴頭設計，更具體地是提供了一種用於控制前驅物流場的控制棒。在一立式HVPE生長系統的前驅物通道中，所述控制棒包括始段圓環結構，中段實心圓柱體，末段控制端，所述三段同軸。所述圓環結構分為內外兩側，並包含複數個圓形通孔，所述複數個圓形通孔至少一個穿過圓環結構的內外兩側。該圓環結構外徑與中段圓柱體直徑相等；與中段圓柱體毗鄰的末段控制端為圓錐、圓臺、倒圓臺或圓柱體結構中的一種，所述控制端與中段圓柱體相連處其直徑相同。本發明提供的前驅物控制棒能使前驅物徑向流場分布的均勻性最佳化，並擴展前驅物流場調控手段。
【專利說明】一種前驅物流場控制棒
【技術領域】
[0001]本發明涉及氫化物氣相外延(HVPE)沉積的噴頭設計領域，特別是一種用於控制前驅物流場的控制棒。
【背景技術】
[0002]隨著人們對發光二級管(LEDs)、雷射二級管(LDs)、電晶體和集成電路的需求與日俱增，化學沉積效率與質量變得尤為重要。氫化物氣相外延(HVPE)沉積法作為一種常用的III族氮化物沉積方法，在HVPE生長系統中，滷化物與III族金屬反應生成前驅物之一諸如III族滷化物，該前驅物隨後與另一前驅物諸如含氮氣體反應生成III族氮化物。
[0003]在HVPE生長系統中，前驅物的流場分布對III族氮化物的沉積效率與質量影響至關重要，然而，前驅物的流場分布往往決定於其進氣結構，這就意味著噴頭設計決定著整個生長系統的優劣性。在傳統臥式HVPE生長系統中，襯底通常置於一與水平面呈一定角度的襯底支撐板上，噴頭結構通常為一個以上水平或豎直方向的圓形噴嘴，該進氣結構下的前驅物流場分布，無論在襯底的周向還是徑向均分布不均勻；後來，隨著研究的深入，出現了立式HVPE生長系統，在該系統中，襯底通常置於水平的襯底支撐板上，前驅物進氣方向垂直襯底表面，前驅物進氣噴頭設計常為圓形或是同心圓環結構，更甚的是將至少一個圓形或同心圓環形噴頭集成於一塊擋板之上，形成氣體分配板；在該生長系統的圓形噴頭或是同心圓環噴頭結構下，加之襯底隨襯底支撐板的旋轉運動，襯底周向前驅物流場分布均勻性有了相當大的改善；但是不可否認的是無論是圓形噴頭還是同心圓環噴頭等類似進氣結構，共同存在一個問題便是 該進氣結構下流場徑向分布不均勻，例如同心圓環噴頭的徑向流場特點為圓環中間區域高、兩側低，相互交替，呈波浪狀；圓形噴頭的徑向流場特徵為圓心處高、外圍低，呈正態分布。通過數值模擬研究發現:在倒置支撐HVPE系統中，襯底上前驅物流場分布不均勻性在一定程度上得到緩解，但還沒從根本上解決問題。另外，現階段對於前驅物流場調節的手段過於單一，通常僅通過操作參數來調節，比如流量。
[0004]因此，為了改善前驅物流場在襯底上的徑向分布不均勻性，並最終實現III族氮化物高效率、高質量地沉積，以及擴展前驅物流場調節的方式與手段，存在改進前驅物進氣裝置的技術需求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是:提供了一種用於控制前驅物流場的控制棒，主要用於控制前驅物氣體流動趨勢及分布規律，所述控制棒的提出使得前驅物流場在襯底表面徑向分布更加均勻，最終有利於襯底上III族氮化物生長厚度一致化。
[0006]所述前驅物之一可由HCl與液態金屬Ga合成，如GaCl。
[0007]所述前驅物也可為含氮氣體，如NH3。
[0008]所述III族氮化物可由前驅物III族滷化物與另一前驅物含氮氣體反應生成，如GaN。
[0009]為達到上述目的，在懸掛立式HVPE系統中，所述前驅物的控制棒主要由三部分組成，其分別為始段圓環結構、中段圓柱體和末段控制端。
[0010]具體地說:在懸掛立式HVPE生長系統的前驅物通道中設計了一種控制棒，所述控制棒分為上、中、下三段，其始段(即上段)為圓環結構，中段為實心圓柱體，末段(即下段)為控制端。所述圓環結構分為內外兩側，且包含複數個圓形通孔，該複數個通孔至少一通孔穿過圓環內外兩側，所述圓環結構上至少一圓形通孔開孔方向為圓環半徑方向，所述複數個圓形通孔至少一個為等直徑通孔，其數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。該始段圓環結構與中段圓柱體同軸等直徑，即始段圓環結構的外徑與中段圓柱體直徑相等，所述中段圓柱體長度根據前驅物通道的高度設計。所述前驅物流場控制棒末段控制端為圓錐結構，該圓錐與控制棒上、中兩段同軸，圓錐底圓直徑與中段圓柱體直徑等同，圓錐高度為圓錐底圓直徑的f 2倍，圓錐角度範圍為15°飛0°。前驅物通道外壁內側始段設置有導流板，所述導流板為矩形導流板，相鄰導流板之間形成導流槽，所述導流槽與控制棒始段圓形通孔位置相對應，前驅物通道末段為裙體擴展端，其高度與擴展角度依襯底尺寸大小而定。
[0011]作為上述方案的一種改進，在懸掛立式HVPE系統中，所述前驅物控制棒包括始段圓環結構，中段圓柱體，末段控制端。所述圓環結構外側設置有複數個徑向通孔，其數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。該始段圓環結構與中段圓柱體同軸，並且外徑相等，所述前驅物流場控制棒的末段控制端與中段圓柱體相連，所述控制端為圓柱、圓臺或倒圓臺控制端中的一種。
[0012]作為上述方案的另一種改進，本發明提供的控制棒位於懸掛立式HVPE生長系統的前驅物通道中，所述控制棒由三段組成:其始段為圓環結構，中段為實心圓柱體，末段為控制端。所述圓環結構分為內外兩側，且包含複數個圓形通孔，該複數個通孔至少一通孔穿過圓環內外兩側，所述圓環結構上至少一圓形通孔開孔方向為圓環外切線方向，所述複數個圓形通孔至少一個為等直徑通孔，其數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。所述中段圓柱體與始段圓環結構同軸且外徑相等，前驅物流場控制棒末段為圓錐、圓柱、圓臺或倒圓臺控制端中的一種，該控制端始、中兩段同軸，控制端與中段圓柱體相連部其直徑等同，前驅物通道外壁內側設置有導流板，所述導流板為螺旋向下結構。
[0013]本發明的前驅物流場控制棒，既`可以用於懸掛立式HVPE系統，也可以應用於倒置支撐HVPE系統。所述倒置支撐系HVPE系統，即襯底位於系統的上部，前驅物氣體通過生長系統底端輸入。
[0014]具體地說，在倒置支撐HVPE生長系統中，前驅物通道中設計的流場控制棒分為上、中、下三段，其末段(即上段)為控制端，中段為實心圓柱體，始段(即下段)為圓環結構，所述三段同軸。所述圓環結構分為內外兩側，且包含複數個圓形通孔，該複數個通孔至少一通孔穿過圓環內外兩側，所述圓環結構上至少一圓形通孔開孔方向為圓環半徑方向，所述複數個圓形通孔至少一個為等直徑通孔，其數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。與所述始段圓環結構相連的中段為圓柱體，該圓柱體與始段圓環結構直徑相等。前驅物流場控制棒末段為圓錐、圓柱、圓臺或倒圓臺中的一種，所述控制端與中段圓柱體相連處其直徑相等。前驅物通道外壁內側始段設置有導流板，所述導流板為矩形導流板，相鄰導流板之間形成導流槽，所述導流槽與控制棒始段圓形通孔位置相對應，前驅物通道末段為裙體逐漸擴展端，其高度與擴展角度依襯底尺寸大小而定。
[0015]本發明前驅物流場的控制棒，其特徵還在於:所述前驅物流場控制棒工作環境溫度為800k-1300k ；
所述前驅物流場控制棒材質為高純度石英，且石英結構表面極度光滑。
[0016]本發明的有益之處在於:通過前驅物流場物控制棒的設計，有效地控制前驅物氣體的流動趨勢及分布規律，克服常用圓形或同心圓環進氣結構存在的流場徑向分布不均的缺點，為隨後III族氮化物的高效沉積及生長厚度的一致化營造最佳的流場環境。同時，通過前驅物流場控制棒控制端的設計，擴展了前驅物流場調節的方式與手段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1所示為本發明提供的懸掛立式HVPE系統中具有圓錐體控制端的前驅物控制棒結構剖面圖，其中圖A-A是指A-A方向剖面圖；
圖2所示為本發明提供的懸掛或立式HVPE系統中前驅物通道結構示意圖，其中圖B-B是指B-B方向剖面圖；
圖3所示為本發明提供的懸掛立式HVPE系統中前驅物流場控制棒結構示意圖。
[0018]圖3中(a)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為圓柱體；
圖3中(b)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為圓錐體；
圖3中(c)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為圓臺；
圖3中(d)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為倒圓臺。
[0019]圖4所示為本發明提供的倒置支撐HVPE系統中具有圓錐體控制端的前驅物控制棒結構剖面圖，其中圖C-C是指C-C方向剖面圖。
[0020]圖5所示為本發明提供的倒置支撐HVPE系統中前驅物通道結構示意圖，其中圖D-D是指D-D方向剖面圖。
[0021]圖6所示為本發明提供的倒置支撐HVPE系統中前驅物流場控制棒結構示意圖。
[0022]圖6中(a)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為圓柱體；
圖6中(b)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為圓錐體；
圖6中(c)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為圓臺；
圖6中(d)所示的前驅物流場控制棒，其控制端為倒圓臺。
[0023]為了便於理解，已使用相同標號來標示在各圖中通用的相同組件。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，結合附圖，對本發明作進一步詳細說明:
圖1、圖4分別為本發明提供的懸掛立式、倒置支撐HVPE系統中前驅物流場控制棒結構示意圖。前驅物控制棒主要包括三部分:其始段為圓環結構101、中段為圓柱體102、末段為控制端103。
[0025]實施例一
在懸掛立式HVPE系統中，前驅物氣體105由源氣體供氣系統終端進入前驅物流場控制棒始段的圓環結構101，如圖2所示，所述圓環結構101外圍設置有複數個規律排布的圓形通孔106，該複數個通孔106中至少一個開孔方向為圓環半徑方向，以便前驅物氣體105均勻的從控制棒中分配開來，進入前驅物通道107，所述複數個圓形通孔106至少一個為等直徑通孔，其數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。所述通道107頂端外壁與控制棒始段圓環結構101頂端外圍連成封閉體，以防前驅物氣體105洩漏。
[0026]在該前驅物通道外壁107內側設置有一定數量的導流板108，所述導流板108為矩形導流板；相鄰導流板108之間形成導流槽109，該導流槽109與所述控制棒始段圓環結構101壁上規則排列的圓形通孔106位置相對應，所以導流槽109能很好的引導前驅物氣體105均勻地往下流動。
[0027]所述前驅物通道外壁104末段為裙體逐漸擴張結構，根據襯底大小來決定該結構的幾何形狀及尺寸特徵，包括結構的角度與高度，擴展前驅物均勻分布的有效面積，裙體角度變換範圍為15°飛0°。
[0028]如圖2所示，所述前驅物流場控制棒始段圓環結構101與中段圓柱體102相連，二者同軸等直徑，即始段圓環101外徑與中段圓柱體102直徑相等；與中段圓柱體102相連的控制端103為圓錐控制端，所述圓錐控制端103與上述上、中兩段同軸，且圓錐控制端103的底圓直徑與圓柱體102直徑一致，該圓錐控制端103的高度為其底圓直徑的廣2倍，圓錐角度變化範圍為15°飛0°。
[0029]根據材料生長對前驅物流場的需要，前驅物流場控制棒結合前驅物通道共同控制前驅物的流場分布，克服流場徑向分布不均的缺點，最終為生長厚度一致的III族氮化物材料營造最佳的流場環境。
[0030]實施例二
在此實施例中，如圖1所 示，在懸掛立式HVPE系統中，所述前驅物控制棒由三部分組成，其分別為始段圓環結構101，中段圓柱體102，末段控制端103。前驅物氣體105由源氣體供氣系統終端進入前驅物流場控制棒始段的圓環結構101，如圖2所示，所述圓環結構101外圍徑向設置有複數個規律排布的徑向圓形通孔106，以便前驅物氣體105均勻的從控制棒中分配開來，進入前驅物通道107 ;所述通道107頂端封閉，以防前驅物氣體105洩漏。
[0031]在該前驅物通道外壁107內側設置有一定數量的矩形導流板108，如圖2所示；相鄰導流板108之間形成導流槽109，該導流槽109能很好的引導前驅物氣體105均勻地往下流動。
[0032]如圖3所示，所述前驅物流場控制棒始段圓環結構101與中段圓柱體102相連，二者同軸等直徑；與中段圓柱體102相連的控制端103為圓柱、圓臺或倒圓臺中的一種，如圖3中(a)、(c)、(d)所示。所述控制端103與前驅物控制棒上、中兩段同軸，該控制端103與中段圓柱體102相連處其直徑一致。根據生長材料對前驅物流場的需要，前驅物流場控制棒的提出明顯改善了前驅物在襯底上徑向分布的均勻性，最終優化材料生長的最佳流場。
[0033]實施例三
在此實施例中，本發明提供的前驅物流場控制棒位於懸掛立式HVPE系統中，如圖1所示，所述前驅物控制棒主要包括三部分:其始段為圓環結構101、中段為圓柱體102、末段為控制端103。如圖2所示，前驅物氣體105由源氣體供氣系統終端進入前驅物流場控制棒始段的圓環結構101，所述圓環結構101外圍設置有複數個規律排布的圓形通孔106，該複數個通孔106中至少一個開孔方向為圓環外圍切向方向，所述複數個通孔106中至少一個為等直徑通孔，其數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。
[0034]在與圓形通孔106位置相對應的前驅物通道107外壁內側始段設置有導流板108，所述導流板108為螺旋向下結構；前驅物氣體105流經前驅物控制棒始段圓環結構101的圓形通孔106，再通過螺旋導流板108的導流作用，形成旋流，該旋流再經過前驅物通道107外壁末段的裙體擴展端的擴散與緩衝，使得所述旋流延伸至襯底表面，所述襯底位於裙體擴展端的正下方，該結構在一定程度上減少襯底對旋轉動力裝置的需求。
[0035]如圖3所示，所述前驅物流場控制棒始段圓環結構101與中段圓柱體102同軸等直徑，即始段圓環101外徑與中段圓柱體102直徑相等；中段圓柱體102高度依前驅物通道107高度而定；與中段圓柱體102相連的控制端103為圓錐、圓柱、圓臺或倒圓臺中的一種，如圖3中(a)、(d)、(c)、(d)所示控制端。所述控制端103與上述上、中兩段同軸，且控制端103底圓直徑與圓柱體102直徑一致。[0036]根據材料生長對流場需求，前驅物流場控制棒結合前驅物通道107共同控制前驅物的流場分布，克服流場徑向分布不均的缺點，最終為生長厚度一致的III族氮化物材料營造最佳的流場環境。
[0037]實施例四
在此實施例中，本發明提供的前驅物流場控制棒位於倒置支撐HVPE系統中，如圖4所示，所述前驅物控制棒主要包括三部分:其始段為圓環結構101、中段為圓柱體102、末段為控制端103。如圖5所示，前驅物氣體105由源氣體供氣系統終端進入前驅物流場控制棒始段的圓環結構101，所述圓環結構101外圍徑向設置有複數個規律排布的圓形通孔106，該複數個通孔106中至少一個開孔方向為圓環半徑方向，以便前驅物氣體105均勻的從控制棒中分配開來，進入前驅物通道107，所述複數個通孔106中至少一個為等直徑通孔，其數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。所述通道107始段外壁與控制棒始段圓環結構101末端連成封閉體，以防前驅物氣體105洩露。
[0038]在該前驅物通道外壁107內側設置有一定數量的導流板108，所述導流板108為矩形導流板，如圖5所示；相鄰導流板108之間形成導流槽109，該導流槽109與上述控制棒始段圓環結構101壁上規則排列的圓形通孔106位置相對應，所以導流槽109能很好的引導前驅物氣體105均勻地往上流動。
[0039]如圖5所示，所述前驅物通道外壁104末段為裙體擴展結構，根據襯底大小決定該結構的幾何形狀及尺寸特徵，包括結構的角度與高度，擴展前驅物均勻分布的有效面積，裙體角度變換範圍為15°飛0° ;如圖6所示，所述前驅物流場控制棒始段圓環結構101與中段圓柱體102同軸等直徑，即始段圓環101外徑與中段圓柱體102直徑相等；與中段圓柱體102相連的控制端103為圓錐、圓柱、圓臺或倒圓臺中的一種，如圖6中(a)、(b)、(C)、(d)所示控制端，所述控制端103與所述始、中兩段同軸，且控制端101圓錐的底圓直徑與圓柱體102直徑一致。
[0040]根據材料生長對流場需求，前驅物流場控制棒結合前驅物通道107共同控制前驅物的流場分布，克服流場徑向分布不均的缺點，最終為生長厚度一致的III族氮化物材料營造最佳的流場環境。
[0041]需要進一步說明的是，在以上實施例一、二、三、四中，所述前驅物流場控制棒，其材質可以採用高純度石英；所述前驅物流場控制棒，其工作環境溫度為800lTl300k。
[0042]以上所述均僅為本發明的幾個具體實施例，所以並不能用以限制本發明專利範圍。應當指出的是，對於本領域的技術，凡在不脫離本發明的構思的前提下，所做出的任何修改、等同替換、 改進等，均應包含在本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種氫化物氣相外延(HVPE)噴頭設計，特別是一種用於控制前驅物流場的控制棒，其特徵在於，所述控制棒包括三部分:其始段為圓環結構，中段為圓柱實體，末段為控制端，所述三段同軸；所述圓環結構分為內外兩側，且包含複數個圓形通孔，該複數個通孔至少一通孔穿過圓環內外兩側為等直徑通孔，所述控制棒圓環結構上至少一圓形通孔開孔方向為圓環半徑或圓環外圍切線方向；所述前驅物控制棒外圍為前驅物通道，即控制棒位於懸掛立式HVPE系統或倒置支撐HVPE系統的前驅物通道中，所述前驅物通道外壁內側始段設置有導流板，其末段為裙體逐漸擴展結構；所述前驅物可由HCl與液態金屬Ga合成，如GaCl ；所述前驅物中的一種，其特徵在於，該前驅物可為含氮氣體，如NH3。
2.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，所述控制棒圓環結構上圓形通孔數量與孔徑大小決定於前驅物流量的大小。
3.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，所述控制棒外圍前驅物通道外壁始段設置有導流板，該導流板為矩形或螺旋結構，具體形狀主要取決於圓環結構上圓形通孔開孔方向。
4.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，所述控制棒外圍前驅物通道末段為裙體逐漸擴展端，裙體角度為15°飛0°。
5.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，所述控制棒的控制端為圓錐結構，圓錐角度為15°飛0 °，圓錐高度為其底圓直徑的r2倍。
6.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵還在於，所述控制棒的控制端可為圓柱、圓臺或倒圓臺中的一種。
7.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，所述始段圓環結構外圍直徑與中段圓柱體直徑一致。
8.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，所述末段控制端與中段圓柱體相連部的直徑一致。
9.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，所述控制棒工作環境溫度為 800k~1300k。
10.根據權利要求1所述的前驅物流場控制棒，其特徵在於，其材質可採用高純度石英。
【文檔編號】C23C16/34GK103614704SQ201310542018
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】劉鵬, 魏武, 張俊業, 趙紅軍, 童玉珍, 張國義 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司, 北京大學