氣相外延在線清洗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣相外延(VPE)在線清洗裝置，包括：反應(yīng)腔室，反應(yīng)氣體入口，清洗氣體入口，排氣口，襯底，襯底托，旋轉(zhuǎn)裝置，還包括在線清洗裝置，用以去除殘留在反應(yīng)腔室內(nèi)壁及各部件上造成污染的寄生氮化物。本發(fā)明針對VPE生長氮化物存在較強(qiáng)的寄生反應(yīng)問題，添加額外的清洗裝置，主要指在VPE設(shè)備中增加HCl或者氯氣等刻蝕性氣體供應(yīng)，發(fā)展出刻蝕性氣體清洗寄生GaN等氮化物膜的方法，實現(xiàn)VPE設(shè)備內(nèi)部由于寄生反應(yīng)在管壁、進(jìn)出氣口等處寄生產(chǎn)物的清理，保證設(shè)備的穩(wěn)定性、重復(fù)性和長期使用性，從而降低維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。
【專利說明】氣相外延在線清洗裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種氣相外延在線清洗裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮化物多元系材料的光譜從0. 6ev到6. 2ev，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(yīng)用方面，如藍(lán)光、綠光、紫外光發(fā)光二極管（LEDs)、短波長激光 二極管（LDs)，紫外探測器、布拉格反射波導(dǎo)等方面獲得了重要的應(yīng)用和發(fā)展，而且在微電 子應(yīng)用方面也得到了廣泛的關(guān)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（HEMTs)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBTs)等。其中氮化鎵（GaN)材料作為第三代半導(dǎo)體材 料，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(dǎo)率，優(yōu)異的物理化學(xué) 穩(wěn)定性等性能成為最重要的氮化物材料。尤其是近些年來發(fā)光二極管（LEDs)照明迅猛發(fā) 展，氮化物系的LEDs大量應(yīng)用于顯示器、照明、指示燈、廣告牌、交通燈等，在農(nóng)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。
[0003] 制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的方法種類很多，其中氣相外延（VPE)方法包括有機(jī) 金屬化學(xué)氣相沉積法（M0VPE)和氫化物氣相外延（HVPE)等是目前產(chǎn)業(yè)界制備化合物外延 材料和厚膜氮化物的主要手段。VPE方法相對于其他方法如分子束外延（MBE)、液相外延 (LPE)、脈沖激光沉積（PLD)等具有生長效率較高、控制精度更好、成本相對較低的優(yōu)勢，是 當(dāng)前產(chǎn)業(yè)上普遍采用的方法。但是當(dāng)前VPE設(shè)備在生長氮化物方面仍然存在一些的弱點， 例如氮化物是在高溫和氣態(tài)時進(jìn)行反應(yīng)，容易在反應(yīng)腔室產(chǎn)生寄生反應(yīng)，污染反應(yīng)腔室，使 得下一次反應(yīng)時的初始條件產(chǎn)生變化，累積后容易產(chǎn)生生長的不穩(wěn)定和不重復(fù)；同時反應(yīng) 腔室的沾污往往需要拆除進(jìn)行機(jī)械或者化學(xué)的處理，氮化物化學(xué)惰性大，機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)致 處理相對困難，同時嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。本發(fā)明基于已有的實驗工作，針對上述問題提出一 種解決方案，尤其適用于VPE增加重復(fù)穩(wěn)定性和提高產(chǎn)能利用率，非常適合經(jīng)常使用的VPE 設(shè)備使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種氣相外延在線清洗裝置 及方法，以解決生長中由于寄生反應(yīng)存在導(dǎo)致的氮化物材料生長重復(fù)性、穩(wěn)定性和長期可 靠性問題。該裝置能夠幫助實現(xiàn)高度重復(fù)氮化物生長和更容易的設(shè)備后期維護(hù)，提高設(shè)備 利用效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而降低了生產(chǎn)成本。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出一種氣相外延在線清洗裝置，包括：反應(yīng)腔室，反應(yīng) 氣體入口，清洗氣體入口，排氣口，襯底，襯底托，旋轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，還包括一種在線清 洗裝置，用以去除殘留在反應(yīng)腔室內(nèi)壁及各部件上造成污染的寄生氮化物。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種氣相外延在線清洗方法，包括：在襯底上氣相 外延制備半導(dǎo)體外延材料；向反應(yīng)腔通入刻蝕性氣體，用以刻蝕去除殘留在反應(yīng)腔室內(nèi)壁 及各部件上造成污染的寄生氮化物。
[0007] 本發(fā)明針對VPE生長氮化物存在較強(qiáng)的寄生反應(yīng)問題，添加額外的清洗裝置，主 要指在VPE設(shè)備中增加 HC1或者氯氣等刻蝕性氣體供應(yīng)，發(fā)展出刻蝕性氣體清洗寄生GaN 等氮化物膜的方法，實現(xiàn)VPE設(shè)備內(nèi)部由于寄生反應(yīng)在管壁、進(jìn)出氣口等處寄生產(chǎn)物的清 理，保證設(shè)備的穩(wěn)定性、重復(fù)性和長期使用性，從而降低維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是本發(fā)明的氣相外延在線清洗裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0009] 圖2是未使用腐蝕氣體清洗氮化物的石英爐管圖片；
[0010] 圖3是利用本發(fā)明的裝置和方法使用腐蝕氣體清洗氮化物的石英爐管圖片。

【具體實施方式】
[0011] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明提出的氣相外延在線清洗裝置及方法，其基本原理是在VPE設(shè)備中添 加額外的刻蝕性氣體管路，從而實現(xiàn)腐蝕去除在管壁、石英件、不銹鋼件以及襯底托上的寄 生氮化物的方法。
[0013] 圖1是本發(fā)明氣相外延在線清洗裝置的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示該裝置包括反應(yīng)腔室 1，反應(yīng)進(jìn)氣口 2,清洗氣體進(jìn)氣口 3,排氣口 4,襯底5,襯底托6,旋轉(zhuǎn)裝置7。
[0014] 當(dāng)在反應(yīng)腔室1生長完所需要的外延結(jié)構(gòu)以后，通過清洗氣體進(jìn)氣口 3通入額外 HC1或者氯氣等刻蝕性氣體，在襯底托6具有適當(dāng)?shù)臏囟认?，通入一定濃度的該氣體，經(jīng)過 一定的反應(yīng)時間，可以達(dá)到去除包括反應(yīng)腔室1、襯底托5和排氣口 4等上的氮化物寄生產(chǎn) 物的作用，保證下一次生長的初始條件不受前面反應(yīng)的影響，使得襯底5上的生長每次都 具有很高的重復(fù)性。
[0015] 本發(fā)明的氣相外延在線清洗裝置，其刻蝕性氣體管路不參與形成氮化物的反應(yīng)， 氣流需要通過所有形成寄生反應(yīng)物的區(qū)域并能夠在適當(dāng)?shù)臈l件下將之去除?？涛g性氣體可 以是HC1或者氯氣或者其他對于氮化物有明顯刻蝕作用，同時又不會對反應(yīng)室、襯底托等 造成明顯影響的氣體，這些氣體在一定溫度和濃度范圍內(nèi)，腐蝕寄生反應(yīng)產(chǎn)物，可以有效去 除這些氮化物，一般情況下HC1或者氯氣等刻蝕性氣體其濃度可以在1 %到100 %范圍內(nèi)變 化，刻蝕所用的溫度在50°C到2000°C之間。
[0016] 本發(fā)明基于已有的M0VPE或者HVPE等氣相外延設(shè)備，尤其指用于氮化物的VPE設(shè) 備，通過利用原有的管路或者添加新的管路，通入額外HC1或者氯氣等刻蝕性氣體，進(jìn)行反 應(yīng)生長后的反應(yīng)腔室清洗。
[0017] 本發(fā)明不需要增加過多的設(shè)備改造成本，唯一需要注意的就是保證管路系統(tǒng)的抗 刻蝕性，尤其是要注意不銹鋼管路等的干燥，避免水分的進(jìn)入，以防止形成鹽酸等產(chǎn)物腐蝕 不銹鋼管路、閥門以及流量計、壓力表等。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提出了一種氣相外延在線清洗方法，該方法過程為：當(dāng) 在反應(yīng)腔室1生長完所需要的外延結(jié)構(gòu)以后，通過清洗氣體進(jìn)氣口 3通入額外HC1或者氯 氣等刻蝕性氣體，在襯底托6具有適當(dāng)?shù)臏囟认?，通入一定濃度的該氣體，經(jīng)過一定的反應(yīng) 時間，可以達(dá)到去除包括反應(yīng)腔室1、襯底托5和排氣口 4等上的氮化物寄生產(chǎn)物的作用，保 證下一次生長的初始條件不受前面反應(yīng)的影響，使得襯底5上的生長每次都具有很高的重 復(fù)性。
[0019] 刻蝕性氣體可以是HC1或者氯氣或者其他對于氮化物有明顯刻蝕作用，同時又不 會對反應(yīng)室、襯底托等造成明顯影響的氣體，這些氣體在一定溫度和濃度范圍內(nèi)，腐蝕寄生 反應(yīng)產(chǎn)物，可以有效去除這些氮化物，一般情況下HC1或者氯氣等刻蝕性氣體其濃度可以 在1%到100%范圍內(nèi)變化，刻蝕所用的溫度在501：到20001：之間。
[0020] 以HVPE生長GaN材料為例，如圖2所示是一個用于生長氮化鎵厚膜的HVPE反應(yīng) 爐管，圖中所示為未使用腐蝕氣體清洗氮化物的石英爐管，經(jīng)過VPE的一爐生長，石英管壁 即附著了一層很厚的寄生氮化物，如果不處理則將影響后續(xù)的生長，包括溫度的傳遞、生長 環(huán)境、氣氛等，后續(xù)的控制很難重復(fù)；圖3是同樣生長了一爐氮化鎵以后，在800°C用HC1進(jìn) 行了 30分鐘清洗之后的石英爐管，可以看到完全沒有了寄生產(chǎn)物的存在，繼續(xù)生長預(yù)期得 到與前面生長相同的初始條件。
[0021] 根據(jù)以上描述，本發(fā)明可以解決生長氮化物材料存在的寄生反應(yīng)物影響生長重復(fù) 性問題，為高效率、高重復(fù)性、高可靠性和低維護(hù)成本的VPE設(shè)備提供了解決方案。
[0022] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種氣相外延在線清洗裝置，包括：反應(yīng)腔室，反應(yīng)氣體入口，清洗氣體入口，排氣 口，襯底，襯底托，旋轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，還包括在線清洗裝置，用以去除殘留在反應(yīng)腔室 內(nèi)壁及各部件上造成污染的寄生氮化物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣相外延在線清洗裝置，其特征在于，所述在線清洗裝置為 刻蝕性氣體管路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣相外延在線清洗裝置，其特征在于，所述的在線清洗裝置 不參與形成氮化物的反應(yīng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣相外延在線清洗裝置，其特征在于，所述刻蝕性氣體管路 其氣流需要通過所有形成寄生反應(yīng)物的區(qū)域。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣相外在線清洗延裝置，其特征在于，所述刻蝕性氣體是對 于氮化物有明顯刻蝕作用的氣體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣相外在線清洗延裝置，其特征在于，所述刻蝕性氣體是HC1 或者氯氣。
7. -種氣相外延在線清洗方法，包括： 在襯底上氣相外延制備半導(dǎo)體外延材料； 向反應(yīng)腔通入刻蝕性氣體，用以刻蝕去除殘留在反應(yīng)腔室內(nèi)壁及各部件上造成污染的 寄生氮化物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣相外延生產(chǎn)方法，其特征在于，刻蝕所用的溫度在50°C到 2000°C之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣相外延生產(chǎn)方法，其特征在于，所述刻蝕氣體是HC1或者氯 氣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣相外延生產(chǎn)方法，其特征在于，所述HC1或者氯氣其濃度 在1 %到100%范圍內(nèi)變化。
【文檔編號】H01L21/306GK104112662SQ201410360667
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】段瑞飛, 霍自強(qiáng), 羊建坤, 魏同波 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所