一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，設(shè)計(jì)了一種含鎵舟、連通器、控制閥、附加鎵舟、加熱器、液位控制器、控制系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)的鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置。利用連通器的工作原理，設(shè)計(jì)控制鎵源的自動(dòng)補(bǔ)給及回收，解決HVPE技術(shù)生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體材料過程中，因金屬鎵源不斷地被消耗，鎵源液面不斷降低，而導(dǎo)致在相同工藝條件下，生成的氯化鎵濃度減少，嚴(yán)重影響氮化物材料的生長(zhǎng)系統(tǒng)中源材料供給的均勻穩(wěn)定性，使HVPE外延生長(zhǎng)中出現(xiàn)晶體生長(zhǎng)速率下降、晶體膜厚的工藝重復(fù)性較差，以及HVPE機(jī)臺(tái)維護(hù)時(shí)殘留在鎵舟內(nèi)剩余鎵源的回收重復(fù)利用等問題。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)合理緊湊、操作簡(jiǎn)便，能更好地保證鎵源的及時(shí)補(bǔ)給，提高HVPE反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，增加HVPE設(shè)備的使用壽命，同時(shí)還可以利用連通器回收未用完的金屬鎵源，提高鎵源的利用率，極具實(shí)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】
一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料與設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體材料時(shí)，一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]III族氮化物半導(dǎo)體薄膜材料，特別是寬禁帶直接帶隙的氮化鎵(GaN)，作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，具有高熱導(dǎo)、高電子迀移率、高擊穿電壓及抗輻射等優(yōu)異的性能，在制造高頻、高溫、大功率的光電子器件等方面具有巨大的應(yīng)用前景。目前，GaN單晶的主要制備方法有:分子束外延(MBE)法、高壓溶液法、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法、氫化物氣相外延(HVPE)法等。在多種GaN的生產(chǎn)技術(shù)中，HVPE是一種比較經(jīng)典的常壓熱壁化學(xué)氣相沉積技術(shù)，其生長(zhǎng)速率較快，一般可以達(dá)到300 μ m/h，生長(zhǎng)工藝較為簡(jiǎn)單，可以生長(zhǎng)較厚的GaN層等顯著優(yōu)點(diǎn)，十分適合制備自支撐氮化物襯底材料。
[0003]HVPE生長(zhǎng)氮化物的主要原理是:以金屬鎵作為III族鎵源，氨氣(NH3)作為V族氮源，氯化氫(HCl)作為反應(yīng)氣體并在載氣(氫氣或是氮?dú)?的攜帶下，通過鎵舟，與其中的金屬鎵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氯化鎵(GaCl)，在襯底上方與順3反應(yīng)生成GaN，并在襯底上沉積，主要的化學(xué)反應(yīng)如下:
[0004]2HCl(g)+2Ga⑴=2GaCl {g)+H2{g)
[0005]GaCl {g) +NH3{g) = GaN ⑶ +HCl {g) +H2{g)
[0006]然而，采用HVPE技術(shù)生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體材料過程中，金屬鎵不斷地被消耗，鎵源液面不斷下降，導(dǎo)致在相同工藝條件下，生成的GaCl濃度減少，嚴(yán)重影響氮化物材料的生長(zhǎng)系統(tǒng)中源材料供給的均勻穩(wěn)定性，生長(zhǎng)速率也隨之降低，最終無(wú)法精確控制生長(zhǎng)膜層的厚度及晶體質(zhì)量，使HVPE外延生長(zhǎng)厚膜的工藝重復(fù)性較差，氮化物產(chǎn)品的良率與可靠性難以控制，極大地限制了 HVPE技術(shù)在生長(zhǎng)氮化物厚膜中的廣泛應(yīng)用，而且在HVPE設(shè)備維護(hù)之時(shí)，鎵舟內(nèi)未用完的金屬鎵源，在維護(hù)之后由于金屬鎵源被氧化而需要另外提純，增加了生產(chǎn)成本。因此，不少業(yè)內(nèi)人士在不影響腔體反應(yīng)的前提下，有效地改善石英器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，希望通過此來(lái)解決因?yàn)殒壴吹牟粩嘞乃鶐?lái)的系列的影響，但是目前也沒有良好的方法有效解決此問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)【背景技術(shù)】中所提出的問題及現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，并根據(jù)HVPE設(shè)備反應(yīng)環(huán)境和連通器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種含鎵舟、連通器、控制閥、附加鎵舟、加熱器、液位控制器、控制系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)組成的鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，最大限度解決鎵源不斷被消耗且不能及時(shí)補(bǔ)給而導(dǎo)致的鎵源液面下降影響晶體生長(zhǎng)速率與質(zhì)量和HVPE機(jī)臺(tái)維護(hù)時(shí)鎵舟內(nèi)剩余鎵源的回收重復(fù)利用等問題。本發(fā)明的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用連通器的工作原理，當(dāng)鎵舟內(nèi)的鎵源液面高度低于或高于設(shè)定的鎵源液面高度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制器接收信號(hào)后，將會(huì)在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)控制鎵源供應(yīng)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鎵舟中鎵源的定時(shí)補(bǔ)給。在HVPE機(jī)臺(tái)維護(hù)前，通過控制器打開控制閥門，讓鎵舟內(nèi)剩余的金屬鎵源通過連通器進(jìn)入附加鎵源裝置，以此達(dá)到鎵源的重復(fù)回收再利用的目的。與此同時(shí)，反應(yīng)腔體外裝置與反應(yīng)腔體內(nèi)裝置可拆卸分開，因此在HVPE機(jī)臺(tái)維護(hù)時(shí)只需拆下反應(yīng)腔體內(nèi)的裝置，勿需拆下整體設(shè)備進(jìn)行處理，從而提尚設(shè)備的利用率，并能保持附加嫁舟內(nèi)嫁源的品質(zhì)，提尚控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且所用裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更有效地降低生產(chǎn)成本。
[0008]具體技術(shù)方案如下:
[0009]本發(fā)明所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，包括鎵舟、連通器、控制閥、附加鎵舟、加熱器、液位控制器、控制系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0010]所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述鎵舟安裝在反應(yīng)腔體內(nèi)，主要用于存放金屬鎵源，而且鎵舟內(nèi)設(shè)定的鎵源液面高度(其最大及最小高度)始終處于待生長(zhǎng)氮化鎵厚膜所需的最佳的鎵源液面高度范圍，以保證氮化物的最佳生長(zhǎng)速率及晶體質(zhì)量。
[0011]所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述連通器管道的兩端分別與鎵舟底端和附加嫁舟的頂端連通，而且其最尚點(diǎn)處的尚度尚于嫁舟內(nèi)設(shè)定的嫁液面尚度并具有一定的尚度差，所述高度差根據(jù)所述鎵舟內(nèi)壓力與所述附加鎵舟內(nèi)壓力差設(shè)定，以保證連通器能更好、更精確地反應(yīng)鎵舟內(nèi)金屬鎵的液位情況及連通器的正常工作，當(dāng)鎵舟內(nèi)的鎵液位低于設(shè)定的鎵源液面高度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)并自動(dòng)補(bǔ)充鎵源進(jìn)鎵舟內(nèi)。
[0012]所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述控制閥設(shè)置在連通器管路上，且與所述控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)控制該閥開啟和關(guān)閉連通器管路。
[0013]所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述附加鎵舟、加熱器、控制系統(tǒng)、控制閥及發(fā)動(dòng)機(jī)均安裝在反應(yīng)腔體外。
[0014]所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述附加鎵舟主要用于存放金屬鎵源，其分別與發(fā)動(dòng)機(jī)、液位控制器、控制系統(tǒng)及加熱器相連接；所述加熱器主要用于加熱附加鎵舟里的金屬鎵源，所述液位控制器安裝在附加鎵舟內(nèi)并與控制系統(tǒng)連接，主要用于監(jiān)測(cè)附加鎵舟內(nèi)的鎵源的液面高度，若附加鎵舟內(nèi)鎵源的液面高度低于預(yù)設(shè)警告高度時(shí)，則液位控制器向所述控制系統(tǒng)發(fā)送警告信號(hào)，控制系統(tǒng)接收到警告信號(hào)后進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，并同時(shí)發(fā)出警告信號(hào)提示及時(shí)補(bǔ)充鎵源進(jìn)附加鎵舟內(nèi)。
[0015]所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的一端從附加鎵舟的一側(cè)面伸入其底部，另一端與通過發(fā)動(dòng)機(jī)的注液口與鎵舟連通，以此組成鎵源供應(yīng)系統(tǒng)，用于向鎵舟自動(dòng)供給鎵源的作用。
[0016]所述一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述反應(yīng)腔體外裝置與反應(yīng)腔體內(nèi)裝置可拆卸分開，以便保證附加鎵舟內(nèi)鎵源的品質(zhì)，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
[0017]本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)如下:
[0018]1、本發(fā)明的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，利用所述連通器的工作原理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鎵舟中鎵源的定時(shí)補(bǔ)給及達(dá)到鎵源的重復(fù)回收再利用的目的，而且所用裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本很低，具有很大的實(shí)用價(jià)值。
[0019]2、本發(fā)明的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，利用所述控制系統(tǒng)控制鎵源的定時(shí)自動(dòng)補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制，而且精確度和可靠性較高。
[0020]3、本發(fā)明一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，所述反應(yīng)腔體外裝置與反應(yīng)腔體內(nèi)裝置可拆卸分開，因此HVPE設(shè)備維護(hù)時(shí)只需要拆下反應(yīng)腔體內(nèi)裝置，勿需拆下整體設(shè)備進(jìn)行處理，從而不但能夠有效回收鎵舟內(nèi)未用完的鎵源，同時(shí)更好地保證附加鎵舟內(nèi)鎵源的品質(zhì)，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，更有效地降低生產(chǎn)成本。
【附圖說(shuō)明】
[0021]附圖1是本發(fā)明中一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置示意圖。
[0022]1、鎵舟，2、連通器，3、控制閥，4、附加鎵舟，5、加熱器，6、液位控制器，7、控制系統(tǒng)，
8、發(fā)動(dòng)機(jī)，9、鎵源補(bǔ)給管道，10、鎵舟內(nèi)設(shè)定的最高的鎵源液面高度，11、鎵舟內(nèi)設(shè)定的最低的鎵源液面高度
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、設(shè)備特征及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處描述的具體實(shí)施例僅僅用以解析本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。
[0024]本發(fā)明提出的根據(jù)HVPE設(shè)備反應(yīng)環(huán)境和連通器的工作原理，提出一種含鎵舟、連通器、控制閥、附加鎵舟、加熱器、液位控制器、控制系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)組成的鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，能從根本上解決鎵源不斷被消耗而導(dǎo)致鎵源液面下降影響晶體生長(zhǎng)速率與晶體質(zhì)量的問題，以及HVPE機(jī)臺(tái)維護(hù)時(shí)留在鎵舟內(nèi)剩余鎵源的回收重復(fù)利用等問題，是一種高效鎵源的自動(dòng)補(bǔ)給及回收的新技術(shù)。
[0025]實(shí)施例一:
[0026]如附圖所示，一種含鎵舟、連通器、控制閥、附加鎵舟、加熱器、液位控制器、控制系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)組成的鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置。當(dāng)連通器內(nèi)金屬鎵源處于靜態(tài)時(shí)，其兩邊受力平衡，即根據(jù)連通器工作原理=P1+P SH1= P2+P gH2，其中，P1為鎵舟I內(nèi)部的壓強(qiáng)，H:為鎵舟I內(nèi)金屬鎵的液面高度，P2為附加鎵舟4內(nèi)部壓強(qiáng)，H2為連通器管路2中管道液面高度，P為金屬鎵的密度，g為重力加速度，即可以得出H2-H1= (P1-P2VPg,又由于靜態(tài)平衡時(shí)，鎵舟內(nèi)的壓力與附加鎵舟4內(nèi)壓力的壓差不變，因此P1-P2為一個(gè)常數(shù)，H2-H1也為一個(gè)固定值，故在上述壓差不變的情況下，鎵舟內(nèi)的液面高度降低時(shí)，連通器管路內(nèi)的液面高度也降低相同的高度，因此當(dāng)鎵舟內(nèi)的鎵液面高度低于設(shè)定的鎵源液面最低高度時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出信號(hào)，控制系統(tǒng)7接收信號(hào)后，操作員根據(jù)實(shí)際情況預(yù)設(shè)所需金屬鎵的供應(yīng)速度、供應(yīng)時(shí)間及發(fā)動(dòng)機(jī)開啟與關(guān)閉時(shí)間，鎵源供應(yīng)系統(tǒng)接收預(yù)設(shè)處理信號(hào)后將會(huì)在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)控制鎵源供應(yīng)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鎵舟中鎵源的定時(shí)補(bǔ)給。與此同時(shí)，液位控制器6用于監(jiān)測(cè)所述附加鎵舟內(nèi)的鎵源的液面高度，若附加鎵舟內(nèi)鎵源的液面高度低于預(yù)設(shè)警告高度(警告高度是預(yù)先設(shè)定在液位控制器上)時(shí)，則液位控制器向所述控制系統(tǒng)發(fā)送警告信號(hào)，控制系統(tǒng)接收到警告信號(hào)后進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，并同時(shí)發(fā)出警告信號(hào)提示，使得操作員能夠及時(shí)知曉該情況，并對(duì)附加鎵舟中的金屬鎵進(jìn)行補(bǔ)給，警告處理后，繼續(xù)循環(huán)以上的工作。
[0027]在HVPE機(jī)臺(tái)維護(hù)時(shí)，鎵舟內(nèi)還有剩余的金屬鎵，操作人員根據(jù)實(shí)際情況，通過控制系統(tǒng)7控制控制閥3的開啟和關(guān)閉，并向鎵舟內(nèi)通入一定的氣體，增加鎵舟內(nèi)的氣壓，利用連通器的工作原理，把鎵舟內(nèi)剩余的金屬鎵通過連通器管路2回收到附加鎵舟內(nèi)，以此達(dá)到鎵源的重復(fù)回收再利用的目的。因?yàn)榉磻?yīng)腔體外裝置與反應(yīng)腔體內(nèi)裝置可拆卸分開，因此HVPE設(shè)備維護(hù)時(shí)只需要拆下反應(yīng)腔體內(nèi)裝置，勿需拆下整體設(shè)備進(jìn)行處理，從而不但能夠有效回收鎵舟內(nèi)未用完的鎵源，同時(shí)更好地保證附加鎵舟內(nèi)鎵源的品質(zhì)，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，更有效地降低生產(chǎn)成本。
[0028]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的部分實(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)，這些都屬于發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，包括鎵舟、連通器、控制閥、附加鎵舟、加熱器、液位控制器、控制系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)；其特征在于，所述鎵舟安裝在反應(yīng)腔體內(nèi)，主要用于存放金屬鎵源，而且鎵舟內(nèi)設(shè)定的鎵源液面高度(其最大及最小高度)始終處于待生長(zhǎng)氮化鎵厚膜所需的最佳鎵源液面高度范圍內(nèi)，從而保證氮化物的最佳生長(zhǎng)速率及晶體質(zhì)量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，其特征在于，所述連通器管道兩端分別與鎵舟底端和附加鎵舟的頂端連通，而且連通器管路的最高點(diǎn)高度高于鎵舟內(nèi)設(shè)定的鎵液面高度并具有一定的高度差，所述高度差根據(jù)所述鎵舟內(nèi)壓力與附加鎵舟內(nèi)壓力差設(shè)定，當(dāng)鎵舟內(nèi)的鎵液位低于設(shè)定的鎵源液面高度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)并自動(dòng)補(bǔ)充鎵源進(jìn)嫁舟內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，其特征在于，所述控制閥設(shè)置在所述連通器管路上，且與所述控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)控制該閥開啟和關(guān)閉連通器管路。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，其特征在于，所述附加鎵舟、加熱器、控制系統(tǒng)、控制閥及發(fā)動(dòng)機(jī)均安裝在反應(yīng)腔體外。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，其特征在于，附加鎵舟主要用于存放金屬鎵源，其分別與發(fā)動(dòng)機(jī)、液位控制器、控制系統(tǒng)及加熱器相連接；所述加熱器主要用于加熱附加鎵舟里的金屬鎵源，所述液位控制器安裝在附加鎵舟內(nèi)并與控制系統(tǒng)連接，所述液位控制器用于監(jiān)測(cè)所述附加鎵舟內(nèi)的鎵源的液面高度，若附加鎵舟內(nèi)鎵源的液面高度低于預(yù)設(shè)警告高度時(shí)，則液位控制器向所述控制系統(tǒng)發(fā)送警告信號(hào)，控制系統(tǒng)接收到警告信號(hào)后進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，并同時(shí)發(fā)出警告信號(hào)提示及時(shí)補(bǔ)充鎵源進(jìn)附加鎵舟內(nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的一端從附加鎵舟的一側(cè)面伸入其底部，另一端與通過發(fā)動(dòng)機(jī)的注液口與鎵舟連通，以此組成鎵源供應(yīng)系統(tǒng)。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鎵源自動(dòng)補(bǔ)給及回收裝置，其特征在于，所述反應(yīng)腔體外裝置與反應(yīng)腔體內(nèi)裝置可拆卸分開。
【文檔編號(hào)】C30B29/40GK105986313SQ201510054617
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年1月31日
【發(fā)明人】劉南柳, 李春霞, 張國(guó)義
【申請(qǐng)人】東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司