專利名稱：一種含氯化銨尾氣的處理方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及氮化鎵(GaN)半導體材料生長及其硬件系統，具體涉及一種在有氯化氫(HCL)與氨氣(NH3)參與的化學反應和有氯化銨生成的化學反應。
背景技術：
目前第三代半導體已經崛起，第三代半導體材料是以GaN、AlN、InGaN和AlGaN等為主的III-V族氮化物材料，同時又被稱為GaN基材料。其中GaN、AlN具有禁帶寬、電子飽和速率高、擊穿電壓高、介電常數小、熱穩定性好和化學性能穩定等優點。而且GaN基材料是直接帶隙寬禁帶半導體材料，其直接帶隙可以覆蓋1. 9-6. &V，是制作背光源、藍光LED、 紫光LED、白光LED、藍光LD和紫光LD等器件的良好器材。GaN是GaN基材料的代表，它的制備方法是多種多樣，比如金屬有機物氣相外延法 (MOCVD)、高溫高壓合成法、分子束外延法(MBE)和氫化物氣相外延法等。但要滿足行業對數量和質量的需求，HVPE方法倍受青睞。HVPE的主要優勢在于設備簡單，生長便于控制，能夠生長厚膜，而且生長的厚膜位錯密度小，剝離后容易得到質量優良的自支撐氮化鎵襯底。使用氫化物氣相外延(HVPE)法制備GaN，其主要的反應式如下U2Ga+2HCl = 2GaCl+H22,GaCl+NH3 = GaN+H2+HCl在理論上是這兩個反應，但在實際過程中會有附帶的反應發生，尤其是為了提高 GaN生長速率，在HCL和NH3的通入量上都是成倍的增加，如此沒有反應完的NH3就會和通入的HCL或者生成的HCL發生反應，生成NH4Cl,反應式如下HC1+NH3 = NH4Cl當溫度降到337. 8°C以下，就會有固體生成，氣體中就有塵埃，在腔體內部和管道內部沉積下來。目前在GaN的制備過程中，NH4Cl的產生是難以避免的，也還沒有良好的方法去除 NH4C1。因此系統中固體NH4Cl的生成嚴重影響了 GaN材料生長，設備的維護周期急劇縮短， 維護頻率增大，消耗大量時間，GaN設備長期處于維護中，設備利用率降低，GaN生產成本大幅度增加，不利于GaN的商業化生長。不少業內人士在尋求一種方法和設備，在不影響主反應的情況下，能減少系統中的NH4Cl的生成量，或是有效的清理反應腔和管道內壁上的NH4C1。本設計就根據反應條件和氯化銨的物理特性和化學特性，得到一套思路，并設計出一種有效的氯化銨沉積設備。
發明內容
本發明的目的是為了解決氫化物氣相外延(HVPE)過程中，由于氯化銨副產物的生成，尾氣中含有大量的氯化銨(NH4Cl)粉塵，堵塞后續管道，使維護頻率居高不下，設備閑置時間過長，設備利用率過低的問題，提供一套氮化鎵生長尾氣處理思路，并設計處理一套尾氣處理設備，是先加熱尾氣，然后冷卻尾氣，沉積主要副產物氯化銨，過濾尾氣；硬件設計出了一種冷卻沉積設備。為達上述目的，本發明的一種含氯化銨尾氣的處理方法，采用以下的技術方案一種含氯化銨尾氣的處理方法，是對氯化銨粉塵沉積條件進行控制，所述方法包括如下步驟①、在GaN生成的主反應場所A區采用HVPE (豎直式和者臥式等方式皆可以)生長GaN，主反應腔即為GaN生成的主反應場所A區，反應后的混合氣體為混合氣體a 同時含有HCl、NH3和NH4Cl的混合物；②、A區的混合氣體a經過主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區，在主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區用加熱設施加熱，使主反應場所與沉積設備之間的過渡區 B區內部末端的溫度略高于400°C ；③、混合氣體a經過沉積設備的首級Cl區內的一級沉積的內部傾斜冷卻裝置與冷卻設備冷卻，通過冷卻液對Cl區降溫，Cl區成為固態NH4Cl主要沉積處；依次經過沉積設備的次級C2區內的二級沉積的氣體分流裝置與冷卻設備，通過冷卻液對C2區降溫，C2區只有少許固態NH4Cl主要沉積處；Cl區級和C2區級空間做得比過渡區B區大，可以延長沉積設備的正常工作時間，也可以在一定程度上降低設備維護頻率；冷卻液采用水作為冷卻液， 因為水的比熱容大，流速大于4L/min，確保冷卻效果；④、末級小孔徑過濾C3區設有小孔徑過濾網，小孔徑過濾網選用0. 1微米型號，小孔徑過濾網對混合氣體中NH4Cl粉末進行過濾，有效的降低混合氣體降溫后NH4Cl粉末的含量，C3區尾端連通系統后續設備D區，所得混合氣體b =HCl和NH3理論上不能同時存在，實際有極其低濃度的存在，但可以忽略，NH4Cl有極其低濃度的存在，但可以忽略。進一步，所述步驟②中，在B區末端和D區始端水平放置一個面積相等的觀測平面體，以便于后邊做對比，當情況一主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區的加熱設施不加熱，按預先設定好的生長速率生長一段時間，時間最好大于一天，效果比較明顯，檢測觀測平面上NH4Cl 的厚度；情況二 B區的加熱設施1加熱，使用與情況一相同的生長方式，生長同樣長的時間，然后檢測附圖1中B區和D區的觀測平面。本發明的一種含氯化銨尾氣的處理設備，采用以下的技術方案一種含氯化銨尾氣的處理設備，包含有GaN生成的主反應場所A區，GaN生成的主反應場所A區后面連接過渡區B區，主反應場所與沉積設備之間的過渡區B設有加熱設施， 過渡區B尾端后面依次設有沉積設備的首級Cl區、沉積設備的次級C2區、末級小孔徑過濾 C3區，沉積設備的首級Cl區設有一級沉積的內部傾斜冷卻裝置與冷卻設備，沉積設備的次級C2區設有二級沉積的氣體分流裝置與冷卻設備，末級小孔徑過濾C3區設有小孔徑過濾網，小孔徑過濾網選用0. 1微米型號，C3區尾端連通系統后續設備D區。本發明的分級思想是因為分多級過后，可以采用多次降溫，不同的級別使用不同的氣流方式，分級之后，到達濾芯的氯化銨的量很小，濾芯不容易堵塞，大大的延長了過濾芯的正常使用時間，降低了維護頻率。本發明通過升溫降溫和控制尾氣流動方向，將尾氣中主要粉塵副產物氯化銨沉積到指定設備中，達到了除塵效果。并且對尾氣進行了冷卻，對后續設備起到了保護作用。延長了設備的正常生長時間，延長了維護周期。
圖1所示為本發明實施例的裝置示意圖。圖中相關結構部件說明如下A區GaN生成的主反應場所；B區主反應場所與沉積設備之間的過渡區；C區C1沉積設備的首級，C2是沉積設備的次級，C3是末級小孔徑過濾網。Cl區級和C2區級空間做得大一點，可以延長沉積設備的正常工作時間，也可以在一定程度上降低設備維護頻率；D區系統后續設備；混合氣體a 同時含有HCl、NH3和NH4Cl等混合物；混合氣體b =HCl和NH3理論上不能同時存在，實際有極其低濃度的存在，但可以忽略，NH4Cl有極其低濃度的存在，但可以忽略；1 加熱設施；2:—級沉積的內部傾斜冷卻裝置，防止氣體直接通過，增強冷卻效果。表面粗糙度要求較高，附著的NH4Cl到達一點量后將自動掉落；3 二級沉積的氣體分流裝置，因為二級冷卻在外部，讓氣體隨沉積設備內表面流動；4 冷卻設備；5 小孔徑過濾網；6 固態NH4Cl主要沉積處。
具體實施例方式為能進一步了解本發明的特征、技術手段以及所達到的具體目的、功能，解析本發明的優點與精神，及由以下結合附圖與具體實施方式
對本發明的詳述得到進一步的了解。本發明所解決的主要技術問題a、對NH4Cl沉積條件進行控制；b、對NH4Cl沉積裝置的設計。第一個問題的提出因為氯化氫(HCl)和氨氣(NH3)反應生成氯化銨(NH4Cl)是一個可逆反應，可以通過控制反應物的量(氣體主要是濃度控制)、壓強和溫度等條件來控制反應的進行。為了提高GaN的生長速率，氨氣(NH3)和氯化氫(HCl)濃度不便于輕易調整， 故控制反應物濃度不可行。整個反應腔的壓強由主反應控制，不能改變。能改變的就是氨氣(NH3)和氯化氫(HCl)混合后，經過腔體不同段的溫度。當溫度低于337. 8°C后，就會有白色粉末沉積，所以如何控制氨氣(NH3)和氯化氫(HCl)混合后一直到沉積裝置之前他們的溫度都高于337. 8°C (其實為了確保在到達沉積設備之前都不產生氯化銨白色粉末，把混合氣體到達沉積設備之間的溫度控制在略高于400°C)是第一個問題。而到達沉積設備后將其快速冷卻降溫，使NH4Cl盡可能的沉積在沉積設備中。解決方法有兩種因為主反應氯化鎵(GaCl)和氨氣(NH3)的反應溫度在1040°C 左右，第一種方法就是縮短沉積設備和主反應場所之間的距離，使得氨氣(NH3)和氯化氫(HCl)在混合后，到達沉積設備之前溫度都高于400°C。方法二是有的系統因為其他原因， 主反應場所到沉積設備之間的距離比較大，當混合氣體到達沉積設備之前，溫度已經降低到有白色粉末生產并沉積了。在這種情況下，就需要在主反應場所與沉積設備之間使用加熱的方式，以確保混合后生成的氯化銨(NH4Cl)在到達沉積設備之前盡可能不沉積。第二個問題的提出在第一個問題已經解決的前提下，到達沉積設備的混合氣體溫度應該高于400°C。沉積設備的設計要求既要結構簡單，又要便于維護，還得能夠有效的沉積NH4Cl,這就需要一個結構優良的設計。解決方法在沉積設備的設計上主要考慮兩個方面流體力學和沉積分級。從流體力學來說，當一定體積的氣體，在一定的時間里通過一定距離的管道，只要管道越大，則留宿越慢，氣體中如果有塵埃，則塵埃沉積最多的是管道最粗處，這就是采用的最基本原理。沉積設備的內部腔體做得越大越好，但無限制的做大是不可能的，具體做多大，得參照整個系統的氣體流量大小。還有一個精妙之處，就是在一級設備中，使用的冷卻水平面是傾斜成嚙合狀排布，氣體流過是會類似渦流的效果，有利于混合氣體與冷卻體接觸，達到良好的降溫效果。采用HVPE(豎直式和者臥式等方式皆可以)方式生長GaN，主反應腔即為附圖1 中的A區GaN生成的主反應場所，反應后的混合氣體即為附圖中的混合氣體a 同時含有 HCl、NH3和NH4Cl等混合物。A區的混合氣體a (同時含有HCl、NH3和NH4Cl等混合物)經過主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區，在主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區用加熱設施1加熱，使主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區內部末端的溫度略高于 400°C，如果太高對后邊的急速降溫效果有較大影響。使用水作為冷卻液，因為水的比熱容大，流速大于4L/min，確保冷卻效果。小孔徑過濾網5選用0. 1微米型號。在B區末端和D 區始端水平放置一個面積相等的觀測平面體，以便于后邊做對比。分兩種情況情況一主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區的加熱設施1不加熱，按預先設定好的生長速率生長一段時間，時間最好大于一天，效果比較明顯，檢測觀測平面上NH4Cl 的厚度。情況二 過渡區B區的加熱設施1加熱，使用與情況一相同的生長方式，生長同樣長的時間，然后檢測B區和D區的觀測平面。結果發現，使用本沉積設備后，在D區沉積的厚底基本本可以忽略。說明本設備能有效的降低混合氣體降溫后NH4Cl粉末的含量，而且這樣后過濾網可以長時間使用，不會出現堵塞現象。C區分為沉積設備的首級Cl區、沉積設備的次級C2區、末級小孔徑過濾C3區。Cl 區設有一級沉積的內部傾斜冷卻裝置2與冷卻設備4，通過冷卻液對Cl區降溫，Cl區成為固態NH4Cl主要沉積處6 ；C2設有區二級沉積的氣體分流裝置3與冷卻設備4，通過冷卻液對C2區降溫，C2區只有少許固態NH4Cl主要沉積處6 ；Cl區級和C2區級空間做得大一點， 可以延長沉積設備的正常工作時間，也可以在一定程度上降低設備維護頻率；C3區設有小孔徑過濾網5，小孔徑過濾網5對混合氣體中NH4Cl粉末進行過濾，C3區后連通系統后續設備D區，所得混合氣體b :HC1和NH3理論上不能同時存在，實際有極其低濃度的存在，但可以忽略，NH4Cl有極其低濃度的存在，但可以忽略。本發明提出了一種含氯化銨尾氣的處理方法，并設計出了一套尾氣處理設備。發明中采用了對反應后混合氣體加熱和降溫的方式，控制NH4Cl粉塵生成和沉積的場所，并設計出一種冷卻和沉積設備，有效的過濾掉了反應后尾氣中的氯化銨粉塵。解決半導體材料生長，尤其是HVPE生長GaN過程中，反應腔內生成氯化銨固體難以清理的難題。達到尾氣中無粉塵，保證主反應后續的腔體和管道不被堵塞，使設備的有效生命時間盡可能長的處于半導體材料生長上，提高設備利用率，降低材料生長的成本。 以上所述實施例僅表達了本發明的部分實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍，本發明的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種含氯化銨尾氣的處理方法，是對氯化銨粉塵沉積條件進行控制，其特征在于，所述方法包括如下步驟①、在GaN生成的主反應場所A區采用豎直式或臥式等方式生長GaN，主反應腔即為 GaN生成的主反應場所A區，反應后的混合氣體為混合氣體a 同時含有HCl、NHdPNH4Cl的混合物；②、A區的混合氣體a經過主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區，在主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區用加熱設施(1)加熱，使主反應場所與沉積設備之間的過渡區 B區內部末端的溫度略高于400°C ；③、混合氣體a經過沉積設備的首級Cl區內的一級沉積的內部傾斜冷卻裝置( 與冷卻設備⑷冷卻，通過冷卻液對Cl區降溫，Cl區成為固態NH4Cl主要沉積處(6)；依次經過沉積設備的次級C2區內的二級沉積的氣體分流裝置C3)與冷卻設備G)，通過冷卻液對C2 區降溫，C2區為次要固態NH4Cl主要沉積處(6)；④、末級小孔徑過濾C3區設有小孔徑過濾網(5)，小孔徑過濾網( 對混合氣體中 NH4Cl粉末進行過濾，降低混合氣體降溫后NH4Cl粉末的含量，C3區尾端連通系統后續設備 D區。
2.根據權利要求1所述的一種含氯化銨尾氣的處理方法，其特征在于所述步驟②中， 在B區末端和D區始端水平放置一個面積相等的觀測平面體，以便于后邊做對比，當情況一主反應場所與沉積設備之間的過渡區B區的加熱設施(1)不加熱，應按預先設定好的生長速率生長一段時間，時間為大于一天，再檢測觀測平面上NH4Cl的厚度；情況二 過渡區B區的加熱設施(1)加熱，使用與情況一相同的生長方式，生長同樣長的時間，然后檢測過渡區B區和D區的觀測平面。
3.根據權利要求1所述的一種含氯化銨尾氣的處理方法，其特征在于所述步驟③中冷卻液采用水作為冷卻液，流速大于4L/min ；Cl區級和C2區級空間做得比過渡區B區大。
4.一種含氯化銨尾氣的處理設備，包含有GaN生成的主反應場所A區，其特征在于 所述GaN生成的主反應場所A區后面連接過渡區B區，主反應場所與沉積設備之間的過渡區B設有加熱設施(1)，過渡區B尾端后面依次設有沉積設備的首級Cl區、沉積設備的次級 C2區、末級小孔徑過濾C3區，沉積設備的首級Cl區設有一級沉積的內部傾斜冷卻裝置(2) 與冷卻設備G)，沉積設備的次級C2區設有二級沉積的氣體分流裝置C3)與冷卻設備0)， 末級小孔徑過濾C3區設有小孔徑過濾網( ，C3區尾端連通系統后續設備D區。
5.根據權利要求4所述的一種含氯化銨尾氣的處理設備，其特征在于所述小孔徑過濾網(5)選用0.1微米型號。
全文摘要
本發明提出了一種含氯化銨尾氣的處理方法，并設計出了一套尾氣處理設備。發明中采用了對反應后混合氣體加熱和降溫的方式，控制NH4Cl粉塵生成和沉積的場所，并設計出一種冷卻和沉積設備，有效的過濾掉了反應后尾氣中的氯化銨粉塵。解決半導體材料生長，尤其是HVPE生長GaN過程中，反應腔內生成氯化銨固體難以清理的難題，達到尾氣中無粉塵，保證主反應后續的腔體和管道不被堵塞，使設備的有效生命時間盡可能長的處于半導體材料生長上，提高設備利用率，降低材料生長的成本。
文檔編號B01D50/00GK102172458SQ201010617738
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者劉鵬, 孫永健, 張國義, 趙紅軍, 陸羽 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司