半导体材料生产系统及生产方法与流程

本发明涉及晶体生长设备技术领域，特别是涉及一种半导体材料生产系统及生产方法。

背景技术：

第三代半导体材料是以氮化镓(gan)、碳化硅(sic)、金刚石、氧化锌为代表的宽禁带半导体材料，其带隙能可达3.3～5.5ev,与传统的第一代半导体材料第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，使其在光电子器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器等方面展现出巨大的应用潜力。

第三代半导体材料中关于氮化镓的研究较为广泛。氮化镓单晶的生长方法有氢化物气相外延法、高压氮气溶液法、氨热法、na助熔剂法等，但是单晶生长技术目前并不成熟，还未达到广泛应用。上述方法之中氨热法易于获得较大尺寸的单晶，可以批量化生产氮化镓单晶。

氨热法的工艺流程主要分为充氨、填料、生长和清洗等四部分，当反应釜为小尺寸研发级别时，可使用人工搬运反应釜，将反应釜搬运至执行不同工艺流程的设备处，但当需要进行工业化批量生长氮化镓单晶时反应釜尺寸较大，人工搬运反应釜难度大、成本高、效率低，不利于批量生产。

技术实现要素：

基于此，有必要针对工业化批量生产氮化镓单晶时反应釜尺寸较大人工搬运成本高效率低的问题，提供一种半导体材料生产系统及生产方法。

一种半导体材料生产系统，包括：清洗装置、干燥装置、充氨装置、抽真空装置、多个反应釜和多组输送管道；

所述输送管道包括清洗管道和供应管道，所述清洗装置通过所述清洗管道输送清洗液至所述反应釜，所述清洗管道包括清洗主管道和连接于所述清洗主管道上的多个清洗管道支路，每个所述清洗管道支路的出口与所述反应釜的开口一一对应；

所述充氨装置、所述干燥装置和所述抽真空装置连接至所述供应管道，所述供应管道包括供应主管道和连接于所述供应主管道上的多个供应管道支路，每个所述供应管道支路的出口与所述反应釜的开口一一对应。

在其中一个实施例中，所述清洗装置包括纯水槽和溶液槽；

所述清洗管道包括第一组管道和第二组管道，所述第一组管道包括第一清洗主管道和连接所述第一清洗主管道的多个第一清洗管道支路，每个所述第一清洗管道支路的出口与每个所述反应釜一一对应，所述第二组管道包括第二清洗主管道和连接所述第二清洗主管道的多个第二清洗管道支路，每个所述第二清洗管道支路的出口与每个所述反应釜的开口一一对应；

所述纯水槽通过所述第一组管道连接至所述每个所述反应釜，所述溶液槽通过所述第二组管道连接至每个所述反应釜。

在其中一个实施例中，所述第一清洗主管道上还设置有进水泵，每个所述第一清洗管道支路上设置有进水阀。

在其中一个实施例中，所述第二清洗主管道上还设置有进液泵，每个所述第二清洗管道支路上还设置有进液阀。

在其中一个实施例中，所述输送管道还包括循环管道，所述循环管道包括循环主管道和连接所述循环主管道的多个循环支路，所述循环主管道连接至所述溶液槽，所述循环支路的端口与所述反应釜的开口一一对应。

在其中一个实施例中，所述循环支路上设置有循环泵和循环阀，所述循环泵用于抽取所述反应釜中的清洗液。

在其中一个实施例中，所述充氨装置、所述干燥装置和所述抽真空装置通过四通阀门连接至所述供应管道。

在其中一个实施例中，还包括质量流量计，所述充氨装置通过所述质量流量计连接所述四通阀门。

在其中一个实施例中，还包括控制装置，用于控制所述进水泵、进水阀、进液泵、进液阀、循环泵、循环阀、真空泵和所述四通阀门工作。

一种半导体材料生产方法，利用前述半导体材料生产系统生产，所述方法包括：

清洗反应釜并对所述反应釜进行干燥处理；

向所述反应釜内填充生长材料；

对所述反应釜抽真空；

向所述反应釜内充氨；

加热所述反应釜并保温保压，以使所述反应釜内生长结晶。

上述导体材料生产系统及方法在生产过程中将各个设备集中，清洗装置、干燥装置、充氨装置、抽真空装置均可通过输送管道与同一个反应釜连通并传输物料至同一个反应釜，避免人工将反应釜搬运至各设备处，可节省生产时间，提高生产效率，降低生产成本。

附图说明

图1为本申请的一个实施例提供的半导体材料生产系统结构图；

图2为本申请的又一实施例提供的半导体材料生产系统结构图；

图3为本申请的另一实施例提供的半导体材料生产系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。

如图1所示，本申请提供的半导体材料生产系统包括清洗装置100、干燥装置200、充氨装置300、抽真空装置400、多个反应釜500和多组输送管道600。多个反应釜500阵列排布，反应釜500中可加入反应原料以产生半导体材料。本申请提供的半导体材料生产系统可用于生产多种半导体材料，本实施例中以生产氮化镓材料为例进行说明。反应釜500包括盖体和筒体，盖体设置于筒体的开口处，用于密封筒体。筒体包括容纳氮化镓籽晶、多晶培养料、氨、矿化剂等材料的第一筒体和套设于第一筒体外壁的第二筒体。第一筒体内部设有带通孔的隔板，隔板用于将第一筒体内部的容纳空腔分隔为上下两部分，下部容纳空腔用于容纳籽晶，上部容纳空腔用于容纳多晶原料，或下部容纳空腔用于容纳多晶原料，上部容纳空腔用于容纳籽晶亦可。第二筒体配置为使第一筒体产生压缩预应力，以平衡部分由反应釜内部的超高压环境所造成的周向应力。第二筒体外壁还设置有加热部件，加热部件包括分别对应容纳空腔下部的第一加热件和对应容纳空腔上部的第二加热件，两个加热部件可独立控制加热温度以使容纳空腔上部具有预设温差，以便于晶体生长。

清洗装置100、干燥装置200、充氨装置300和抽真空装置400均通过输送管道600连接至反应釜500，用于输送物料至反应釜500或对反应釜500抽真空。

具体的，输送管道包括清洗管道610和供应管道620，清洗装置100通过清洗管道610连通至每个反应釜500，干燥装置200、充氨装置300和抽真空装置400通过四通阀门700连接至供应管道620，并通过供应管道620连通至每个反应釜500。

其中，清洗管道610包括清洗主管道611和连接在清洗主管道610上的多个清洗管道支路612，每个清洗管道支路612与清洗主管611道连通，清洗管道支路612的数量与反应釜500的数量相同，且每个清洗管道支路612出口位置与反应釜500的开口一一对应。供应管道620包括供应主管道621和连接于供应主管道621上的多个供应管道支路622，每个供应管道支路622与供应主管道621连通，且每个供应管道支路622的出口与反应釜500的开口一一对应。

上述实施例提供的半导体材料生产系统生产过程中各个设备集中，清洗装置100、干燥装置200、充氨装置300、抽真空装置400均可通过输送管道与同一个反应釜连通并传输物料至同一个反应釜，避免人工将反应釜搬运至各设备处，可节省生产时间，降低成本。

如图2所示，在其中一个实施例中，清洗装置100包括纯水槽110和溶液槽120。清洗管道611包括第一组管道6111和第二组管道6112。纯水槽110通过第一组管道6111连接至每个反应釜500，溶液槽120通过第二组管道6112连接至每个反应釜500。

具体的，如图3所示，图3为清洗装置100、干燥装置200、充氨装置300、抽真空装置400连接其中一个反应釜500的示意图。第一组管道6111包括第一清洗主管道6111a和多个连接于第一清洗主管道6111a上的第一清洗管道支路6111b，每个第一清洗管道支路6111b均与第一清洗主管道6111a连通，且每个第一清洗管道支路6111b的出口与各个反应釜500的开口一一对应设置。进一步的，第一清洗主管道6111a上设置有进水泵613，每个第一清洗管道支路6111b设置有进水阀614，进水泵613抽取纯水槽110中的纯水并通过第一清洗主管道6111a输送至每个第一清洗管道支路6111b，当每个第一清洗管道支路6111b上的进水阀614打开时，每个第一清洗管道支路6111b可将纯水输送至对应的反应釜500中以清洗反应釜。本实施例中，纯水可以包括ro(reversesosmosis，反渗透)纯水和超纯水。

第二组管道6112包括第二清洗主管道6112a和与第二清洗主管道6112a连通的多个第二清洗管道支路6112b，每个第二清洗管道支路6112b的出口与反应釜500的开口一一对应，用于传输清洗液至对应的反应釜500。进一步的，第二清洗主管道6112a上设置有进液泵615，每个第二清洗管道支路6112b上设置有进液阀616。进液泵615用于抽取溶液槽120中的清洗液并通过第二清洗主管道6112a输送至每个第二清洗管道支路6112b，每个第二清洗管道支路6112b可将清洗液输送至对应的反应釜500中以清洗反应釜。本实施例中，清洗液可以是氢氧化钾(koh)溶液，koh溶液需加热至80℃清洗，清洗时，可采用超声波清洗技术以提高清洗效果。

如图2所示，输送管道600还包括循环管道630。如图3所示，循环管道630包括循环主管道631和与循环主管道631连通的多个循环支路632，其中循环主管道631连接至溶液槽120，每个循环支路632的端口与反应釜500的开口一一对应设置。循环支路632上设置有循环泵633和循环阀634，当循环阀634打开时，循环泵633用于抽取溶液槽120中的清洗液，并通过循环支路632传输至循环主管道631，以回传至溶液槽120，使得清洗液可以重复利用，降低生产成本。

在其中一个实施例中，半导体材料还包括质量流量计800，充氨装置300通过质量流量计800连接至四通阀门700，质量流量计用于控制从充氨装置300输送是反应釜500的液氨的量。干燥装置200、充氨装置300和抽真空装置400分贝通过管道连接至四通阀门，四通阀门连接至供应管道620，因此干燥装置200、充氨装置300和抽真空装置400通过供应管道620连接各个反应釜500。供应管道620包括供应主管道621和与供应主管道621连通的多个供应管道支路622，每个供应管道支路622的出口与各个反应釜500的开口一一对应。其中，干燥装置200用于在清洗装置100对反应釜500清洗完毕后，通过四通阀门700、供应主管道621和供应管道支路622向对应的反应釜500中通入干燥气体以使反应釜500干燥，通常，干燥气体为氮气，氮气温度为60℃～80℃，利用高温氮气可加快干燥速度。充氨装置300用于在反应前向反应釜500内充入液氨。抽真空装置400通常为真空泵，当三阀门700与与抽真空装置400对应的通道打开时用于对反应釜500抽真空。

进一步的，半导体材料生产系统还包括控制装置，控制装置用于控制进水泵613、进水阀614、进液泵615、进液阀616、循环泵633、循环阀634和四通阀门700的工作。同时，控制装置还用于控制清洗装置100、干燥装置200、充氨装置300、抽真空装置400工作以及反应釜500的加热部件的通断。

本申请的又一实施例提供一种半导体材料的生长方法，利用上述半导体生长系统生长。本实施例中，半导体材料可以是氮化镓。首先需要对反应釜进行清洗并干燥。控制装置先控制进水泵和进水阀打开，进水泵抽取纯水槽中的纯水并通过各第一清洗管道支路传输至对应的反应釜，其中，纯水可以是ro纯水。清理完毕后将反应釜中的纯水排出。纯水清理后，控制装置控制进液泵和进液阀打开，进液泵抽取溶液槽中的清洗液例如koh溶液清洗反应釜，清洗完毕后控制装置控制循环泵和循环阀打开，循环泵抽取反应釜中的清洗液至溶液槽中，以便重复利用。koh溶液清洗后，控制装置再控制进水泵和进水阀打开，再次利用纯水清洗反应釜，其中，纯水可以是超纯水，利用超纯水去除反应釜中残留的溶液，然后排出超纯水。控制装置控制四通阀门至干燥装置的通路打开，以使干燥装置向反应釜中通入干燥气体，例如高温氮气，氮气温度可以是60℃～80℃，以去除残留的清洗液。向反应釜中放入生长材料，例如籽晶、多晶原料和矿化剂。其中，籽晶与多晶原料分别位于反应釜容纳腔的上下空间内。控制装置四通阀门切换至控制抽真空装置对反应釜抽真空，然后控制四通阀门切换至充氨装置对反应釜内充氨至预定填充量。接着控制装置分别控制反应釜第二筒体外壁的第一加热部件和第二加热部件至不同的温度，以使反应釜上下容纳空间具有不同的生长温度，使反应釜保温保压预定时间，然后自然冷却或强制冷却至室温。排放反应釜中的氨气并控制四通阀门切换至干燥装置，使干燥装置向反应釜内充氮气，然后打开反应釜进行卸料工作。卸料完毕后还可清洗反应釜，将反应釜中的残余原料和反应釜内壁上微晶清洗干净，并干燥备用。

上述实施例提供的半导体材料生长方法中，控制装置可控制输送管道导通，以使各设备通过输送管道将原料输送至反应釜中，无需人工搬运反应釜至各设备处，可节省生产时间，降低成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。