一種用於氫化物氣相外延的反應器的製造方法
2024-01-29 17:26:15 2
一種用於氫化物氣相外延的反應器的製造方法
【專利摘要】本發明公開一種用於立式氫化物氣相外延（HVPE）的反應器，包括軸對稱圓柱型腔體、前驅物通道、襯底、石墨圓盤及支撐杆；其中前驅物通道從上至下依次由第一圓筒、過渡段、第二圓筒、裙體擴展段、第三圓筒組成；該反應器還包括設置在第二圓筒中間位置的第二整流板，設置在第三圓筒內部具有周向陣列折流板的第一折流裝置；包括設置在通道第一、第二、第三圓筒內部的第一、第二、第三整流板，以及設置在石墨盤徑向外圍的第二折流裝置；包括對反應式腔體外壁進行徑向擴充；包括設置在通道第一、第二圓筒內部的第一、第二整流板，設置在第三圓筒內部與石墨盤徑向外圍的第一、第二折流裝置，以及反應氣體的徑向出口。
【專利說明】一種用於氫化物氣相外延的反應器
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體【技術領域】，涉及一種用於製備半導體材料氣相外延裝置，特別是一種用於氫化物氣相外延(HVPE)的反應器。
【背景技術】
[0002]氣相外延(VPE)技術廣泛應用於生長半導體晶體材料，其中的氫化物氣相外延(HVPE)技術具有生長速度快、生產成本低等特點，非常適用於III族氮化物半導體材料生長，例如氮化鎵(GaN)薄膜或厚膜的生長。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。為了獲得高質量的氮化鎵厚膜，期望在HVPE反應室內襯底有效沉積區域上獲得反應物濃度的均勻分布，因為反應物濃度分布的均勻性直接影響半導體器件的生長質量及成本，進而影響半導體器件在市場中的競爭力。
[0003]傳統的氫化物氣相外延(HVPE)用反應器以水平臥式為主，其中襯底通常置於與水平面呈一定角度的支撐板上，噴頭結構通常為沿水平或豎直方向的圓形噴嘴。這種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分布均不理想，不適合GaN厚膜生長。
[0004]現有的氫化物氣相外延(HVPE )生長系統，常用軸對稱圓柱型的立式(或倒立式)反應器，其中噴頭設計成圓形或同心圓環結構，這種結構由於石墨盤帶動襯底旋轉，使反應物的周向分布比起臥式系統容易均勻，而生長的周向均勻性得到一定程度的改善進而提高生長晶體質量。然而，這種結構的反應器存在的問題是:在同心圓環噴頭下，反應物在襯底表面有效沉積區域的徑向流場分布，其圓環中間區域高、兩側低，而圓形噴頭下的徑向流場分布，其圓心處高、向外低減，呈單峰性；至於生長晶片的周向均勻性，雖然通過石墨盤帶動襯底旋轉得到提高，但同時帶來不少問題，如:首先，要使石墨盤旋轉需動力源電機、傳遞動力用旋轉軸、及其他附屬組件，使`裝置複雜，能耗增加、維護不便；其次，旋轉軸在轉動狀態下保持很好的密封以維持反應器內的真空環境不易，更重要的一點，在石墨盤旋轉過程中很難保證襯底的抖動對晶片生長質量不產生不良影響。
[0005]基於上述理由，為了提高氮化物半導體材料的生長厚度及其組分的均勻性，需要簡化並優化反應器裝置。
【發明內容】
[0006]本發明的目的，旨在提供一種製備半導體材料的氣相外延裝置，更具體地是一種用於氫化物氣相外延(HVPE)的反應器，以解決現有HVPE軸對稱圓柱型反應器中，半導體材料生長厚度及其組分不均勻問題，並簡化裝置。
[0007]為達到本發明的上述目的，將通過以下技術方案來實現:
在現有立式或倒立式氫化物氣相外延(HVPE)系統中，在圓筒型前驅物通道不同段設置具有不同孔徑圓形通孔的整流板，使前驅物氣體分布均勻化；在前驅物通道第三圓筒內部或石墨盤外圍設置具有周向陣列排布折流片的折流裝置，以便在襯底表面有效沉積區域形成一種離心式微旋流，從而去掉現有HVPE系統中的石墨盤旋轉用動力源電機及附屬組件。
[0008]具體地說，一種用於氫化物氣相外延(HVPE)的反應器，包括反應腔、前驅物通道、石墨盤、襯底片、石墨盤支撐杆等，其中在前驅物通道第二圓筒內設有整流板，前驅物通道第三圓筒內設置折流裝置；其中在前驅物通道第一、第二、第三圓筒內設置具有不同孔徑圓形通孔的整流板，在石墨盤徑向外圍設置折流裝置；並在前驅物通道的第一、第二、第三圓筒內設置具有不同孔徑圓形通孔的整流板，在石墨盤徑向外圍設置有折流裝置，且對腔體反應室進行了徑向擴展；其中在前驅物通道第一、第二圓筒內設置有不同孔徑大小圓形通孔的整流板，在第三圓筒內與石墨盤外圍設置有折流裝置，並將腔體反應室進行徑向擴展的同時，對反應氣體出口採用徑向出口設計。
[0009]以上三種整流板與二種折流裝置既可以單獨實施，也可以二者以上聯合實施，本發明用於氫化物氣相外延(HVPE)的反應器具有以下優點:首先，該反應器去掉了現有HVPE系統中石墨舟旋轉用動力源電機及附屬組件，不僅大大簡化裝置，節約能耗，方便維護，還消除了石墨盤旋轉不穩定性對於襯底表面所生長晶體厚度及組分均勻性的不利影響；其次，本發明反應器結構，可在襯底表面有效沉積區域上形成離心式反應物微旋流，大大改善晶體生長厚度及組分均勻性。
[0010]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1A為本發明提供的一種用於氫化物氣相外延(HVPE)的反應器結構剖面圖，其中:圖1B為整流板結構示意圖；圖1C為一種具有周向陣列折流板的折流裝置結構示意圖。
[0012]圖2A為本發明提供的一種用於氫化物氣相外延(HVPE)的反應器結構剖面圖，其中:圖2B為一種具有周向陣列折流板的折流裝置結構示意圖。
`[0013]圖3為本發明提供的一種用於氫化物氣相外延(HVPE)用反應器結構剖面圖，其中對反應室腔體進行了徑向擴充。
[0014]圖4為本發明提供的一種用於氫化物氣相外延(HVPE)的反應器結構剖面圖，其中對反應氣體出口採用徑向出口設計。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，舉幾個實施例，對本發明作進一步說明:
實施例一
如圖1A所不,在一立式氫化物氣相外延(HVPE)生長系統中，反應器包括軸對稱圓柱型腔體1、前驅物通道2、石墨圓盤3、襯底4及支撐杆5 ;所述前驅物通道2從上至下依次為第一圓筒、過渡段、第二圓筒、裙體擴展段與第三圓筒；其中第二圓筒直徑大於第一圓筒直徑，第三圓筒直徑大於第二圓筒直徑；該前驅物通道2中第二圓筒內部設置有整流板，如圖1B所示，所述整流板上下表面被圓形通孔貫穿，該圓形通孔至少一個以上為等直徑通孔；所述前驅物通道2中第三圓筒內部設置有多塊折流板，如圖1C所示，所述折流板內嵌於前驅物通道2中第三圓筒內表面，呈周向陣列排布，形成第一折流裝置；前驅物氣體通過前驅物通道2頂部進入，保護氣體從前驅物通道2與腔體I之間進入，前驅物氣體在通道2中第二圓筒內整流板(圖1B)的整流作用下，前驅物分布相對更為均勻，接著經過裙體段的擴展作用，前驅物分布的有效面積逐漸擴大，一直延伸至前驅物通道2中折流裝置(圖1C)上部，再經過具有周向整列排布折流板的折流作用下，前驅物氣體產生一種離心式的微旋流，使得前驅物氣體均勻分布於石墨盤3上的襯底表面有效沉積區域4之上，最終獲得生長厚度及組分均勻的氮化物半導體晶片。
[0016]實施例二
如圖2A所示，反應器位於一立式HVPE生長系統中，所述反應器由腔體1、前驅物通道
2、石墨盤3、襯底4、支撐杆5組成。所述前驅物通道2由五段構成，從上至下依次為第一圓筒、過渡段、第二圓筒、裙體擴展段、第三圓筒，各圓筒直徑從上至下依次增大，並且每段圓筒內部設置有整流板，分別為第一、第二、第三整流板；所述整流板上下表面被複數個圓形通孔貫穿，該整流板上至少包含一個以上等直徑圓形通孔，各整流板上通孔孔徑尺寸從上至下依次遞減。前驅物氣體從前驅物通道2頂部注入，在第二圓筒和裙體段的擴展作用下以及經過通孔孔徑依次減小的三個整流板的整流作用，沉積物有效沉積面積不斷擴大，進氣變得愈加均勻。如圖2A所示，在石墨盤3徑向外圍設置有一折流器(圖2B)，石墨盤3由支撐杆5支撐，所述折流裝置由一環形底板及複數個周向陣列排布的折流板組成，襯底晶片4的有效沉積區域位於折流裝置底板的正中下部，在折流裝置的折流作用下，使得反應物氣體在襯底表面有效沉積區域形成一種離心式微旋流，最終使得氮化物半導體材料生長厚度及組分更加均勻。
[0017]實施例三
如圖3所示，在本實施例中 ，反應器結構除腔體I外，其他結構與實施例二中反應器結構一致，且前驅物氣體都採用上進下出的進、出氣方式。唯一變化的是對反應器中反應室處腔體進行了徑向擴充，以減弱石墨舟上折流裝置出口處氣流的劇烈波動，以減小其對襯底表面有效沉積區域上的反應物均勻分布的影響。
[0018]實施例四
如圖4所不,反應器位於一立式氫化物氣相外延(HVPE)生長系統中，所述反應器包括軸對稱圓柱型腔體1、前驅物通道2、石墨圓盤3、襯底4。所述前驅物通道從上至下依次由第一圓筒、過渡段、第二圓筒、裙體擴展段、第三圓筒組成；所述通道2中第一圓筒頂端內接第一整流板，第二圓筒中部內接第二整流板，兩整流板直徑依次增大，所述整流板上下表面被圓形通孔貫穿，且第二整流板上圓形通孔直徑小於第一整流板上圓形通孔直徑；所述每塊整流板上至少包含一個以上等直徑圓形通孔。所述通道2中第三圓筒內表面內接複數個折流板，折流板呈周向陣列排布，形成第一折流裝置。還在石墨盤徑向外圍設置第二折流裝置，其結構如同圖2B，由一環形底板及周向陣列的折流板組成。前驅物氣體由通道2中第一圓筒內的第一整流板注入，通過第一、第二整流板的作用，使混合物氣流均勻化，再經過通道2中裙體端的擴展作用，使其沉積有效面積逐漸擴大；接著在第一折流裝置的折流作用下，反應氣體形成一種離心式的微旋流，均勻分布於襯底表面有效沉積區域，再經過石墨盤表面徑向外圍的第二折流裝置的強化折流作用，使得反應物在襯底表面有效沉積區域上的分布更均勻，從而提高晶體生長厚度及組分的均勻性。最後，反應氣體從腔體底端徑向排出。[0019]本發明提出的反應器中的第一、第二、第三整流板，第一、第二折流裝置既可以單選一實用，也可以選兩個或兩個以上組合實用。整流板主要用來使前驅物混合氣體均勻化，如一個整流板作用不足則可多個組合實用；折流板主要用來使反應物在襯底表面有效沉積區域上形成一種離心式微旋流，以改善晶體生長厚度及組分的均勻性。本發明反應器，通過所述的結構設計，去掉了現有HVPE系統中的石墨盤旋轉動力源電機及其附屬組件，不僅大大簡化裝備，節約能耗，方便維護，還消除了現有HVPE生長系統中襯底旋轉不穩定對生長晶體質量的不利影響。[0020]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的範圍。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】
1.一種立式氫化物氣相外延(HVPE)用反應器，其特徵為:包括軸對稱圓柱型腔體、前驅物通道、襯底、石墨圓盤及支撐杆、整流板、折流裝置；其中所述前驅物通道從上至下依次由第一圓筒、過渡段、第二圓筒、裙體擴展段、第三圓筒組成；其特徵還在於:所述整流板設置在前驅物通道第一圓筒、第二圓筒或第三圓筒內部；所述折流裝置設置在第三圓筒內表面或石墨盤徑向外圍；所述反應器的下端反應氣體排放出口採用徑向出口。
2.根據權利要求1所述的HVPE反應器，其特徵為:所述反應器前驅物通道的第一圓筒直徑小於第二圓筒直徑，第二圓筒直徑小於第三圓筒直徑。
3.根據權利要求1所述的HVPE反應器，其特徵為:所述反應器中第一、第二、第三整流板上、下表面都被圓形通孔貫穿，並且所述三塊整流板上的圓形通孔孔徑大小依次減小，所述每塊整流板上至少包含一個等直徑圓形通孔。
4.根據權利要求1所述的HVPE反應器，其特徵為:所述反應器前驅物通道中第一折流裝置內嵌於通道的第三圓筒內表面，其中的折流片呈周向陣列排布。
5.根據權利要求1所述的HVPE反應器，其特徵為:所述反應器中第二折流裝置位於石墨盤徑向外圍，其折流片周向陣列排布於環形底板之上，其折流方向與權利4中第一折流裝置折流方向保持一致。
6.根據權利要求1所述的HVPE反應器，其特徵為:所述反應器中反應氣體出口採用徑向出口，以徑向擴充反應室外腔壁。
7.根據權利要求1所述的HVPE反應器，其特徵為:所述反應器中軸對稱圓柱型腔體、前驅物通道、整流板、折流裝置均採用高純度石英材質。
8.根據權利要求1所述的HVPE反應器，其特徵為；所述反應器既可應用於立式HVPE系統，也可應用於倒立式HVPE系統。
【文檔編號】C30B25/08GK103806092SQ201410031343
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】魏武, 劉鵬, 趙紅軍, 張俊業, 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