一种氢化物气相外延设备的反应室结构制造技术

本发明专利技术提供了一种氢化物气相外延反应室结构。其特征是由进气区、导流区和生长区组成。进气区包括进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板，用来分别导入不同种类气体；导流区包括天棚导流板和底层导流板，天棚导流板引导从吹扫气体进气通道进气的吹扫气体，底层导流板消除原料气体回旋涡流；生长区包括反应室天棚、反应室底壁和衬底托盘。本发明专利技术的氢化物气相外延反应室结构，气体在衬底托盘前端的流场稳定，原料气体在衬底托盘表面的浓度和流场分布均匀性高，原料气体与反应室天棚之间的接触和寄生反应少，衬底上生长晶体的稳定性高，有效提高大尺寸晶体生长效率和成品率。

A Reactor Structure of Hydride Vapor Epitaxy Equipment

【技术实现步骤摘要】
一种氢化物气相外延设备的反应室结构
本专利技术涉及到半导体设备制造
，尤其是生长氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)材料的HVPE设备、氢化物气相外延设备(HVPE)的反应室结构。
技术介绍
氢化物气相外延(HVPE)是目前量产氮化镓同质衬底的唯一方法，在HVPE生长系统中，氯化镓气体和氨气在高温下发生近平衡反应生成氮化镓晶体。通常利用HVPE制备外延片材料的生产过程中，前驱物气体通过进气通道进入反应室后，扩散至整个反应室内混合均匀，内壁和衬底托盘上都会发生寄生反应沉积一些寄生沉积物。每次生长前，都需要对反应室和衬底托盘进行烘烤10～30min，以去除反应室内壁和衬底托盘上的寄生沉积物，否则会对本次的宽禁带半导体材料外延产生不利影响。烘烤时间挤占了生长时间，导致单位时间内材料产出率降低。另外反应室内的寄生反应降低了衬底托盘表面原料气体浓度，进而降低了转化为氮化镓外延片的效率和生长速度。显而易见，抑制原料气体在整个室内的提前互混，减少反应室内的寄生沉积，提高衬底托盘表面的原料气体浓度对高效制备宽禁带半导体材料具有重要的意义。传统的水平式HVPE设备存在如下缺点：(1)反应气体在反应室内互混发生寄生反应的现象严重，需要后续原位烘烤去除反应室内壁和衬底托盘的寄生沉积物，挤占了生长时间；(2)反应气体互混产生的寄生反应降低了原料转化效率；(3)反应室内的寄生反应导致前驱物在衬底托盘表面的浓度降低，进一步导致生长速率降低，不利于长时间稳定生长半导体晶体厚膜。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于针对HVPE反应室内原料气体在反应室内提前互混，寄生沉积反应影响生长质量，挤占生长时间等问题，提出一种氢化物气相外延设反应室结构。(二)技术方案本专利技术提供了一种氢化物气相外延设备的反应室结构，包括进气区、导流区和生长区。其中进气区包括：进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板，均由石英制成，进气区天棚、进气区底壁和进气隔板平行等距排列组成进气通道，进气通道长度均不小于500毫米。导流区包括：天棚导流板和底层导流板，天棚导流板和底层导流板均由石英制成。生长区包括：反应室天棚、反应室底壁和衬底托盘。衬底托盘由石墨制成，反应室天棚和反应室底壁由石英制成。所述进气区的进气通道截面可以为矩形。所述进气通道中的吹扫气体可以为氢气(H2)、氮气(N2)、氩气(Ar)或其他惰性气体中的一种或多种混合气体，每个进气通道中的气体流量均可以为0.01m/s-10m/s。所述进气通道中的原料气体可以为氨气(NH3)、砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)、氯化镓(GaCl)、三氯化镓(GaCl3)、氯化铟(InCl)、氯化磷(PCl3)、氯化砷(AsCl3)气体中的一种或多种混合气体，每个进气通道中的气体流量均可选为0.01m/s-10m/s。所述天棚导流板是位于衬底托盘远端的导流板，底层导流板是位于衬底托盘近端的导流板。所述天棚导流板和进气通道之间的倾斜角度可以为110°-165°。所述底层导流板和进气通道之间的倾斜角度可以为110°-165°。所述反应室天棚是正对衬底托盘位置的远端反应室内壁面。所述衬底托盘可以静止放置，可选地与外部的旋转机构(图中未画出)相连，在进行外延生长时，旋转机构可以带动衬底托盘旋转。所述衬底托盘是承载衬底的底座，可以承载的衬底直径为2-8英寸。所述衬底托盘距导流区的距离不小于20毫米。优选的，原料气体进气通道之间可增加一个隔离气体进气通道，隔离气体进气通道中的隔离气体可选为氢气(H2)、氮气(N2)、氩气(Ar)或其他惰性气体中的一种或多种气体混合。所述氢化物气相外延设备的反应室结构可选为倒置结构。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的优点在于，两个导流板的存在，影响了反应室内的流场，抑制了原料气体向反应室天棚的扩散，提高了衬底托盘表面的原料气体的浓度和流场分布均匀性，提高了生长效率；另外减少了原料气体在反应室内壁上的寄生反应，提高了原料利用率；寄生沉积物的减少进而缩短了烘烤反应室内壁时间，增加了单位时间生长批次。附图说明图1为本专利技术实施例一的反应室结构的剖面图；图2是本专利技术实施例二的反应室结构的剖面图；图3是本专利技术实施例三的反应室结构的剖面图；图4是传统反应室结构和本专利技术实施例一反应室结构的计算流体力学模拟的截面速度矢量图对比；图5是传统反应室结构和本专利技术实施例一反应室结构的计算流体力学模拟的衬底托盘表面NH3质量分数对比；图6是传统反应室结构和本专利技术实施例一反应室结构的计算流体力学模拟的衬底托盘表面GaCl质量分数对比。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供了一种反应室结构，为了使本专利技术的目的，技术方案和有店更加清楚明白，现结合附图，对本专利技术专利作进一步详细说明：该氢化物气相外延反应室结构包括进气区、导流区和生长区。图1、图2和图3为该专利技术的三个实施例。实施例一如图1所示：该结构包括多层进气通道组成的进气区、两个导流板形成的导流区，以及包括衬底托盘、反应室和反应室底壁的生长区。进气区天棚111和进气隔板112形成吹扫气体进气通道101，进气隔板112和进气隔板113形成原料气体进气通道102，进气隔板113和进气区底壁114形成原料气体进气通道103。进气通道101、102和103上下依次相邻排列，其中原料气体进气通道102和103分别为氯化镓(GaCl)气体入口和氨气(NH3)气体入口。两种原料气体通过扩散等机制迁移到衬底托盘301表面混合，在1050℃左右的高温下发生反应生长氮化镓(GaN)。两层原料气体通过原料气体进气通道102和103分别进行输送是为了避免原料气体在进气通道中提前互混发生反应导致其生成物沉积在进气通道内壁，堵塞进气通道。从吹扫气体进气通道101进气的吹扫气体沿着天棚导流板201将原料气体带向衬底托盘301表面，互混形成浓度分布均匀的原料气体，并发生反应。同时减缓了原料气体扩散到反应室天棚302发生寄生反应。反应室下段的底层导流板202避免了反应室内流场出现回旋涡流，天棚导流板201和底层导流板202结合吹扫气体进气通道的设计，为沉积半导体晶体和生长厚度的一致化，营造了最佳的流场环境。实施例2如图2所示：该结构包括多层进气通道组成的进气区、两个导流板形成的导流区以及包括衬底托盘、反应室天棚和反应室底壁的生长区。进气区天棚111和进气隔板112形成吹扫气体进气通道101，进气隔板112和进气隔板115形成原料气体进气通道102，进气隔板115和进气隔板113形成隔离气体进气通道104，进气隔板113和进气区底壁114形成原料气体进气通道1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢化物气相外延反应室结构，其特征在于，包括：进气区、导流区和生长区构成；其中，进气区包括：进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板；导流区包括：天棚导流板和底层导流板；生长区包括：反应室天棚、反应室底壁和衬底托盘。

【技术特征摘要】
1.一种氢化物气相外延反应室结构，其特征在于，包括：进气区、导流区和生长区构成；其中，进气区包括：进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板；导流区包括：天棚导流板和底层导流板；生长区包括：反应室天棚、反应室底壁和衬底托盘。2.根据权利要求1所述的氢化物气相外延设备的反应室结构，其特征在于，所述进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板，均由石英制成；所述天棚导流板和底层导流板均由石英制成；所述反应室天棚和反应室底壁由石英制成，所述衬底托盘由石墨制成。3.根据权利要求1所述的氢化物气相外延设备的反应室结构，其特征在于，所述进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板平行等距排列组成吹扫气体进气通道和原料气体进气通道，进气通道长度均不小于500毫米；所述进气通道截面可以为矩形。4.根据权利要求1或3所述的氢化物气相外延设备的反应室结构，其特征在于，所述吹扫气体进气通道中的吹扫气体为氢气(H2)、氮气(N2)、氩气(Ar)或其他惰性气体中的一种或多种混合气体，每个进气通道中的气体流量均可以为0.01m/s-10m/s。5.根据权利要求1或3所述的氢化物气相外延设备的反应室结构，其特征在于，所述原料气体进气通道中的原料气体为氨气(NH3)、砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)、氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡君，魏鸿源，杨少延，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11