一种改进多片式外延材料厚度分布均匀性的氢化物气相沉积装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种改进多片式外延材料厚度分布均匀性的氢化物气相沉积装置与方法，改善大面积多片式GaN薄膜材料生长均匀性的方法。该方法是通过改进系统的源气体输运管道系统，根据多片衬底基片的排列设计由金属前驱物气体输运管道、惰性稀释气体输运管道、氮化物前驱物输运管道组成的多套同心圆前驱物气体输运系统，使反应前驱物气体在衬底表面的总分布概率基本一致，从而调节多片衬底外延层薄膜的厚度均匀性，提高源材料的利用率。本发明专利技术工艺简单易于控制，一炉同时生长多片，可低成本大批量制备用于同质外延的GaN自支撑衬底，满足高光电性能的光/微电子器件的要求。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，改善大面积多片式GaN薄膜材料生长均匀性的方法。该方法是通过改进系统的源气体输运管道系统，根据多片衬底基片的排列设计由金属前驱物气体输运管道、惰性稀释气体输运管道、氮化物前驱物输运管道组成的多套同心圆前驱物气体输运系统，使反应前驱物气体在衬底表面的总分布概率基本一致，从而调节多片衬底外延层薄膜的厚度均匀性，提高源材料的利用率。本专利技术工艺简单易于控制，一炉同时生长多片，可低成本大批量制备用于同质外延的GaN自支撑衬底，满足高光电性能的光/微电子器件的要求。【专利说明】
本专利技术涉及光电材料和器件领域，尤其涉及一种通过改进立式氢化物气相外延装置调控生长所需流场，提高一炉生长多片外延材料片内厚度以及片间厚度均匀性的方法。
技术介绍
作为重要的直接带隙宽禁带半导体材料，GaN基II1-V族氮化物在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和紫外光探测器等光电子器件，以及微波、电力电子等微电子功率器件领域中有着广泛的应用前景。金属有机化学气相沉积(MOCVD)与氢化物气相外延技术(HVPE)是目前较常用的制备GaN材料的外延技术。现在MOCVD的多片机技术已经发展比较成熟，能制备2英寸及4英寸多片薄膜。但是，MOCVD主要用于外延层器件制备，其生长速度慢(?ΙΟμπι/h)，且有碳污染问题(M0CVD中采用有机物源材料，很容易造成碳污染)制约了其在GaN衬底材料特别是体材料同质衬底方面的应用与发展。而HVPE技术具有生长速度快(?200 μ m/h)、比MOCVD设备成本较低以及工艺流程简单的特点，成为目前主流的GaN单晶衬底材料制备技术。HVPE系统从反应腔结构来说分为立式结构与卧式结构两种。卧式结构中气体沿水平方向输入并扩散到衬底表面，一般通过改变输入源气体入射角以调控生长区源气体流场改善薄膜沉积的均匀性。由于衬底旋转工艺复杂，同时源气体从喷口到衬底的流动扩散区域较长而难以控制预反应，因而卧式HVPE系统难以得到高质量的均匀沉积薄膜。立式结构中源气体从衬底表面上方竖向流至反应区衬底表面，且通常采用旋转衬底而获得厚度分布均匀的沉积薄膜。但是，对于立式HVPE系统，目前较成熟的主要是单片生长，产品的产出率与源材料的利用率低，制备成本较高。目前，2英寸GaN自支撑衬底的价格高达2000美元，是同规格的蓝宝石衬底的几十倍，所以，虽然GaN基半导体器件的性能优于其他同类产品，但其高昂的价格是其进入市场的主要障碍。在同一炉中同时外延生长多片的批量生产模式可同时提高源材料的利用率及产品的产率，是降低生产成本的最有效手段。目前多片式外延技术中，最主要的问题是同时多片生长的外延层薄膜片内、片间厚度均匀性问题。常用的立式HVPE系统中，前驱物输运管道系统是由金属前驱物气体输运管道、氮化物前驱物气体输运管道、以及其间的惰性稀释(ID)气体输运管道组成的同心圆结构，一般位于反应区中心区域。在外延生长时，由于大部分氮化物前驱物气体在未达到衬底时从尾气排放口抽走，其达到衬底表面的浓度呈指数递减，并随着ID流量的增大其递减的速度增大，当单片衬底位于托盘中心时，衬底上外延层厚度出现一个圆形厚膜带，圆形厚膜带随着ID流量的增大由衬底中心向外移动,优化金属前驱物气体、氮化物前驱物气体与ID气体在反应区的流场，可解决单片外延薄膜厚度均匀性问题(见附图2)。但用这种结构生长三片衬底时(附图3)，厚膜带由圆形变成环形，调节金属前驱物气体、氮化物气体与ID气体在反应区的流场，将厚膜带移动到衬底中心时，外延层厚度均匀性最好，但其均匀性也只能达到±15%左右(见附图4)，远不能满足后续器件制备时的片内厚度均匀性小于±5%的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通过改进HVPE系统源气体输运装置以调控生长流场的方法，改善多片式大面积薄膜材料生长的均匀性，提高产品的产出率与源材料的利用率，降低生产成本。本专利技术提出的改进多片式外延材料厚度分布均匀性的氢化物气相沉积装置与方法，根据衬底基片的排列设计多套由金属前驱物气体输运管道、氮化物前驱物输运管道、以及稀释惰性气体输运管道组成的同心圆输运管道系统，根据源气体输运与扩散特性优化各管道的长度与径度配比及源气体的流量，结合衬底的旋转，使反应物前驱物气体在各衬底表面的总分布概率基本一致，从而改善多片衬底外延层薄膜的厚度均匀性。本专利技术的通过调控源气体的输运与扩散改进衬底表面流场，用同一炉制备多片薄膜厚度分布均匀的GaN衬底的外延技术，能有效提高源材料的利用率与生产效率，实现低成本的批量生产。一种改进多片式外延材料厚度分布均匀性的氢化物气相沉积装置，该装置为HVPE反应腔，是立式腔体结构，该装置的腔体内上部设有金属承载舟，金属承载舟顶面设有氢化物与载气入口通道，金属承载舟的外侧面设有保护性惰性气体输运管道，保护性惰性气体输运管道位于金属承载舟的外侧面与腔体内壁之间，金属承载舟的底面设有前驱物气体输运系统，前驱物气体输运系统的下方设有承载衬底的石墨托盘，承载衬底的石墨托盘的底部设有支撑托盘的石英杆；一套前驱物气体输运系统由金属前驱物气体输运管道、惰性稀释气体输运管道、氮化物前驱物输运管道组成的同心圆结构；在其中一些实施例中，所述承载衬底的石墨托盘上在生长3片衬底时，配有一套同心圆前驱物气体输运系统，前驱物气体输运系统在金属承载舟上的位置偏离金属承载舟中心，位于在承载衬底的石墨托盘上3片衬底的圆心轨迹的正上方。在其中一些实施例中，所述承载衬底的石墨托盘上生长7片衬底时，配有两套同心圆前驱物气体输运系统，同心圆前驱物气体输运系统间输入保护性惰性气体。两套同心圆前驱物气体输运系统的直径及其配比与单片系统相同，输运管道长度根据流场而改变，其中一套前驱物气体输运系统的位置在承载衬底的石墨托盘中心的正上方，另一套前驱物气体输运系统偏离金属承载舟中心位置，在承载衬底的石墨托盘上外圈6片衬底连心圆周线(托盘旋转时外圈衬底的圆心转动时的轨迹)的正上方。在其中一些实施例中，所述承载衬底的石墨托盘上生长19片衬底时，配有三套同心圆前驱物气体输运系统，同心圆前驱物气体输运系统间输入保护性惰性气体。三套同心圆前驱物气体输运系统的直径及其配比与单片系统相同，输运管道长度根据流场而改变，其中一套前驱物气体输运系统的位置在承载衬底的石墨托盘的中心正上方；另一套前驱物气体输运系统偏离金属承载舟中心位置，在承载衬底的石墨托盘上中圈6片衬底连心圆周线的正上方；第三套前驱物气体输运系统偏离金属承载舟中心位置，在承载衬底的石墨托盘上外圈12片衬底连心圆周线的正上方；在其中一些实施例中，所述承载衬底的石墨托盘上生长19片衬底时，配有七套同心圆前驱物气体输运系统，前驱物气体输运系统间输入保护性惰性气体。七套前驱物气体输运系统的直径及其配比与单片系统相同，输运管道长度根据流场而改变，其中一套前驱物气体输运系统的位置在承载衬底的石墨托盘的中心正上方；另外两套前驱物气体输运系统尺寸规格相同，位于偏离金属承载舟中心位置，在承载衬底的石墨托盘上中圈6片衬底连心圆周线的正上方，关于金属承载舟中心成中心对称；另四套前驱物气体输运系统尺寸规格相同，位于偏离金属承载舟中心位置，在承载衬底的石墨托盘上外圈12片衬底连心圆周线的正上方，关于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进多片式外延材料厚度分布均匀性的氢化物气相沉积装置，该装置为HVPE反应腔，是立式腔体结构，其特征在于，该装置的腔体内上部设有金属承载舟（1），金属承载舟（1）顶面设有氢化物与载气入口通道（4），金属承载舟（1）的外侧面设有保护性惰性气体输运管道（6），保护性惰性气体输运管道（6）位于金属承载舟（1）的外侧面与腔体内壁之间，金属承载舟（1）的底面设有前驱物气体输运系统（5），前驱物气体输运系统（5）的下方设有承载衬底的石墨托盘（2），承载衬底的石墨托盘（2）的底部设有支撑托盘的石英杆（3）；?一套前驱物气体输运系统（5）由金属前驱物气体输运管道（51）、惰性稀释气体输运管道（52）、氮化物前驱物输运管道（53）组成的同心圆结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘南柳，张国义，吴洁君，李文辉，刘鹏，童玉珍，
申请(专利权)人：东莞市中镓半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：