CN103789825A

CN103789825A - 一种化合物半导体大面积气相外延用圆环形喷口分布方式

Info

Publication number: CN103789825A
Application number: CN201410029034.3A
Authority: CN
Inventors: 张俊业; 刘鹏; 左然; 赵红军; 魏武; 张国义; 童玉珍
Original assignee: Peking University; Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Peking University; Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-05-14

Abstract

本发明公开了一种化合物半导体大面积气相外延（VPE）用气体喷头喷口的交叉密排式排布结构，其特征为：各同心圆环形喷口采用独立、交叉排布方式，用外环惰性气体喷口隔开第一前驱物喷口和第二前驱物喷口，使各喷口喷出的不同前驱物在喷口附近被相互隔离，防止它们在喷口附近发生混合起化学反应致使喷口污染；而喷口的密集排布结构，使两种前驱物喷出后一离开喷口附近，进入混合起反应区域便较快均匀混合，形成均匀浓度、流场。从而显著地改善化合物半导体大面积气相外延沉积的均匀性，同时也扩大了外延生长工艺的调空范围，便于调控。

Description

一种化合物半导体大面积气相外延用圆环形喷口分布方式

技术领域

本发明涉及一种用于制备半导体薄膜的气相外延（VPE）装置及方法，尤其是一种实现大面积均匀沉积的氢化物气相外延（HVPE）装置喷头的喷口分布方式。

背景技术

气相外延（VPE）技术广泛用于制备半导体薄膜或厚膜，其中的氢化物气相外延（HVPE）技术具有生长速度快、生产成本低等特点，非常适用于III族氮化物半导体材料生长，例如氮化镓（GaN）厚膜的生长。为了大批量地生长高质量的氮化镓厚膜，期望在HVPE反应室的较大衬底和/或更多衬底以及较大沉积区域之上的气体前驱物均匀混合，但同时尽可能避免生长中强烈的寄生反应。这些因素非常重要，其直接影响生产电子器件的质量和成本，故而影响器件在市场中的竞争力。

在气相外延（VPE）、氢化物气相外延（HVPE）生长中，喷头喷口的主要作用在于各种气体的传输及隔离。然而此时，喷头喷口的结构及其排布，对所喷出气体的速度及分布、对各气体的混合及反应区域所处位置、混合浓度及流场分布，都有着很大的影响。

目前氢化物气相外延（HVPE）技术所使用的喷口结构大多数为同心圆结构，例如发明专利 CN 201310012478.1，公开了一种材料气相外延用同心圆环喷头结构，通过各路气源彼此隔离以及多个喷头集成使用的方式，改善气相外延的生长质量，提高生产效率。这种同心圆结构在小尺寸衬底或者小面积区域沉积上具有一定优势，但是当衬底尺寸变大或者个数增多，即大面积区域沉积时，由于环形结构限制，衬底上前驱物的混合很难均匀，III族和V族前驱物将沿径向呈周期性变化趋势，而不是均匀混合。因此不适用于大尺寸衬底或者多片衬底的同时生长。所以对于氢化物气相外延（HVPE）技术所使用的喷头进行改进是十分必要的。

发明内容

本发明的主要目的是，设计一种喷头喷口的新型排布结构，在较大的衬底和较大的沉积区域之上，既提供均匀的前驱物混合问题，同时又保持不同前驱物在喷口附近相互隔离而避免喷口污染，从而实现III族氮化物半导体材料的大批量生产并提高生产效率。为此，本发明喷头喷口，提出一种具有同心圆环小喷口，各自独立、交叉、密排结构，使从平面喷头的各同心圆形小喷口喷出的第一前驱物（或III族气体）、第二前驱物（或V族气体）、惰性气体（或氮气）以及载气，既保证在喷口附近被相互隔离，又确保一离开喷口附近进入衬底前方混合反应区便充分均匀混合，形成均匀浓度、流场。

本发明的HVPE装置的喷头结构特点包括：

1. 各自独立的同心圆形喷口或含单孔圆形喷口，在喷头上相互平行、交叉、密集排布；

2. 通常，同心圆喷口的内圆孔均为前驱物喷口，而其外环孔为惰性气体喷口。外环孔所喷出的惰性气体将不同前驱物气体在喷口附近彼此有效隔离，以防止在喷口附近混合发生反应导致喷口污染；

3. 而同心圆形喷口的交叉、密集排布，加以通过流量调节分别控制各前驱物，可确保它们一离开各自喷口附近进入衬底前方反应区便充分混合形成均匀浓度、流场，以便在衬底表面生长均匀薄膜；

4. 喷头各喷口的结构及设置可有以下几种：①两种前驱物喷口均为同心圆形喷口，使其平行、交叉、密集排布；②一种前驱物喷口为同心圆形喷口，另一种前驱物气体为单一圆形喷口，使其平行、交叉、密集排布，这种情况，喷口面积偏小，可多密排、交叉排布；③多种前驱物情况，其中几种前驱物喷口均为同心圆形喷口，而其余前驱物喷口均为单一圆形喷口，使它们按一定规则有序、平行、交叉、密集排布。

附图说明

在圆形法兰喷头上，交叉、平行、密集排布，许多具有内圆孔和外环孔的同心圆形小喷口、或同心圆形与单圆孔形皆有的小喷口。所述喷口，可以是第一前驱物（如III族气体）喷口、第二前驱物（如V族气体）喷口和惰性气体（如氮气）喷口，也可以是有更多种前驱物或惰性气体喷口。喷口直径为mm量级。如附图1、附图2、附图3所示。

附图1说明：

1. 附图1（a）为第一种圆环形喷口排布方式示意图，附图1（b）为其局部放大图；

2. 在圆形法兰喷头上，分别由第一前驱物同心圆形喷口阵列和第二前驱物同心圆形喷口阵列，沿横向、纵向，均以交替、平行、相邻交错对应、密集排布；

3. 第一前驱物和第二前驱物分别由各自同心圆形喷口的内圆孔喷口喷出，惰性气体则从其外环孔喷口喷出。

附图2说明：

1. 附图2（a）为第二种圆环形喷口排布方式示意图，附图2（b）为其局部放大图；

2. 在圆形法兰喷头上，分别由第一前驱物同心圆形喷口阵列和第二前驱物单圆孔喷口阵列，沿横向、纵向，均按交替、平行、相邻交错对应、密集排布。需要说明，所述第一前驱物和第二前驱物，其喷口结构是可以对调互换的；

3. 第一种前驱物从各自的同心圆形喷口的内圆孔喷口喷出，惰性气体从其外环孔喷口喷出；第二种前驱物则从各自的单圆孔喷口喷出。

附图3说明：

1. 附图3（a）为第三种圆环形喷口排布方式示意图，附图3（b）为其局部放大图；

2. 在圆形法兰喷头上，沿横向，分别按第一前驱物同心圆形喷口行、第二前驱物单圆孔喷口行、第三前驱物同心圆形喷口行、第二前驱物单圆孔喷口行的顺序，轮流交替、平行、相邻行交错对应、密集排布；沿纵向，按第一前驱物同心圆形喷口和第三前驱物同心圆形喷口交替相间呈一列、第二前驱物单圆孔喷口呈一列的顺序，轮流交替、平行、相邻列交错对应、密集排布。需要指出，所述横向相邻三个行喷口，其各行选择的前驱物，依据需要可以在所述三种前驱物中对调互换；

3. 第一前驱物和第三前驱物分别从各自的同心圆形喷口的内圆孔喷出，惰性气体则从其外环孔喷口喷出；而第二前驱物则从各自的单圆孔喷口喷出。

具体实施方式

实施例1：

因气相外延（VPE）或者氢化物气相外延（HVPE）装置的喷头都工作在高温条件下，所以喷头材质一般选择高强度、不与前驱物气体产生化学反应、且热膨胀系数较低的材质，比如石英或者特种金属。

如图1所示，由第一前驱物同心圆形喷口阵列和第二前驱物同心圆形喷口阵列，沿横向、纵向，均按交替、平行、相邻交错对应、密集排布。

第一前驱物和第二前驱物分别由各自同心圆形喷口的内圆孔喷口喷出，惰性气体则从其外环孔喷口喷出。此时惰性气体，确保第一前驱物和第二前驱物在喷口附近被隔离，防止它们在喷口及近处混合发生化学反应导致喷口污染，起到保护喷口的作用。

因密集排布并通过调节每一种气体的流量，可调节喷口下方的流场和浓度，包括III族和Ⅴ族气体混合反应区的位置、衬底上方流场的分布、气体的浓度分布等，以获得均匀的薄膜生长。且在半导体材料气相外延（VPE）或氢化物气相外延（HVPE）的生长中，扩大工艺调整空间。

实施例2：

如图2所示，在圆形法兰喷头上，分别由第一前驱物同心圆形喷口阵列和第二前驱物单圆孔喷口阵列，沿横向、纵向，均按交替、平行、相邻交错对应、密集排布。在圆形法兰喷头上，分别由第一前驱物同心圆形喷口阵列和第二前驱物单圆孔喷口阵列，沿横向、纵向，均按交替、平行、相邻交错对应、密集排布。

第一种前驱物从各自的同心圆形喷口的内圆孔喷口喷出，惰性气体从其外环孔喷口喷出；第二种前驱物则从各自的单圆孔喷口喷出。从同心圆形喷口的外环孔喷口喷出的惰性气体，对第一前驱物起直接隔离作用，对第二前驱物起间接隔离作用，从而防止两种前驱物在喷口近处混合发生化学反应导致喷口污染，起到保护喷口的作用。

因密集排布并通过调节每一种气体的流量，可调节对喷口下方的流场和浓度，包括III族和Ⅴ族气体发生混合反应区的位置、衬底上方流场的分布、气体的浓度分布等，以获得均匀的薄膜生长。且在半导体材料气相外延（VPE）或氢化物气相外延（HVPE）的生长中，扩大工艺调整空间。

实施例3：

如图3所示，在圆形法兰喷头上，沿横向，分别按第一前驱物同心圆形喷口行、第二前驱物单圆孔喷口行、第三前驱物同心圆形喷口行、第二前驱物单圆孔喷口行的顺序，轮流交替、平行、相邻行交错对应、密集排布；沿纵向，按第一前驱物同心圆形喷口和第三前驱物同心圆形喷口交替相间呈一列、第二前驱物单圆孔喷口呈一列的顺序，轮流交替、平行、相邻列交错对应、密集排布。

第一前驱物和第三前驱物分别从各自的同心圆形喷口的内圆孔喷出，惰性气体从其外环孔喷口喷出；第二前驱物则从各自的单圆孔喷口喷出。从同心圆形喷口的外环孔喷口喷出的惰性气体，对第一前驱物和第三前驱物起到直接隔离作用，而对第二前驱物起到间接隔离作用，从而防止三种前驱物在喷口近处混合发生化学反应导致喷口污染，起到保护喷口的作用。

以上所述实施例，仅举出了本发明的几个具体实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出，对于本领域的技术，在不脱离本发明构思的前提下，所做出的一些等效变形和改进，均涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于化合物半导体气相外延（VPE）的气体喷头的同心圆环形喷口结构，其特征在于：三种不同的气体即第一前驱物、第二前驱物和惰性气体，分别通过输运管道后，从平面状喷头的各自独立的同心圆环形喷口喷出；利用其外环喷口喷出的惰性气体，使其内圆孔喷口喷出的第一前驱物气体和第二前驱物气体，在喷口附近（在进入混合反应区之前）保持完全被隔离。

2.根据权利要求1所述喷头的气体喷口的排布方式之一，其特征在于：

每个第一前驱物喷口和第二前驱物喷口均带有和其同心圆的外环惰性气体喷口，其排布方式，沿横向，按一行第一前驱物喷口、一行第二前驱物喷口的顺序，轮流交替替、沿直线、平行、等距离、相邻行交错对应、密集排布呈多数横行；沿纵向，按一列第一前驱物喷口、一列第二前驱物喷口的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、相邻列交错对应、密集排布呈多数纵列。

3.根据权利要求1和2所述喷头的气体喷口交叉密排结构，其特征在于：

横行第一前驱物的各喷口（或横行第二前驱物的各喷口），沿纵向均隔一行一一对应，纵列第一前驱物的各喷口（或纵列第二前驱物的各喷口），沿横向均隔一列一一对应，除喷头边缘外，每个第一前驱物喷口（或第二前驱物喷口）的周围均有4个等距离的第二前驱物喷口（或第一前驱物喷口）；并且，每个第一前驱物（或第二前驱物）喷口的周围均有4个等距离的次近邻第一前驱物（或第二前驱物）喷口。

4.在权利要求1所述喷头的气体喷口的交叉密排方式之二，其特征在于：

每个第一前驱物喷口均带有和其同心圆的外环惰性气体喷口，而每个第二前驱物喷口为单圆孔喷口，其排布方式，沿横向，按一行第一前驱物喷口、一行第二前驱物喷口的顺序，轮流交错、沿直线、平行、等距离、相邻行交错对应、密集排布呈多数横行；沿纵向，按一列第一前驱物喷口、一列第二前驱物喷口的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、相邻列交错对应、密集排布呈多数纵列。

5.根据权利要求1和4所述喷头的气体喷口交叉密排结构，其特征在于：

横行第一前驱物的各喷口（或横行第二前驱物的各喷口），沿纵向均隔一行一一对应，纵列第一前驱物的各喷口（或纵列第二前驱物的各喷口），沿横向均隔一列一一对应，除喷头边缘外，每个第一前驱物喷口的周围均有4个第二前驱物气体喷口，每个第二前驱物喷口的周围均有4个第一前驱物气体喷口；并且，每个第一前驱物（或第二前驱物）喷口的周围均有4个等距离的次近邻第一前驱物（或第二前驱物）喷口。

6.在权利要求1所述喷头的气体喷口的交叉密排方式之三，其特征在于：

第一前驱物和第三前驱物分别从各自的同心圆形喷口的内圆孔喷出，惰性气体则从其外环孔喷口喷出，而第二前驱物则从各自的单圆孔喷口喷出，其排布方式，沿横向，分别按一行第一前驱物同心圆形喷口行、一行第二前驱物单圆孔喷口行、一行第三前驱物同心圆形喷口行、再一行第二前驱物单圆孔喷口行的顺序，轮流交替、平行、相邻行交错对应、密集排布；沿纵向，按一列第一前驱物同心圆形喷口和第三前驱物同心圆形喷口交替相间呈一列、一列第二前驱物单圆孔喷口呈一列的顺序，轮流交替、平行、相邻列交错对应、密集排布。

7.根据权利要求1和6所述喷头的气体喷口交叉密排结构，其特征在于：

除喷头边缘外，每个第二前驱物（Ⅴ族）单圆孔喷口周围均有4个等距离、最近邻的另类前驱物同心圆形喷口（2个第一前驱物喷口、2个第三前驱物喷口）；并且，每个第二前驱物（Ⅴ族）单圆孔喷口周围均有4个等距离、次近邻的第二前驱物（Ⅴ族）单圆孔喷口。

8.上述权利要求1至7中所述各气体喷口，其形状可以是规则形状，如圆形、椭圆形、方形、多边形，也可以是不规则形状。

9.上述权利要求1至7中所述各气体喷口，其材质可依据前驱物的化学特性及外延生长工艺特点，可以是石英材质，也可以是不锈钢材质，还可以是陶瓷材质。

10.上述权利要求1至7中所述各气体喷口，其排布密度，依据工艺特点、所用材质及机加工因素，可以在2.0 - 20个/cm²（或12.5 - 125个/ 吋²）范围选择。