CN103911657A

CN103911657A - 一种化合物半导体大面积气相外延用喷口分布方式

Info

Publication number: CN103911657A
Application number: CN201410110962.2A
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: 2013-11-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明公开了一种化合物半导体大面积气相外延（VPE）用的气体喷头喷口交叉密排式分布结构，其特征为：利用惰性气体喷口将第一前驱物喷口和第二前驱物喷口隔离开来，使不同的前驱物在喷口附近相互分离，防止它们在喷口附近发生混合起化学反应导致喷口污染；各个喷口相互独立并且相互交叉排布，使两种前驱物喷出进入混合起反应区域后，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喷口分布方式

技术领域

本发明涉及一种用于制备化合物半导体的气相外延（VPE）装置及方法，尤其是一种用于大面积均匀沉积的氢化物气相外延（HVPE）装置的喷头设计。

背景技术

气相外延（VPE）技术广泛用于制备化合物半导体薄膜或厚膜，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-V族化合物半导体材料生长，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，且同时尽可能避免生长中严重的寄生反应。这些因素非常重要，因它直接影响生产电子器件的成本乃至在市场中的竞争力。

在气相外延（VPE）、氢化物气相外延（HVPE）生长中，喷头的主要作用在于各种气体的传输及隔离。然而此时，其中喷头喷口的结构对所喷出气体的速度及分布、对各气体的混合及反应区域位置、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，第一前驱物和第二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）技术所使用的喷头结构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，在较大的衬底和较大的沉积区域之上使用的喷头喷口的新型分布方式，其既保持不同前驱物在喷口附近相互隔离而避免喷口污染，又提供均匀的前驱物混合，从而实现 III-V族化合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，采用一种各自独立、交叉、密排结构，使经内部管路从平面喷口喷出的惰性气体将第一前驱物和第二前驱物在喷口附近相互隔离，又确保这两种前驱物一离开喷口附近进入衬底上方的混合反应区域便充分混合均匀，形成均匀的流场和浓度场。

本发明，HVPE装置中喷头的喷口排布结构，其特点包括：

1. 惰性气体隔离。在第一前驱物喷口和第二前驱物喷口间加入惰性气体喷口隔开，使第一前驱物和第二前驱物在进入混合反应区域前保持分离，防止前驱物气体在喷口附近混合反应致使喷口污染，从而扩大了生长工艺的调控范围。

2. 各自独立喷口紧密排布。每种气体使用相互隔开的独立喷口，以便防止不同气体在喷口附近混合反应并在喷头产生沉积。而气体喷口的紧密排布，利于前驱物一离开喷口附近后，在衬底上方的混合反应区域很快均匀混合。

3. 气体的喷口交叉排布方式。根据工艺需要，可调整各种气体喷口的排布位置及间隙大小，既保持对前驱物进行隔离的同时，又确保各路前驱物喷出后一离开喷口附近，即可进入混合反应区域快速混合反应。另外，可通过调节混合气体的成分和流量来控制到达反应区域的各气体的浓度和流速，从而实现均匀混合，形成均匀浓度、流场。

4. 所有的气体喷口（第一前驱物气体喷口、第二前驱物气体喷口和惰性气体例如氮气喷口）均交叉密集排布于圆形法兰喷头上，如图1 ~ 图3所示。喷口直径为mm量级。

附图说明

图1是实施例1的说明图。

图2是实施例2的说明图。

图3是实施例3的说明图。

具体实施方式

具体实施方式一：

因气相外延（VPE）、氢化物气相外延（HVPE）装置的气体喷头需要在高温条件下进行，所以喷头材质一般选择高强度，不与反应气体产生化学反应，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，沿横向，按第一前驱物气体喷口、惰性气体喷口、第二前驱物气体喷口的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数横行。第一前驱物喷口和第二前驱物的喷口，沿纵向隔行一一对应，惰性气体各个喷口位于第一前驱物喷口或第二前驱物喷口的间隔交错对应处。各自独立喷口的这种交叉排布，保证每个喷口喷出的第一前驱物或第二前驱物气体，均被其周围4个最近邻惰性气体喷口喷出的惰性气体完全隔离。另外，每种类型的气体喷口单独成行，有利于气体管路的布置。

这种独立喷口的密集型隔离式分布，可通过调节每一种气体的流速，对喷口下方的流场和浓度场进行调节，包括第一前驱物和第二前驱物发生混合的位置、衬底上方反应区流场的分布、气体的浓度分布等，从而形成均匀浓度、流畅，有利于获得均匀的薄膜生长。

此方案通过加入惰性气体，可有效地对喷口进行保护，防止气体过早反应。在气相

外延（VPE）或氢化物气相外延（HVPE）的反应里，有着很大的工艺调整空间。

具体实施方式二：

因气相外延（VPE）或者氢化物气相外延（HVPE）装置的气体喷头，用于反应气体的传输和隔离，其工作需要在高温环境下，所以喷头材质一般选择高强度，不与反应气体产生化学反应，且热膨胀系数较低的材质，比如石英或者特种金属。

如图2所示，按第一前驱物气体喷口和惰性气体喷口相间呈行、第二前驱物气体喷口和惰性气体喷口相间呈行的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数横行。第一前驱物喷口的横行（或纵列）与第二前驱物喷口的横行（或纵列）相邻但交错对应，即第一前驱物喷口位于第二前驱物喷口的上、下方（或左、右方）的中间交错对应处。

与方案1相比，此方案中除喷头边缘外，每个第一前驱物（或第二前驱物）气体喷口均被4个最近邻惰性气体喷口包围，还被较远的4个次近邻第二前驱物（或第一前驱物）气体喷口包围。因此，此方案与方案1具有同样的惰性气体隔离效果，但在衬底上方混合区中第一前驱物和第二前驱物混合效果更好。由于在每行每列中，反应气体喷口与惰性气体喷口均为相间隔开排布，因此与方案1相比，气体管路的布置较为复杂。

这种独立喷口的密集型隔离式分布，可通过调节每一种气体的流速，对喷口下方的流场和浓度场进行调节，包括第一前驱物和第二前驱物发生混合的位置、衬底上方流场的分布、气体的浓度分布等，从而形成均匀浓度、流畅，有利于获得均匀的薄膜生长。

此方案通过加入惰性气体，可有效对喷口进行保护，防止气体过早反应。在气相外延（VPE）或氢化物气相外延（HVPE）的反应里，有着很大的工艺调整空间。

具体实施方式三：

因所述的气相外延（VPE）或者氢化物气相外延（HVPE）装置的气体喷头，用于反应气体的传输和隔离。其工作环境都需要在高温条件下进行，所以喷头材质一般选择高强度，不与反应气体产生化学反应，且热膨胀系数较低的材质，比如石英或者特种金属。

如图3所示，沿横向，按一行第一前驱物气体喷口、两行惰性气体喷口、一行第二前驱物气体喷口的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数横行。沿纵向，第一前驱物喷口（或第二前驱物喷口）间隔两个惰性气体喷口交替排布呈纵列、按第一前驱物纵列、第二前驱物纵列的顺序，轮流交替，沿直线、平行、等距离、密排呈多数纵列。于是，除喷头边缘外，在每个第一前驱物（或第二前驱物）气体喷口周围，均有6个最近邻惰性气体喷口。

与方案1、2相比，此方案加多了隔离用惰性气体喷口数量，使第一前驱物喷口或第二前驱物喷口均被周围6个最近邻惰性气体喷口隔开，使隔离效果大大增强。由于每种类型的气体喷口单独成行，因此气体管路的布置相对简单。

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。应当指出的是，对于本领域的技术，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，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于化合物半导体气相外延（VPE）的气体喷头结构，其特征在于：

各自独立的喷口采用交叉密集的排布方式，使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，从平面状喷头的交叉密排但各自独立的喷口喷出，所述三种气体喷口按一定的顺序交叉密集排布，利用惰性气体使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交叉密排方式之一，其特征在于：

沿横向，按一行第一前驱物喷口、一行惰性气体喷口、一行第二前驱物喷口的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数横行，横行第一前驱物各喷口和横行第二前驱物各喷口沿纵向均隔行一一对应，横行惰性气体各喷口均位于横行第一前驱物喷口和横行第二前驱物喷口的中间交错处；沿纵向，按惰性气体喷口纵列、第一前驱物喷口和第二前驱物喷口交替相间呈纵列的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数纵列，

惰性气体纵列的各喷口位于第一前驱物喷口和第二前驱物喷口交替相间呈列的中间交错处。

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：

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个等距离的最近邻惰性气体喷口，保证每个第一前驱物喷口或第二前驱物喷口均被4个惰性气体喷口隔开；并且，每个第一前驱物喷口或第二前驱物喷口的周围均有4个（分别为2个第一前驱物喷口和2个第二前驱物喷口）等距离的次近邻前驱物气体喷口。

4.根据权利要求1所述喷头的气体喷口的交叉密排方式之二，其特征在于：

第一前驱物喷口和惰性气体喷口交替相间呈横行（或纵列）、第二前驱物喷口和惰性气体喷口也交替相间呈横行（或纵列），并按顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数横行（或纵列），于是横行（或纵列）第一前驱物的喷口位于横行（或纵列）第二前驱物的喷口的上、下（或左、右）的中间交错对应处，且第一前驱物气体喷口或第二前驱物气体喷口均位于惰性气体喷口的上、下（或左、右）两侧。

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：

除喷头边缘外，每个第一前驱物（或第二前驱物）喷口的周围均有4个等距离的最近邻惰性气体喷口，使每个第一前驱物（或第二前驱物）喷口均被所述4个等距离的最近邻惰性气体喷口隔开；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第二前驱物（或第一前驱物）喷口。

6.根据权利要求1所述喷头的气体喷口的交叉密排方式之三，其特征在于：

沿横向，按一行第一前驱物喷口、两行交错排布的惰性气体喷口、一行第二前驱物喷口的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数横行，除喷头边缘外，相邻两行惰性气体的各喷口，分别位于与相邻的第一前驱物的喷口或第二前驱物的喷口交错对应处；沿纵向，第一前驱物喷口（或第二前驱物喷口）和两个惰性气体喷口交替相间呈纵列，按第一前驱物喷口纵列、第二前驱物喷口纵列的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密排呈多数纵列。

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：

除了喷头边缘外，在每个第一前驱物喷口周围或每个第二前驱物喷口周围，均有6个等距离的最近邻惰性气体喷口，确保每个第一前驱物喷口或第二前驱物的喷口均被所述6个等距离的最近邻惰性气体喷口围着，与其他喷口隔开。

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

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。