CN104120408B - 一种改进衬底气流方向的hvpe反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进衬底气流方向的HVPE反应器，其特征在于，包括壳体，壳体的顶部设有主干，壳体内设有基板座，主干的一侧设有喷射管一、喷射管二，另一侧设有进气管二、进气管三；基板座上设有基板；基板座中心设有进气管一，进气管一的上下两端从基板座中露出，其中顶端设有喷射孔；基板座与壳体内壁之间的间隙形成排气口。本发明提供的反应器生产时，内部第一反应气体、第二反应气体分别从水平方向，垂直方向互相混合，可在大多数半导体基板上形成均匀的延伸结构的薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过对基板表面均匀地供应气体来生长薄膜的氢气气相生长(HVPE)反应器，具体涉及一种提高注入整个反应器内部的气体供应和其均衡度，以完成更高水平的薄膜生长的HVPE反应器。
背景技术
HVPE是化学气相沉积设备的一种，在GaN的生长过程中由Ga和N的先驱的气相变化和反应，利用非平行生长方法的半导体工程设备。反应器内部注入III-V族气体，通过气体的热解和化学反应，让基板上生长氮化物后成膜。因为氮化物的生长效率非常高，生长速度非常快，比别的生长方法相比较，保养费和生产成本低很多，因为反应机理较简单，所以维持简单。
如图1，为现有HVPE反应器的结构示意图，包括与外部隔离的石英管1，设于石英管1内部用于固定基板S的基板座2，为了在基板S上形成薄膜而喷射气体的气体管。石英管1的两面开口，为了使内部真空密封，两个开口分别都会以对接2个尺寸不同的法兰F密封；气体管包括3根喷射不同气体的进气管一3、进气管二4、进气管三5；根据生产需要在石英管1外侧设置管型加热器H。
在进气管一3中通入氮气流通，使石英管1内部产生恒定的气体流动；在这气体流动中，往进气管二4中通入氯化物气体产生化学反应的固体物6；然后在进气管一3中通入氨气，完成生长。为了固体物6源的放入，进气管二4的管径较其它两根进气管的管径大(图1中箭头为气体流动方向)。
上述反应器存在以下问题：
因为石英管1的形状为圆形，所以不适合使基板座2变为可旋转的。为了替换导入在进气管二4内部的固体物，先要分离石英管1装有进气管一侧的法兰F，再把射入在进气管二4内部的固体物6取出。因为进气管二4在石英管1内的端部位于其管径中心，有一定的深度，所以为了流入的气体和固体物6独立地反应，须要要把3根进气管设置成较长的形状，造成操作不易。而且，也造成生产所需要的气体量有所增加，对生产成本造成影响；构造上水平结构的原因，形成随着气体流动方向，温度上升，出现对流和扩散现象，通过进气管一3和进气管二4的气体因为上述两种现象，在基板S上前端和后端的固体物6和氨气分离的氮气的构成比有差异，即基板S上薄膜生长层的固体物6和氮气的比例不均匀，基板S内部的气体流向前端和后端的生长率会调换，多数的基板S都不能获取均衡的特性。此外，对流和扩散现象妨碍层流现象，使已反应的气体不会生长在基板S上。水平结构的反应器的基板座2的不均衡的温度，使基板S上生长层上产生不均匀的现象。固定的基板S表面的气体速度无法改变，制约最适合的生长条件，
另一方面，为了生长数量更多的基板S，要在大面积形成恒定温度，为此需要很长的加热管H。一般来说，一张以上的基板S很难被使用，因其厚度，均匀性等品质方面有不好的倾向。尤其是反应气体的效率低，厚膜的生长经济性低下，3根进气管和基板座2之间有一定距离，导致产生对生长毫无用处的气体产生化学反应，产生很多副产品，对后处理产生一定的难度。
发明内容
本发明是为了解决现有HVPE反应器中存在的对流和扩散现象，导致基板S上的反应不均匀的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种改进衬底气流方向的HVPE反应器，其特征在于，包括壳体，壳体的顶部设有主干，壳体内设有基板座，主干的一侧设有喷射管一、喷射管二，另一侧设有进气管二、进气管三；基板座上设有基板；基板座中心设有进气管一，进气管一的上下两端从基板座中露出，其中顶端设有喷射孔；基板座与壳体内壁之间的间隙形成排气口。
优选地，从所述进气管一喷射孔的开孔方向为：从该孔流出的气体向水平面流动。
优选地，所述喷射管一、喷射管二和进气管二、进气管三分别位于喷射板中心的两侧，且一字排开，喷射管二和进气管二更靠近喷射板中心。
进一步地，所述喷射管二、进气管二穿过主干设于壳体内的端部设有比其自身管径大的喷射板。
优选地，所述喷射管一和喷射管二相互流通且各自喷气。
本发明提供的反应器内部空间有可容纳多块基板的基板座，也有从外部供应的反应气体供入内部空间的喷射装置，使从进气管一通入的第一反应气体供应部分，从进气管二通入的形成其他第二反应气体供应部分。而第一反应气体和第二反应气体是各有独立的滞留空间，这两种气体从各自的滞留空间流入反应器内部时，第一反应气体通过水平方向，第二反应气体通过垂直方向互相混合。这种方式混合的气体在内部的基板上生长，生长完的反应气体和副产品通过排气口排到外部。
本发明改善了气体流动方向，在整个基板座上形成层流，通过这种层流，该HVPE反应器用于生产氮化镓的方式，可在大多数半导体基板上形成均匀的延伸结构的薄膜。采用本发明提供的HVPE反应器，即使薄膜制作用反应器的面积变大，气体也可以供应所有范围，提高外径厚度的均匀性，可实现反应器的大型化，简化制作工艺，减少工程气体工程附属物，可提高薄膜制造的可行性，生产效率。
附图说明
图1为现有HVPE反应器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种改进衬底气流方向的HVPE反应器的结构示意图；
图3为本发明工作时的示意图；
图4为本发明安装在HVPE设备中的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图2所示，为本发明提供的一种改进衬底气流方向的HVPE反应器的结构示意图，包括壳体11，壳体11的顶部安装一块主干7，主干7的一侧插入安装喷射管一8、喷射管二9，另一侧插入安装进气管二4、进气管三5。喷射管一8、喷射管二9和进气管二4、进气管三5分别位于主干7中心的两侧，且一字排开，喷射管二9和进气管二4更靠近主干7中心。喷射管二9、进气管二4穿过主干7设于壳体11内的端部安装一个比其自身管径大的喷射板。壳体11内设有一块基板座2，基板座2上放2块基板S，分别位于基板座2中心的两侧，一块位于喷射管一8、喷射管二9下方，另一块位于进气管二4、进气管三5下方。基板座2中心安装一根进气管一3，进气管一3的上下两端从基板座2中露出，进气管一3的顶端开多个喷射孔12，喷射孔12的开孔方向为：从进气管一3喷射孔12流出的气体向水平面流动。基板座2与壳体11内壁内壁之间的间隙形成排气口10。
本发明用于生产GaN时，具体工艺流程如下(如图3所示，箭头为气体流动方向)：
从进气管一3通入的第一反应气体在基板座2的中央部分水平方向喷射，与主干7内侧顶部贯通，并与主干7保留一定的距离安置(气体可喷射在周围的距离)。从进气管二4通入的第二反应气体从基板座2的上方垂直向下喷射，使第二反应气体在基板座2的下方流动，完成生长的气体从排气口10排出。
进气管一3位于基板座2内的管段内部形成第一空间I，显然，进气管一3与第一空间I连通；进气管二4的喷射板与主干7与喷射板上侧形成的第二空间II是相通的，即进气管二4喷射板的喷射区设置在第二空间II内。
从喷射管二9通入的气体通过喷射板喷在基板座2上方，从喷射管一8内喷射出的气体因喷射管二9喷射板的喷射方向无法逆流，从而与第一反应气体反应，并且在基板S上形成均匀的膜。
本发明提供的HVPE反应器安装在HVPE设备中的示意图如图4所示，将上述反应器R安装在HVPE设备A内，在反应器R的周围设有加热器H。
Claims (5)
1.一种改进衬底气流方向的HVPE反应器，其特征在于，包括壳体（11），壳体（11）的顶部设有主干（7），壳体（11）内设有基板座（2），主干（7）的一侧设有喷射管一（8）、喷射管二（9），另一侧设有进气管二（4）、进气管三（5）；基板座（2）上设有基板（S）；基板座（2）中心设有进气管一（3），进气管一（3）的上下两端从基板座（2）中露出，其中顶端设有喷射孔（12）；基板座（2）与壳体（11）内壁之间的间隙形成排气口（10）。
2.如权利要求1所述的改进衬底气流方向的HVPE反应器，其特征在于，从所述进气管一（3）喷射孔（12）的开孔方向为：从该孔流出的气体向水平面流动。
3.如权利要求1所述的改进衬底气流方向的HVPE反应器，其特征在于，所述喷射管一（8）、喷射管二（9）和进气管二（4）、进气管三（5）分别位于主干（7）中心的两侧，且一字排开，喷射管二（9）和进气管二（4）更靠近主干（7）中心。
4.如权利要求3所述的改进衬底气流方向的HVPE反应器，其特征在于，所述喷射管二（9）、进气管二（4）穿过主干（7）设于壳体（11）内的端部设有比其自身管径大的喷射板。
5.如权利要求1所述的改进衬底气流方向的HVPE反应器，其特征在于，所述喷射管一（8）和喷射管二（9）相互流通且各自喷气。
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