CN112210826B - 气相外延室 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气相外延室，包括：壳体；生长室，生长室设置在壳体内，以用于盛放衬底；反应装置，反应装置设置在壳体内，反应装置用于容纳反应物，以使反应物在反应装置内混合反应，生成用于使衬底上生成延生层的气体；匀气装置，匀气装置与反应装置连通，匀气装置与生长室连通，反应装置内生成的气体进入匀气装置，匀气装置将气体吹向衬底的不同部位，以使衬底生长出外延层。本发明的气相外延室解决了现有技术中的氢化物气相外延室生产的外延片质量较低的问题，节约了衬底外延的成本。

Description

气相外延室

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种气相外延室。

背景技术

氢化物气相外延技术(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)是目前较常用的制备GaN材料的外延技术。现有的Ⅲ-Ⅴ族元素生长薄膜技术中，金属有机物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)的多晶片技术已经相对比较成熟，但是其生长速度慢，反应源价位较高。

相比较起来，HVPE技术生长速度快，反应物成本低廉，在GaN单晶衬底方面已有一定的应用，在行业内被认为是大产能、制备低价器件的一种具有潜力外延方法。

但是，现有技术中的氢化物气相外延技术获得的外延片质量不高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种气相外延室，以解决现有技术中的氢化物气相外延室生产的外延片质量较低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种气相外延室，包括：壳体；生长室，生长室设置在壳体内，以用于盛放衬底；反应装置，反应装置设置在壳体内，反应装置用于容纳反应物，以使反应物在反应装置内反应以生成用于使衬底上生成延生层的气体；匀气装置，包括至少两个进气口，匀气装置的至少一个进气口与反应装置连通，匀气装置的出气口与生长室连通，匀气装置的出气口与生长室连通。

进一步地，匀气装置设置在反应装置与生长室之间，以使反应装置内生成的气体通过匀气装置吹向生长室内的衬底的不同部位；其中，匀气装置的进气口朝向反应装置设置，匀气装置的出气口朝向生长室设置。

进一步地，反应装置为多个，每个反应装置分别与匀气装置的至少一个进气口连通。

进一步地，气相外延室还包括：通气管，通气管设置在反应装置内，通气管具有进气端和出气端，进气端设置在反应装置内高于反应装置内的反应物，出气端与匀气装置的至少一个进气口连通。

进一步地，反应装置上设有第一进料口，第一进料口设置在反应装置的上部，以用于向反应装置内添加固体或液体反应物。

进一步地，反应装置上还设有至少一个第二进料口，第二进料口设置在反应装置重力方向的底部。

进一步地，回气装置包括回气管道，回气管道环绕匀气装置设置，回气管道上设有多个回气孔，多个回气孔间隔地设置在回气管道上。

进一步地，气相外延室还包括：加热组件，加热组件设置在壳体的内侧，以用于对反应装置和/或生长室进行加热；隔热组件，隔热组件设置在壳体的内侧，以将壳体至少部分地与加热组件进行隔离。

进一步地，加热组件包括第一加热装置，第一加热装置用于对生长室进行加热；隔热组件包括第二降温板，第二降温板设置在第一加热装置与壳体之间，以至少部分地将第一加热装置与壳体进行隔离。

进一步地，隔热组件包括第一隔板组，第一隔板组与回气装置、匀气装置和第一加热装置依次连接以围成生长室；其中，第一隔板组与回气装置间隔地设置。

应用本发明的技术方案的气相外延室主要用于生成一种高质量的晶片，该气相外延室将反应装置、匀气装置和生长室设置在一个密闭的壳体内，使得外延室结构紧凑，保证了无尘环境，从而使得衬底能够快速生长出高质量的外延层，具体的，反应装置设置在壳体内的上部，匀气装置紧挨着设置在反应装置的底部，生长室设置在匀气装置的底部，原料经过反应装置后生成用于生长外延层所必需的气体，匀气装置与反应装置连通，从而使得生成后的气体进入到匀气装置内，匀气装置将气体均匀的吹向生长室内的衬底上，从而使的衬底上均匀的长出延生层，保证延生层均布在衬底表面，避免有的地方厚有的地方薄。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的气相外延室的一种实施例的结构示意图；以及

图2示出了本发明的气相外延室的另一种实施例的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、壳体；20、生长室；21、衬底托盘；30、反应装置；31、第一进料口；32、第二进料口；40、匀气装置；50、通气管；60、回气装置；71、第一加热装置；72、第二加热装置；73、第三加热装置；81、第一降温板；82、第二降温板；83、第一隔板组；84、第二隔板组。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种气相外延室，请参考图1，气相外延室包括：壳体10、生长室20、反应装置30、匀气装置40。生长室20设置在壳体10内，以用于盛放衬底；反应装置30设置在壳体10内，反应装置30用于容纳反应物，以使反应物在反应装置30内混合反应以生成用于使衬底上生成延生层的气体。匀气装置40与反应装置30连通，匀气装置40与生长室20连通，反应装置30内生成的气体进入匀气装置40，匀气装置40用于将多种气体混合均匀后吹向衬底，以使衬底生长出的外延层质量更高。

本发明的气相外延室主要用于生成一种高质量的晶片，该气相外延室将反应装置30、匀气装置40和生长室20设置在一个密闭的壳体10内，使得外延室结构紧凑，保证了无尘环境。反应装置30内用于生成衬底生长外延层所需要的气体或其它原料，匀气装置40将反应装置30内生成的气体均匀的吹向衬底的生长面上，以使衬底的生长面上均匀地生出外延层，确保外延层的生长质量，生长室20主要提供衬底所需的生长环境，保证其内部的衬底正常生长，从而使得衬底能够快速生长出高质量的外延层。

匀气装置40设置在反应装置30与生长室20之间，以使反应装置30内生成的气体通过匀气装置40吹向生长室20内的衬底的不同部位；其中，匀气装置40的进气口朝向反应装置30设置，匀气装置的出气口朝向生长室20设置。

在一个具体的例子中，反应装置30设置在壳体10内的上部，匀气装置40紧挨着设置在反应装置30的底部，生长室20设置在匀气装置40的底部，其中，反应装置30内生成的气体通过匀气装置的进气口进入匀气装置40内，匀气装置40底部均布多个出气口，以将反应装置内生成的气体向下均匀地吹向生长室，以使生长室内的衬底上表层均匀地生长出外延层，保证了外延层的生长质量。

原料经过反应装置30后生成用于生长外延层所必需的气体，匀气装置与反应装置连通，从而使得生成后的气体进入到匀气装置内，匀气装置将气体均匀的吹向生长室20内的衬底上，从而使的衬底上均匀的长出延生层，保证延生层均布在衬底表面，避免有的地方厚有的地方薄。

反应装置30为多个，优选地，多个反应装置30分别用于盛放不同的反应物，以用于产生多种用于使衬底上生成延生层的气体。

本发明的气相外延室中的反应装置30为一个或多个，具体数量根据反应的实际需要设定，如图2所示，优选地，本实施例中的气相外延室包括两个反应装置30，每个反应装置30各生成一种气体，此外，当延生层需要多种气体时，本领域技术人员可根据需要设置适应数量的反应装置以生成不同的气体用于生成延生层所需的气体。

此外，优选地，本发明中的反应装置30内设有一个或多个腔室，以用于产生不同的气体。

气相外延室还包括：通气管50，通气管50设置在反应装置30内，通气管50具有进气端和出气端，进气端设置在反应装置30内的上部，以高于反应装置30内的反应物，出气端与向匀气装置40连接。

如图1和图2所示，本实施例中的气相外延室内还设有通气管50，通气管50一端与反应装置连接一端与匀气装置连接，以将反应装置内生成的气体导向匀气装置，具体的，通气管50的进气端设置在反应装置内的上部，以保证进气端高于反应装置内的反应物液体，避免反应物通过进气端进入通气管50，通气管的出气端与匀气装置连通从而将反应装置内的气体排入匀气装置内。

本实施例中的匀气装置为一个矩形壳体或一个环形匀气管道，矩形壳体或环形匀气管道的底部均匀的设置多个出气孔，以将进入匀气装置内的多重气体均匀混合，然后通过多个出风口吹向生长室。

反应装置30上设有至少一个第一进料口31，第一进料口31设置在反应装置30的上部，以用于向反应装置30内添加固体或液体反应物。

本实施例中的反应装置30顶部设有一个或多个第一进料口31，第一进料口31设置在反应装置30的顶部，本实施例中的气相外延室还具有第一进料管，第一进料管与第一进料口31连通，第一进料管的一端设置在壳体10上，第一进料管的另一端与第一进料口31连通，通过第一进料管可以使原料从壳体外侧导入反应装置30内。

反应装置30上还设有至少一个第二进料口32，第二进料口32设置在反应装置30的底部，以用于向反应装置30内添加气体反应物。

本实施例中的反应装置30上还设有第二进料口32，第二进料口32主要用于向反应装置内通气，该第二进料口32设置在反应装置的底部，本实施例中的气相外延室还包括第二进料管，第二进料管具有第二进料端和第二出料端，气体通过第二进料端进入第二进料管，第二出料端与第二进料口32连通，以将气体从反应装置的底部排入反应装置内，能够使得气体与反应装置内的液体充分发生反应，第二进料端的水平位置高于反应装置的顶部，以防止反应装置内的液体倒流从第二进料管流出。

气相外延室还包括：回气装置60，回气装置60设置在壳体10内，回气装置60与生长室20连通，以将生长室20内反应后的气体排出壳体10。回气装置60包括回气管道，回气管道环绕匀气装置40设置，回气管道上设有多个回气孔，多个回气孔间隔地设置在回气管道上，以使生长室20内反应后的气体通过回气孔进入回气管道排出壳体10。

本实施例中的气相外延室还包括回气装置60，回气装置60包括回气管道，回气管道环绕匀气装置40的外侧设置，回气管道的底部均匀的设置多个回气孔，匀气装置设置在生长室中间顶部，当气相外延室在工作时，匀气装置内的气体从生长室的顶部均匀的吹下，气体经过衬底进行反应，反应后的气体向衬底两侧扩散然后通过回气孔进入到回气管道内，从而排除壳体外。

优选地，本实施例中的气相外延室内还设有多个排气管，排气管一端与回气装置连通，另一端与壳体的外侧相通，从而将回气装置内的废气排出壳体外。

生长室20内设有衬底托盘21，气相外延室还包括：第一加热装置71，第一加热装置71设置在衬底托盘21远离匀气装置40的一端，以向生长室20内提供延生层生长需要的热量。气相外延室还包括：第二加热装置72，第二加热装置72设置在壳体10内，以通过加热反应装置30向反应物通过反应所需要的热量；第三加热装置73，第三加热装置73设置在壳体10内，以用于加热匀气装置40内的气体。

本实施例中在生长室20内设置有衬底托盘21，第一加热装置71设置在生长室的底部，以均匀的对生长室底进行加热，从而保证衬底各处的温度尽量相同，从而保证气体与衬底的反应环境相同，保证延生层的生长均匀。本实施例中的气相外延室还设有第二加热装置72和第三加热装置73，第二加热装置72环绕反应装置的侧壁设置，以均匀的对反应装置内的反应物进行加热，加快反应物的反应速度，从而提高延生层的生长速度。第三加热装置73环绕匀气装置设置，以对匀气装置内的气体进行加热，提高气体的温度从而使得气体与衬底能够快速充分的反应以生成延生层。

衬底托盘21相对生长室20或壳体10可移动地设置，壳体10上设有托盘入口和托盘出口，优选地，本实施例中的气相外延室还设有传送带，传送带穿过托盘入口和托盘出口，衬底托盘21为多个，多个衬底托盘21间隔地设置在传送带上，传送带带动衬底托盘以及衬底托盘上的衬底从托盘入口进入到壳体内的生长室并进行短暂停留，待衬底在生长室内生长出延生层后，传送带继续移动以带动该衬底托盘移出生长室，同时带动下个衬底托盘和衬底进入生长室，形成循环，从而提高了生产效率，节约了劳动力。

气相外延室还包括：加热组件和隔热组件，加热组件设置在壳体10的内侧，以用于对反应装置30和/或生长室20进行加热；隔热组件设置在壳体10的内侧，以将壳体10至少部分地与第一加热装置71、第二加热装置72和/或第三加热装置73进行隔离。

如图1所示，本实施例中的隔热组件包括第一降温板81、第二降温板82、第一隔板组83和第二隔板组84，第一降温板81设置在反应装置30的顶部与壳体之间，第二降温板82设置在第一加热装置的底部与壳体之间，第一隔板组83和第二隔板组84保证了壳体内反应装置和生长室内的反应温度，减少热量的流失，故第一隔板组83和第二隔板组84不仅提高了衬底上延生层的生长速度，同时节约了热量损失。

加热组件包括第一加热装置71，第一加热装置71用于对生长室20进行加热；隔热组件包括第二降温板82，第二降温板82设置在第一加热装置71与壳体10之间，以至少部分地将第一加热装置71与壳体10进行隔离。

本实施例中的第一加热装置71优选采用加热管，多个加热管均布在衬底托盘的底部且与衬底托盘间隔地设置，以用于对生长室20进行加热，从而给衬底的延生层生长提供热量，提高延生层的生长速度。

隔热组件包括第一隔板组83，第一隔板组83与回气装置60、匀气装置40和第一加热装置71依次连接以围成生长室20；其中，第一隔板组83与回气装置60间隔地设置。

如图1所示，本实施例中生长室的顶部设有匀气装置40，匀气装置40的边缘设有一圈回气装置60，生长室的底部设有第一加热装置71，以用于对生长室进行加热，提供延生层生长所需要的热量，在生长室的侧面设置有第一隔板组83，第一隔板组83根据需要可设置为多个，第一隔板组83主要用于隔离生长室与壳体，第一隔板组83与回气装置和/或第一加热装置71分别间隔地设置，以防止第一加热装置71或回气装置上的热量通过与第一隔板组83直接接触传递至生长室外，减缓了生长室内热量的散发，第一隔板组83还能够至少部分地将生长室20与壳体10进行隔离，使壳体不会过热。

本实施例中的隔热组件包括第一隔板组83，优选地，第一隔板组83包括两个第一隔板，两个第一隔板间隔地设置，第一隔板组83环绕生长室20设置，以至少部分地遮挡生长室20，第一隔板组83与生长室20间隔地设置，不接触，从而避免生长室20内的热量直接通过第一隔板组83传递至外侧，所以第一隔板组83与生长室20间隔地设置降低了生长室内的热量散发速度，减少了能量损耗。

本实施例中的隔热组件还包括第二隔板组84，第二隔板组84环绕壳体10的内壁设置，以进一步将隔热组件与壳体10之间进行隔离，减少壳体内的热量散发速度，节约能耗。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明的氢化物气相外延腔室，主要包括壳体10、反应装置30、匀气装置40、衬底托盘21、回气装置60、调温装置和隔热组件，所述反应装置具有两个反应源进口：第一进料口31和第二进料口32，分别作为氯化氢和Ⅲ族金属源进入通道，反应装置内反应生成的气体进入其下方的匀气装置，匀气装置还设置Ⅴ族气体入口，两路气体经由各自路径被均布后喷向生长室内的衬底上；反应装置和匀气装置分别配有独立的第二加热装置和地三加热装置；衬底托盘下方设有第一加热装置；衬底托盘上方四周设有回气装置，反应后气体由此排出壳体。

其中，反应装置位于壳体内的腔室中上部，外围设置第二加热装置，用来控制反应装置温度约在800℃至900℃，反应装置内部盛放Ⅲ族金属，经设置于反应装置上方的第一进料口加入；反应装置下部水平设置第二进料口，氯化氢气体经第二进料口实时通入，反应后气体经内部通气管进入匀气装置；反应装置正上方设置调温装置。

其中，匀气装置的上半部分设置水平向的第三进料口，匀气装置外围设置第三加热装置，匀气装置下表面是喷淋式气体出口，面向衬底托盘喷淋反应气体；第三加热装置用来调节匀气装置内气体温度。

其中，匀气装置内的Ⅴ族气体和反应装置反应气分别通过不同的独立气体通道流通。

其中，衬底托盘正上方是匀气装置，下方一定距离设置第一加热装置，第一加热装置和腔室壁之间设置第二降温板。

其中，衬底托盘上方，匀气装置外围设置回气装置，回气装置是环形，其环形内圈与匀气装置外围相吻合，回气装置位于第三加热装置下方，其面对衬底的下表面均布小孔，用于反应后气体的回流；回气装置最终从壳体的腔室顶部排出所有气体。

其中，腔室内接近腔室壁四周设置隔板组件

本发明所提供的一种氢化物气相外延腔室，其内部设有盛放Ⅲ族金属的反应装置，匀气装置、衬底托盘和加热装置，氯化氢气态通入反应装置与Ⅲ族金属进行反应，产物进入匀气装置；匀气装置同时具有Ⅴ族气体的入口，两种气体经匀气装置被均布后喷淋到衬底上，进行延生层薄膜的生长。本发明通过结构设置，使反应气体在壳体的腔室内部完成工艺过程，适合于生长Ⅲ-Ⅴ族元素薄膜结构(典型地以GaAs为例)，使HVPE生长技术快节拍、低成本、高质量的特点得以实现。

本发明提供的一种氢化物气相外延腔室，反应装置的Ⅲ族反应物不限于一种，相应地其进口也不限于一处；匀气装置的Ⅴ族反应物也不限于一种，相应地其进口也不限于一处；壳体的腔室内的隔板组件也不限于一层或两层，可以为多层。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气相外延室，其特征在于，包括：

壳体(10)；

生长室(20)，所述生长室(20)设置在所述壳体(10)内，以用于盛放衬底；

反应装置(30)，所述反应装置(30)设置在所述壳体(10)内，所述反应装置(30)用于容纳反应物，以使反应物在所述反应装置(30)内反应以生成用于使所述衬底上生成延生层的气体；

匀气装置(40)，包括至少两个进气口，所述匀气装置(40)的至少一个进气口与所述反应装置(30)连通，所述匀气装置(40)的出气口与所述生长室(20)连通；

所述气相外延室还包括回气装置(60)，所述回气装置(60)与所述生长室(20)连通，以将所述生长室(20)内与所述衬底反应后的气体排出；

其中，所述回气装置(60)包括回气管道，所述回气管道环绕所述匀气装置(40)设置，所述回气管道上设有多个回气孔，多个回气孔间隔地设置在所述回气管道上。

2.根据权利要求1所述的气相外延室，其特征在于，所述匀气装置(40)设置在所述反应装置(30)与所述生长室(20)之间，以使所述反应装置(30)内生成的气体通过所述匀气装置(40)吹向所述生长室(20)内的衬底的不同部位；

其中，所述匀气装置(40)的至少一个进气口朝向所述反应装置(30)设置，所述匀气装置的出气口朝向所述生长室(20)设置。

3.根据权利要求1所述的气相外延室，其特征在于，所述反应装置(30)为多个，每个所述反应装置(30)分别与所述匀气装置(40)的至少一个进气口连通。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气相外延室，其特征在于，所述气相外延室还包括：

通气管(50)，所述通气管(50)设置在所述反应装置(30)内，所述通气管(50)具有进气端和出气端，所述进气端设置在所述反应装置(30)内高于所述反应装置(30)内的反应物，所述出气端与所述匀气装置(40)的至少一个进气口连通。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的气相外延室，其特征在于，所述反应装置(30)上设有第一进料口(31)，所述第一进料口(31)设置在所述反应装置(30)的上部，以用于向所述反应装置(30)内添加固体或液体反应物。

6.根据权利要求5所述的气相外延室，其特征在于，所述反应装置(30)上还设有至少一个第二进料口(32)，所述第二进料口(32)设置在所述反应装置(30)重力方向的底部。

7.根据权利要求1所述的气相外延室，其特征在于，所述气相外延室还包括：

加热组件，所述加热组件包裹的设置在所述反应装置(30)和/或所述生长室(20)的外侧；

隔热组件，所述隔热组件设置在所述壳体(10)的内侧，以将所述壳体(10)至少部分地与所述加热组件进行隔离。

8.根据权利要求7所述的气相外延室，其特征在于，所述加热组件包括第一加热装置(71)，所述第一加热装置(71)用于对所述生长室(20)进行加热；所述隔热组件包括第二降温板(82)，所述第二降温板(82)设置在所述第一加热装置(71)与所述壳体(10)之间，以至少部分地将所述第一加热装置(71)与所述壳体(10)进行隔离。

9.根据权利要求8所述的气相外延室，其特征在于，所述隔热组件包括第一隔板组(83)，所述第一隔板组(83)与所述回气装置(60)、所述匀气装置(40)和所述第一加热装置(71)依次连接以围成所述生长室(20)；

其中，所述第一隔板组(83)与所述回气装置(60)间隔地设置。

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