CN115928204A - 一种用于气相外延生长的防返流气体输运装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于气相外延生长的防返流气体输运装置及方法，该装置呈喷头结构，至少包括多路管道进气口、多路气体输运管道、多路管道出气口、喷口多路管道出气口、一内置反应室、及多处变径防返流板。通过在多路管道出气口处设置防返流板，形成类漏斗式结构，避免因多路管道出气口横截面积小、流速大、压强小而导致出气管口受周围气体影响形成湍流乃至导致流体返流。本发明通过调控喷口多路管道出气口压强差的方法，避免喷口因单一管道出气口流速过大而出现虹吸返流现象。调控气流层流输运，可以有效减少预反应产生的颗粒，进而提高晶体质量。本发明结构简单，易于制造且实用性较强，具有极高的商业价值。

Description

一种用于气相外延生长的防返流气体输运装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体气相外延生长及流场控制技术领域，尤其涉及一种用于气相外延生长的防返流气体输运装置及方法。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的研究与应用是全球半导体研究的前沿与热点，在半导体晶圆生长及气相外延过程中，控制气体对流场、减少预反应是半导体高质量生长和外延的关键要素。

目前市场上主流的商业半导体设备，比如金属有机物化学气相淀积系统(MOCVD),大部分都采用了垂直式反应腔设计，该设计可以很好地保证薄膜沉积的均匀性以及可靠性，但此类设备生长速度较慢，只能用于生长薄膜。而另一商业化半导体设备，比如氢化物气相外延系统(HVPE)，则通过反应腔上方的喷头将沉积所需要的Ⅲ族和Ⅴ族源气体输运进反应腔，并扩散至衬底表面，在衬底表面成核、进行厚膜生长，反应的副产物及部分未反应气体则通过真空泵抽离反应腔。此类设备生长速度快、产能高，有利于降低成本。但该类设备气体喷口离衬底较远，气体扩散距离长，容易发生预反应而产生多晶影响晶体生长。尽管可以通过在两反应气体中间增加屏蔽气以减少预反应，但其工艺调控要求较高，同时还存在因对流场不匹配而导致的湍流及返流现象。专利CN209039581U提出一种石英匀流板，该匀流结构可以一定程度使得气体均匀流入，但将其加工至喷头中的气体输运管道中相对困难，且其距离进气口近的位置气体流速依然较大，未能达到理想的完全均匀流入效果，无法保证气体层流流动。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于气相外延生长的防返流气体输运装置及方法，其用于防止气体输运及调控流场时出现返流，进而保证流场的层流分布，提高晶体生长均匀性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

其一，本发明提供一种用于气相外延生长的防返流气体输运装置，包括：

Ga路管道，所述Ga路管道包括Ga路管道进气口、Ga路气体输运管道和Ga路管道出气口，所述Ga路管道出气口设有第一变径防返流板；

ID路管道，所述ID路管道包括ID路管道进气口、ID路气体输运管道和ID路管道出气口，所述ID路管道出气口设有第二变径防返流板；

NH₃路管道，所述NH₃路管道包括NH₃路管道进气口、NH₃路气体输运管道和NH₃路管道出气口，所述NH₃路管道出气口设有第三变径防返流板；

及内置反应室。

进一步地，所述第一变径防返流板为类漏斗式结构，所述Ga路管道进气口与Ga路管道出气口的横截面积比为1:3～10。

进一步地，所述第二变径防返流板为类漏斗式结构，所述ID路管道进气口与ID路管道出气口的横截面积比为1:5～20。

进一步地，所述第三变径防返流板为类漏斗式结构，所述NH₃路管道进气口与NH₃路管道出气口的横截面积比为1:3～10。

进一步地，所述Ga路管道还设置有喷口Ga路管道出气口，所述ID路管道还设置有喷口ID路管道出气口，所述NH₃路管道还设置喷口NH₃路管道出气口。

其二，本发明提供一种用于气相外延生长的防返流气体输运方法，气体通过上述用于气相外延生长的防返流气体输运装置，协同调节所述防返流气体输运装置中多路管道出气口的体积流量和面积，调控喷头多路管道出气口压强差，以避免形成湍流乃至返流。

进一步地，所述Ga路管道出气口、ID路管道出气口和NH₃路管道出气口的横截面积比为1:2～8:1～3。

进一步地，所述Ga路管道、ID路管道和NH₃路管道的进气体积流量比为1:3～10:1～5。

进一步地，所述Ga路管道出气口、ID路管道出气口和NH₃路管道出气口的压强比为1:1.2～1.3:1.1～1.2。

本发明的有益效果是：

本发明装置用于防止气体输运及调控流场时出现返流，进而保证流场的层流分布，提高晶体生长均匀性。

本发明该装置呈喷头结构，包括多路管道进气口、多路气体输运管道、多路管道出气口、喷口多路管道出气口、一内置反应室、及多处变径防返流板。通过在多路管道出气口处设置防返流板，形成类漏斗式结构，避免因多路管道出气口横截面积小、流速大、压强小而导致出气管口受周围气体影响形成湍流乃至导致流体返流。

本发明通过调控喷口多路管道出气口压强差的方法，避免喷口因单一管道出气口流速过大而出现虹吸返流现象。调控气流层流输运，可以有效减少预反应产生的颗粒，进而提高晶体质量。本发明结构简单，易于制造且实用性较强，具有极高的商业价值。

附图说明

图1本发明装置的剖面结构示意图；

图2对比例1装置的剖面结构示意图；

图3对比例2装置的剖面结构示意图；

图4本发明装置ID路管道出气口气流原理图；

图5现有技术中ID路管道出气口气流原理图；

图6衬底均匀高质量生长显微镜图片；

图7衬底上多晶掉落显微镜图片。

附图标记：

11-Ga路管道进气口，12-ID路管道进气口，13-NH₃路管道进气口；

21-Ga路管道出气口，22-ID路管道出气口，23-NH₃路管道出气口；

31-Ga路气体输运管道，32-ID路气体输运管道，33-NH₃路气体输运管道；40-内置反应室；

210-第一变径防返流板，220-第二变径防返流板，230-第三变径防返流板；51-喷口Ga路管道出气口，52-喷口ID路管道出气口，53-喷口NH₃路管道出气口。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明用于气相外延生长的防返流气体输运装置，包括三路管道进气口、三路气体输运管道、三路管道出气口、喷口三路管道出气口、一内置反应室40、及三处防返流板。本发明通过协同调控喷口面积和进气体积流量，进而调控三路管道出气口压强差的方法，避免喷口因单一管道出气口流速过大而出现虹吸现象，进而导致形成湍流乃至返流。调控气流层流输运，可以有效减少预反应产生的颗粒，进而提高晶体质量。

如图1所示，本实施例中，Ga路管道包括Ga路管道进气口11、Ga路气体输运管道31和Ga路管道出气口21，Ga路管道出气口设有第一变径防返流板210；ID路管道包括ID路管道进气口12、ID路气体输运管道32和ID路管道出气口22，ID路管道出气口设有第二变径防返流板220；NH₃路管道包括NH₃路管道进气口13、NH₃路气体输运管道33和NH₃路管道出气口23，NH₃路管道出气口设有第三变径防返流板230。Ga路管道还设置有喷口Ga路管道出气口51，ID路管道还设置有喷口ID路管道出气口52，NH₃路管道还设置喷口NH₃路管道出气口53。

公知，

伯努利方程为：P+ρ*u²/2+ρgh＝常量(P₀)(公式1)；

对于气体，可忽略重力，故伯努利方程可简化为：P+ρ*u²/2＝常量(P₀)(公式2)；

其中，P为静压力，ρ*u²/2为动压力，常量(P₀)为总压，ρ为气体密度，u为气体流速；又u＝q_v/A，其中q_v为体积流速，A为管道横截面积。

故P＝P₀-ρ*u²/2＝P₀-ρ*(q_v/A)²/2(公式3)；

由公式3可知，横截面积小、流速快、压强小，横截面积大，流速慢、压强大；

如图1所示，本实施例中，Ga路气体经Ga路管道进气口11和Ga路管道出气口21进入内置反应室40与其中镓液发生反应生成GaCl气体，后经Ga路气体输运管道31和喷口Ga路管道出气口51输运至衬底表面与氨气发生反应。Ga路管道出气口21的第一变径防返流板210形成类倒漏斗结构，可选地，Ga路管道进气口11的横截面积与Ga路管道出气口21的横截的面积比为1:3～10。由公式3可知，横截面积增大，流速变慢，压强增大，Ga进气中的HCl气体可与镓液充分反应，且避免其倒吸进入进气管。ID路气体经ID路管道进气口12、ID路管道出气口22、ID路气体输运管道32和喷口ID路管道出气口52输运至衬底表面，其主要作用是隔离GaCl和NH₃，延缓其发生反应。同理，横截面积逐渐增大，压强也逐渐增大，可使得ID路气体层流进入ID路气体输运管道32。可选地，ID路管道进气口12的横截面积与ID路管道出气口22的横截面积比为1：5～20。NH₃路气体经NH₃路管道进气口13、NH₃路管道出气口23、NH₃路气体输运管道33和喷口NH₃路管道出气口53输运至衬底表面与GaCl发生反应。同理，横截面积增大，可促进NH₃路层流输运。可选地，NH₃路管道进气口13的横截面积与NH₃路管道出气口23的横截面积比为1：3～10。

此外，由公式3可知，喷头结构的三路管道出气口的压强取决于三路管道进气的体积流量与喷头结构的三路管道出气口的横截面积之比，可选地，控制喷头结构的三路管道出气口的压强之比为1:1.2～1.3:1.1～1.2，可避免出气口因压差过大而出现湍流或虹吸现象。可选地，喷头结构三路管道出气口的横截面积比为1:2～8:1～3，喷头结构三路管道出气口的体积流量比为1:3～10:1～5。

如图1所示，在本实施例中，喷头结构三路管道出气口的体积流量比为1:3:2，调控喷头结构三路管道出气口的横截面积，使得喷头三路管道出气口压强比为1:1.3:1.2，如图6所示，通过模拟发现喷头三路管道出气口层流输运至衬底表面，实验也未发现衬底上有明显多晶掉落。

如图1所示，在其他实施例中，喷头结构三路管道出气口的横截面积比为1:3:2，调控喷头结构三路管道进气的体积流量，使得喷头三路管道出气口压强比为1:0.5:1，如图7所示，发现喷头管道出气口下方发生显著的虹吸现象，使得GaCl和NH₃提前反应产生多晶。

如图2所示，在一对比例中，ID路管道出气口22未采用图1中的第二变径防返流板类漏斗式结构，ID路管道出气口与进气口横截面积比为20:1，由公式3知，出气口出压强明显减小，而ID路气体输运管道压强相对较大，形成较大的压强差，进而出现湍流现象。其可能导致ID路气体失去隔离作用，使得GaCl和NH₃气体往ID路虹吸，提前反应，最终产生氮化镓多晶掉落在衬底上，影响衬底晶体质量。NH₃路管道出气口23未采用图1中的第三变径防返流板类漏斗式结构，NH₃路管道出气口与进气口横截面积比为10:1，与图2中ID路出气口情况类似，横截面积陡然增大，形成较大的压强差，也导致气体湍流输运。同时，由于NH₃路管道出气口距离喷头结构NH₃路管道出气口较近，其湍流现象也将对喷头管道出气口产生较大影响。

如图3所示，ID路管道出气口22与图2一样未采用变径防返流板2类漏斗式结构，同时喷头结构Ga路出气管口与NH₃路出气管口不在同一水平，将导致GaCl和NH₃气体虹吸至ID路管道内侧，发生氮化镓多晶寄生现象，不定时掉落氮化镓多晶，影响晶体质量。

根据上述说明书的揭示，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种用于气相外延生长的防返流气体输运装置，其特征在于：包括：

Ga路管道，所述Ga路管道包括Ga路管道进气口、Ga路气体输运管道和Ga路管道出气口，所述Ga路管道出气口设有第一变径防返流板；

ID路管道，所述ID路管道包括ID路管道进气口、ID路气体输运管道和ID路管道出气口，所述ID路管道出气口设有第二变径防返流板；

NH₃路管道，所述NH₃路管道包括NH₃路管道进气口、NH₃路气体输运管道和NH₃路管道出气口，所述NH₃路管道出气口设有第三变径防返流板；

及内置反应室。

2.根据权利要求1所述的用于气相外延生长的防返流气体输运装置，其特征在于：所述第一变径防返流板为类漏斗式结构，所述Ga路管道进气口与Ga路管道出气口的横截面积比为1:3～10。

3.根据权利要求1所述的用于气相外延生长的防返流气体输运装置，其特征在于：所述第二变径防返流板为类漏斗式结构，所述ID路管道进气口与ID路管道出气口的横截面积比为1:5～20。

4.根据权利要求1所述的用于气相外延生长的防返流气体输运装置，其特征在于：所述第三变径防返流板为类漏斗式结构，所述NH₃路管道进气口与NH₃路管道出气口的横截面积比为1:3～10。

5.根据权利要求1所述的用于气相外延生长的防返流气体输运装置，其特征在于：所述Ga路管道还设置有喷口Ga路管道出气口，

所述ID路管道还设置有喷口ID路管道出气口，

所述NH₃路管道还设置喷口NH₃路管道出气口。

6.一种用于气相外延生长的防返流气体输运方法，其特征在于，气体通过权利要求1至5任一项所述用于气相外延生长的防返流气体输运装置，协同调节所述防返流气体输运装置中多路管道出气口的体积流量和面积，调控喷头多路管道出气口压强差，以避免形成湍流乃至返流。

7.根据权利要求6所述的用于气相外延生长的防返流气体输运方法，其特征在于：所述Ga路管道出气口、ID路管道出气口和NH₃路管道出气口的横截面积比为1:2～8:1～3。

8.根据权利要求5所述的用于气相外延生长的防返流气体输运方法，其特征在于：所述Ga路管道、ID路管道和NH₃路管道的进气体积流量比为1:3～10:1～5。

9.根据权利要求5所述的用于气相外延生长的防返流气体输运方法，其特征在于：所述Ga路管道出气口、ID路管道出气口和NH₃路管道出气口的压强比为1:1.2～1.3:1.1～1.2。

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