[发明专利]化学气相淀积反应器和化学气相淀积方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于化学气相淀积的反应器和一种使用该反应器进行化学气相淀积 的方法，进一步是指所述化学气相淀积反应器包括一种用于在一个或多个晶态或非晶态衬底 表面淀积(又称为外延)单层或多层晶态或非晶态结构的圆柱形反应腔。该圆柱形反应腔包 含的一种圆柱形顶盖支撑和一种环形气体扩散盘可以简化大型化学气相淀积反应器的设计和 结构，降低制造和使用大型化学气相淀积反应器的成本。该圆柱形反应腔能实现多股气流沿 着与衬底表面平行或与衬底表面成一定角度的径向方向和另一股气流沿着与衬底表面垂直的 方向进入反应腔。垂直气流可抑制晶态或非晶态衬底表面上方的热对流，使进入反应腔的气 流能在晶态或非晶态衬底表面形成并保持层流状态。由不同方向引入反应腔的不同反应剂在 晶态或非晶态衬底表面附近混合可缩短不同反应剂之间的气相反应时间，提升化学气相反应 的效率，降低反应剂的消耗，和提高化学气相淀积的单层或多层晶态或非晶态结构的质量及 其均匀性，重复性，再现性和一致性等。

背景技术

为了提升质量和降低成本，化学气相淀积反应器的结构不断优化，方法不断改进，反应 腔的尺寸也不断扩大。为抑制反应腔内的热对流，减少反应腔内的气相反应，和保持化学气 相淀积结构的均匀性，重复性，再现性和一致性，常见的化学气相淀积反应器的结构变得越 来越复杂，制造和使用成本也变得越来越高。

一种常见的称之为行星式化学气相淀积反应器侧面结构如图1所示。所述行星式化学气 相淀积反应器包括可进行化学气相淀积的圆柱形反应腔122，加装在反应腔顶盖101上的石 英盘104，其间有气体冷却的间隙120，中央气体导入喷嘴107，可旋转石墨盘106，可旋 转石墨盘106上加载有若干卫星舟127，可旋转石墨盘106下面有加热装置126，以及围绕 石墨盘106外侧的尾气收集环103。

在使用所述行星式反应器实施化学气相淀积时，几股由元素周期表中V族反应剂和III 反应剂组成的气流分别经由中央气体导入喷嘴107上各自的喷口进入反应腔122内。中央气 体导入喷嘴107和尾气收集环103位于石墨盘106的上方，使得由中央气体导入喷嘴107 导入的气体能保持层流状态并沿着径向由内向外方向水平进入尾气收集环103。

所述V族反应剂与III反应剂在气相会发生反应并形成微小颗粒和惰性衍生物，使得反应 剂，特别是决定淀积速度的III族反应剂，沿气体流动方向不断减少，导致化学气相淀积速度 也沿着气流方向不断下降(所述现象也称为反应剂耗尽效应)。对于圆柱形反应腔，当气体由 内向外沿径向方向流动时，其圆周面积的增加也会使反应剂在气相中的质量密度和气体流速 不断变小，导致化学气相淀积速度的进一步下降(所述现象也称为气流发散效应)，淀积的单 层或多层结构的均匀性就会很差。

一种常用的消除反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的手段是提升气流速度来减少气流 方向的反应剂浓度梯度，但其缺点是化学气相淀积效率很低，耗源很多。另一种常用的用于 补偿反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的办法是旋转衬底或旋转放置衬底的卫星舟。如图 1所示，石墨盘106一般以每分钟10转左右的速度旋转，卫星舟127一般以每分钟50转左 右的速度旋转。制造和使用可旋转的大尺寸石墨盘十分困难也十分昂贵，这已经影响到行星 式反应器反应腔中石墨盘尺寸的进一步放大，限制了行星式反应器反应腔单次可放置衬底片 容量的进一步增加。

由图1所示，反应腔顶盖上由于没有垂直方向的气流导入，使得径向气流不可避免地会 在顶盖表面下安装的石英盘104表面不断累积淀积物，它不仅消耗反应剂，而且不断累积的 表面淀积会对气相淀积过程产生不可预见的影响。此外，由于顶盖上装有中央气体导入喷嘴 107和石英盘104，使得顶盖结构比较复杂，每次化学气相淀积后无法彻底清理反应腔顶盖 101，中央气体导入喷嘴107和石英盘104，继而无法确保化学气相淀积过程的重复性，再 现性和一致性。此外，反应腔顶盖101中央由于缺乏必要的支撑，当反应腔122处于低压状 态时，反应腔顶盖101会发生变形，其变形程度随着圆周尺寸的增加而增加，使得反应腔腔 体的设计与制造变得更加复杂和昂贵。