[发明专利]一种化合物半导体大面积气相外延用圆环形喷口分布方式

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备半导体薄膜的气相外延（VPE）装置及方法，尤其是一种实现大面积均匀沉积的氢化物气相外延（HVPE）装置喷头的喷口分布方式。

背景技术

气相外延（VPE）技术广泛用于制备半导体薄膜或厚膜，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族氮化物半导体材料生长，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，但同时尽可能避免生长中强烈的寄生反应。这些因素非常重要，其直接影响生产电子器件的质量和成本，故而影响器件在市场中的竞争力。

在气相外延（VPE）、氢化物气相外延（HVPE）生长中，喷头喷口的主要作用在于各种气体的传输及隔离。然而此时，喷头喷口的结构及其排布，对所喷出气体的速度及分布、对各气体的混合及反应区域所处位置、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，III族和V族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，设计一种喷头喷口的新型排布结构，在较大的衬底和较大的沉积区域之上，既提供均匀的前驱物混合问题，同时又保持不同前驱物在喷口附近相互隔离而避免喷口污染，从而实现III族氮化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，提出一种具有同心圆环小喷口，各自独立、交叉、密排结构，使从平面喷头的各同心圆形小喷口喷出的第一前驱物（或III族气体）、第二前驱物（或V族气体）、惰性气体（或氮气）以及载气，既保证在喷口附近被相互隔离，又确保一离开喷口附近进入衬底前方混合反应区便充分均匀混合，形成均匀浓度、流场。

本发明的HVPE装置的喷头结构特点包括：

1. 各自独立的同心圆形喷口或含单孔圆形喷口，在喷头上相互平行、交叉、密集排布；

2. 通常，同心圆喷口的内圆孔均为前驱物喷口，而其外环孔为惰性气体喷口。外环孔所喷出的惰性气体将不同前驱物气体在喷口附近彼此有效隔离，以防止在喷口附近混合发生反应导致喷口污染；

3. 而同心圆形喷口的交叉、密集排布，加以通过流量调节分别控制各前驱物，可确保它们一离开各自喷口附近进入衬底前方反应区便充分混合形成均匀浓度、流场，以便在衬底表面生长均匀薄膜；

4. 喷头各喷口的结构及设置可有以下几种：①两种前驱物喷口均为同心圆形喷口，使其平行、交叉、密集排布；②一种前驱物喷口为同心圆形喷口，另一种前驱物气体为单一圆形喷口，使其平行、交叉、密集排布，这种情况，喷口面积偏小，可多密排、交叉排布；③多种前驱物情况，其中几种前驱物喷口均为同心圆形喷口，而其余前驱物喷口均为单一圆形喷口，使它们按一定规则有序、平行、交叉、密集排布。

附图说明

在圆形法兰喷头上，交叉、平行、密集排布，许多具有内圆孔和外环孔的同心圆形小喷口、或同心圆形与单圆孔形皆有的小喷口。所述喷口，可以是第一前驱物（如III族气体）喷口、第二前驱物（如V族气体）喷口和惰性气体（如氮气）喷口，也可以是有更多种前驱物或惰性气体喷口。喷口直径为mm量级。如附图1、附图2、附图3所示。

 附图1说明：

1. 附图1（a）为第一种圆环形喷口排布方式示意图，附图1（b）为其局部放大图；

2. 在圆形法兰喷头上，分别由第一前驱物同心圆形喷口阵列和第二前驱物同心圆形喷口阵列，沿横向、纵向，均以交替、平行、相邻交错对应、密集排布；

3. 第一前驱物和第二前驱物分别由各自同心圆形喷口的内圆孔喷口喷出，惰性气体则从其外环孔喷口喷出。

附图2说明：

1. 附图2（a）为第二种圆环形喷口排布方式示意图，附图2（b）为其局部放大图；