[发明专利]一种化合物半导体大面积气相外延用喷口分布方式

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备化合物半导体的气相外延（VPE）装置及方法，尤其是一种用于大面积均匀沉积的氢化物气相外延（HVPE）装置的喷头设计。

背景技术

气相外延（VPE）技术广泛用于制备化合物半导体薄膜或厚膜，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-V族化合物半导体材料生长，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，且同时尽可能避免生长中严重的寄生反应。这些因素非常重要，因它直接影响生产电子器件的成本乃至在市场中的竞争力。

在气相外延（VPE）、氢化物气相外延（HVPE）生长中，喷头的主要作用在于各种气体的传输及隔离。然而此时，其中喷头喷口的结构对所喷出气体的速度及分布、对各气体的混合及反应区域位置、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，第一前驱物和第二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）技术所使用的喷头结构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，在较大的衬底和较大的沉积区域之上使用的喷头喷口的新型分布方式，其既保持不同前驱物在喷口附近相互隔离而避免喷口污染，又提供均匀的前驱物混合，从而实现 III-V族化合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，采用一种各自独立、交叉、密排结构，使经内部管路从平面喷口喷出的惰性气体将第一前驱物和第二前驱物在喷口附近相互隔离，又确保这两种前驱物一离开喷口附近进入衬底上方的混合反应区域便充分混合均匀，形成均匀的流场和浓度场。

本发明，HVPE装置中喷头的喷口排布结构，其特点包括：

1.  惰性气体隔离。在第一前驱物喷口和第二前驱物喷口间加入惰性气体喷口隔开，使第一前驱物和第二前驱物在进入混合反应区域前保持分离，防止前驱物气体在喷口附近混合反应致使喷口污染，从而扩大了生长工艺的调控范围。

2.  各自独立喷口紧密排布。每种气体使用相互隔开的独立喷口，以便防止不同气体在喷口附近混合反应并在喷头产生沉积。而气体喷口的紧密排布，利于前驱物一离开喷口附近后，在衬底上方的混合反应区域很快均匀混合。

3. 气体的喷口交叉排布方式。根据工艺需要，可调整各种气体喷口的排布位置及间隙大小，既保持对前驱物进行隔离的同时，又确保各路前驱物喷出后一离开喷口附近，即可进入混合反应区域快速混合反应。另外，可通过调节混合气体的成分和流量来控制到达反应区域的各气体的浓度和流速，从而实现均匀混合，形成均匀浓度、流场。

4. 所有的气体喷口（第一前驱物气体喷口、第二前驱物气体喷口和惰性气体例如氮气喷口）均交叉密集排布于圆形法兰喷头上，如图1 ~ 图3所示。喷口直径为mm量级。

附图说明

图1是实施例1的说明图。

图2是实施例2的说明图。

图3是实施例3的说明图。

具体实施方式

具体实施方式一：

 因气相外延（VPE）、氢化物气相外延（HVPE）装置的气体喷头需要在高温条件下进行，所以喷头材质一般选择高强度，不与反应气体产生化学反应，且热膨胀系数较低的材质，比如石英或者特种金属。

如图1所示，沿横向，按第一前驱物气体喷口、惰性气体喷口、第二前驱物气体喷口的顺序，轮流交替、沿直线、平行、等距离、密集排布呈多数横行。第一前驱物喷口和第二前驱物的喷口，沿纵向隔行一一对应，惰性气体各个喷口位于第一前驱物喷口或第二前驱物喷口的间隔交错对应处。各自独立喷口的这种交叉排布，保证每个喷口喷出的第一前驱物或第二前驱物气体，均被其周围4个最近邻惰性气体喷口喷出的惰性气体完全隔离。另外，每种类型的气体喷口单独成行，有利于气体管路的布置。