[发明专利]一种氢化物气相外延设备的反应室结构

说明书

本发明提供了一种氢化物气相外延反应室结构。其特征是由进气区、导流区和生长区组成。进气区包括进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板，用来分别导入不同种类气体；导流区包括天棚导流板和底层导流板，天棚导流板引导从吹扫气体进气通道进气的吹扫气体，底层导流板消除原料气体回旋涡流；生长区包括反应室天棚、反应室底壁和衬底托盘。本发明的氢化物气相外延反应室结构，气体在衬底托盘前端的流场稳定，原料气体在衬底托盘表面的浓度和流场分布均匀性高，原料气体与反应室天棚之间的接触和寄生反应少，衬底上生长晶体的稳定性高，有效提高大尺寸晶体生长效率和成品率。

技术领域

本发明涉及到半导体设备制造技术领域，尤其是生长氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)材料的HVPE设备、氢化物气相外延设备(HVPE)的反应室结构。

背景技术

氢化物气相外延(HVPE)是目前量产氮化镓同质衬底的唯一方法，在HVPE生长系统中，氯化镓气体和氨气在高温下发生近平衡反应生成氮化镓晶体。

通常利用HVPE制备外延片材料的生产过程中，前驱物气体通过进气通道进入反应室后，扩散至整个反应室内混合均匀，内壁和衬底托盘上都会发生寄生反应沉积一些寄生沉积物。每次生长前，都需要对反应室和衬底托盘进行烘烤10～30min，以去除反应室内壁和衬底托盘上的寄生沉积物，否则会对本次的宽禁带半导体材料外延产生不利影响。烘烤时间挤占了生长时间，导致单位时间内材料产出率降低。另外反应室内的寄生反应降低了衬底托盘表面原料气体浓度，进而降低了转化为氮化镓外延片的效率和生长速度。显而易见，抑制原料气体在整个室内的提前互混，减少反应室内的寄生沉积，提高衬底托盘表面的原料气体浓度对高效制备宽禁带半导体材料具有重要的意义。

传统的水平式HVPE设备存在如下缺点：(1)反应气体在反应室内互混发生寄生反应的现象严重，需要后续原位烘烤去除反应室内壁和衬底托盘的寄生沉积物，挤占了生长时间；(2)反应气体互混产生的寄生反应降低了原料转化效率；(3)反应室内的寄生反应导致前驱物在衬底托盘表面的浓度降低，进一步导致生长速率降低，不利于长时间稳定生长半导体晶体厚膜。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于针对HVPE反应室内原料气体在反应室内提前互混，寄生沉积反应影响生长质量，挤占生长时间等问题，提出一种氢化物气相外延设反应室结构。

(二)技术方案

本发明提供了一种氢化物气相外延设备的反应室结构，包括进气区、导流区和生长区。其中进气区包括：进气区天棚、进气区底壁和多个进气隔板，均由石英制成，进气区天棚、进气区底壁和进气隔板平行等距排列组成进气通道，进气通道长度均不小于500毫米。

导流区包括：天棚导流板和底层导流板，天棚导流板和底层导流板均由石英制成。

生长区包括：反应室天棚、反应室底壁和衬底托盘。衬底托盘由石墨制成，反应室天棚和反应室底壁由石英制成。

所述进气区的进气通道截面可以为矩形。

所述进气通道中的吹扫气体可以为氢气(H₂)、氮气(N₂)、氩气(Ar)或其他惰性气体中的一种或多种混合气体，每个进气通道中的气体流量均可以为0.01m/s-10m/s。

所述进气通道中的原料气体可以为氨气(NH₃)、砷烷(AsH₃)、磷烷(PH₃)、氯化镓(GaCl)、三氯化镓(GaCl₃)、氯化铟(InCl)、氯化磷(PCl₃)、氯化砷(AsCl₃)气体中的一种或多种混合气体，每个进气通道中的气体流量均可选为0.01m/s-10m/s。

所述天棚导流板是位于衬底托盘远端的导流板，底层导流板是位于衬底托盘近端的导流板。