[发明专利]一种新型氢化物气相外延压力控制系统及方法

说明书

本公开提供了一种新型氢化物气相外延压力控制系统及方法，包括：反应室，与反应室连接的流量控制通路和微调气路；所述流量控制通路上依次设有真空泵和调节阀；所述微调气路上设有质量流量控制器，微调气路用于通入惰性气体，在质量流量控制器的调节下实现对反应室压力的精确控制；结构设计合理，采用与反应室连接的流量控制通路和微调气路，并配合使用PLC控制器，实现了GaN材料生长过程中反应室内压力的精准调控。

技术领域

本公开属于氢化物气相外延设备技术领域，具体涉及氢化物气相外延技术生长GaN衬底材料时，一种控制反应室内气体压力的新型压力控制系统及方法。

背景技术

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿与热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质和强的抗辐射能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy，简称HVPE)是在常压高温的石英反应器内进行反应的化学气相沉积技术，由N₂夹带HCl，添加金属Ga形成GaCl；再在衬底上引入GaCl与NH3即可反应生成GaN。由于HVPE技术具有生长速率快、制备成本低等优点，是目前制备GaN衬底材料的常用工艺。

在工艺准备阶段，HVPE生长系统要求反应室处于干燥、无氧、无粉尘堆积的状态(通过N₂吹扫+抽气泵实现)，而在生长过程中，通入工艺气体时则要保证反应室压强稳定在一定范围内。特别是在生长大尺寸GaN单晶材料时，由于设备体积及衬底尺寸的增大，再加上各路气体流量的实时变化、高温环境下对气流的热浮力效应以及衬底托盘的高速旋转等因素的影响，反应室内压强随时间而变化，难以达到稳态。腔体内的层流被破坏，产生湍流现象，不利于GaN材料的生长。此外，反应室内压强变化还会对衬底上GaN的相对均匀性与生长速率产生影响。因此，在GaN生长过程中，反应室内压力的稳定控制是制备高质量大尺寸GaN衬底、保证工艺重复性的关键。

目前的氢化物气相外延设备常见的压力控制方案是利用调整蝶阀的开度来改变管道内的抽气速度，进而控制压力。然而，单单凭借蝶阀是无法完成精确控制的，因为蝶阀开度与流量变化并不完全是线性的，尤其是在临近全关或全开时更是如此。

发明内容

为了解决上述技术问题，针对现有技术的不足，本公开设计了一种新型压力控制系统，通过蝶阀与质量流量控制器配合，构建大、小流量控制通路，实现了HVPE工艺准备阶段反应室抽真空处理以及生长过程中反应室压力的精准调控。

第一方面，本公开提供了一种新型氢化物气相外延压力控制系统，包括：反应室，与反应室连接的流量控制通路和微调气路；所述流量控制通路上依次设有真空泵和调节阀；所述微调气路上设有质量流量控制器，微调气路用于通入惰性气体，在质量流量控制器的调节下实现对反应室压力的精确控制。

第二方面，本公开还提供了一种新型氢化物气相外延压力控制系统的使用方法，包括：

氢化物气相外延技术生长GaN衬底材料前，通过控制调节阀的开度，控制流量通路气路管道，在真空泵作用下对反应室进行抽真空处理；

反应室生长GaN衬底材料时，保持真空泵的抽速和调节阀的开度不变，此时开启微调气路，通过控制微调气路的质量流量控制器调节反应室内压力。

与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：