[发明专利]一种用于氢化物气相外延的反应器

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种用于制备半导体材料气相外延装置，特别是一种用于氢化物气相外延（HVPE）的反应器。

背景技术

气相外延（VPE）技术广泛应用于生长半导体晶体材料，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）薄膜或厚膜的生长。在HVPE生长系统中，卤化物与Ⅲ族金属反应生成前驱物之一诸如Ⅲ族卤化物，该前驱物随后与另一前驱物诸如含氮气体反应生成Ⅲ族氮化物。为了获得高质量的氮化镓厚膜，期望在HVPE反应室内衬底有效沉积区域上获得反应物浓度的均匀分布，因为反应物浓度分布的均匀性直接影响半导体器件的生长质量及成本，进而影响半导体器件在市场中的竞争力。

传统的氢化物气相外延（HVPE）用反应器以水平卧式为主，其中衬底通常置于与水平面呈一定角度的支撑板上，喷头结构通常为沿水平或竖直方向的圆形喷嘴。这种进气结构下的前驱物流场分布，无论在衬底的周向还是径向分布均不理想，不适合GaN厚膜生长。

现有的氢化物气相外延（HVPE）生长系统，常用轴对称圆柱型的立式（或倒立式）反应器，其中喷头设计成圆形或同心圆环结构，这种结构由于石墨盘带动衬底旋转，使反应物的周向分布比起卧式系统容易均匀，而生长的周向均匀性得到一定程度的改善进而提高生长晶体质量。然而，这种结构的反应器存在的问题是：在同心圆环喷头下，反应物在衬底表面有效沉积区域的径向流场分布，其圆环中间区域高、两侧低，而圆形喷头下的径向流场分布，其圆心处高、向外低减，呈单峰性；至于生长晶片的周向均匀性，虽然通过石墨盘带动衬底旋转得到提高，但同时带来不少问题，如：首先，要使石墨盘旋转需动力源电机、传递动力用旋转轴、及其他附属组件，使装置复杂，能耗增加、维护不便；其次，旋转轴在转动状态下保持很好的密封以维持反应器内的真空环境不易，更重要的一点，在石墨盘旋转过程中很难保证衬底的抖动对晶片生长质量不产生不良影响。

基于上述理由，为了提高氮化物半导体材料的生长厚度及其组分的均匀性，需要简化并优化反应器装置。

发明内容

本发明的目的，旨在提供一种制备半导体材料的气相外延装置，更具体地是一种用于氢化物气相外延（HVPE）的反应器，以解决现有HVPE轴对称圆柱型反应器中，半导体材料生长厚度及其组分不均匀问题，并简化装置。

为达到本发明的上述目的，将通过以下技术方案来实现：

在现有立式或倒立式氢化物气相外延（HVPE）系统中，在圆筒型前驱物通道不同段设置具有不同孔径圆形通孔的整流板，使前驱物气体分布均匀化；在前驱物通道第三圆筒内部或石墨盘外围设置具有周向阵列排布折流片的折流装置，以便在衬底表面有效沉积区域形成一种离心式微旋流，从而去掉现有HVPE系统中的石墨盘旋转用动力源电机及附属组件。

具体地说，一种用于氢化物气相外延（HVPE）的反应器，包括反应腔、前驱物通道、石墨盘、衬底片、石墨盘支撑杆等，其中在前驱物通道第二圆筒内设有整流板，前驱物通道第三圆筒内设置折流装置；其中在前驱物通道第一、第二、第三圆筒内设置具有不同孔径圆形通孔的整流板，在石墨盘径向外围设置折流装置；并在前驱物通道的第一、第二、第三圆筒内设置具有不同孔径圆形通孔的整流板，在石墨盘径向外围设置有折流装置，且对腔体反应室进行了径向扩展；其中在前驱物通道第一、第二圆筒内设置有不同孔径大小圆形通孔的整流板，在第三圆筒内与石墨盘外围设置有折流装置，并将腔体反应室进行径向扩展的同时，对反应气体出口采用径向出口设计。

以上三种整流板与二种折流装置既可以单独实施，也可以二者以上联合实施，本发明用于氢化物气相外延（HVPE）的反应器具有以下优点：首先，该反应器去掉了现有HVPE系统中石墨舟旋转用动力源电机及附属组件，不仅大大简化装置，节约能耗，方便维护，还消除了石墨盘旋转不稳定性对于衬底表面所生长晶体厚度及组分均匀性的不利影响；其次，本发明反应器结构，可在衬底表面有效沉积区域上形成离心式反应物微旋流，大大改善晶体生长厚度及组分均匀性。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1A为本发明提供的一种用于氢化物气相外延（HVPE）的反应器结构剖面图，其中： 图1B为整流板结构示意图；图1C为一种具有周向阵列折流板的折流装置结构示意图。

图2A为本发明提供的一种用于氢化物气相外延（HVPE）的反应器结构剖面图，其中：图2B为一种具有周向阵列折流板的折流装置结构示意图。