一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，包括第一通道、第二通道。所述第一通道為等直徑或變直徑圓柱形通道，所通反應(yīng)物氣體為GaCl；所述第二通道位于第一通道中心位置，所通氣體可以是N2也可以是GaCl與N2的混合氣體；所述第二通道可以為一段圓柱形通道，也可由兩段組成，上段為圓柱形，下段為圓臺(tái)形或倒圓臺(tái)形，兩段相連處直徑相等。本發(fā)明一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，通過(guò)最佳化兩通道中氣體流量大小，來(lái)改善反應(yīng)物GaCl在襯底上方附近徑向分布的均勻性，以滿足較大面積襯底上GaN晶體材料均勻生長(zhǎng)之需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種氫化物氣相外延(HVPE)生長(zhǎng)II1- V族半導(dǎo)體材料(薄膜或厚膜)用的可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著II1- V族膜材料在制造與開(kāi)發(fā)各種半導(dǎo)體器件中的地位日益顯著，其在新型半導(dǎo)體材料行業(yè)中也備受關(guān)注。然而，半導(dǎo)體薄膜或厚膜的制備廣泛采用氣相外延(VPE)技術(shù)，其中的氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)，因生長(zhǎng)速度快、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，常被用于III族氮化物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)，尤其是氮化鎵(GaN)厚膜的生長(zhǎng)。
[0003]在傳統(tǒng)的HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)中，使用加熱的液態(tài)金屬鎵(Ga)與氯化氫(HCl)氣體在高溫下反應(yīng)生成金屬氯化物作為三族氣體，再由該金屬氯化物氣體和非金屬材料的氫化物氣體(如NH3)反應(yīng)生成半導(dǎo)體材料晶體(如GaN)，通常情況下，所述反應(yīng)氣體中NH3始終保持充足量，即反 應(yīng)腔體中NH3分布均勻，生成產(chǎn)物的厚度均勻性及質(zhì)量主要取決于金屬氯化物的分布。而目前的垂直結(jié)構(gòu)HVPE設(shè)備通常采用同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)噴頭，即金屬氯化物生成后從位于中心位置的圓柱噴口噴出，其缺陷在于所述噴口位于整個(gè)噴頭的中心位置，容易造成金屬氯化物在待生長(zhǎng)襯底的上方呈中心濃度高邊緣濃度低的分布，即金屬氯化物的分布均勻性不可控。并且隨著市場(chǎng)需求的增多，HVPE系統(tǒng)必定需要提高產(chǎn)量，隨著襯底數(shù)量及其面積的進(jìn)一步增大，傳統(tǒng)的噴口結(jié)構(gòu)更加難以保證反應(yīng)物均勻性，導(dǎo)致GaN生長(zhǎng)厚度不均勻。例如，在傳統(tǒng)同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)噴頭下，由于金屬氯化物的分布中心濃度高邊緣濃度低，致使GaN生長(zhǎng)厚度沿襯底徑向向外呈遞減趨勢(shì)，即襯底中心生長(zhǎng)得厚，邊緣生長(zhǎng)得薄。
[0004]發(fā)明專(zhuān)利CN201310542018X，公開(kāi)了一種前驅(qū)物流場(chǎng)控制棒，通過(guò)在前驅(qū)物GaCl通道中心添加一個(gè)具有不同控制端的控制棒，對(duì)前驅(qū)物GaCl流場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)，期望改善襯底上方前驅(qū)物的均勻性，但實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):通過(guò)引入控制棒后，GaCl前驅(qū)物均勻性有一定程度的改善，但是在噴頭壁面發(fā)生了副反應(yīng)沉積物，影響著晶體生長(zhǎng)質(zhì)量。因此，對(duì)于滿足較大有效襯底面積區(qū)域上GaN晶片高質(zhì)量的生長(zhǎng)，仍難以克服前驅(qū)物(如GaCl)在襯底上方分布不均勻的難題(此專(zhuān)利CN201310542018X中前驅(qū)物即為反應(yīng)物)。
[0005]為了改善反應(yīng)物在襯底上方徑向分布的均勻性，有必要改進(jìn)噴頭尤其是金屬氯化物的出氣噴口結(jié)構(gòu)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的主要目的是:提供一種雙通道噴口結(jié)構(gòu)，主要用來(lái)控制反應(yīng)物氣體流動(dòng)趨勢(shì)及分布，所述雙通道噴口結(jié)構(gòu)可使反應(yīng)物(GaCl)流場(chǎng)在襯底上方附近的徑向分布更加均勻，有利于襯底上氮化鎵生長(zhǎng)厚度均勻。
[0007]為達(dá)到上述目的，可通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):目前HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)中常采用圓柱對(duì)稱(chēng)的懸掛立式或倒立式反應(yīng)器，GaCl通道位于噴頭的中心位置，呈圓柱形。本發(fā)明在傳統(tǒng)圓柱形GaCl通道的基礎(chǔ)上再設(shè)置另外氣體控制通道，避免反應(yīng)物GaCl在傳統(tǒng)圓柱形單通道下呈單波峰分布的特性，改善GaCl在襯底上方徑向分布的均勻性。
[0008]具體地說(shuō)，本發(fā)明一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含第一通道、第二通道；所述兩通道同軸心，第二通道位于第一通道的中心；所述第一通道通入氣體為氣相沉積反應(yīng)反應(yīng)物氣體，如GaCl ;所述第二通道通入氣體可以是N2也可以是GaCl與N2的混合氣體；所述各氣體的流量比例可以任意調(diào)節(jié)；所述反應(yīng)氣體噴出該噴口后可以與其他反應(yīng)氣體(如NH3)相結(jié)合生成產(chǎn)物。
[0009]所述第一通道，其特征在于，其為等直徑或變直徑圓柱形通道。優(yōu)選的，其外套筒可由兩段組成，上段為圓筒狀，下段為裙體擴(kuò)展段，下段頂端與上段底端相連處直徑相等；優(yōu)選的，所述第一通道，其外套筒還可由四段構(gòu)成，從上至下依次為第一圓筒、過(guò)渡段、第二圓筒、裙體擴(kuò)展段，各段橫截面逐段擴(kuò)大，段與段相連處直徑相等。所述第二通道，其特征在于，該通道位于第一通道的中心位置，呈圓柱形，其外套筒圓管長(zhǎng)度比第一通道長(zhǎng)度稍短；第二通道還可由兩段組成，上段為圓柱形，下段為圓臺(tái)形或倒圓臺(tái)形，兩段相連處直徑相
坐寸ο
[0010]以上所述兩種第一通道結(jié)構(gòu)與三種第二通道結(jié)構(gòu)，依據(jù)材料生長(zhǎng)工藝及具體需要，可以交叉搭配實(shí)用。
[0011]本發(fā)明提出的一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，能改善反應(yīng)物(如GaCl)在襯底上方附近徑向分布的均勻性，可滿足較大面積上GaN晶體材料的均勻生長(zhǎng)之
需求。
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的雙通道噴口結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的雙通道噴口結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0015]圖3為本發(fā)明實(shí)施例三的雙通道噴口結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0016]圖4為本發(fā)明實(shí)施例四的雙通道噴口結(jié)構(gòu)的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，現(xiàn)舉4個(gè)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]實(shí)施例一
[0019]如圖1所示，本發(fā)明一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，主要由等直徑圓筒102和變截面外套筒105兩部分組成；外套筒105和圓筒102為同軸心；所述變截面外套筒105包括上段圓筒與下段裙體擴(kuò)展段，該裙體擴(kuò)展段橫截面由上往下逐漸擴(kuò)大；該圓筒102外壁與變截面外套筒105內(nèi)壁形成第一通道104，第一通道104中所通入反應(yīng)物氣體106為GaCl，所述圓筒102中空部分為第二通道101，第二通道101中所通入氣體103為GaCl和N2的混合氣體，調(diào)節(jié)GaCl和N2的流量比例，以及第二通道101、第一通道104中氣體流量大小，優(yōu)化反應(yīng)物GaCl氣體在待生長(zhǎng)襯底上方附近的徑向分布的均勻性。
[0020]實(shí)施例二
[0021]如圖2所示的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，包括第一通道104與第二通道101 ;所述第一通道104的外套筒105由四段組成，從上往下依次為，第一圓筒、過(guò)渡段、第二圓筒、裙體擴(kuò)展段，各段橫截面圓直徑自上往下逐段增大，段與段相接處直徑相等，通道104所通入氣體106為GaCl ;所述第二通道101位于噴口結(jié)構(gòu)中心位置，第二通道101所通入氣體103為N2 ;第一通道104與第二通道101之間為等直徑中空?qǐng)A筒102，其長(zhǎng)度略短于外套筒105的長(zhǎng)度。調(diào)節(jié)兩通道氣體流量大小，可使反應(yīng)物GaCl氣體在待生長(zhǎng)襯底上方附近徑向分布更均勻，明顯改善GaN晶體生長(zhǎng)厚度的徑向均勻性。
[0022]實(shí)施例三
[0023]如圖3所示的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，是在實(shí)施例二的基礎(chǔ)上，對(duì)第一通道104與第二通道101中間的中空?qǐng)A筒102進(jìn)行改進(jìn)的，這里中空?qǐng)A筒102由兩段組成，其上段為等直徑中空?qǐng)A筒，其下段為裙體擴(kuò)展段是中空?qǐng)A臺(tái)筒，兩段相接處直徑相等；所述中空?qǐng)A臺(tái)筒其橫截面自上往下逐漸擴(kuò)大，其擴(kuò)展角度與通道104擴(kuò)展段的擴(kuò)展角度一致；所述中空?qǐng)A筒102長(zhǎng)度略短于通道104外套筒105長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)兩通道氣體流量大小，進(jìn)一步改善反應(yīng)物GaCl氣體在待生長(zhǎng)襯底上方附近的徑向分布的均勻性，可消除傳統(tǒng)噴頭系統(tǒng)產(chǎn)出晶體的生長(zhǎng)厚度中間厚、邊緣薄的問(wèn)題。
[0024]實(shí)施例四
[0025]如圖4所示的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，是在實(shí)施例二的基礎(chǔ)上，對(duì)第一通道104與第二通道101中間的中空?qǐng)A筒102進(jìn)行另一種改進(jìn)的，這里中空?qǐng)A筒102由兩段組成，其上段為等直徑中空?qǐng)A筒，其下段為變截面中空倒圓臺(tái)筒，兩段相接處直徑相等；所述中空倒圓臺(tái)筒其橫截面自上往下逐漸縮小，但其筒壁厚度不變；所述中空?qǐng)A筒102長(zhǎng)度略短于第一通道104外套筒105長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)優(yōu)化104、101兩通道氣體流量大小，使反應(yīng)物GaCl在待生長(zhǎng)襯底上方附近徑向分布均勻性最佳化，可消除傳統(tǒng)噴頭系統(tǒng)產(chǎn)出晶體的生長(zhǎng)厚度中間厚、邊緣薄的問(wèn)題。
[0026]還需要說(shuō)明的是，本發(fā)明一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，既可應(yīng)用于立式HVPE系統(tǒng)，也可應(yīng)用于倒立式HVPE系統(tǒng)。
[0027] 以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的部分實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，其特征為:包含第一通道和第二通道；所述第二通道位于第一通道的中心位置，第一通道通入氣體為氣相沉積反應(yīng)物氣體，如GaCl ;所述第二通道通入氣體可以是N2也可以是GaCl與N2的混合氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，其特征為:所述通入的各氣體的流量比例可以任意調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述反應(yīng)物氣體，其特征為:所述反應(yīng)物氣體噴出該噴口后可以與其他反應(yīng)氣體(如NH3)相結(jié)合生成產(chǎn)物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，其特征為:所述第一通道為等直徑或變直徑圓柱形通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，其特征為:所述第二通道可以為一段圓柱形通道，也可由兩段組成，上段為圓柱形，下段為圓臺(tái)形或倒圓臺(tái)形，兩段相連處直徑相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，其特征為:所述雙通道噴口結(jié)構(gòu)，既可應(yīng)用于立式HVPE系統(tǒng)，也可應(yīng)用于倒立式HVPE系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】C23C16/34GK103981512SQ201410196612
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月10日
【發(fā)明者】魏武, 劉鵬, 趙紅軍, 張俊業(yè), 童玉珍, 張國(guó)義 申請(qǐng)人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司, 北京大學(xué)