专利名称：化学汽相沉积装置和化学汽相沉积方法
技术领域：
本发明的背景1.本发明的领域本发明涉及一种化学汽相沉积装置和一种化学汽相沉积方法。更具体地说，本发明涉及一种化学汽相沉积装置，其中包含原料气的气体在水平管式反应器的气体加入部分加入，该反应器排列使得要加料到反应器的原料气的方向基本上与基片平行，这样具有有利结晶度的均匀半导体膜就在受热基片上高效进行化学汽相沉积；并涉及一种使用前述装置的化学汽相沉积方法。
2.相关技术的描述近年来对氮化镓化合物半导体的需求迅速增加，它集中在光学通讯领域中用作发光二极管、激光二极管、和类似物的设备。例如，作为一种制造氮化镓化合物半导体的方法，已知这样一种方法，其中，使用有机金属气体如三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝作为III族金属源并使用氨作为氮源，将氮化镓基化合物的半导体膜在已事先放置在管式反应器中的蓝宝石或类似物的基片上进行化学汽相沉积以形成目标膜。
另外，作为一种制造上述氮化镓化合物半导体的装置，可提供一种包括水平管式反应器的化学汽相沉积装置，它配有一个用于在其上安装基片的基座、用于加热该基片的加热器、排列使得加料到管式反应器的原料气的方向与基片平行的原料气加入部分、和反应气体排气部分。这种包括水平管式反应器的化学汽相沉积装置的结构使得，将基片放置在管式反应器的基座上，将基片加热，然后在平行于基片的方向上将包含原料气的气体供给到反应器中，这样半导体膜进行化学汽相沉积以在基片上形成膜。
但在这种水平管式反应器中，由于原料气被基片附近的热对流驱散并因此不能有效地到达基片，因此问题在于，不能得到具有有利结晶度的均匀半导体膜，或膜的生长速率低。
但最近已开发出一种用于化学汽相沉积的改进的装置和方法，其中将加压(forcing)气体加入部分设置在与基片相对的管式反应器壁上，不影响载体气体和类似物的反应的加压气体在管式反应器内部在垂直于基片的方向上供给以将原料气流改变为喷向基片的方向。据说，这种改进的装置和方法能够根据原料气的种类和流速、受热基片的温度和类似因素通过适当和任选地控制加压气体的流速而得到具有有利结晶度的均匀半导体膜。
然而，对于前述方法和装置，在直角处交汇的气流，即包含原料气和加压气体的气体在基片上相互混合，并因此更容易变得无序，这样气流通常难以控制。例如，在大尺寸基片进行化学汽相沉积或多个基片进行化学汽相沉积的情况下，难以在基片的宽范围内供给均匀浓度的原料气。另外在使用上述的三甲基镓、三甲基铟或三甲基铝作为原料气进行化学汽相沉积的情况下，对作为基片受热温度的1000℃或更高温度的需求使得难以控制基片上的复杂气流。
本发明的概述在这些情况下，本发明的目的是提供一种用于化学汽相沉积的方法和装置，即使在进行大尺寸基片的化学汽相沉积或同时进行多个基片的化学汽相沉积，或在高汽相沉积温度下进行化学汽相沉积的情况下，它能够通过使用水平管式反应器而高效地将具有有利结晶度的均匀半导体膜化学汽相沉积在受热基片上。
本发明的其它目的显然由以下公开的本说明书内容得出。在这些情况下，本发明人进行了深入细致的研究和开发以解决涉及现有技术的上述问题。结果已经发现，对于使用水平管式反应器的化学汽相沉积，通过在与基片相对的管式反应器壁上安装一个由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧的倾斜部分，原料气流可改变成喷雾到基片上的方向而无需供给加压气体。
还已发现，对于使用水平管式反应器的化学汽相沉积，分别因基片附近的热对流而产生的气流无序或原料气扩散可通过这样一种结构而抑制基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔小于原料气加入部分与基座之间在管式反应器壁中的垂直间隔。本发明已通过上述发现和信息而完成。
也就是说，本发明涉及一种用于半导体膜的化学汽相沉积装置，它包括水平管式反应器，配有用于在其上安装基片的基座、用于加热该基片的加热器、排列使得在管式反应器中供给的原料气的方向与基片平行的原料气加入部分、和反应气体排气部分，其中该装置的结构使得与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧。
另外，本发明涉及一种化学汽相沉积方法，包括，在水平管式反应器中将基片安装在基座上，用加热器加热该基片，并在基本上平行于基片的方向上向基片供给包含原料气的气体，这样在所述基片上将半导体膜进行化学汽相沉积，其中气流的方向通过这样一种结构而改变至倾斜向下的方向与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧。
另外，本发明涉及一种用于半导体膜的化学汽相沉积装置，它包括水平管式反应器，配有用于在其上安装基片的基座、用于加热该基片的加热器、排列使得在管式反应器中供给的原料气的方向与基片基本平行的原料气加入部分、和反应气体排气部分，其中该装置的结构使得，基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。
另外，本发明涉及一种化学汽相沉积方法，包括，在水平管式反应器中将基片安装在基座上，用加热器加热该基片，并在基本上平行于基片的方向上向基片供给包含原料气的气体，这样在所述基片上将半导体膜进行化学汽相沉积，其中包含原料气的气体供给到具有这样一种结构的水平管式反应器中基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。
附图的简要描述
图1和图2分别为给出了本发明化学汽相沉积装置的一个例子的垂直横截面视图；图3给出了在本发明实施例和对比例中的膜厚度分布的状态，其中基片放置在基座的中心部分；和图4给出了在本发明实施例和对比例中的膜厚度分布的状态，其中基片放置在基座的外围部分。
优选实施方案的描述将按照本发明的化学汽相沉积装置和化学汽相沉积方法分别应用于化学汽相沉积装置和化学汽相沉积方法，其中将基片在水平管式反应器中放置在基座上并用加热器加热，然后将包含原料气的气体在平行于基片的方向上供给，这样通过化学汽相沉积而在基片上形成半导体膜。
按照本发明的化学汽相沉积装置是这样一种装置与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧，或基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。另外，按照本发明的化学汽相沉积方法是这样一种用于化学汽相沉积的方法，其中气流的方向通过这样一种结构而改变至倾斜向下的方向与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧，或包含原料气的气体供给至具有这样一种结构的水平管式反应器中基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。
对于本发明用于化学汽相沉积的装置和方法，不对基片的种类、尺寸和数目、以及原料气的种类和流速加以任何限制。
但本发明用于化学汽相沉积的装置和方法的特征在于它们能够充分地表现出其工作效果，即，分别因热对流而产生的气体无序和原料气扩散可在基片的宽范围上得到减缓，尤其是在直径至少为4英寸(约101.6毫米)的大尺寸基片进行化学汽相沉积或6个基片同时进行化学汽相沉积的情况下。基片的种类例如为蓝宝石、SiC、体效应(bulk)氮化镓、等。
另外，本发明用于化学汽相沉积的装置和方法的特征在于它们能够充分地表现出其工作效果，即，在所进行的化学汽相沉积中根据原料气的种类而需要1000℃或更高的基片加热温度时，可以减缓分别因热对流而产生的气体急剧无序和原料气扩散。使用这种原料气的化学汽相沉积例如涉及氮化镓化合物半导体且其中使用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝、或三乙基铝作为III族金属源和氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼、或三甲基胺作为氮源的化学汽相沉积。
以下根据附图详细描述按照本发明的化学汽相沉积装置，但本发明绝不应局限于此。
图1是给出了本发明化学汽相沉积装置的一个例子的垂直横截面视图。按照图1，本发明化学汽相沉积装置由水平管式反应器1组成，它配有基片2、用于固定和旋转该基片的基座3、用于加热该基片的加热器4、排列使得供给到管式反应器中的原料气的方向基本上与基片平行的原料气加入部分5、和反应气体排气部分6，其中该装置的结构使得与基片相对的管式反应器壁的部分(管式反应器壁部分7)由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧。
在前述化学汽相沉积装置中，倾斜的管式反应器壁部分位于其中包含原料气的气体流开始受加热器热影响的位置上或在其附近。因此，其中倾斜管式反应器壁部分定位的位置根据气体流速、加热器的位置、化学汽相沉积温度、水平管式反应器的尺寸和种类以及类似因素而变化，因此不能明确规定。通常，倾斜的管式反应器壁部分位于原料气加入部分的气体加料口与对应于基座所用原料气通道的下游侧端部的位置之间，即在图1的位置13和16之间的区域。但优选的是，倾斜的管式反应器壁部分定位使得倾斜的管式反应器壁部分的上游侧端部8位于原料气加入部分的气体加料口与对应于基座所用原料气通道的上游侧端部的位置之间(在位置13和14之间)，且倾斜管式反应器壁部分的下游侧端部9位于对应于基座所用原料气通道的上游侧端部的位置与对应于基座所用原料气通道的下游侧端部的位置之间(在位置14和16之间)。
在上述化学汽相沉积装置中，倾斜管式反应器壁部分的倾斜长度和角度根据气体的种类、流速和浓度、化学汽相沉积的条件、以及水平管式反应器的尺寸和形状和类似因素而适当并视需要设定，因此不能明确规定。倾斜管式反应器壁部分在原料气通道方向上的长度通常为基座直径的约0.2-1.5倍。与原料气通道的倾斜角度通常约0.1-10度，优选约0.2-5度。低于0.1度的倾斜角度不太有效地将气流改变至倾斜向下的方向，而超过10度的角度则带来气流的急剧变化，造成对化学汽相沉积的可能不利影响。倾斜管式反应器壁部分与基片之间的最小距离通常最高为20毫米，优选最高为10毫米。
图1所示的本发明水平管式反应器的问题在于，由于将与基片相对的管式反应器壁部分加热至高温，造成原料气在其附近的热分解反应，这样分解产物或反应产物更容易沉积到管式反应器壁部分上。因此，倾斜管式反应器壁部分的表面优选由不易在其上沉积分解产物或反应产物的石英构成。由于反应产物或反应产物最容易沉积到与倾斜管式反应器壁部分的下游侧相邻的管式反应器壁上，进一步优选采用这样一种能够抑制化学汽相沉积时的分解产物或反应产物沉积的结构，即，如图1所示，安装一个具有气体渗透性的多微孔部分10和一个用于将没有原料气的气体由多微孔部分供给管式反应器内部的加入部分11。尽管分解产物或反应产物的沉积通过构成多微孔材料的倾斜管式反应器壁部分并将没有原料气的气体由多微孔部分供给管式反应器内部而抑制，但原料气可能因气体流过多微孔部分的流速而扩散。因此，优选通过采用石英作为倾斜管式反应器壁部分的表面的构成材料而非刚才所述的结构来抑制沉积。
图2是给出了本发明化学汽相沉积装置的一个例子的另一个垂直横截面视图。按照图2，本发明化学汽相沉积装置由水平管式反应器1组成，它配有基片2、用于固定和旋转该基片的基座3、用于加热该基片的加热器4、放置使得供给到管式反应器中的原料气的方向基本上与基片平行的原料气加入部分5、和反应气体排气部分6，其中基座3与其对面的管式反应器壁17之间的间隔小于在管式反应器壁18中由原料气加入部分中的气体加料口13至基座3所用原料气通道的上游侧端部14的垂直间隔。
在前述化学汽相沉积装置中，基座与其对面的管式反应器壁的平均间隔为在管式反应器壁中由原料气加入部分中的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔的20-99％，优选30-95％。如果基座与其对面的管式反应器壁的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分中的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔的20％，包含原料气的气体的流速变得太高，造成尚未充分用于化学汽相沉积反应的原料气由反应气体排气部分排出。相反，如果前述间隔超过99％，气流在基片附近被热对流所扰乱，或在原料气扩散抑制方面的工作效果下降。为了在化学汽相沉积装置中获得前述结构，它设计使得，通常在原料气加入部分的气体加料口13与基座所用原料气通道的上游侧端部14之间的位置上，在管式反应器壁中由上游至下游的垂直间隔变得较小，而且基座与其对应的管式反应器壁部分之间的间隔在其中排列有基座的地方(位置14和16之间)变得恒定。在如图2所示的化学汽相沉积装置中，它设计使得在管式反应器壁18的位置13和14之间的间隔因倾斜的上方和下方管式反应器壁而在下游方向上变得较小。但可以设计使得该间隔因倾斜上方管式反应器壁或下方管式反应器壁之一而在下游方向上变得较小。在这种结构的情况下，基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔优选为在原料气加入部分的气体加料口5处的管式反应器壁垂直间隔的10-98％。基座与基座对面的反应器壁之间的间隔通常为20毫米或更低，优选10毫米或更低。
本发明如图2所示的水平管式反应器的问题在于，由于将与基座相对的管式反应器壁部分加热至高温，造成原料气在其附近的热分解反应，这样分解产物或反应产物更容易沉积到管式反应器壁部分上。因此，优选采用这样一种能够抑制化学汽相沉积时的分解产物或反应产物沉积的结构，即，在与基座相对的管式反应器壁部分17上安装一个具有气体渗透性的多微孔部分、以及一个用于将没有原料气的气体由多微孔部分供给管式反应器内部的加入部分11。除了上述的结构，与基座相对的管式反应器壁部分的表面可由不易在其上沉积分解产物或反应产物的石英构成。
按照本发明的前述结构可应用于任何的在原料气加入部分中具有单个气体加料口的化学汽相沉积装置、以及其中原料气加入部分的气体通道通过分隔板或喷嘴而分隔成上和下气体通道的装置。其中气体通道被分隔被上和下气体通道的结构例如为这样一种化学汽相沉积装置，其中上气体通道用于供给包含三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝、或三乙基铝的气体，而下气体通道用于供给氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼、或三甲基胺。
以下详细描述按照本发明的化学汽相沉积方法。
化学汽相沉积方法是一种使用例如图1所示的前述化学汽相沉积装置将基片进行化学汽相沉积以在其上形成半导体膜的方法，其中气流的方向通过这样一种结构而改变为倾斜向下的方向与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧。
在本发明的化学汽相沉积方法中，气流方向改变为倾斜向下方向的位置通常位于原料气加入部分与对应于基座所用原料气通道的上游侧端部的位置之间(位置13和14之间)，且在前述改变之后的气流方向通常为原料气通道方向的约0.1-10度向下。在前述化学汽相沉积方法中，气体速率在基座的上游侧附近因倾斜管式反应器壁部分而变得较高。因此，与常规的水平管式反应器相比，化学汽相沉积反应往往发生在更下游侧。这样，反应器可容易设计使得化学汽相沉积的进程在对应于基座中心的位置与对应于其下游侧端部的位置之间的区域达到峰值。这种设计能够在倾斜管式反应器壁部分上比在其下游侧沉积较少量的分解产物或反应产物。
在前述设计的情况下，优选采用这样一种能够抑制化学汽相沉积时的分解产物或反应产物沉积的结构，即，通过在倾斜管式反应器壁部分的下游侧在管式反应器壁上安装一个具有气体渗透性的多微孔部分，并将没有原料气的气体由多微孔部分供给管式反应器的内部。
也可优选在化学汽相沉积时使基片旋转和/或回转。没有原料气且用于本发明化学汽相沉积方法的气体并不具体限定，但该反应不因此受不利影响。该气体可从氢气和氮气以及惰性气体如氦气和氩气中选择使用。
作为按照本发明的另一化学汽相沉积方法，可以例举一种使用图2所示化学汽相沉积装置对基片进行化学汽相沉积以形成半导体膜的方法，包括，将包含原料气的气体供给到水平管式反应器中，其中基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。
优选通过在与基座相对的管式反应器壁部分上设置一个具有气体渗透性的多微孔部分，并由该多微孔部分将没有原料气的气体供给到管式反应器内部来在前述方法中抑制分解产物或反应产物的沉积以进行化学汽相沉积。这种没有原料气的气体并不具体限定，只要该反应不因此受不利影响。该气体可从氢气和氮气以及惰性气体如氦气和氩气中选择使用。
在化学汽相沉积方法中，气体速率在其中基座与其相对的管式反应器壁部分的间隔小的区域中变得较高。因此，与常规的水平管式反应器相比，该反应往往发生在更下游侧。这样，反应器可容易设计使得化学汽相沉积的进程在对应于基座中心15的位置与对应于其下游侧端部的位置之间的区域达到峰值。这种设计能够在与基座相对的管式反应器壁部分上比在其下游侧的管式反应器壁部分上沉积较少量的分解产物或反应产物，这样能够防止沉积物落在基片上。
按照本发明的化学汽相沉积方法可广泛适用于在从约600℃作为最高基片加热温度的较低温度至1000℃或更高的较高温度的温度下进行化学汽相沉积。也可在按照本发明的化学汽相沉积方法中设定水平管式反应器中的压力为大气压、减压或约0.1MPa/cm2G的高压。
本文所用的术语“原料气”是指用作某种成分的供给源的气体，该成分作为一种能构成晶体的成分而加入晶体中。这种用于化学汽相沉积的原料气根据目标半导体膜而变化，且从金属氢化物如胂、膦和硅烷；有机金属化合物如三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝；氨、肼和烷基胺中选择使用。作为包含原料气的气体，可以使用任何用气体如氢气、氦气、氩气和氮气稀释的上述原料气。
在综述本发明的工作效果和优点时，即使在进行大尺寸基片的化学汽相沉积或同时进行多个基片的化学汽相沉积，或在高温下进行化学汽相沉积的情况下，这种用于化学汽相沉积的装置和方法能够高效地将具有有利结晶度的均匀半导体膜化学汽相沉积在受热基片上。
以下根据对比例和实施例更详细描述本发明，但本发明绝非局限于此。
实施例1<化学汽相沉积装置的制备>
制备出一种具有与图1垂直横截面视图所示相同的结构，且由内宽度280毫米(多微孔部分)、内高度20毫米(多微孔部分)和内长度1500毫米的石英制水平管式反应器组成的化学汽相沉积装置。分别为环状的基座和加热器具有外径260毫米。将一个直径2英寸(约50.8毫米)的基片放在该基座的中心，并将5个基片以相同间隔分别放在基座的周边部分中，这样能够同时处理这6个基片。另外，安装一个倾斜管式反应器壁部分，其表面由石英制成且在原料气通道方向上的长度为18厘米，这样其中心位置对应于基座的上游侧端部，且倾斜角度为相对原料气通道方向1.5度。
《针对化学汽相沉积的实验》通过使用如此制成的化学汽相沉积装置，按照以下方式在直径2英寸(约50.8毫米)的蓝宝石基片上进行GaN晶体生长。
将蓝宝石基片分别固定到基座上，用氢气置换该反应器中的气氛，然后在10分钟内，通过原料气加入部分的上气体通道供给流速65L(升)/分钟的氢气，并通过多微孔部分以流速20L/分钟供给氢气作为没有原料气的气体，同时将基片加热至1150℃以对基片进行热处理。
随后，将基片的反应温度降至500℃，并放置该基片直到其稳定化。然后，将氨与氢气(40L/分钟氨和10L/分钟氢气)的混合气体由原料气加入部分的下气体通道供给，包含三甲基镓的氢气(240微摩尔/分钟的三甲基镓和50L/分钟的氢气)由原料气加入部分的上气体通道供给，同时，50L/分钟的氮气由多微孔部分供给以在低温下进行GaN化学汽相沉积5分钟。
在低温形成生长层之后，停止三甲基镓的供给，将温度升至1100℃，并将该层放置直到其稳定化。然后，将包含三甲基镓的氢气(240微摩尔/分钟的三甲基镓和50L/分钟的氢气)再次由原料气加入部分的上气体通道供给，同时，50L/分钟的氮气由多微孔部分供给以进行GaN化学汽相沉积60分钟，在此过程中，基座和基片分别以12rpm和36rpm旋转。这样，化学汽相沉积重复进行5次。
《GaN膜、等的评估》在化学汽相沉积完成之后，检查与基片相对的管式反应器壁是否存在固体粘附物。结果，没有观察到固体粘附物。然后，取出基片，考虑到在化学汽相沉积过程中的基片旋转，测量从每个基片的中心至其周边的膜厚度分布以评估膜厚度的均匀性。对于放在基座的中心部分的一个基片以及放在其周边部分的5个基片，表1给出了膜厚度的测量结果及其变化范围{(最大值-最小值)/平均值}。另外，为了评估沉积膜的晶体质量和电学特性，对这6个基片进行X-射线衍射{(002)面的半值宽度}和孔(迁移率)测量。结果也在表1中给出，其中基片在周边部分的值表示5个值的平均值，这同样适用于以下每个实施例。
实施例2按照实施例1的相同方式制备出化学汽相沉积装置，不同的是倾斜管式反应器壁部分的倾斜角度改变为相对原料气通道0.5度。随后按照实施例1的相同方式进行化学汽相沉积实验并评估GaN膜等，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。结果也在表1中给出。
实施例3按照实施例1的相同方式制备出化学汽相沉积装置，不同的是倾斜管式反应器壁部分的倾斜角度改变为相对原料气通道1.85度。随后按照实施例1的相同方式进行化学汽相沉积实验并评估GaN膜等，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。结果也在表1中给出。
实施例4按照实施例1的相同方式制备出化学汽相沉积装置，不同的是倾斜管式反应器壁部分的倾斜角度改变为相对原料气通道3.0度。随后按照实施例1的相同方式进行化学汽相沉积实验并评估GaN膜等，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。结果也在表1中给出。
对比例1按照实施例1的相同方式制备出化学汽相沉积装置，不同的是与基片相对的管式反应器壁部分没有倾斜。随后按照实施例1的相同方式进行化学汽相沉积实验并评估GaN膜等，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。结果也在表1中给出。
表1
{注释}中心中心部分，周边周边部分制备出一种具有与图2垂直横截面视图所示相同的结构，且由内宽度280毫米(多微孔部分)和内长度1500毫米的石英制水平管式反应器组成的化学汽相沉积装置。在原料气加入部分的气体加料口处的管式反应器壁垂直间隔设定为20毫米，且基座与其相对的管式反应器壁部分之间的间隔设定为14毫米。
另外，原料气加入部分与基座之间的管式反应器壁按照这样的结构设计上和下管式反应器壁都在距离基座上游侧端部120毫米的上游侧位置处倾斜。另外，管式反应器壁部分相对原料气通道方向的倾斜角度设计使得，上管式反应器壁的倾斜角度为下管式反应器壁的2倍。分别为环状的基座和加热器具有外径260毫米。将一个直径2英寸(约50.8毫米)的基片放在该基座的中心，并将5个基片以相同间隔分别放在基座的周边部分中，这样能够在同时处理这6个基片。
随后，按照实施例1的相同方式进行化学汽相沉积实验和GaN膜等的评估，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。在化学汽相沉积完成之后，没有在与基片相对的管式反应器壁上观察到固体粘附物。取出基片，考虑到在化学汽相沉积过程中的基片旋转，测量从每个基片的中心至其周边的膜厚度分布以评估膜厚度的均匀性。对于放在基座的中心部分的一个基片以及放在其周边部分的5个基片，表2给出了膜厚度的测量结果及其变化范围{(最大值-最小值)/平均值}。另外，图3和图4给出了膜厚度分布的状态。为了评估沉积膜的晶体质量和电学特性，对这6个基片进行X-射线衍射{(002)面的半值宽度}和孔(迁移率)测量。结果也在表2中给出，其中基片在周边部分中的值表示5个值的平均值，这同样适用于以下每个实施例。
实施例6按照实施例5的相同方式制备出化学汽相沉积装置，不同的是在原料气加入部分处的管式反应器壁垂直间隔设定为18毫米而非20毫米。随后按照实施例5的相同方式进行化学汽相沉积实验并评估GaN膜等，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。结果也在表2、图3和图4中给出。
实施例7按照实施例5的相同方式制备出化学汽相沉积装置，不同的是在原料气加入部分处的管式反应器壁垂直间隔设定为16毫米而非20毫米。随后按照实施例5的相同方式进行化学汽相沉积实验并评估GaN膜等，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。结果也在表2、图3和图4中给出。
对比例2按照实施例5的相同方式制备出化学汽相沉积装置，不同的是在原料气加入部分处的管式反应器壁垂直间隔等于基座与其相对的管式反应器壁之间的间隔。随后按照实施例5的相同方式进行化学汽相沉积实验并评估GaN膜等，不同的是使用刚才描述的化学汽相沉积装置。结果也在表2、图3和图4中给出。
表2
{注释}中心中心部分，周边周边部分间隔a管式反应器壁在原料气加入部分处的垂直间隔间隔b基座与其相对的管式反应器壁部分之间的间隔。
从前述结果可以看出，本发明用于化学汽相沉积的装置和方法能够在用于GaN膜并需要1000℃或更高温度的化学汽相沉积中确保GaN膜具有优异的结晶度和电学特性而不受是否为中心位置或周边位置的影响。
权利要求
1.一种用于半导体膜的化学汽相沉积装置，它包括一种水平管式反应器，配有一个用于在其上安装基片的基座、用于加热该基片的加热器、排列使得加料到管式反应器的原料气的方向与基片基本平行的原料气加入部分、和反应气体排气部分，其中该装置的结构使得与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧。
2.根据权利要求1的化学汽相沉积装置，其中所述倾斜管式反应器壁部分定位使得倾斜管式反应器壁部分的上游侧端部位于原料气加入部分的气体加料口与对应于基座所用原料气通道的上游侧端部的位置之间，且倾斜管式反应器壁部分的下游侧端部位于对应于基座所用原料气通道的上游侧端部的位置与对应于基座所用原料气通道的下游侧端部的位置之间。
3.根据权利要求1的化学汽相沉积装置，其中所述倾斜管式反应器壁部分在原料气通道方向上的长度为基座直径的0.2-1.5倍。
4.根据权利要求1的化学汽相沉积装置，其中所述倾斜管式反应器壁部分的倾斜角度为相对原料气通道方向0.1-10度。
5.根据权利要求1的化学汽相沉积装置，其中所述水平管式反应器进一步在倾斜管式反应器壁部分的下游侧的管式反应器壁上配有一个具有气体渗透性的多微孔部分、和一个用于将没有原料气的气体由所述多微孔部分供给管式反应器内部的加入孔。
6.根据权利要求1的化学汽相沉积装置，其中所述水平管式反应器的表面由作为构成材料的石英制成。
7.一种用于半导体膜的化学汽相沉积装置，它包括一种水平管式反应器，配有一个用于在其上安装基片的基座、用于加热该基片的加热器、排列使得加料到管式反应器的原料气的方向与基片基本平行的原料气加入部分、和反应气体排气部分，其中该装置的结构使得基座与其相对的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。
8.根据权利要求7的化学汽相沉积装置，其中基座与其对面的管式反应器壁的间隔平均为在管式反应器壁中由原料气加入部分中的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔的20-99％。
9.根据权利要求7的化学汽相沉积装置，其中，在原料气加入部分的气体加料口与基座所用原料气通道的上游侧端部之间的位置上，在管式反应器壁中由用于原料气通道的上游侧至下游侧的垂直间隔变得较小，而且基座与其对应的管式反应器壁部分之间的间隔在其中排列有基座的地方变得恒定。
10.根据权利要求9的化学汽相沉积装置，其中基座与其对面的管式反应器壁之间的间隔为在原料气加入部分的气体加料口处的管式反应器壁垂直间隔的10-98％。
11.根据权利要求7的化学汽相沉积装置，其中所述水平管式反应器进一步在与基座相对的管式反应器壁上配有一个具有气体渗透性的多微孔部分、和一个用于将没有原料气的气体由所述多微孔部分供给管式反应器内部的加入孔。
12.根据权利要求1或7的化学汽相沉积装置，其中所述装置具有其中在基座上安装有多个基片的结构。
13.根据权利要求1或7的化学汽相沉积装置，其中所述装置具有其中在基座上安装有尺寸至少为4英寸(约101.6毫米)的大尺寸基片的结构。
14.根据权利要求1或7的化学汽相沉积装置，其中所述装置的结构使得原料气加入部分被分隔板或喷嘴分隔成上气体通道和下气体通道。
15.根据权利要求14的化学汽相沉积装置，其中原料气通道中的上气体通道是用于供给包含三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝、或三乙基铝的气体的通道，而原料气通道中的下气体通道是用于供给氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼、或三甲基胺的通道。
16.一种化学汽相沉积方法，包括，在水平管式反应器中将基片安装在基座上，用加热器加热该基片，然后在基本上平行于基片的方向上向基片供给包含原料气的气体以将半导体膜在所述基片上进行化学汽相沉积，其中气流方向通过这样一种结构而改变为倾斜向下的方向与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧。
17.根据权利要求16的化学汽相沉积方法，它进一步包括，将没有原料气的气体由具有气体渗透性的多微孔部分供给管式反应器，所述多微孔部分安装在倾斜管式反应器壁部分的下游侧的管式反应器壁上。
18.一种化学汽相沉积方法，包括，在水平管式反应器中将基片安装在基座上，用加热器加热该基片，然后在基本上平行于基片的方向上向基片供给包含原料气的气体以将半导体膜在所述基片上进行化学汽相沉积，其中包含原料气的气体供给到具有这样一种结构的水平管式反应器中基座与其相对的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。
19.根据权利要求18的化学汽相沉积方法，它进一步包括，将没有原料气的气体由具有气体渗透性的多微孔部分供给管式反应器，所述多微孔部分安装在与基座相对的管式反应器壁部分上。
20.根据权利要求16或18的化学汽相沉积方法，它进一步包括，使基片旋转和/或回转，并使化学汽相沉积反应的进程在基座的中心与基座的下游侧端部之间的区域内达到峰值。
21.根据权利要求16或18的化学汽相沉积方法，其中所述基片的最高加热温度最低为1000℃。
22.根据权利要求16或18的化学汽相沉积方法，其中使用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝、或三乙基铝作为III族金属源并使用氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼、或三甲基胺作为氮源将氮化镓基化合物半导体进行化学汽相沉积。
全文摘要
本发明公开了一种用于半导体膜的化学汽相沉积装置,它包括一种水平管式反应器,配有一个用于在其上安装基片的基座、用于加热该基片的加热器、原料气加入部分、和反应气体排气部分,其中该装置的结构使得与基片相对的管式反应器壁的部分由原料气通道的上游侧向下倾斜至其下游侧,这样改变气流方向为倾斜向下的方向,或使得基座与其相对的管式反应器壁之间的间隔小于在管式反应器壁中由原料气加入部分的气体加料口至基座所用原料气通道的上游侧端部的垂直间隔。本发明还公开了一种使用该装置的化学汽相沉积方法。这样,即使在大尺寸基片,或多个基片同时,或在高温下进行化学汽相沉积的情况下,可得到一种具有良好结晶度的均匀半导体膜。
文档编号C30B25/14GK1381872SQ0210642
公开日2002年11月27日 申请日期2002年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者酒井士郎, 高松勇吉, 森勇次, 王宏兴, 石滨义康, 网岛丰 申请人:日本派欧尼股份株式会社, 德岛酸素工业株式会社