HVPE用气体传输装置、反应腔及HVPE设备的制作方法

本发明涉及气相外延沉积技术领域，特别是涉及一种hvpe用气体传输装置、反应腔及hvpe设备。

背景技术：

氢化物气相外延(hvpe，hydridevaporphaseepitaxy)设备为化合物生长工艺设备，主要用于在1000度左右高温环境下通过如h2、hcl等氢化物气体，使衬底表面外延生长一层如gaas、gan等的厚膜或晶体。

外延层生长最重要的指标是其生长厚度及其组分的均匀性。这就要求衬底上方反应区内的各前驱物气体混合均匀，并具有较佳的气流均匀性。但采用现有的hvpe设备，在一片或多片衬底表面生长外延层时，反应区内的各前驱物气体的混合往往不够均匀，且气流的均匀性也较低，从而导致外延层厚度及其组分出现均匀性较差的问题。

之所以会出现这些问题，是因为现有hvpe设备中反应腔内的气体传输装置等结构不够理想。现有hvpe设备中反应腔内的气体传输装置是由含金属前驱物气体通路管道、含氮前驱物气体通路管道以及其间的惰性稀释(id)屏蔽气体通路管道组成同心圆管道结构，且一般位于反应区的中心区域。在外延生长时，由于大部分含氮前驱物气体在未达到衬底表面并与含金属前驱物气体混合时就已经流出反应区，其达到衬底表面的浓度呈指数递减，并随着屏蔽气体的流量增大而递减速度增大，同时与含金属前驱物气体的混合均匀性及气流均匀性也受到了限制。这样一来，不但需要传输更多的含氮前驱物气体与含金属前驱物气体进行混合，外延层的生长速率会受到影响，而且衬底表面生长的外延层会出现明显的厚膜带，厚膜带的组分也与其他部位具有明显差异，从而造成外延层厚度及其组分的均匀性较差。

因此，如何改进hvpe设备中反应腔内的气体传输装置，以避免上述缺陷的发生，是亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种hvpe用气体传输装置、反应腔及hvpe设备，用于解决现有技术中外延层厚度及其组分的均匀性较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提高一种hvpe用气体传输装置，其中，所述hvpe用气体传输装置至少包括：含金属前驱物气体通路管道，屏蔽气体通路管道，以及含氮前驱物气体通路管道；其中：

所述屏蔽气体通路管道套设于所述含金属前驱物气体通路管道外，形成双套管结构；

所述含氮前驱物气体通路管道位于所述双套管结构的上方或者一侧。

优选地，所述双套管结构设有2-17组。

优选地，所述双套管结构设有3-7组。

优选地，所述含氮前驱物气体通路管道的长度小于所述双套管结构的长度的1/4。

优选地，所述含氮前驱物气体通路管道的长度小于所述双套管结构的长度的1/10。

优选地，所述含金属前驱物气体通路管道的长度小于等于所述屏蔽气体通路管道的长度。

优选地，所述含金属前驱物气体通路管道的内径为3～30mm，所述屏蔽气体通路管道的内径为5～60mm，且所述含金属前驱物气体通路管道与所述屏蔽气体通路管道之间的内径比为15:1～5:1。

优选地，所述含金属前驱物气体通路管道的内径为5～20mm，所述屏蔽气体通路管道的内径为15～40mm，且所述含金属前驱物气体通路管道与所述屏蔽气体通路管道之间的内径比为8:1～2:1。

优选地，各组双套管结构均匀排布；或者，相邻双套管结构之间以任意间距排布，且相邻双套管结构之间具有小于等于4个的不同的间距。

优选地，各组双套管结构的长度相同或者不同。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提高一种反应腔，其中，所述反应腔至少包括：石英腔体，以及设置于所述石英腔体内的如上所述的hvpe用气体传输装置。

优选地，所述石英腔体至少包括：上段腔体，与所述上段腔体连接的中段腔体，以及与所述中段腔体连接的下段腔体；其中，所述上段腔体和所述下段腔体均为柱形腔体，且所述上段腔体的内径小于所述下段腔体的内径，所述中段腔体为匹配所述上段腔体内径和所述下段腔体内径的变径腔体。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提高一种hvpe设备，其中，所述hvpe设备至少包括：如上所述的反应腔。

如上所述，本发明的hvpe用气体传输装置、反应腔及hvpe设备，具有以下有益效果：

本发明的hvpe用气体传输装置，将屏蔽气体通路管道和含金属前驱物气体通路管道形成双套管结构，且含氮前驱物气体通路管道位于双套管结构的上方或者一侧，通过在气体传输装置和反应腔腔体之间的空隙通入含氮前驱物气体，使该空隙内的压力与各双套管结构内的压力保持平衡，避免了从各双套管结构内流出的含金属前驱物气体流向该空隙内，并与含氮前驱物气体反应生成金属氮化物，附着在反应腔腔体内壁和气体传输装置的外壁上，导致其因应力不均而造成破裂；另外，由于含氮前驱物气体通路管道的长度远小于双套管结构的长度，且位于反应腔腔体与双套管结构之间，可以使含氮气体前驱物气体在到达双套管结构出口与含金属前驱物气体混合前，在气体传输装置的周围以及反应腔腔体的内部预先自分散均匀，然后再与含金属前驱物气体混合反应，保证了含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，从而提高了在衬底表面生长的外延层厚度及其组分的均匀性；另外，由于双套管结构可以设有多组，与传统的三套管结构相比，可以使含金属前驱物气体均匀地分布在衬底上方，同时使含氮前驱物气体通过双套管结构之间的间隙均匀地分布在各双套管结构外，增加了两者的接触面积，能够更好地提高含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，从而进一步提高了在衬底表面生长的外延层的质量。

本发明的反应腔，设置有特殊构造的石英腔体，将本发明的hvpe用气体传输装置置入该石英腔体中，可以进一步提高含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性以及气流均匀性。

本发明的hvpe设备，采用本发明的hvpe用气体传输装置和反应腔，能够在一片或多片衬底表面生长厚度及组分均匀性极佳的外延层。

附图说明

图1显示为本发明第一实施方式的hvpe用气体传输装置的俯视示意图。

图2显示为本发明第一实施方式的hvpe用气体传输装置的剖面示意图。

图3显示为本发明第二实施方式的hvpe用气体传输装置中含氮前驱物气体通路管道的一个优选方案示意图。

图4显示为本发明第二实施方式的hvpe用气体传输装置中含氮前驱物气体通路管道的另一个优选方案示意图。

图5显示为图4的俯视示意图。

元件标号说明

11含金属前驱物气体通路管道

12屏蔽气体通路管道

13含氮前驱物气体通路管道

131出气孔

132水平段管道

133竖直段管道

20石英腔体

21上段腔体

22中段腔体

23下段腔体

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2，本发明第一实施方式涉及一种hvpe用气体传输装置。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和图2所示，本实施方式的hvpe用气体传输装置至少包括：含金属前驱物气体通路管道11，屏蔽气体通路管道12，以及含氮前驱物气体通路管道13。其中：

屏蔽气体通路管道12套设于含金属前驱物气体通路管道11外，形成双套管结构；

含氮前驱物气体通路管道13位于双套管结构的一侧。

在本实施方式中，双套管结构设有多组。优选地，双套管结构的数量为2-17组，更优地，双套管结构的数量为3-7组。

值得一提的是，含金属前驱物气体通路管道11用于传输含金属前驱物气体，例如gacl、gacl3、alcl3、incl3、gabr、albr、inbr、gai3、ali3、ini3等中的一种或几种，优选地，含金属前驱物气体为氯化镓，其是由金属镓与氯化氢或氯气反应而成。屏蔽气体通路管道12用于传输屏蔽气体，例如氮气、氢气、氦气、氩气或它们的任意组合等。含氮前驱物气体通路管道13用于传输含氮前驱物气体，例如氨气等。与现有技术的同心圆管道结构相比，本实施方式的hvpe用气体传输装置能够大大降低屏蔽气体对含氮前驱物气体的影响，提高了气流均匀性，同时提高了含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性。

在本实施方式中，含氮前驱物气体通路管道13的长度小于双套管结构的长度的1/4。更优地，含氮前驱物气体通路管道13的长度小于双套管结构的长度的1/10。其中，双套管结构的长度是指含金属前驱物气体通路管道11和屏蔽气体通路管道12中长度较长的管道的长度。

需要说明的是，本实施方式的hvpe用气体传输装置应用于hvpe设备的反应腔中，并通常设置于反应腔腔体的内部上方。通过在本实施方式的hvpe用气体传输装置和反应腔腔体之间的空隙通入含氮前驱物气体，使该空隙内的压力与各双套管结构内的压力保持平衡，避免了从各双套管结构内流出的含金属前驱物气体流向该空隙内，并与含氮前驱物气体反应生成金属氮化物，附着在反应腔腔体内壁和本实施方式的hvpe用气体传输装置的外壁上，导致其因应力不均而造成破裂。另外，由于含氮前驱物气体通路管道13的长度短于双套管结构的长度，且位于反应腔腔体与双套管结构之间，通过含氮前驱物气体通路管道13导出的含氮前驱物气体在到达各双套管结构出口与含金属前驱物气体混合前，能够在本实施方式的hvpe用气体传输装置的周围以及反应腔腔体的内部预先自分散均匀，然后再与含金属前驱物气体混合反应，提高了含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，有助于含金属前驱物气体中金属的氮化，从而提高了在衬底表面生长的外延层厚度及其组分的均匀性。另外，由于双套管结构可以设有多组，与传统的三套管结构相比，可以使含金属前驱物气体均匀地分布在衬底上方，同时使含氮前驱物气体通过双套管结构之间的间隙均匀地分布在各双套管结构外，增加了两者的接触面积，能够更好地提高含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，从而进一步提高了在衬底表面生长的外延层的质量。

另外，在本实施方式中，含氮前驱物气体通路管道13可以位于双套管结构的任意一侧。优选地，含氮前驱物气体通路管道13底端所处的位置高于双套管结构顶端所处的位置，或者含氮前驱物气体通路管道13顶端所处的位置与双套管结构顶端所处的位置平齐。

当然，在其他实施方式中，含氮前驱物气体通路管道13也可以位于双套管结构的上方(说明书附图中未示出)，当含氮前驱物气体通路管道13位于双套管结构的上方时，含氮前驱物气体在本实施方式的hvpe用气体传输装置的周围以及反应腔的内部的分布可以更均匀。

此外，在本实施方式中，优选地，各组双套管结构均匀排布在反应腔腔体内。当然，在其他实施方式中，相邻双套管结构之间也可以以任意间距排布在反应腔腔体内，且相邻双套管结构之间具有小于等于4个的不同的间距，即相邻双套管结构之间间距的不同数值的个数最多有4个。

此外，在本实施方式中，优选地，各组双套管结构中的含金属驱物气体通路管道11的内径均相同，屏蔽气体通路管道12的内径均相同，且各组双套管结构中的含金属驱物气体通路管道11的长度均相同，屏蔽气体通路管道12的长度均相同。当然，在其他实施方式中，各组双套管结构中的含金属驱物气体通路管道11和屏蔽气体通路管道12的内径也可以分别不同，各组双套管结构中的含金属驱物气体通路管道11和屏蔽气体通路管道12的长度也可以分别不同，但各组双套管结构中的含金属驱物气体通路管道11的长度必然小于等于屏蔽气体通路管道12的长度。

并且，在本实施方式中，各双套管结构中的含金属前驱物气体通路管道11的长度均小于等于屏蔽气体通路管道12的长度。屏蔽气体通路管道12传输的屏蔽气体用于保护从含金属前驱物气体通路管道11流出的含金属前驱物气体，避免了含金属前驱物气体在含金属前驱物气体通路管道11的出口处就与外界的含氮前驱物气体发生反应而在含金属前驱物气体通路管道11的出口处沉积金属氮化物，因而也就避免了沉积在含金属前驱物气体通路管道11出口处的金属氮化物被气流吹落在衬底表面造成衬底污染，而最终导致生成的晶圆片缺陷密度增大，甚至破裂。

并且，含金属前驱物气体通路管道11的内径为3～30mm，屏蔽气体通路管道12的内径为5～60mm，且含金属前驱物气体通路管道11与屏蔽气体通路管道12之间的内径比为15:1～5:1。更优地，含金属前驱物气体通路管道11的内径为5～20mm，屏蔽气体通路管道12的内径为15～40mm，且含金属前驱物气体通路管道11与屏蔽气体通路管道12之间的内径比为8:1～2:1。

此外，在本实施方式中，含氮前驱物气体通路管道13为直通管道，其顶端和底端贯通，含氮前驱物气体从含氮前驱物气体通路管道13的顶端进入，并通过含氮前驱物气体通路管道13的底端向下导出。

此外，在本实施方式中，各双套管结构中的含金属前驱物通路管道11和含氮前驱物气体通路管道13中还可以通入适量的载气，例如氮气、氢气、氦气、氩气或它们的任意组合等。载气具有如下作用：1、能够稀释含金属前驱物气体的浓度，调控外延层的生长速率；2、能够对含金属前驱物气体和含氮前驱物气体进行引流。此外，在含金属前驱物通路管道11和含氮前驱物气体通路管道13中通入载气，有利于载气与含金属前驱物气体混合均匀，因而更有利于载气发挥其上述功效。

本实施方式的hvpe用气体传输装置，将屏蔽气体通路管道和含金属前驱物气体通路管道形成双套管结构，并设有多组双套管结构，且含氮前驱物气体通路管道位于双套管结构的上方或者一侧，通过在气体传输装置和反应腔腔体之间的空隙通入含氮前驱物气体，使该空隙内的压力与各双套管结构内的压力保持平衡，避免了从各双套管结构内流出的含金属前驱物气体流向该空隙内，并与含氮前驱物气体反应生成金属氮化物，附着在反应腔腔体内壁和气体传输装置的外壁上，导致其因应力不均而造成破裂；另外，由于含氮前驱物气体通路管道的长度远小于双套管结构的长度，且位于反应腔腔体与双套管结构之间，可以使含氮气体前驱物气体在到达双套管结构出口与含金属前驱物气体混合前，在气体传输装置的周围以及反应腔腔体的内部预先自分散均匀，然后再与含金属前驱物气体混合反应，保证了含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，从而提高了在衬底表面生长的外延层厚度及其组分的均匀性；另外，由于双套管结构可以设有多组，与传统的三套管结构相比，可以使含金属前驱物气体均匀地分布在衬底上方，同时使含氮前驱物气体通过双套管结构之间的间隙均匀地分布在各双套管结构外，增加了两者的接触面积，能够更好地提高含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，从而进一步提高了在衬底表面生长的外延层的质量。

请参阅图3至图5，本发明第二实施方式涉及一种hvpe用气体传输装置。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，含氮前驱物气体通路管道13是一根直通管道。而在本实施方式中，对含氮前驱物气体通路管道13进行了结构改进。具体地说：

作为本实施方式的一个优选方案，如图3所示，含氮前驱物气体通路管道13为侧通管道，其底端为封闭结构，其侧壁上开设有至少两个出气孔131，且出气孔131在含氮前驱物气体通路管道13的侧壁上等距分布。较佳地，含氮前驱物气体通路管道13的侧壁上相对开设有两个出气孔131，含氮前驱物气体从含氮前驱物气体通路管道13的顶端进入，并通过含氮前驱物气体通路管道13侧壁的两个出气孔131向两侧导出。此外，出气孔131的数量为2～16个，需要根据实际所需的含氮前驱物气体的流量和流速进行选择。

通过该优选方案的含氮前驱物气体通路管道13，含氮前驱物气体从含氮前驱物气体通路管道13侧壁上的出气孔131导出，含氮前驱物气体水平流动到达并撞击反应腔腔体内壁，然后反向流动并继而向下流动，从而进一步提高了含氮前驱物气体在本实施方式的hvpe用气体传输装置的周围以及反应腔的内部的分布均匀性，并进一步提高了后续含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，进而提高了在衬底表面生长的外延层厚度及其组分的均匀性。

作为本实施方式的另一个优选方案，如图4所示，含氮前驱物气体通路管道13由水平段管道132以及垂直于水平段管道132的竖直段管道133构成，其中，水平段管道132的上表面开设有至少两个出气孔131。优选地，水平段管道132为水平圆盘管道，水平段管道132和竖直段管道133同轴设置，如图5所示，出气孔131绕竖直段管道133的轴线在水平段管道132的上表面等距分布。当然，在其他方案中，水平段管道132也可以为水平直管道，竖直段管道133垂直连接于水平段管道132中部的上表面，出气孔131对称分布在水平段管道132两端的上表面。含氮前驱物气体从含氮前驱物气体通路管道13的竖直段管道133顶端进入，并通过含氮前驱物气体通路管道13的水平段管道132上表面的出气孔131向上导出。此外，出气孔131的数量为2～16个，需要根据实际所需的含氮前驱物气体的流量和流速进行选择。出气孔131的存在更利于含氮前驱物气体匀速流出，保障了气流的均匀性。

通过该优选方案的含氮前驱物气体通路管道13，含氮前驱物气体从倒梯形的含氮前驱物气体通路管道13的水平段管道132上表面的出气孔131向上导出，含氮前驱物气体的流场形成一个微旋流，含氮前驱物气体先向上流动到达并撞击反应腔腔体顶部，然后反向向下流动，从而进一步提高了含氮前驱物气体在本实施方式的hvpe用气体传输装置的周围以及反应腔的内部的分布均匀性，并进一步提高了后续含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，进而提高了在衬底表面生长的外延层厚度及其组分的均匀性。

由于本实施方式是在本发明第一实施方式的基础上进行的改进，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

请继续参阅图2，本发明第三实施方式涉及一种反应腔，其中，本实施方式的反应腔至少包括：石英腔体20，以及设置于石英腔体20内的如本发明第一实施方式或者第二实施方式所涉及的hvpe用气体传输装置。

在本实施方式中，石英腔体20至少包括：上段腔体21，与上段腔体21连接的中段腔体22，以及与中段腔体22连接的下段腔体23，且上段腔体21、中段腔体22和下段腔体23同轴设置。其中，上段腔体21和下段腔体23均为柱形腔体，且上段腔体21的内径小于下段腔体23的内径，中段腔体22为匹配上段腔体21内径和下段腔体23内径的变径腔体。

如图2所示，在石英腔体20中，上段腔体21的长度大于含氮前驱物气体通路管道13的长度，且小于屏蔽气体通路管道12的长度；而屏蔽气体通路管道12,的底端所在位置不超过中段腔体22的底部。该种特殊构造的石英腔体20配合上述实施方式中的hvpe用气体传输装置，能够更好地控制各前驱物气体的流动方向和气流的均匀性。具体地说，在上段腔体21中，通过含氮前驱物气体通路管道13导出的含氮前驱物气体集中向下流动，在到达中段腔体22中后逐渐扩散流动，同时与通过含金属前驱物气体通路管道11导出的含金属前驱物气体均匀混合，然后混合后的前驱物气体在下段腔体23中向下集中沉积，直至到达一片或者多片衬底表面，形成外延层。

另外，本实施方式的反应腔应用于温度在800℃～1200℃的具有腐蚀性气体环境中，且在本实施方式中，石英腔体20采用石英材质制备而成。当然，在其他实施方式中，腔体也可以采用除金属材质外的其他材质，这是由于含金属前驱物气体所包含的金属(例如金属镓)具有穿透性，能穿透金属，因此腔体应采用含金属前驱物气体所包含的金属无法穿透的材质制备。

本实施方式的反应腔采用特殊构造的石英腔体20，将本发明第一实施方式或者第二实施方式所涉及的hvpe用气体传输装置置入该石英腔体20中，可以进一步提高含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性以及气流均匀性。

当然，在其他实施方式中，石英腔体20也可以为一直通腔体或者其他变形腔体。且石英腔体20的形状、大小和高度可以根据实际需要进行设置，并不以本实施方式为限制。

本发明第四实施方式涉及一种hvpe设备，其中，本实施方式的hvpe设备至少包括：本发明第三实施方式所涉及的反应腔。

本实施方式的hvpe设备采用本发明上述实施方式中的hvpe用气体传输装置和反应腔，能够在一片或多片衬底表面生长厚度及组分均匀性极佳的外延层。

综上所述，本发明的hvpe用气体传输装置、反应腔及hvpe设备，具有以下有益效果：

本发明的hvpe用气体传输装置，将屏蔽气体通路管道和含金属前驱物气体通路管道形成双套管结构，并设有多组双套管结构，且含氮前驱物气体通路管道位于双套管结构的上方或者一侧，通过在气体传输装置和反应腔腔体之间的空隙通入含氮前驱物气体，使该空隙内的压力与各双套管结构内的压力保持平衡，避免了从各双套管结构内流出的含金属前驱物气体流向该空隙内，并与含氮前驱物气体反应生成金属氮化物，附着在反应腔腔体内壁和气体传输装置的外壁上，导致其因应力不均而造成破裂；另外，由于含氮前驱物气体通路管道的长度远小于双套管结构的长度，且位于反应腔腔体与双套管结构之间，可以使含氮气体前驱物气体在到达双套管结构出口与含金属前驱物气体混合前，在气体传输装置的周围以及反应腔腔体的内部预先自分散均匀，然后再与含金属前驱物气体混合反应，保证了含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，从而提高了在衬底表面生长的外延层厚度及其组分的均匀性；另外，由于双套管结构可以设有多组，与传统的三套管结构相比，可以使含金属前驱物气体均匀地分布在衬底上方，同时使含氮前驱物气体通过双套管结构之间的间隙均匀地分布在各双套管结构外，增加了两者的接触面积，能够更好地提高含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性，从而进一步提高了在衬底表面生长的外延层的质量。

本发明的反应腔，设置有特殊构造的石英腔体，将本发明的hvpe用气体传输装置置入该石英腔体中，可以进一步提高含氮前驱物气体与含金属前驱物气体混合的均匀性以及气流均匀性。

本发明的hvpe设备，采用本发明的hvpe用气体传输装置和反应腔，能够在一片或多片衬底表面生长厚度及组分均匀性极佳的外延层。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。