[发明专利]化学气相淀积反应器

说明书

技术领域

本发明涉及用于化学气相淀积的反应器和使用该反应器进行化学气相淀 积的方法。进一步是指用于在一个或多个晶态或非晶态衬底表面淀积(又称为 外延)单层或多层晶态或非晶态结构的非圆柱形反应腔或圆柱形反应腔。

背景技术

广泛应用于光电器件(如LEDs、激光器、太阳能电池和探测器)的化合 物半导体材料通常通过化学气相淀积的方法制造。

一种常见的化学气相淀积反应器的反应腔侧面结构如图1所示。该化学气 相淀积反应器的反应腔包括可进行化学气相淀积的圆柱形反应室122、反应腔 顶盖101、中央气体导入喷嘴107、可旋转衬底载盘106、在可旋转衬底载盘 106上加载的若干卫星舟127、可旋转衬底载盘106下面设置的加热装置126、 以及围绕衬底载盘106外侧的尾气出口103。

在实施化学气相淀积时，几股由元素周期表中V族反应剂和III族反应剂 组成的气流分别经由中央气体导入喷嘴107上各自的喷口进入反应室122内。 中央气体导入喷嘴107和尾气出口103位于衬底载盘106的上方，使得由中央 气体导入喷嘴107导入的气体能保持层流状态并沿着径向由内向外方向水平 进入尾气出口103。

所述V族反应剂与III族反应剂在气相中会发生反应并形成微小颗粒和惰 性衍生物，使得反应剂，特别是决定淀积速度的III族反应剂，沿气体流动方 向不断减少，导致化学气相淀积速度也沿着气流方向不断下降(所述现象也称 为反应剂耗尽效应)。对于圆柱形反应腔，当气体由内向外沿径向方向流动时， 其圆周面积的增加也会使反应剂在气相中的质量密度和气体流速不断变小，导 致化学气相淀积速度的进一步下降(所述现象也称为气流发散效应)，淀积的 单层或多层结构的均匀性很差。

一种常用的消除反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的手段是提升气流 速度来减小气流方向的反应剂浓度梯度，但其缺点是化学气相淀积效率很低， 耗源很多。另一种常用的用于补偿反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的办法 是旋转衬底载盘或旋转放置衬底的卫星舟。如图1所示，衬底载盘106一般以 每分钟10转左右的速度旋转，卫星舟127一般以每分钟50转左右的速度旋转。 制造和使用可旋转的大尺寸衬底载盘十分困难也十分昂贵，这已经影响到反应 器反应室中衬底载盘尺寸的进一步放大，限制了反应器反应腔单次可放置衬底 片容量的进一步增加。

由图1所示，反应腔顶盖上由于没有垂直方向的气流导入，使得径向气流 不可避免地会在顶盖表面不断累积淀积物，它不仅消耗反应剂，而且不断累积 的表面淀积会对气相淀积过程产生不可预见的影响。此外，由于顶盖上装有中 央气体导入喷嘴107，使得顶盖结构比较复杂，每次化学气相淀积后无法彻底 清理反应腔顶盖101和中央气体导入喷嘴107，继而无法确保化学气相淀积过 程的重复性、再现性和一致性。

为克服水平气流的反应剂耗尽效应和气流发散效应，反应气体可以由反应 腔的顶部垂直向下喷淋。由于垂直气流均匀覆盖了整个衬底载盘，反应剂耗尽 效应和气流发散效应对化学气相淀积过程影响较小，通常无须旋转衬底载盘或 旋转放置衬底的卫星舟也可能实现均匀的化学气相淀积。为了在衬底表面有足 够均匀的气体混合，所述反应腔必须有一定的高度。反应室直径越大，其所要 求的高度就越高，特别是在高气压和衬底载盘温度很高时，所述反应室内就会 发生严重的热对流，并引发涡流。为了抑制热对流，通常不得不使用很大的气 体流量和高速换转衬底载盘，其负面效应就是气体耗用增加。特别是当衬底载 盘越来越大时，高速旋转衬底载盘很难避免其摇摆和抖动，以致无法正常执行 化学气相淀积过程。