CN102304698A

CN102304698A - Htcvd法碳化硅晶体生长装置

Info

Publication number: CN102304698A
Application number: CN201110264570A
Authority: CN
Inventors: 刘兴昉; 董林; 郑柳; 闫果果; 王雷; 赵万顺; 孙国胜; 曾一平; 李晋闽
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: CN102304698B

Abstract

一种HTCVD法碳化硅晶体生长装置，所述晶体生长装置适用于高温化学气相沉积工艺，所述晶体生长装置包括：一真空室；一晶体生长室，与真空室连接，该晶体生长室包括多个独立的晶体生长腔；多个输送源气体的管路，该输送源气体的管路位于真空室和晶体生长室内，分别与晶体生长室的独立的晶体生长腔连通，用于向晶体生长室输送源气体；一用于排除尾气的管路，位于真空室和晶体生长室内，分别与多个晶体生长腔连接，用于排出晶体生长尾气。

Description

HTCVD法碳化硅晶体生长装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种高产能的高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition，HTCVD)碳化硅晶体生长装置或者卤化物化学气相沉积法(Halide Chemical VaporDeposition，HCVD)碳化硅晶体生长装置。

背景技术

碳化硅(SiC)是继第一代半导体材料硅(Si)、锗(Ge)和第二代半导体材料砷化镓(GaAs)后发展起来的第三代半导体材料。由于SiC具有三倍于Si的宽带隙、十倍于Si的高临界击穿电场、三倍于Si的高热导率、两倍于Si的高载流子饱和浓度等特点，它在军用和航天领域的高温、高频、大功率电力电子、光电器件方面具有优越的应用价值，并逐步取代现有的硅和砷化镓基电力电子器件，成为下一代半导体基础材料。

在半导体照明衬底材料的应用方面，碳化硅的导热系数是蓝宝石的十倍，能更好地解决大功率半导体照明器件散热的技术难题；此外，碳化硅材料作为衬底可作垂直结构发光体，理论上同样材料可以提高一倍的发光效率，近乎节省了一半的成本，碳化硅取代蓝宝石作为发光二极管(LED)的衬底材料成为大势所趋。因此，碳化硅晶片在微电子、电力电子和半导体照明器件等领域都有着重要的应用和广阔的前景。

目前，SiC晶片一般采用物理气相输运(PVT)的方法进行制备，PVT法本身耗电量大、产能小，因此，该方法具有成本高、产量小等不利于大规模生产的缺点，从而也造成了当前碳化硅晶片在市场上的售价高且供应量小，进而严重制约了下游相关产业的发展。

高温化学气相沉积法(HTCVD)也被用于制备SiC晶片，图1示出现有技术中HTCVD法制备SiC晶片使用的晶体生长装置。如图1所示，该晶体生长装置使用含硅的半导体气体(如SiCl₄)和含碳的半导体气体(C₃H₈)，并在高温下反应合成SiC，从而在籽晶102上形成SiC晶锭，再经过晶片加工形成SiC衬底；其中，101为温度探测窗口，103为炉腔，104为该晶体生长装置的保温层，105为内层气体入口，106为外层气体入口，107为尾气出口。鉴于原料成本较低、能耗适中、产量较大，因此，HTCVD法能够满足当前LED器件产业发展的需要。

但是，随着新一代LED器件产业化的飞速发展与巨大需求，以及资源成本的飞涨和能耗、环保成本的大幅增加，无疑对SiC晶片的制备提出了更高的要求。传统的碳化硅晶体生长装置每炉一般只生长一颗晶锭(晶体棒)，相对来说生长效率低，满足不了产业规模化发展的巨大需求；虽然其能够提供的晶锭尺寸较大，但是尺寸大的晶锭其均匀性受到影响，不利于获得较高一致性的碳化硅晶锭；而且由于产能相对较低，并未充分利用系统热量，能耗相对较高。

随着国内外对新一代LED器件的需求越来越大，新一代LED器件的产业化发展要求也越发迫切；如何制造高亮度、低能耗、长寿命以及大功率LED器件，满足新一代高端应用场合，尤其是HTCVD法SiC衬底产业化开发就变得尤为重要。综上所述，迫切需要提供一种新型的高产能碳化硅晶体生长装置，能够满足SiC衬底大规模化生产的需求，提供更加均匀且符合产品特性要求SiC衬底。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种HTCVD法碳化硅晶体生长装置，能够提供大量均匀的SiC晶片满足新一代LED器件发展需要。

本发明提供一种HTCVD法碳化硅晶体生长装置，所述晶体生长装置适用于高温化学气相沉积工艺，所述晶体生长装置包括：

一真空室；

一晶体生长室，与真空室连接，该晶体生长室包括多个独立的晶体生长腔；

多个输送源气体的管路，该输送源气体的管路位于真空室和晶体生长室内，分别与晶体生长室的独立的晶体生长腔连通，用于向晶体生长室输送源气体；

一用于排除尾气的管路，位于真空室和晶体生长室内，分别与多个晶体生长腔连接，用于排出晶体生长尾气。

相比于一般每炉生长一颗晶锭(棒)的晶体生长装置，本发明采用多个生长单元集成，本发明提供的晶体生长装置，每个单元有独立的源气和尾气系统，能够独立、同时地获取多个质量均匀的晶锭，达到提高产能、增加效率、提高生长质量和降低成本的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，其中：

图1示出现有技术中HTCVD法制备SiC晶片使用的晶体生长装置；

图2示出了本发明提供的封口结构的一个实施例的截面示意图；

图3示出了本发明提供的晶体生长装置的另一个实施例的截面示意图；

图4示出了本发明提供的晶体生长装置的真空室的一个实施例的截面示意图；

图5示出根据本发明提供的晶体生长装置的晶体生长腔的一个实施例的结构示意图；以及

图6示出根据本发明提供的晶体生长装置的晶体生长腔的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明示例性的实施例进行描述。为了清楚和简要起见，实际的实施例并不局限于说明书中所描述的这些技术特征。然而，应该理解的是，在改进任何一个所述实际实施例的过程中，多个具体实施例的决定必须是能够实现改进人员的特定目标，例如，遵从行业相关和商业相关的限制，所述限制随着实施例的不同而变化。而且，应该理解的是，前述改进的效果即使是非常复杂和耗时的，但是这对于知晓本发明益处的本领域技术人员来说仍然是常规技术手段。

如图2所示，该晶体生长装置适用于高温化学气相沉积工艺，所述晶体生长装置包括：真空室1，用于容纳向晶体生长腔输送源气体的管路2；所述晶体生长室5，与真空室1连接，该晶体生长室5包括多个相互独立的晶体生长腔501；多个输送源气体的管路2，该输送源气体的管路2位于真空室1和晶体生长室5内，分别与晶体生长室5的独立的晶体生长腔501连通(例如，所述管路2的末端分别延伸至相应的晶体生长室5的底部)，用于向晶体生长室5输送源气体；用于排除尾气的管路3，位于真空室1和晶体生长室5内，分别与多个晶体生长腔501连接，用于排出晶体生长尾气。

根据本发明提供的晶体生长装置的另一实施例，所述晶体生长装置还包括：至少覆盖在所述晶体生长室5的外部的热防护装置4。

根据本发明提供的晶体生长装置的另一实施例，所述晶体生长装置还包括：样品装取室9，其至少能够在样品架上安装籽晶的阶段、从所述晶体生长腔501移出晶体进行冷却的阶段提供真空保护或气氛缓冲。其中，所述样品装取室9进一步包括：装取样品架的导轨6，以及沿所述导轨装取样品的杆状部件7。

根据本发明提供的晶体生长装置的另一实施例，所述杆状部件7选自磁力棒或勾型杆，用于通过磁力吸引或钩子勾取的方式装载、取放样品架。

根据本发明提供的晶体生长装置的另一实施例，所述真空室1与所述样品装取室9分别位于所述晶体生长室5相对的两侧。本领域技术人员根据本发明的教导可以清楚的知晓，所述真空室1与所述样品装取室9可以以任意角度位于所述晶体生长室5的周围，本领域技术人员可以根据场地、流水线等设计需要而任意布置。

如图3所示，本领域技术人员根据本发明的教导，所述晶体生长装置还具有装置台架8，用于支撑所述晶体生长装置并提供所述晶体生长装置的辅助功能。图3所示的装置台架8中的模块，可以分别对应于现有技术中惯常采用的载气(如氢气)，反应源气(如含硅，含碳的气体)，P型和N型掺杂剂，真空泵系统，电源系统等等。该设置台架所具有的功能包括但不限于前述所提及的内容，而且各个模块单元也可以根据具体需要而合理布局与配置。

如图4所示，本发明所示的晶体生长装置的真空室包括多个所述输送源气体的管路201，并且每个所述输送源气体的管路201都是由双层(如外层套管2011和内层套管2012)或多层套管构成，其中外部套管与内部套管之间的通道所输送的气体用于限制所述内部套管的气体流向，从而有利于保证晶体生长过程中气流气压的稳定性，以及生长的SiC晶体的均匀性等。

本领域技术人员根据本发明的教导可以清楚的知晓，根据具体晶体生长工艺，多层套管中的内层套管数量取决于所需要输入的气体的种类以及各种可能需要的保护气体或惰性气体等。

根据本发明提供的晶体生长装置的另一实施例，所述输送源气体的管路在所述真空室区域是由双层或多层套管构成的整体结构，而在所述晶体生长腔内形成多分支的套管结构，以便每一路分支套管分别延伸至相应的晶体生长腔的底部。

此外，本领域技术人员根据本发明的教导可以清楚的知晓，各个套管的尾部可以一直延伸至相应晶体生长腔的内部，也可以仅仅由外部套管延伸至相应晶体生长腔的内部。

如图5所示，该晶体生长装置的晶体生长腔进一步包括：多个晶体生长腔501，延伸至各个晶体生长腔501的输送源气体的管路201的末端；各自的尾气管504，用于与总尾气管505连接，以便连通所述真空室5中排除尾气的管路。

根据本发明所示的晶体生长室，其由多个独立的晶体生长腔构成，可以实现多个晶体的同时生长，克服了现有技术中晶体生长装置一炉只能生长一枚晶锭的局限性，从而极大地提高了晶体生长的效率；而且由于各个晶体生长腔具有各自独立的气源供应，因此，相互之间没有影响，保证了晶体生长能够可靠地进行以及晶体的均匀性和可控性。

如图6所示，所述晶体生长腔包括：底板5011，该底板5011位于晶体生长腔501的底部，两个气流挡板5012，该气流挡板5012位于底板5011上，用于限制源气体进入后的流向及空间；感应加热桶5013，扣置于底板5011上，在与底板5011之间形成供气体流过的通道，用于接收电磁感应，从而向所述晶体生长腔内部提供热量；并且该感应加热桶在所述晶体生长腔的主体部分分布有更多的感应线圈5018；样品托5015，该样品托5015位于感应加热桶5013的上部，用于放置籽晶以及收纳所生长的晶体样品；气动样品托通道5016和5017，该气动样品托通道5016、5017位于样品托5015与感应加热桶5013顶部之间，用于通过该通道输送的气体驱动所述样品托5015旋转和上下运动。其中所述气动样品托通道5017为进气通道，5016为出气通道，并且该进气通道被设置得相对于出气通道离样品托的圆心更近一些。

该晶体生长腔还包括绝缘保温套5014，设置在感应加热桶5013的四周，保证晶体生长时所需要的稳定可靠的温度，从而得到质量较高的碳化硅晶体。

根据本发明提供的CVD法碳化硅晶体生长装置，其每个晶体生长单元有独立的源气和尾气系统，并共享加热系统(如处在同一个温度场中)和真空系统，以此达到提高产能、降低能耗和成本的目的。

参考前述本发明示例性的描述，本领域技术人员可以清楚的知晓本发明具有以下优点：

1、本发明提供的CVD法碳化硅晶体生长装置，集成设置了多个晶体生长腔(单元)，克服了现有技术中晶体生长装置一炉只能生长一枚晶锭的局限性；提高了晶体生长的效率，能够满足SiC行业大规模发展的需要。

2、本发明提供的CVD法碳化硅晶体生长装置，其每个晶体生长单元有独立的源气和尾气系统，并共享加热系统(如处在同一个温度场中)和真空系统，以此达到提高产能、降低能耗和成本的目的。

3、此外，本发明提供的CVD法碳化硅晶体生长装置，通过多层套管的结构将晶体生长的源气体等分别通入各个晶体生长腔，因此，气源之间相互独立，晶体生长互不影响，从而保障了晶体生长的效率与可控性，同时也有利于获取质量均匀的晶锭材料。

此外，需要说明的是，本发明中的相关术语，如“一侧”和“另一侧”以及类似的用语仅仅是用来对一个实体或动作与另一个实体或动作加以区别，并非必须要求或暗示前述实体或行为具有任何所述关系或顺序。最后，需要说明的是，为了避免披露不必要的细节而造成本发明晦涩难懂，本发明的附图仅仅示出了与该技术方案密切相关的结构和/或流程步骤，其它与本发明主旨思想不密切相关的细节被省略了。

尽管基于一些优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该知晓，本发明的范围并不限于那些实施例。在不脱离本发明的精神和实质的情况下，本领域的普通技术人员在理解本发明的基础上能够对实施例进行各种变化和修改，并且因此落入本发明所附权利要求限定的保护范围。

Claims

1.一种HTCVD法碳化硅晶体生长装置，所述晶体生长装置适用于高温化学气相沉积工艺，所述晶体生长装置包括：

一真空室；

2.根据权利要求1所述的HTCVD法碳化硅晶体生长装置，其中还包括：至少覆盖在所述晶体生长室外部的热防护装置。

3.根据权利要求1所述的HTCVD法碳化硅晶体生长装置，其中还包括：样品装取室，远离真空室，位于晶体生长室的一侧。

4.根据权利要求3所述的HTCVD法碳化硅晶体生长装置，其中所述样品装取室进一步包括：装取样品架的导轨，以及沿所述导轨装取样品的杆状部件，位于样品装取室的上方。

5.根据权利要求4所述的HTCVD法碳化硅晶体生长装置，其中所述杆状部件选自磁力棒或勾型杆。

6.根据权利要求1所述的HTCVD法碳化硅晶体生长装置，所述晶体生长腔还包括：底板，该底板位于晶体生长腔的底部，两个气流挡板，该气流挡板位于底板上，用于限制源气体进入后的流向及空间；感应加热桶，扣置于底板上，在与底板之间形成供气体流过的通道，用于接收电磁感应，从而向所述晶体生长腔内部提供热量；并且该感应加热桶在所述晶体生长腔的主体部分分布有更多的感应线圈；样品托，该样品托位于感应加热桶的上部，用于放置籽晶以及收纳所生长的晶体样品；气动样品托通道，该气动样品托通道位于样品托与感应加热桶顶部之间，用于通过该通道输送的气体驱动所述样品托旋转和上下运动。

7.根据权利要求1所述的HTCVD法碳化硅晶体生长装置，其中每个所述输送源气体的管路都是由双层或多层套管构成，其中外部套管与内部套管之间的通道所输送的气体用于限制所述内部套管的气体流向。

8.根据权利要求1所述的HTCVD法碳化硅晶体生长装置，其中所述输送源气体的管路在所述真空室是由双层或多层套管构成的整体结构，而在所述晶体生长室内再形成多分支的套管结构，以便每一路分支套管分别延伸至相应的晶体生长腔的底部。