CN102747418A - 一种高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法。该装置包括：不锈钢制作的密闭工作室、位于工作室内的石墨反应腔室、位于反应腔室的外围的加热组件；于反应腔室内设置有托盘槽，承载有碳化硅衬底的托盘放置于该托盘槽内；反应腔室具有一前后贯穿的通道，于通道的两端分别设置有进气装置和出气装置。处理时，将碳化硅衬底放入反应腔室内，然后进行抽真空、加热处理，接着通入反应气体，令碳化硅进行外延生长，最后取出即可。本发明的结构简单，相对于目前的石英管结构，其制作相对容易，并且便于加工，可用于处理面积较大的碳化硅。另外，本发明的工作室采用水冷不锈钢结构，具有较高的强度，不易损坏。

Description

一种高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法

技术领域：

本发明涉及碳化硅外延生长技术领域，特别设计一种高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法。

背景技术：

近年来，由于军事、航天、雷达通信、电力传输、汽车工业和工业过程控制等领域对耐高温、大功率电力电子器件的需求不断增大，以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体日益受到人们的关注。SiC是继硅（Si）和砷化镓（GaAs）材料之后出现的第三代半导体材料，和传统的硅（Si）材料相比，SiC拥有明显的优势。例如，其禁带宽度是Si的3倍，饱和电子漂移速率是Si的2.5倍，击穿电场是Si的10倍。因此，其在高温、高频和大功率器件等领域有着巨大的应用潜力。目前，国际上已经成功研制出一系列具有不同结构和不同耐压的SiC功率器件，并且一些重要的SiC功率器件，如SiC MOSFET、SiC JFET和SiC SBD已经成功商品化。而在我国SiC功率器件的研制尚属于起步阶段，如何填补国内SiC功率器件产业化空白已成为一个亟待解决的问题。

不同种类的SiC功率器件需要不同厚度和掺杂浓度的外延漂移层，而目前制备碳化硅外延层的主要方法是高温化学气相沉积(CVD)技术。所谓化学气相沉积技术，就是利用载气将反应气体如硅烷、丙烷等运输到外延生长室内，使它们在热衬底上发生化学反应并沉积得到碳化硅（SiC）外延材料。因为SiC外延层的结晶质量、缺陷密度和表面粗糙度对SiC功率器件的性能有着至关重要的影响，所以SiC外延生长技术是其功率器件制备的关键工艺。

为推动SiC功率器件的产业化发展，必须尽可能的降低其功率器件的生产成本，而在大尺寸SiC外延晶片上制备SiC功率器件能够有效地降低其生产成本。因此，发展大面积、多片SiC外延生长装置能够有效地促进SiC外延晶片及其器件的产业化进程。然而，随着生产型外延系统所用的SiC衬底的直径和一次装载晶片数量不断地增加，人们对生产出的外延晶片的均匀性（掺杂与厚度）的要求也越来越高。目前，国际上生产SiC外延系统普遍采用多片卫星盘式结构，在该结构中，SiC衬底沿生长大盘的外围圆周法线方向等间距放置；生长时反应气体沿生长大盘径向方向由中心向其外围扩散，经过SiC衬底时便沉积得到SiC外延层。由于气流只需经过每个衬底的直径距离便可以完成沉积，这使得生长工艺的优化只需在一个晶片直径范围内进行。然而，随着晶片直径的增大，该结构的缺点也越来越突出。在该结构中，气体沿径向方向流动，其截面积不断增大；由于气体流速的迅速降低，使本来就存在的气体的耗尽效应显得更加突出，从而增大了外延晶片的不均匀性。对于较大直径的晶片而言，就更加显著。

另外，就SiC外延设备的气密隔离外壳的材料而言，目前普遍采用石英管结构。由于设备的反应腔室设置于石英管内部，随着SiC外延设备的容量（包括晶片直径和晶片数量）不断提高，石英管的直径必须不断扩大以满足设备扩容需求。大直径的石英管不但易于损坏，而且其加工难度也很大，这就给设备的制造和安全性提出了很大的挑战。因此，如何设计一种大面积多片SiC外延系统已成为一个亟待解决的难题。

发明内容：

本发明所要解决的第一个技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种高温大面积碳化硅外延生长装置，该装置不但能够实现大面积SiC外延生长，而且还可以实现多片生长，并能保证外延晶片的均匀性需求。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该装置包括：一密闭工作室，该工作室具有进样门；一反应腔室，该反应腔室位于所述的工作室内；一加热组件，该加热组件位于反应腔室的外围，通过加热组件对反应腔室进行加热；于反应腔室内设置有托盘槽，承载有碳化硅衬底的托盘放置于该托盘槽内；上述的反应腔室具有一前后贯穿的通道，于通道的两端分别设置有进气装置和出气装置，所述的进气装置和出气装置安装在工作室上，气体由进气装置进入反应腔室内，并由出气装置排出。

进一步而言，上述技术方案中，所述的工作室呈长方体，其由底盘、上盖和围设于四周的侧壁构成，其中于相对两侧壁上设置有进样门和备用门。

进一步而言，上述技术方案中，所述的反应腔室由腔室上盖、腔室侧壁和腔室底盘围设形成一通道，于所述的腔室底盘上开设有供托盘放置的托盘槽。

进一步而言，上述技术方案中，所述的进气装置包括：一进气器、进气底盘和进气通道，所述的进气通道通过进气底盘与进气器连通；所述的进气通道安装在工作室的底盘上，其进气口与外部的气体输出装置连通；所述的进气底盘安装于进气通道的上方；所述的进气器安装在进气底盘上。

进一步而言，上述技术方案中，所述的进气器具有与进气底盘连通的进气口和与反应腔室连通的出气口；所述的进气器的出气口由多个均匀分布的气孔构成；于该进气口和出气口之间设置有至少两层进气挡板，每层进气挡板上设有密集程度不等的网孔结构。

进一步而言，上述技术方案中，所述的进气底盘上设置有与进气器卡套配合的定位边。

进一步而言，上述技术方案中，所述的出气装置包括：一出气器、出气底盘和出气通道，所述的出气通道通过出气底盘与出气器连通；所述的出气通道安装在工作室的底盘上，其出气口连通制工作室外部；所述的出气底盘安装于出气通道的上方；所述的出气器安装在出气底盘上。

进一步而言，上述技术方案中，所述的出气器具有与出气底盘连通的出气口和与反应腔室连通的进气口；所述出气器的进气口由多个均匀分布的气孔构成；所述的出气底盘上设置有与出气器卡套配合的定位边。

进一步而言，上述技术方案中，所述的托盘呈方形，其上开设有用于放置旋转托盘的旋转托盘槽；所述的反应腔室采用石墨材料制作；所述的工作室、进气装置和出气装置采用水冷不锈钢材料制作。

本发明所要解决的另一个技术问题，就在于提供一种采用上述装置，进行高温大面积碳化硅外延生长的处理方法。

为解决该技术问题，本发明采用的技术方案为：第一步，将碳化硅材料的衬底进行清洗，清洗完毕后将其放置于旋转托盘内，并将该旋转托盘放入方形的托盘中的对应的托盘槽内；第二步，将上述的方形托盘放入一个密闭工作室内，打开工作室的进样门，将方形托盘放入工作室内一反应腔室内，然后将工作室的进样门关闭；第三步，对反应腔室进行抽真空处理，令反应腔室达到预设的真空度；第四步，向反应腔室内通入气体，并打开电源，通过反应腔室外部的加热组件对其进行加热；第五步，当反应腔室内温度达到的碳化硅衬底生长所需的温度后，向反应腔室内通入反应气体，令碳化硅衬底进行外延生产；第六步，生长完毕后，反应气体停止输入，关闭加热组件，令反应腔室及碳化硅衬底自行降温；第七步，打开工作室，取出方形托盘，由旋转托盘上取下样品。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

1.在本发明中，碳化硅的生长装置不存在截面积的增大现象，保证了气流方向流速的恒定。在相同的耗尽效应下，反应区域范围得到扩大；同时，适当改变反应腔室的上盖倾斜角度，可以在更大的范围内实现SiC的外延生长，即保证了大面积的需要，又保证了均匀性的需要。

2.反应工作室采用水冷不锈钢结构，与传统的石英管结构相比，其优势在于生长装置的外壳形状可根据需要进行设计，避免了石英管一般为圆形的局限；且不锈钢具有较高的强度，避免了石英管易损坏的缺点；不锈钢的加工难度远低于石英管，满足大容量生长装置的设计需求。

3.旋转托盘可与反应腔室底盘自由连接与分离，使得通过使用不同规格的旋转托盘来灵活改变系统的载片能力，如系统一次可以生长2片8英寸或3片6英寸，也可生长8片4英寸或10片3英寸。

本发明是为急需的高温大功率SiC器件用外延材料产业化生产而专门设计的一种高温大面积多片外延生长装置，该装置属于气相化学沉积系统，也适用于其他半导体外延材料的生长，如Si基SiC、蓝宝石基SiC、氮化镓（GaN）等，也可作为高温退火装置使用。

附图说明：

图1是本发明碳化硅外延生长装置的结构示意图；

图2是本发明中工作室的左视图；

图3是本发明中反应腔室与加热组件的左视示意图；

图4是本发明中反应腔室与加热组件主视示意图；

图5是本发明中反应腔室的剖视图；

图6是本发明中另一实施例的反应腔室的腔室底盘的俯视结构示意图；

图7是图6中腔室底盘的左视图；

图8A是本发明中托盘的俯视图；

图8B是本发明中托盘的剖视图；

图9是本发明中进气装置的结构示意图；

图10是本发明中进气装置的主视结构示意图；

图11是本发明进气装置中进气底盘的俯视图；

图12是本发明进气装置中下层进气挡板的俯视图；

图13是本发明进气装置中上层进气挡板的俯视图；

图14是本发明中出气装置的结构示意图；

图15是本发明中出气装置的主视结构示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

参见图1-2所示，这是本发明一较佳实例的具体结构，其为一种高温大面积碳化硅外延生长装置，包括有一呈长方体（或正方体）的工作室10，该工作室10由：底盘1、上盖2、侧壁3围设构成，形成一个密闭的空间。其中于左右相对侧壁3上分别设置有一备用门4和一进样门5。其中，进样门5用于将样品送入工作室10内。备用门4的作用是：当进样门5出现异常时，可以通过备用门4继续完成相关工作或者进行维修。

本实施例中，工作室10的底盘1、上盖2、侧壁3、备用门4和进样门5可采用水冷不锈钢结构。

在工作室10的内部空间设置有一反应腔室6，该反应腔室6左右两端分别设置有进气装置7和出气装置8，在反应腔室6的外围还设置有加热组件9，通过加热组件9对反应腔室6加热。

所述的反应腔室6具有一前后贯穿的通道60，进气装置7和出气装置8分别设置在通道60的两端，所述的进气装置7和出气装置8固定安装在工作室10上，通过进气装置7和出气装置8将整个反应腔室悬空固定。工作气体由进气装置7进入反应腔室6内，并由出气装置8排出。

见图3、4所示，反应腔室6呈水平方式，其外围设置有加热组件9，该加热组件9采用铜螺线管射频加热线圈，其均匀围绕在反应腔室6的外部，并且电极引出工作室10，与外部的工作电路连接。

见图5所示，反应腔室6采用石墨材料制作，其主体呈一长方体造型，其包括：腔室上盖61、腔室侧壁62、腔室底盘63，在腔室底盘63上开设有一托盘槽631，用于放置托盘64。

见图6、7所示，这是本发明一优选实施例，本实施例中，在腔室底盘63上开设有两个方形的托盘槽631，每个托盘槽631内均可放置与之对应的方向托盘64。托盘64可从腔室底盘63上灵活取下与放置。

见图8A、8B所示，托盘64上也开设有一圆形的旋转托盘槽641，该旋转托盘槽641用于放置旋转托盘65。

参见图6所示，本发明的旋转托盘65用于放置SiC衬底样品100，且可与方形托盘64自由连接与分离。取放样品100时，通过腔室底盘63上的托盘槽631将托盘64由托盘槽631开口一侧退出，从腔室底盘63上取下，并移出反应腔室6，取放完样品100后，再将其放回即可。另外，可根据需要，选择不同规格的旋转托盘65，图6所示为5×3英寸规格，亦可选择其他规格，如4×4英寸等。

图9、10所示，进气装置7包括：一进气器71、一进气器底盘72和三个进气通道73。其中，进气通道73固定连接在工作室10的底盘1上，并与外部工作气体输入装置连通，进气器底盘72安装在进气通道73的上方，进气器71安装在进气器底盘72上方。

进气器71主体呈内部中空的夹板状，其底部设置有与进气器底盘72连通的进气口711，其与反应腔室6接触的一面开设有出气口712。为确保气体有出气口712均匀的进入反应腔室6内，该出气口712采用均匀分布的网孔结构，即在所述的进气器71的出气口712由多个呈阵列均匀分布的气孔构成。

在进气器71的内部，进气口711和出气口712之间设有多层进气挡板。本实施例中，共设置有两层进气挡板，分别为位于下部的下进气挡板713和位于上方的上进气挡板714。参见图12、13所示，两层进气挡板上设有密集程度不等的网孔结构；反应气体从进气口711扩散到出气口712的过程中，所通过的各层进气挡板上的网孔的密集程度逐渐增加，结合本实施例而言，上进气挡板714较下进气挡板713有着更密集的网孔结构，使得反应气体通过进气挡板后均匀分散于进气器71内部空间，进而均匀进入反应腔室6。

参见图11，本发明的进气器底盘72用于支撑进气器71，同时该进气器底盘72还同时用于支撑反应腔室6的腔室底盘63。在进气器底盘72的上设置有与进气通道73对应的进气通孔721，进气通道73连接与进气通孔721下方。进气通道73则与工作室10的底盘1相连。在进气器底盘72的两端设有定位边722，两者之间的距离与上方进气器71的宽度相对应，使得进气器71的两边卡于定位边722外侧，从而准确固定进气器71与进气器底盘72的相对位置。进气器71的进气口711、进气通孔721和进气通道73三者相互连通，反应气体可从外界输送，并通过出气口712进入到反应腔室6的内部。

所述进气器71为水冷不锈钢材料；进气器底盘72和进气通道73可为石英材料或者水冷不锈钢材料。

见图14、15所示，出气装置8包括：一出气器81、一出气器底盘82和三个出气通道83。所述的出气通道83通过出气底盘82与出气器81连通；所述的出气通道83安装在工作室10的底盘1上，其出气口连通制工作室10外部；所述的出气底盘82安装于出气通道83的上方；所述的出气器81安装在出气底盘82上。

所述的出气器81具有与出气底盘82连通的出气口811和与反应腔室6连通的进气口812；所述出气器81的进气口812由多个均匀分布的气孔构成；所述的出气底盘82上设置有与出气器81卡套配合的定位边822。工作气体通过反应腔室6后，将排出至出气器81，然后通过出气器底盘82上的出气通孔821进入其下方的出气通道83，最后排出。出气器底盘82的两端设有定位边822，两者之间的距离与上方出气器81的宽度相对应，使得出气器81的两边卡于定位边822外侧，从而准确固定出气器81与出气器底盘82的相对位置。同样，该出气器底盘82还同时对反应腔室6的腔室底盘63形成支撑。

结合上述实施例，下面对本发明的具体工作方法及流程进行说明。

本发明是一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其工作过程是SiC材料的外延生长过程，其中包括放置衬底晶片材料、抽真空、升温、SiC外延生长、降温、取样等。

1、放置衬底晶片材料。

首先，对需要加工的碳化硅衬底100进行清洗，将清洗完毕的衬底片放入相同规格的旋转托盘65中，再将旋转托盘65放入方形的托盘64中。

接着，将上述的方形托盘64放入密闭工作室10内，打开工作室10的进样门5，将出气器81由出气器底盘82上取下，将方形托盘64放入工作室10内的反应腔室6腔室底盘63上的托盘槽631内，将出气器81复位，关好进样门5。

2、抽真空。

打开真空泵进行抽真空作业，使反应腔室6达到预定的真空度。

3、加热。

通过进气装置7向反应腔室6通入载气，打开加热电源，令位于反应腔室6外围的加热组件9对反应腔室6进行加热。

4、碳化硅外延生长。

待反应腔室6达到所需生长温度后，通过进气装置7向反应腔室6通入反应气体，令碳化硅进行外延生长。

5、降温

待碳化硅生长完毕后，关闭反应气体，关闭加热电源，加热组件9停止加热，待整个系统自行降温。

6、取出样品

将进样门5打开并移开尾气收集器81，取出方形托盘64，即可取出样品，获得样品后，再将方形托盘64和出气器81复位，关闭进样门5，完成。

当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：该系统包括：

一密闭工作室（10），该采用不锈钢材料制作的工作室（10）具有进样门（5）；

一反应腔室（6），该反应腔室（10）位于所述的工作室（10）内；

一加热组件（9），该加热组件（9）位于反应腔室（6）的外围，通过加热组件（9）对反应腔室（6）进行加热；

于反应腔室（6）内设置有托盘槽（631），承载有碳化硅衬底的托盘（64）放置于该托盘槽（631）内；

上述的反应腔室（6）具有一前后贯穿的通道（60），于通道（60）的两端分别设置有进气装置（7）和出气装置（8），所述的进气装置（7）和出气装置（8）安装在工作室（10）上，气体由进气装置（7）进入反应腔室（6）内，并由出气装置（8）排出。

2.根据权利要求1所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的工作室（10）呈长方体，其由底盘（1）、上盖（2）和围设于四周的侧壁（3）构成，其中于相对两侧壁（3）上设置有进样门（5）和备用门（4）。

3.根据权利要求1所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的反应腔室（6）由腔室上盖（61）、腔室侧壁（62）和腔室底盘（63）围设形成一通道（60），于所述的腔室底盘（63）上开设有供托盘（64）放置的托盘槽（631）。

4.根据权利要求2所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的进气装置（7）包括：一进气器（71）、进气底盘（72）和进气通道（73），所述的进气通道（73）通过进气底盘（72）与进气器（71）连通；所述的进气通道（73）安装在工作室（10）的底盘（1）上，其进气口与外部的气体输出装置连通；所述的进气底盘（72）安装于进气通道（73）的上方；所述的进气器（71）安装在进气底盘（72）上。

5.根据权利要求4所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的进气器（71）具有与进气底盘（72）连通的进气口（711）和与反应腔室（6）连通的出气口（712）；所述的进气器（71）的出气口（712）由多个均匀分布的气孔构成；于该进气口（711）和出气口（712）之间设置有至少两层进气挡板，每层进气挡板上设有密集程度不等的网孔结构。

6.根据权利要求4所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的进气底盘（72）上设置有与进气器（71）卡套配合的定位边（722）。

7.根据权利要求2所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的出气装置（8）包括：一出气器（81）、出气底盘（82）和出气通道（83），所述的出气通道（83）通过出气底盘（82）与出气器（81）连通；所述的出气通道（83）安装在工作室（10）的底盘（1）上，其出气口连通制工作室（10）外部；所述的出气底盘（82）安装于出气通道（83）的上方；所述的出气器（81）安装在出气底盘（82）上。

8.根据权利要求7所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的出气器（81）具有与出气底盘（82）连通的出气口（811）和与反应腔室（6）连通的进气口（812）；所述出气器（81）的进气口（812）由多个均匀分布的气孔构成；所述的出气底盘（82）上设置有与出气器（81）卡套配合的定位边（822）。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种高温大面积碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述的托盘（64）呈方形，其上开设有用于放置旋转托盘（65）的旋转托盘槽（541）；所述的反应腔室（6）采用石墨材料制作；所述的工作室（10）、进气装置（7）和出气装置（8）采用水冷不锈钢材料制作。

10.一种高温大面积碳化硅外延生长处理方法，该方法包括以下步骤：

第一步，将碳化硅材料的衬底进行清洗，清洗完毕后将其放置于旋转托盘（65）内，并将该旋转托盘（65）放入方形的托盘（64）中的对应的托盘槽（641）内；

第二步，将上述的方形托盘（64）放入一个密闭工作室（10）内，打开工作室（10）的进样门（5），将方形托盘（64）放入工作室（10）内一反应腔室（6）内，然后将工作室（6）的进样门（5）关闭；

第三步，对反应腔室（6）进行抽真空处理，令反应腔室（6）达到预设的真空度；

第四步，向反应腔室（6）内通入气体，并打开电源，通过反应腔室外部的加热组件（9）对其进行加热；

第五步，当反应腔室（6）内温度达到的碳化硅衬底生长所需的温度后，向反应腔室（6）内通入反应气体，令碳化硅衬底进行外延生产；

第六步，生长完毕后，反应气体停止输入，关闭加热组件（9），令反应腔室（6）及碳化硅衬底自行降温；

第七步，打开工作室（10），取出方形托盘（4），由旋转托盘（5）上取下样品。

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