CN104538289A - 一种多片碳化硅半导体材料制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体材料生长制造装置，包括：主腔室，进气系统，石墨托，感应加热线圈，旋转系统和排气系统；所述进气系统用于向所述主腔室输入材料生长所需的气体；所述石墨托用于放置衬底材料，位于所述进气系统下方；所述感应加热线圈用于加热，位于所述石墨托下方；所述旋转系统与所述石墨托连接，用于带动所述石墨托进行旋转；所述排气系统用于向主腔室外部排出反应后的废气。

Description

一种多片碳化硅半导体材料制造装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多片半导体材料制造装置，特别涉及一种基于铜螺旋管射频加热的多片碳化硅(SiC)半导体材料外延生长装置。
背景技术
第三代半导体材料碳化硅(SiC)材料，具有高临界击穿场强、高的热导率、高的电子饱和漂移速率、优越的机械特性和物理、化学稳定性等特点，在高温、高频、大功率、抗辐射等领域，尤其是高温或强腐蚀性等恶劣环境中具有巨大的应用潜力。SiC作为一种具有极高应用价值和广阔市场前景的半导体材料，随着单晶生长技术和外延薄膜生长技术的不断发展，已受到国内外半导体行业的极大关注。SiC为一种同质多种结晶形态的材料，发现的晶态形式已经超过250种。SiC同质和异质外延生长是制造SiC器件的关键技术，随着单晶缺陷密度的降低，圆片尺寸的增大，SiC基器件在半导体器件中扮演着越来越重要的角色。
目前，化学气相沉积法(CVD)是制备SiC外延膜的主要方法。所谓CVD技术，就是将化合物气体如SiH4、C2H4、H2等反应气体通入反应室内，在热衬底表面发生化学反应，并在衬底上外延生长所希望的材料，如SiC等。CVD法外延生长SiC材料，其生长率与掺杂更可控，可重复性更强，而且由于是高纯的源气体，材料中的杂质浓度大大降低，并且可以生长具有良好均一性和可重复性的N型和P型外延层。由于CVD法具有相对较低的生长温度，晶体结构更加完美。
CVD有几种典型的生长设备：一是水平式CVD反应器；二是垂直式CVD反应器；三是行星式温壁反应器。一般情况下，CVD采用的是管状式石英腔室，反应压力较高，生长器容量较小。为了解决新一代电力电子器件产业化发展要求，迫切需要提供一种新型的碳化硅多片外延生长装置，以提高生长效率降低成本，满足SiC外延片大规模化生产的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种半导体材料生长制造装置。例如可同时容纳多片2英寸衬底进行的SiC同质或者异质外延生长，可以很大程度上提高后续器件制作的产率，节约材料生长时间和成本，提高生产效率。
本发明提供了一种半导体材料生长制造装置，包括：主腔室，进气系统，石墨托，感应加热线圈，旋转系统和排气系统；所述进气系统用于向所述主腔室输入材料生长所需的气体；所述石墨托用于放置衬底材料，位于所述进气系统下方；所述感应加热线圈用于加热，位于所述石墨托下方；所述旋转系统与所述石墨托连接，用于带动所述石墨托进行旋转；所述排气系统用于向主腔室外部排出反应后的废气。
与现有的生长技术相比，本发明的特点是简易、灵活、多用、压力调节范围宽、容量大、易于控制，有较高的生长温度，最高可达到1700℃。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明中半导体材料生长制造装置整体结构示意图。
图2是本发明中喷气嘴的结构示意图。
图3是本发明中石墨托的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实例性的实施进行描述。为了清楚和简要期间，实际的实施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，在改进任何一个所属实施例的过程中，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，应该知道的是，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使用手段。
请参阅图1至图3所示，本发明提出的半导体材料生长制造装置包括：不锈钢圆柱形中空主腔室0，位于主腔室上端的进气管道3，进气管道3的下端连接气体喷嘴4，气体喷嘴4下面对应放置石墨托5，感应加热线圈6位于石墨托5的下方，和石墨托5相连的是钼支架，和系统外电机组成旋转系统7，排气管道8在主腔室的下端；所述主腔室0外侧具有室壁1，室壁1的内侧设置有可动保温墙2。所述半导体材料可以是碳化硅材料。
图1示出了本发明中多片碳化硅半导体材料制造装置整体示意图。如图1所示，主腔室0为一圆柱形的中空体，其采用不锈钢材质制成，用于提供晶体外延生长的真空环境，该主腔室0的室壁1为不锈钢，环绕在主腔室壁1内侧的是可动保温墙2，可动保温墙2的中间形成样品生长室。在该实施例中主腔室壁1的内壁均是可动的，既可以是一个整体可动保温墙，也可以是多扇独立可动的保温墙，用以减少热辐射，保持石墨基座和石墨托的温度。
本发明提供的多片半导体材料制造装置的进气管道3和气体喷嘴4构成本反应器的进气系统。进气装置由多路进气管道构成，它位于生长室的上方。所述进气管道3的下端连接气体喷嘴4，通过标准CF或标准VCR连接密封，且气体喷嘴4深入主腔室0内部，进气管道3上端连接外部气路。进气管道3的管路是由双层或者多层管道套管构成，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，从而有利于晶体生长过程中气流气压的稳定性，以及生长的SiC外延层的均匀性等。本领域技术人员可以清楚地知晓，根据具体晶体外延生长工艺，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等。气体喷嘴4的详细图示见图2。气体喷嘴4是由不锈钢盘9和螺旋状排列的圆形小孔10构成。生长气体混合后通入进气管道3，然后通过气体喷嘴4到达衬底表面，进行外延生长。气体喷嘴4用于保证气体能够均匀到达石墨托上，减小气体的耗尽以保证晶体外延层的均匀性。
本发明提供的多片半导体材料制造装置的石墨托5的详图见图3。石墨托5位于喷气嘴4的下面，形状是圆形，是覆盖了碳化硅材料的压制石墨体，以保证石墨托5在高温情况下不会在生长过程中引入杂质。石墨托5的下表面有一凹槽，凹槽形状与钼支架端头形状吻合，在外部电机带动下，石墨托5可进行均匀旋转。衬底槽11均匀位于石墨托5上，有2英寸大小，可以刚好容纳2英寸的碳化硅或者硅衬底片。本发明装置的加热装置是一感应式铜加热装置。感应加热线圈6位于石墨托5的下方，其两极与射频电源的两个输出端相连，其中铜加热装置与生长室之间的绝缘是通过陶瓷过度完成的。可动保温墙2的内部，保证晶体外延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外延层。取片和装片过程只要从侧面的窗口装卸石墨托5即可，操作方便简单。衬底放在石墨托5上，生长过程中气流通过长方形气体通道，并在旋转的衬底上进行沉积生长
本发明提供的多片半导体材料制造装置的旋转系统7是钼金属支架，用来支撑石墨托5并在电机带动下进行旋转，石墨托5的下面有一凹槽，凹槽形状与钼支架端头形状吻合，在外部电机带动下，石墨托5可进行均匀旋转，石墨托的旋转速率可以通过调整旋钮调节，电机位于系统外部。旋转系统7的作用是保证各个衬底片的受热和气体均匀，以保证外延层的厚度和掺杂以及外延片之间的高均匀性。此外，钼支架的高度是可以调节的，因而可以调节石墨托5与喷气嘴4之间的间距，研究外延膜质量与间距之间的联系，得到最佳间距，以得到高质量的外延片。排气管道8在主腔室0的下端，有4根，分别位于腔体的四周，用来有效收集和排放反应废气。
参考前述本发明实例性的描述，本领域技术人员可以清楚的知晓本发明具有以下优点：
本发明提供的CVD法多片SiC外延生长装置，通过在进气口设置进气嘴，用于减少生长气体的耗尽，保证生长气体可以均匀的到达沉底的表面，以得到片内和片间的厚度和掺杂高均匀性的外延片。
本发明的设计的SiC外延生长装置，主腔体内的保温墙是可动的，外延生长时，可动保温墙和感应加热线圈起到保温和加热作用，保证了外延生长的可靠与质量稳定性。
旋转系统是由钼支架支撑石墨托在电机带动下进行旋转，钼支架的高度是可以调节的，因而可以调节石墨托5与喷气嘴4之间的间距，研究外延膜质量与间距之间的联系，得到最佳间距，以得到高质量的外延片。
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，本发明的范围并不局限于那些实施例。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和保护范围。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体材料生长制造装置，包括：主腔室，进气系统，石墨托，感应加热线圈，旋转系统和排气系统；所述进气系统用于向所述主腔室输入材料生长所需的气体；所述石墨托用于放置衬底材料，位于所述进气系统下方；所述感应加热线圈用于加热，位于所述石墨托下方；所述旋转系统与所述石墨托连接，用于带动所述石墨托进行旋转；所述排气系统用于向主腔室外部排出反应后的废气。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述主腔室为一圆柱形的不锈钢中空体，用于提供半导体材料外延生长的真空环境；所述主腔室内壁设置有可动保温墙，其中间形成样品生长室。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述可动保温墙为整体可动保温墙，或多扇独立可动保温墙。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述进气系统包括进气管道和气体喷嘴；所述进气管道下端连接所述气体喷嘴，所述气体喷嘴探入所述主腔室内部。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述气体喷嘴为不锈钢盘和其上螺旋状排列的圆形小孔构成。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述进气管道由至少两层管道套管而成，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。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述石墨托为覆盖了碳化硅材料的压制石墨体；其上具有多个衬底槽，用于放置衬底片。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述旋转系统包括用来支撑石墨托的支架以及主腔室外部的旋转电机，所述支架与石墨托的下方连结，在所述电机带动下可带动所述石墨托进行旋转。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述支架为钼金属支架，其高度可调节。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述排气系统包括多根排气管道，分布在所述主腔室下端部的四周。
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