CN106350864A - 一种碳化硅外延生长的喷淋装置及碳化硅生长工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅外延生长的喷淋装置及碳化硅生长工艺方法，包括：喷头，以及位于喷头下方的衬底托，所述喷头和所述衬底托均采用石墨材料制成，所述喷头上方连通进气通道，所述喷头的至少部分在沿所述进气通道的进气方向上具有逐渐扩张的内径。所述方法包括以下步骤：通过所述进气通道向所述喷头通入按照预设速度喷流的气体；调整所述气体的流速直到所述气体在所述喷头内出现边界层分离效应。本发明设置的喇叭式结构，可以使得以一定流速流入喷头内的气体形成边界层分离效应，以此使进入喷头内的气体沿其内壁形成一股较为稳定的主要股流，这样在旋转的衬底托的配合下，衬底能够被均匀的喷射到气体，进而具有较好的晶体外延生长均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及晶体生长领域，具体涉及一种碳化硅外延生长的喷淋装置及碳化硅生长工艺方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代宽禁带半导体材料，具有宽禁带、高击穿电压、高热导率、高电子饱和漂移速率、高电子迁移率、小介电常数、强抗辐射性、高化学稳定性等优点，是制造高温、高频、大功率、抗辐射、非挥发存储器件及光电集成器件的关键材料。碳化硅电力电子器件具有转换效率高、耐高温、抗辐射等特点，已经逐渐在电力转换、太阳能光伏、电动汽车、高效马达等领域取代硅器件，开始崭露头角。碳化硅电力电子器件的性能主要取决于碳化硅外延材料的质量，而外延薄膜厚度的均匀性是决定外延片质量的主要指标。外延层片内厚度不均的情况，会对外延片的器件加工工艺性能造成严重的不良影响，进而极大影响碳化硅电力电子器件的加工制备。
中国专利申请CN 103184514 A公开了一种晶体生长炉，其采用的喷头较为普通，喷头上设置多个喷孔，将气体从喷头喷向衬底，以便形成晶体外延生长，但是喷孔客观上将气体分流成若干个区域，其生长均匀性受到限制，需要更换一种能够更加均匀生长晶体外延的喷头。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种具有边界层分离效应喷射气体的喷头，以便使得晶体外延生长更为均匀。
为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案为：一种碳化硅外延生长的喷淋装置，包括：喷头，以及位于喷头下方的衬底托，所述喷头和所述衬底托均采用石墨材料制成，其特征在于，所述喷头上方连通进气通道，所述喷头的至少部分在沿所述进气通道的进气方向上具有逐渐扩张的内径。
本发明一个较佳实施例中，所述喷头包括与所述进气通道相连的上喷头本体以及与所述上喷头本体联接的下喷头本体，所述上喷头本体在沿所述进气通道的进气方向上具有逐渐扩张的内径，所述下喷头本体在沿所述进气通道的进气方向上内径不变。
本发明一个较佳实施例中，所述衬底托上表面与所述下喷头本体之间存在轴向间隙。
本发明一个较佳实施例中，所述衬底托连接在旋转装置上，所述旋转装置用于驱动所述衬底托旋转。
本发明一个较佳实施例中，所述衬底托上表面设有用于放置衬底的圆盘形凹槽。
本发明采用的另一种技术方案为：一种使用喷淋装置进行碳化硅生长工艺方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
通过所述进气通道向所述喷头通入按照预设速度喷流的气体；
调整所述气体的流速直到所述气体在所述喷头内出现边界层分离效应。
本发明一个较佳实施例中，所述喷淋装置设置在能够密封的腔室内，所述腔室外周环绕的设有感应线圈。
本发明一个较佳实施例中，所述喷淋装置设置在密封的腔室内，所述加热装置为环绕在所述腔室周向的感应线圈。
本发明一个较佳实施例中，所述气体为氢气携带C3H8、HCL和SiH4的混合气体。
本发明一个较佳实施例中，生长出的晶体为SiC。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明设置的喇叭式结构，可以使得以一定流速流入喷头内的气体形成边界层分离效应，以此使进入喷头内的气体沿其内壁形成一股较为稳定的主要股流，这样在旋转的衬底托的配合下，衬底能够被均匀的喷射到气体，进而具有较好的晶体外延生长均匀性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的喷头的俯视图；
图2是图1中A-A剖面的截面图；
图3是安装有喷淋装置的晶体生长炉结构示意图；
图中：1、喷头，2、衬底托，3、进气通道，4、上喷头本体，5、下喷头本体，6、凹槽，7、腔室，8、感应线圈。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
边界层的分离即边界层脱离物面并在物面附近出现回流的现象。当边界层外流压力沿流动方向增加得足够快时，与流动方向相反的压差作用力和壁面粘性阻力使边界层内流体的动量减少，从而在物面某处开始产生分离，形成回流区或漩涡，导致很大的能量耗散。绕流过圆柱、圆球等钝头物体后的流动，角度大的锥形扩散管内的流动是这种分离的典型例子。
本喷头设计，由于气流的边界层分离效应，可以形成一股方向较为稳定的股流沿喷头内壁喷出。增加衬底旋转可有效降低气流分布不确定性带来的生长均匀性影响。
如图1-3所示，一种碳化硅外延生长的喷淋装置，包括：开口朝下的喷头1，以及位于喷头1正下方的衬底托2，喷头1上方同轴连通进气通道3，喷淋装置外周向还环绕设有加热装置。进气通道3为喷头1提供以一定速度流动的压缩气体，以期在喷头1内腔内形成稳定的、偏离喷头中轴线一定角度的气体股流，同时加热装置为晶体外延生长提供一个较为合适的温度条件。同时衬底托2上表面的台面上放置有用于生产晶体外延的衬底，使得气体以一定速度温度喷射到衬底上。
上喷头本体4设置成喇叭式结构，可以使得以一定流速流入喷头1内的气体形成边界层分离效应，以此使进入喷头1内的气体沿其内壁形成一股较为稳定的主要股流，这样在旋转的衬底托2的配合下，衬底能够被均匀的喷射到气体，进而具有较好的晶体外延生长均匀性。
喷头1包括与进气通道3相连的上喷头本体4以及与上喷头本体4联接的下喷头本体5，上喷头本体4在沿进气通道3的进气方向上具有逐渐扩张的内径，下喷头本体5在沿进气通道3的进气方向上内径不变，下喷头本体5的下开口朝向衬底托2。下喷头本体5有助于调整贴壁的气体股流的方向，并保证股流不会偏离中轴线太远。
衬底托2上表面与下喷头本体5的下开口之间存在间隙，这样气体在此处均匀吹拂冲击分布在衬底表面上，同时又有利于气体快速扩散离开衬底附近，方便后续气流继续吹拂冲击衬底。
衬底托2设置在旋转装置上，旋转装置能够驱动衬底托2沿喷头1轴线旋转，旋转的衬底托2保证衬底每一区域的面积上均具有同等被气体吹拂冲击的概率，进而使得衬底上晶体外延生长具有较好均匀性。
喷头1和衬底托2均采用石墨材料制成，采用石墨材质制作是因为：石墨具有良好的导热性，保证热量能够较均匀的分布到衬底的每一块面积上，保证外延生长过程中衬底温场的均匀；同时衬底采用石墨材质，石墨不会造成晶体外延生长过程对外延的背景掺杂，晶体外延纯度进一步得到保障。
一种使用喷淋装置进行碳化硅生长工艺方法，通过进气通道3向喷头1通入按照预定速度喷流的气体；调整气体流速直到气体的主要股流在喷头内出现边界层分离效应，并喷向衬底托2上表面。
衬底托2上表面设有圆盘形凹槽6，凹槽6内放置有衬底，衬底被衬底托2带动同步旋转，喷淋装置设置在能够密封的腔室7内，加热装置为环绕在腔室7周向的感应线圈8。通过感应线圈8控制使用温度。
喷淋装置设置在密封的腔室7内，腔室7外周环绕的设有感应线圈8。
气体为氢气携带C3H8、HCL和SiH4的混合气体，生长出的晶体为SiC。
此工艺方法的一种实施例的工艺参数为：
压力：50Torr～500Torr，使用温度：1400℃～1700℃，氢气流量：5slm～30slm，携带源气：C3H8、HCL、SiH4，托盘旋转速度：0～20r/min，内部部件的材质皆为石墨，气流为从上向下的流向。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (8)
1.一种碳化硅外延生长的喷淋装置，包括：喷头，以及位于喷头下方的衬底托，所述喷头和所述衬底托均采用石墨材料制成，其特征在于，所述喷头上方连通进气通道，所述喷头的至少部分在沿所述进气通道的进气方向上具有逐渐扩张的内径。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷头包括与所述进气通道相连的上喷头本体以及与所述上喷头本体联接的下喷头本体，所述上喷头本体在沿所述进气通道的进气方向上具有逐渐扩张的内径，所述下喷头本体在沿所述进气通道的进气方向上内径不变。
3.根据权利要求2所述的一种碳化硅外延生长的喷淋装置，其特征在于：所述衬底托上表面与所述下喷头本体之间存在轴向间隙。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的一种碳化硅外延生长的喷淋装置，其特征在于：所述衬底托连接在旋转装置上，所述旋转装置用于驱动所述衬底托旋转。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延生长的喷淋装置，其特征在于：所述衬底托上表面设有用于放置衬底的圆盘形凹槽。
6.一种使用如权利要求1所述喷淋装置进行碳化硅生长的工艺方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
通过所述进气通道向所述喷头通入按照预设速度喷流的气体；
调整所述气体的流速直到所述气体在所述喷头内出现边界层分离效应。
7.根据权利要求6所述的碳化硅生长的工艺方法，其特征在于：所述喷淋装置设置在密封的腔室内，所述腔室外周环绕的设有感应线圈。
8.根据权利要求6所述的碳化硅生长的工艺方法，其特征在于：所述气体为氢气携带C3H8、HCL和SiH4的混合气体。
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