CN106948002B - 电磁感应加热外延炉的双面基座结构 - Google Patents

电磁感应加热外延炉的双面基座结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁感应加热外延炉的双面基座结构，包括表面涂覆有碳化硅涂层的石墨基座，该石墨基座的上表面具有若干个绕轴心均布的片坑，在所述石墨基座的下表面具有与每一片坑相对应的凸台。该双面基座结构可以满足常温装片，在高纯气氛条件下，外延生长温度1100℃的生产条件，提高了石墨基座温度的一致性，有效避免因为温度不一致引起的电阻率均匀性参数不一致，同时保持了衬底表面的气流一致性，提升外延主要参数一致性性能，并能改善同批次一炉内外延片左右侧的滑移线和裂片问题，提高了产品品质。

Description

电磁感应加热外延炉的双面基座结构
技术领域
本发明涉及半导体外延生长技术领域中的基座结构，尤其涉及一种电磁感应加热外延炉的双面基座结构。
背景技术
外延生长技术发展于20世纪50年代末60年代初。当时为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延片被广泛用于大规模集成电路中改善材料质量，是目前半导体产业的基础材料。
由外延生长的Grove模型可得外延反应速率公式：其中：CT为在气体中每cm3的所有分子总数；N是形成薄膜的单位体积中的原子数，对硅外延N为5×1022每cm3；hG是质量输运系数(cm/sec)；kS是表面化学反应系数(cm/sec)，Y为在气体中反应剂分子的摩尔比值。由公式可知，当反应剂量Y一定时，生长速率v由hG和kS中较小者决定。进一步分析可知，hG质量输运系数主要影响因素为外延生长反应表面的滞留层厚度，反应气体的气流变化会影响滞留层厚度；kS表面化学反应系数主要影响因素为沉积反应表面的温度，石墨基座的温度会影响外延生长反应表面的温度。外延片的主要参数在衬底表面生长的外延层的电阻率均匀性和厚度均匀性，其中电阻率均匀性主要受表面化学反应系数影响，对反应温度变化较敏感，外延层厚度均匀性主要受质量输运系数影响，对反应气体气流变化较敏感。
外延生长过程需要将衬底放置在在反应腔体内的石墨基座载具上进行。在电磁感应加热外延炉中衬底外延生长的温度主要由装载它的石墨基座的温度决定，电磁感应的加热方式决定了石墨基座的温度分布由石墨基座的形状、加热线圈的形状、石墨基座及线圈间相对位置决定。同理，石墨基座正面的形状直接影响反应气体的气流分布，为了获得较好的外延层厚度均匀性，目前普遍的在基座正面设计出片坑，将衬底放置其中，使得衬底表面和基座表面齐平。挖出的片坑对石墨基座的形状产生了影响，主要影响到石墨基座的厚度，以18mm厚的标准石墨基座为例，其片坑深度为0.7mm；在石墨基座材质相同，电阻率相同的情况下，厚度不同导致电磁感应阻抗的不均匀度在3％-4％；经计算，在1100℃左右的外延生长温度下，片坑可导致基座表面温度分布的不均匀性达到30℃到40℃。
在Batch外延炉中，为提高产能同时淀积多片外延片，一种典型的6“Batch外延炉中一次可以外延生长8片，为提高工艺均匀性，外延生长过程中要求基座需要围绕轴心旋转。因此对于Batch外延炉石墨基座，其径向温度差异可以通过工艺调试感应线圈方法来调节，但其同一半径的周向的温度差异无法通过工艺调试线圈高度等方法来改善；而周向的温度差异可引起外延生长的电阻率参数均匀性变差，还进一步引发滑移线，裂片等缺陷。目前单面基座设计上难以实现不影响气流的条件下的温度均匀分布，如图1所示，一个平板式Batch石墨基座的一个实施例片坑有八片，硅片上部和下部温差可以通过调节线圈解决，但片坑间温差会同步提升降低，不能通过调节线圈解决。
因为外延工艺对参与反应的气体纯度有极高的要求，特气纯度要求99.9999％以上，使用单纯石墨材料会因为石墨材质本身的微孔导致工艺杂质吸附释放，造成产品失效。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种在不影响外延生长的气流的前提下，可提高外延生长的温度的一致性和改善电阻率参数均匀性的电磁感应加热外延炉的双面基座结构。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的一种电磁感应加热外延炉的双面基座结构，包括表面涂覆有碳化硅涂层的石墨基座，该石墨基座的上表面具有若干个绕轴心均布的片坑，在所述石墨基座的下表面具有与每一片坑相对应的凸台。该双面基座结构在基座下表面对应片坑位置增设凸台，实现石墨基座上同一半径下的周向各位置上的温度可调节，从而保障在不改变石墨基座表面片坑形状即在不影响外延生长的气流的前提下，保持石墨基座电磁感应阻抗的一致性，从而提高外延生长的温度的一致性，获得较好的外延层厚度均匀性。
其中，所述凸台的高度与片坑的深度相同。
优选的，所述凸台的直径与片坑的最大直径相同。凸台与片坑的高度和直径可根据不同的工艺要求设置，其高度和直径可一致，亦可各不相同，根据实际需要改变石墨基座电磁感应阻抗的分布，以达到特殊的温度分布的目的。
优选的，所述石墨基座为6英寸平板基座，该石墨基座的片坑深度为0.65～0.75mm。6英寸平板石墨基座其标准厚度为18mm，片坑的适宜深度为0.65～0.75mm，最优厚度为0.7mm，将衬底放置在片坑内时，确保衬底表面和基座表面相平齐。
进一步，所述凸台的上下边沿设有圆弧倒角，该圆弧倒角的半径为0.2～0.4mm。
优选的，所述片坑的边沿设有圆弧倒角，该圆弧倒角的半径为0.2～0.4mm。该双面石墨基座的表面涂覆有碳化硅涂层，该涂层厚度一般为0.1mm，在凸台和片坑上设置圆弧倒角，可避免因碳化硅和石墨的膨胀系数不一致而导致的石墨基座上产生应力集中点从而使得石墨基座产生裂缝的现象。
进一步，所述石墨基座为4、5、8、12或16英寸基座。
再者，所述石墨基座为平板基座或桶式基座。
优选的，所述石墨基座应用于MOCVD或SiC外延设备。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：首先该双面基座结构在基座下表面对应片坑位置增设凸台，实现石墨基座上同一半径下的周向各位置上的温度可调节，从而保障在不改变石墨基座表面片坑形状即在不影响外延生长的气流的前提下，保持石墨基座电磁感应阻抗的一致性，从而提高外延生长的温度的一致性，获得较好的外延层厚度均匀性；其次，凸台与片坑的高度和直径可根据不同的工艺要求设置，其高度和直径可一致，亦可各不相同，根据实际需要改变石墨基座电磁感应阻抗的分布，以达到特殊的温度分布的目的；再者该双面石墨基座的表面涂覆有碳化硅涂层，该涂层厚度一般为0.1mm，在凸台和片坑上设置圆弧倒角，可避免因碳化硅和石墨的膨胀系数不一致而导致的石墨基座上产生应力集中点从而使得石墨基座产生裂缝的现象；最后该双面基座结构可以满足常温装片，在高纯气氛条件下，外延生长温度1100℃的生产条件，提高了石墨基座温度的一致性，有效避免因为温度不一致引起的电阻率均匀性参数不一致，同时保持了衬底表面的气流一致性，提升外延主要参数一致性性能，并能改善同批次一炉内外延片左右侧的滑移线和裂片问题，提高了产品品质。
附图说明
图1为现有平板式石墨基座的片坑分布结构示意图；
图2为本发明中石墨基座的截面剖视图；
图3为图2中局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图2所示，本发明一种电磁感应加热外延炉的双面基座结构，包括石墨基座2，该石墨基座2的上表面具有若干个绕轴心均布的片坑3，将衬底放置在片坑3内，使得衬底表面和石墨表面齐平。上述石墨基座2可选用为4、5、6、8、12或16英寸基座，亦可按照工艺要求选择平板基座或桶式基座。本实施例中优选6英寸平板基座，该石墨基座2的片坑深度为0.65～0.75mm。6英寸平板石墨基座其标准厚度为18mm，片坑的适宜深度为0.65～0.75mm，最优厚度为0.7mm，将衬底放置在片坑内时，确保衬底表面和基座表面相平齐。
为了解决片坑间温差的调节问题，本发明在上述石墨基座2的下表面具有与每一片坑3相对应的凸台4。该双面基座结构中的片坑和凸台的组合结构实现了石墨基座上同一半径下的周向各位置上的温度可调节，从而保障在不改变石墨基座表面片坑形状即在不影响外延生长的气流的前提下，保持石墨基座电磁感应阻抗的一致性，从而提高外延生长的温度的一致性，获得较好的外延层厚度均匀性。
凸台与片坑的高度和直径可根据不同的工艺要求设置，其高度和直径可一致，亦可各不相同，根据实际需要改变石墨基座电磁感应阻抗的分布，以达到特殊的温度分布的目的。6英寸平板石墨基座中的凸台4的高度h2与片坑3的深度h1优选为两者相同，同时凸台4的直径φ2与片坑3的最大直径φ1相同。
为了克服因使用单纯石墨材料会因为石墨材质本身的微孔导致工艺杂质吸附释放，造成产品失效等问题，需在该石墨基座2的表面涂覆一层致密的碳化硅涂层1，该涂层的厚度一般为0.1mm。但又因为碳化硅和石墨的热膨胀系数不同，而外延工艺条件需要基座在室温装片，并加热到在1100℃左右的高温反应条件下外延生长，基座工艺条件温度变化接近1080℃，因热膨胀系数的不同会产生较大的应力。本发明在凸台4的上下边沿和片坑3的边沿上均设有圆弧倒角，该圆弧倒角的半径为0.2～0.4mm，可避免因碳化硅和石墨的膨胀系数不一致而导致的石墨基座上产生应力集中点从而使得石墨基座产生裂缝的现象。
本发明中的石墨基座2亦可应用于MOCVD或SiC外延设备。
虽然本发明通过实例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明精神的范围内，做出各种变形和改进，所附的权利要求应包括这些变形和改进。本发明针对电磁感应加热外延炉的双面基座结构进行了描述，但不局限于平板外延炉用，也可用于外延等相关领域。

Claims (9)

1.一种电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：包括表面涂覆有碳化硅涂层(1)的石墨基座(2)，该石墨基座(2)的上表面具有若干个绕轴心均布的片坑(3)，在所述石墨基座(2)的下表面具有与每一片坑(3)相对应的凸台(4)，每一凸台(4)的底面为平面，凸台(4)外周面与石墨基座(2)下表面形成垂直台阶。
2.根据权利要求1所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述凸台(4)的高度与片坑(3)的深度相同。
3.根据权利要求1所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述凸台(4)的直径与片坑(3)的最大直径相同。
4.根据权利要求1、2或3所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述石墨基座(2)为6英寸平板基座，该石墨基座(2)的片坑(3)深度为0.65～0.75mm。
5.根据权利要求1所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述凸台(4)的上下边沿设有圆弧倒角，该圆弧倒角的半径为0.2～0.4mm。
6.根据权利要求1所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述片坑(3)的边沿设有圆弧倒角，该圆弧倒角的半径为0.2～0.4mm。
7.根据权利要求1所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述石墨基座(2)为4、5、8、12或16英寸基座。
8.根据权利要求1所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述石墨基座(2)为平板基座或桶式基座。
9.根据权利要求1所述的电磁感应加热外延炉的双面基座结构，其特征在于：所述石墨基座(2)应用于MOCVD或SiC外延设备。
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