CN107435165A - 一种外延反应腔和化学气相外延设备 - Google Patents

一种外延反应腔和化学气相外延设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种外延反应腔和化学气相外延设备。该外延反应腔包括腔体，还包括依次套设在腔体外侧的加热件和保护件，加热件用于对腔体进行加热，保护件能耐受设定的压力，以防止腔体内的工艺气体泄漏。该外延反应腔使加热件更加靠近腔体，从而大大降低了加热过程中的热损耗，提高了加热件对腔体的加热效率；保护件能耐受设定的压力，这使保护件在设定的压力下不容易破损，从而防止腔体内的工艺气体发生泄漏，同时还确保了外延反应腔的工艺安全性。

Description

一种外延反应腔和化学气相外延设备
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体地，涉及一种外延反应腔和化学气相外延设备。
背景技术
在半导体器件的制备过程中，半导体薄膜的厚度、掺杂、缺陷密度等都严重影响着器件的性能。化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)外延是借助空间气相化学反应在衬底表面沉积固态薄膜的一种气相外延生长技术，利用该方法可以较为精确地控制薄膜的厚度、组分及其结构，并且得到的外延薄膜的质量较高，同时能够保证较快的生长速率，因此CVD方法是目前工业制作半导体电学器件产品的常用方法。
CVD外延薄膜生长过程主要包括以下几个步骤：(1)反应气体分子随载气以一定流量输运至反应室内；(2)反应气体分解形成中间态；(3)气流中的反应气体分子和中间态扩散到衬底上；(4)反应气体分子进一步吸附在衬底表面上；(5)生长层的表面发生化学反应，生成外延薄膜和副产物分子；(6)副产物分子向外扩散，从而脱离表面吸附；(7)副产物分子进入输运气体被带出。
目前Si基半导体器件处在微电子领域的统治地位。随着电子技术的发展，人们对超高频和高性能光电子器件的需求日益迫切，但由于Si本身的性质限制了其在超高频、超高温、大功率和强辐射环境等极端条件下的应用。以SiC为代表的宽带隙半导体材料与Si相比，在工作温度、抗辐射和耐击穿电压等性能方面具有明显的优势。作为目前发展最为成熟的宽带隙半导体材料，SiC具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、低介电常数和高键合能等优点，其优异性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率以及抗辐射的新要求，因而被看做是半导体材料领域最有前景的材料之一。
现有的水平式SiC外延反应装置结构如图1所示，该装置包括：由密封管件6(典型的为石英管)构成的密闭工作室；位于工作室内的反应腔7、进气管8和排气管9；在密闭工作室外围设有加热组件10(典型的为加热螺线管)，通过加热组件10对反应腔7进行加热；反应腔7的底部设置有托盘槽，承载SiC基片的托盘放置在该托盘槽内。
SiC外延反应装置的工作过程如下：1.将清洗完毕的SiC衬底放置于旋转托盘内；2.通过传输装置(如机械手)将承载SiC衬底的托盘传送到反应腔7底部的托盘槽中；3.对反应腔7进行抽真空处理，令反应腔7达到预设真空度；4.通过进气管8向反应腔7中通入运载气体(典型的为H2)，并打开电源，通过加热组件10对反应腔7进行加热；5.当反应腔7温度达到SiC外延生长所需的温度时，通过进气管8通入反应气体，实现SiC的外延生长；6.生长完毕后，关闭进气系统，同时关闭加热组件10，使SiC基片和反应腔7自然降温；7.使用传输装置将托盘从反应腔7中取出。
利用CVD方法外延SiC材料的条件与外延Si材料的条件相比主要有以下两点不同：一是SiC外延所用温度高于Si外延温度，对于Si外延，使用的温度通常为1000℃到1100℃，而对于SiC外延需要更高的温度(通常为1500-1700℃)；二是SiC外延过程所用压力必须低于标准大气压，压力通常为50-200mbar，这主要是考虑到低压下的SiC外延可以有效地抑制Si液滴形成，而Si外延可以在常压下进行。以上两点说明用于SiC外延生长的反应器与Si外延生长反应器相比，对于腔室的绝热保温性能以及反应器壁的耐压性能提出了更高的要求。特别是SiC外延生长工艺中使用到大量的易燃易爆、有毒和腐蚀性气体，一旦发生气体泄漏会出现严重的安全事故，这就要求SiC反应器具有优异的气密性以及耐高压差的能力。
图1中的SiC外延反应装置中，密封管件6采用石英管，石英材料耐压能力有限，且容易破损，这使反应装置内的工艺气体容易泄漏，同时还存在较大的安全隐患；同时，由于加热组件10设置在密闭工作室外，加热过程中很容易导致热损耗，加热效率低，难以确保反应腔7内稳定的工艺要求温度。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种外延反应腔和化学气相外延设备。该外延反应腔使加热件更加靠近腔体，从而大大降低了加热过程中的热损耗，提高了加热件对腔体的加热效率；保护件能耐受设定的压力，这使保护件在设定的压力下不容易破损，从而防止腔体内的工艺气体发生泄漏，同时还确保了外延反应腔的工艺安全性。
本发明提供一种外延反应腔，包括腔体，还包括依次套设在所述腔体外侧的加热件和保护件，所述加热件用于对所述腔体进行加热，所述保护件能耐受设定的压力，以防止所述腔体内的工艺气体泄漏。
优选地，还包括隔热管，所述隔热管套设在所述腔体外侧，所述加热件和所述保护件依次套设在所述隔热管外侧，所述隔热管用于阻隔所述腔体内的热量向所述腔体外扩散。
优选地，所述保护件采用无磁不锈钢材质；所述保护件能耐受的设定的压力范围为50-200mbar。
优选地，所述保护件包括外层管和内层管，所述外层管和内层管相互嵌套，且所述外层管和内层管之间形成有第一中空夹层，所述第一中空夹层中用于通入循环去离子水。
优选地，所述保护件与所述加热件之间形成有第二中空夹层，所述第二中空夹层的间隙尺寸范围为10-100mm。
优选地，所述加热件包括电感线圈，所述保护件包括密封管。
优选地，所述电感线圈由中空的铜质管线绕制而成，所述中空的铜质管线中用于通入循环去离子水。
优选地，所述电感线圈的外表面上均匀覆盖有耐热釉层，所述耐热釉层采用氧化铝、二氧化硅或高铝水泥材料。
优选地，所述耐热釉层上覆盖有绝缘胶，所述绝缘胶采用聚四氟乙烯材料。
优选地，所述隔热管采用石墨材料。
优选地，所述腔体包括上中空感受件和下中空感受件，所述上中空感受件和所述下中空感受件相对应设置并分别作为所述腔体的上壁和下壁；
所述腔体还包括左板和右板，所述左板和所述右板相对应设置并分别作为所述腔体的左侧壁和右侧壁；
所述上中空感受件、所述下中空感受件、所述左板和所述右板围设形成管状的所述腔体；
所述腔体内部、所述上中空感受件和所述下中空感受件的中空区域中以及所述第二中空夹层中均用于通入相同流量的工艺气体。
本发明还提供一种化学气相外延设备，包括上述外延反应腔。
本发明的有益效果：本发明所提供的外延反应腔，通过在腔体外侧依次设置加热件和保护件，使加热件更加靠近腔体，从而大大降低了加热过程中的热损耗，提高了加热件对腔体的加热效率；保护件能耐受设定的压力，这使保护件在设定的压力下不容易破损，从而防止腔体内的工艺气体发生泄漏，同时还确保了外延反应腔的工艺安全性。
本发明所提供的化学气相外延设备，通过采用上述外延反应腔，不仅降低了该化学气相外延设备在工艺过程中的热损耗，提高了其工艺稳定性；而且有效地降低了该化学气相外延设备的气体泄漏的可能性，提高了其工艺安全性。
附图说明
图1为现有技术中SiC外延反应装置的结构剖视图；
图2为本发明实施例1中外延反应腔的结构剖视图；
图3为图2中外延反应腔的整体结构示意图；
图4为图2中保护件的结构剖视图。
其中的附图标记说明：
1.腔体；11.上中空感受件；12.下中空感受件；13.左板；14.右板；100.中空区域；2.加热件；3.保护件；31.外层管；32.内层管；33.第一中空夹层；4.隔热管；5.第二中空夹层；6.密封管件；7.反应腔；8.进气管；9.排气管；10.加热组件。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种外延反应腔和化学气相外延设备作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种外延反应腔，用于通过化学气相沉积法在基片(如SiC基片)上形成外延薄膜，如图2和图3所示，包括腔体1，还包括依次套设在腔体1外侧的加热件2和保护件3，加热件2用于对腔体1进行加热，保护件3能耐受设定的压力，以防止腔体1内的工艺气体泄漏。
通过在腔体1外侧依次设置加热件2和保护件3，使加热件2更加靠近腔体1，从而大大降低了加热过程中的热损耗，提高了加热件2对腔体1的加热效率；保护件3能耐受设定的压力，这使保护件3在设定的压力下不容易破损，从而防止腔体1内的工艺气体发生泄漏，同时还确保了外延反应腔的工艺安全性。
本实施例中，外延反应腔还包括隔热管4，隔热管4套设在腔体1外侧，加热件2和保护件3依次套设在隔热管4外侧，隔热管4用于阻隔腔体1内的热量向腔体1外扩散。其中，加热件2包括电感线圈，保护件3包括密封管，电感线圈套设在隔热管4外侧，密封管套设在电感线圈外侧。
其中，隔热管4采用石墨材料。如隔热管4通常采用硬质石墨保温毡，石墨材料具有良好的耐火和绝热效果，使隔热管4能够起到很好的防止腔体1内的热量向腔体1外扩散的作用，从而不仅能使腔体1内的热量在化学气相反应时被有效利用，而且能够确保腔体1内的温度保持在化学气相反应所需要维持的温度范围内。加热件2在加热时，电感线圈中通入交变电流，交变电流能使腔体1上感应出电流，感应电流使腔体1加热。感应加热的加热效率高，更容易获得在SiC基片上形成外延SiC薄膜时所要求的工艺温度(如通常情况下，该工艺温度为1500-1700℃)。
本实施例中，保护件3采用无磁不锈钢材质，保护件3能耐受的设定的压力范围为50-200mbar。保护件3能耐受的压力范围能够满足在SiC基片上形成外延SiC薄膜时所要求的压力范围，该压力范围能够在SiC基片上形成外延SiC薄膜时有效地抑制Si液滴的形成，从而确保外延SiC薄膜的质量，由于Si本身的性质限制了其在超高频、超高温、大功率和强辐射环境等极端条件下的应用，而SiC与Si相比具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、低介电常数和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率以及抗辐射的新要求。同时，保护件3具有良好的密封性能，能够防止外延反应腔中的反应气体发生泄漏，由于反应气体使用大量的易燃易爆、有毒和腐蚀性气体(如氢气等)，一旦发生气体泄漏会造成严重的安全事故，不锈钢材质的保护件3柔韧性较好，且其耐受压力满足工艺要求，所以保护件3能够确保外延反应腔的工艺安全性。
本实施例中，如图4所示，保护件3包括外层管31和内层管32，外层管31和内层管32相互嵌套，且外层管31和内层管32之间形成有第一中空夹层33，第一中空夹层33中用于通入循环去离子水。循环去离子水能够对保护件3进行冷却，使保护件3的温度不会太高。
本实施例中，保护件3与加热件2之间形成有第二中空夹层5，第二中空夹层5的间隙尺寸范围为10-100mm。第二中空夹层5中在工艺过程中用于通入工艺气体，且工艺气体的流量与腔体1内工艺气体流量相同，如此能够确保腔体1内的气压与第二中空夹层5中的气压相同，从而确保腔体1内工艺过程的稳定性。
需要说明的是，由于隔热管4的隔热作用，第二中空夹层5中的温度低于腔体1内的工艺温度，加之，第一中空夹层33中循环去离子水的降温作用，使第二中空夹层5中的温度远低于腔体1内的工艺温度，因此，虽然第二中空夹层5中通有工艺气体，但工艺气体不会在第二中空夹层5的内壁(如内层管32的内侧和电感线圈的外侧)上形成沉积薄膜。
本实施例中，电感线圈由中空的铜质管线绕制而成，中空的铜质管线中用于通入循环去离子水。循环去离子水能够对中空的铜质管线进行冷却，从而使电感线圈的温度不会太高。由于被加热的腔体1会以热辐射的方式向电感线圈传递热量，而隔热管4的设置并不能完全阻隔腔体1内的温度向腔体1外扩散，造成电感线圈的温度升高，很容易造成电感线圈的损坏，所以电感线圈中循环去离子水的通入能使电感线圈的温度降低。
本实施例中，电感线圈的外表面上均匀覆盖有耐热釉层，耐热釉层采用氧化铝、二氧化硅或高铝水泥等耐高温材料。耐热釉层能够耐受高温，从而能够避免电感线圈由于温度太高而损坏。
本实施例中，耐热釉层上覆盖有绝缘胶，绝缘胶采用聚四氟乙烯等有机聚合物绝缘材料。绝缘胶的设置，能够防止电感线圈在加热时出现打火、短路等事故。
本实施例中，腔体1包括上中空感受件11和下中空感受件12，上中空感受件11和下中空感受件12相对应设置并分别作为腔体1的上壁和下壁。腔体1还包括左板13和右板14，左板13和右板14相对应设置并分别作为腔体1的左侧壁和右侧壁。上中空感受件11、下中空感受件12、左板13和右板14围设形成管状的腔体1。腔体1内部、上中空感受件11和下中空感受件12的中空区域100中以及第二中空夹层5中均用于通入相同流量的工艺气体。如此设置，能够确保腔体1内工艺过程的稳定性。
其中，上中空感受件11和下中空感受件12均为半月形形状，上中空感受件11和下中空感受件12的平面部分相对设置，上中空感受件11和下中空感受件12由导电材料(典型的为高纯度、高硬度的石墨)形成，如此便于在外侧电感线圈的作用下在其中感应出电流，从而使其加热。上中空感受件11和下中空感受件12使用一组电感线圈进行加热，能使上中空感受件11和下中空感受件12达到同样高的温度。另外，上中空感受件11和下中空感受件12设置为中空，有利于提高加热效率并降低热惯性。上中空感受件11和下中空感受件12的外表面涂覆有一定厚度的惰性和耐火材料(典型为SiC)的涂层，该涂层能够防止上中空感受件11和下中空感受件12在高温作用下被损坏。本实施例中，上中空感受件11和下中空感受件12很容易分离，有利于腔体1的清洁。左板13和右板14均由电绝缘且惰性的耐火材料(典型为SiC)形成，即左板13和右板14不会在外侧电感线圈的作用下感应出电流，左板13和右板14由耐火材料形成，能够防止其在上中空感受件11和下中空感受件12的高温作用下被损坏。SiC基片放置在腔体1内部(如腔体1内部的底壁上)，通过进气管向腔体1内部、上中空感受件11和下中空感受件12的中空区域100中以及第二中空夹层5中均用于通入相同流量的工艺气体，以在SiC基片上化学气相沉积形成外延SiC薄膜。
实施例1的有益效果：实施例1中所提供的外延反应腔，通过在腔体外侧依次设置加热件和保护件，使加热件更加靠近腔体，从而大大降低了加热过程中的热损耗，提高了加热件对腔体的加热效率；保护件能耐受设定的压力，这使保护件在设定的压力下不容易破损，从而防止腔体内的工艺气体发生泄漏，同时还确保了外延反应腔的工艺安全性。
实施例2：
本实施例提供一种化学气相外延设备，包括实施例1中的外延反应腔。
通过采用实施例1中的外延反应腔，不仅降低了该化学气相外延设备在工艺过程中的热损耗，提高了其工艺稳定性；而且有效地降低了该化学气相外延设备的气体泄漏的可能性，提高了其工艺安全性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种外延反应腔，包括腔体，其特征在于，还包括依次套设在所述腔体外侧的加热件和保护件，所述加热件用于对所述腔体进行加热，所述保护件能耐受设定的压力，以防止所述腔体内的工艺气体泄漏。
2.根据权利要求1所述的外延反应腔，其特征在于，还包括隔热管，所述隔热管套设在所述腔体外侧，所述加热件和所述保护件依次套设在所述隔热管外侧，所述隔热管用于阻隔所述腔体内的热量向所述腔体外扩散。
3.根据权利要求1所述的外延反应腔，其特征在于，所述保护件采用无磁不锈钢材质；所述保护件能耐受的设定的压力范围为50-200mbar。
4.根据权利要求1所述的外延反应腔，其特征在于，所述保护件包括外层管和内层管，所述外层管和内层管相互嵌套，且所述外层管和内层管之间形成有第一中空夹层，所述第一中空夹层中用于通入循环去离子水。
5.根据权利要求1所述的外延反应腔，其特征在于，所述保护件与所述加热件之间形成有第二中空夹层，所述第二中空夹层的间隙尺寸范围为10-100mm。
6.根据权利要求1所述的外延反应腔，其特征在于，所述加热件包括电感线圈，所述保护件包括密封管。
7.根据权利要求6所述的外延反应腔，其特征在于，所述电感线圈由中空的铜质管线绕制而成，所述中空的铜质管线中用于通入循环去离子水。
8.根据权利要求7所述的外延反应腔，其特征在于，所述电感线圈的外表面上均匀覆盖有耐热釉层，所述耐热釉层采用氧化铝、二氧化硅或高铝水泥材料。
9.根据权利要求8所述的外延反应腔，其特征在于，所述耐热釉层上覆盖有绝缘胶，所述绝缘胶采用聚四氟乙烯材料。
10.根据权利要求2所述的外延反应腔，其特征在于，所述隔热管采用石墨材料。
11.根据权利要求5所述的外延反应腔，其特征在于，所述腔体包括上中空感受件和下中空感受件，所述上中空感受件和所述下中空感受件相对应设置并分别作为所述腔体的上壁和下壁；
所述腔体还包括左板和右板，所述左板和所述右板相对应设置并分别作为所述腔体的左侧壁和右侧壁；
所述上中空感受件、所述下中空感受件、所述左板和所述右板围设形成管状的所述腔体；
所述腔体内部、所述上中空感受件和所述下中空感受件的中空区域中以及所述第二中空夹层中均用于通入相同流量的工艺气体。
12.一种化学气相外延设备，其特征在于，包括权利要求1-11任意一项所述的外延反应腔。
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