CN109423695B - 掺杂源供应管路及化学气相沉积系统 - Google Patents

掺杂源供应管路及化学气相沉积系统 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了掺杂源供应管路及化学气相沉积系统，掺杂源供应管路包括载气源以及用于盛装有机金属源的水浴系统，还包括载气输送管路，连接所述载气和水浴系统，以将载气通入到有机金属源内；有机金属源气体输送管路，使水浴系统与反应腔及废弃处理系统连接，并且其与反应腔连接的第一支路上有且仅有一个第一质量流量控制器；稀释管路，连接载气源和有机金属源气体输送管路的主管路，用于对主管路中掺杂源气体的浓度进行稀释。本发明只需要一个质量流量控制器就能够满足掺杂源气体浓度大跨度的调整需求，省去了多个质量流量控制器带来的管路成本，并且输出区域的管路结构更加简洁；同时，浓度的调整更加便利。

Description

掺杂源供应管路及化学气相沉积系统
技术领域
本发明涉及碳化硅外延生长领域，尤其是掺杂源供应管路及化学气相沉积系统。
背景技术
碳化硅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。碳化硅电力电子器件的性能，取决于碳化硅外延材料的质量。
在碳化硅外延层掺杂过程中，掺杂源的浓度（单位体积内掺杂源的原子或分子数量）变化跨度较大，需要在1015cm-3——1020 cm-3之间进行调整，现有的掺杂源供应管路通过多条带有不同流量范围的质量流量控制器的管路来满足输送到反应室中的掺杂源浓度的大跨度调整的需要，但是由于每个质量流量控制的调整范围是有限的，在如此大跨度的浓度调整时，需要的质量流量控制器的数量也是非常多的，而质量流量控制器的价格较高，这就造成管路的成本大大增加，同时也造成输出管路局部结构的复杂化；另外，复杂的输出管路也增加了输出浓度的控制难度。
并且，现有的铝氮掺杂工艺中，通常需要两套独立的管道来分别进行铝源和氮源的供应，这就造成管路结构的进一步复杂化，导致外延生长设备的结构变大，同时增加了设备的成本。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，通过设置稀释管路，对水浴系统输出的高浓度反应气体和/或氮气供应管路输出的氮气进行稀释得到低浓度的掺杂源气体，从而满足了掺杂源浓度大跨度的调整需要，提供了管路简单、成本低的掺杂源供应管路及采用所述供应管路的化学气相沉积系统。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
掺杂源供应管路，包括载气源，还包括主气路、稀释管路、有机金属源供应管路和/或氮气供应管路，所述主气路连接所述稀释管路、有机金属源供应管路和/或氮气供应管路，且所述主气路通过一个第一质量流量控制器控制输入到反应腔的掺杂源供应量，所述稀释管路和有机金属源供应管路分别连接载气源。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述主气路包括主气道以及并联在所述主气道上的第一支路及第二支路，所述第一支路连接所述反应腔且其上设置所述第一质量流量控制器，所述第二支路连接废气处理系统 。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述第一质量流量控制器的流量范围在500-1500sccm之间。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述第二支路包括从主气道到废气处理系统之间的管道上依次设置的第一气动阀、压力流量计、第二气动阀及手动阀，所述压力流量计的压力调整范围为0-3000torr之间。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述稀释管路至少包括依次设置在所述主气路和载气源之间的管道上的第一单向阀及第三质量流量控制器。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述有机金属源供应管路包括载气输送管路和反应源输出支路，所述载气输送管路连接载气源和用于盛装有机金属源的水浴系统，其管道上设置有第二质量流量控制器，所述反应源输出支路连接所述水浴系统及主管路。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述水浴系统输出的有机金属源气体的摩尔流量满足如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，N为有机金属源气体的摩尔流量，单位mol/min，F为载气流量，单位cm3/min，P1为有机金属源的蒸汽压，P2为鼓泡瓶内气体压力，V=22424 cm3/mol。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述第三质量流量控制器的流量范围大于所述第二质量流量控制器的流量范围。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述第三质量流量控制器的流量范围在50-150slm之间。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述第二质量流量控制器的流量范围在500-1500sccm之间。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述主气路及反应源输出支路的管道外围连续或间断设置有加热带。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述氮气输送管路包括氮气源、并联连接氮气源的第一氮气支路、第二氮气支路以及位于氮气输出端的第二单向阀，所述第二氮气支路上设置有第四质量流量控制器。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述第四质量流量控制器的流量范围在15-30 sccm之间
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述第一支路连接位于反应腔内的反应气体输出管路，所述反应气体输出管路上的出气孔的朝向与反应气体的上升方向相反且背向衬底。
优选的，所述的掺杂源供应管路，其中：所述气相沉积炉与上述任一的掺杂源供应管路连接。
本发明技术方案的优点主要体现在：
本发明设计精巧，结构简单，通过设置大流量调整范围的稀释管路，能够对有机金属源供应管路和/或氮气供应管路输出的高浓度掺杂源气体进行稀释，并且可以通过调整稀释管路的气体输出来实现掺杂源浓度的大跨度调整，在经过输出端的质量流量控制器之前，浓度范围就事先调整到合适的范围，因此在输入到反应腔时，只需要一个质量流量控制器就能够满足大浓度跨度的需求，大大简化了现有设备中通过多个质量流量控制器分别输出的结构，省去了多个质量流量控制器带来的管路成本，并且输出区域的管路结构更加简洁。
同时能够有效的将有机金属源供应管路和/或氮气供应管路集成在一套管路系统中，使它们共享部分管路系统，不仅能够有效的实现金属有机源和单元的同时掺杂，也可以采用一种源单独掺杂，功能更加全面，应用范围更为广泛，并且，相对常规的两条单独的管路，结构进行精简，成本进一步降低。
另外，浓度的调整更加便利，省去了从多个质量流量控制器中选择最佳的一个进行输出控制的繁琐过程。
通过优选多个质量流量控制器的流量调整范围，能够有效的保证大跨度的调整需求。
通过设置出气孔的朝向，能够使反应气体流出后逐步均匀的扩散到衬底区域，避免了一个气口直接朝向衬底供气时易造成气流冲击以及易使反应气体集中于某一区域，造成反应气体分布不均匀的问题，能够保证反应气体供应的均匀性，有利于提高薄膜沉积的质量。
通过多条反应气体输出管路的设计，能够进一步保证反应腔内反应气氛的均匀性，进一步保证每个产品沉积质量的均匀性和多个产品同时加工时的产品一致性。
附图说明
图1 是本发明的管路结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了掺杂源供应管路，主要用于碳化硅外延层的铝和氮的掺杂，如附图1所示，包括载气源1，还包括主气路4、稀释管路5、有机金属源供应管路2和/或氮气供应管路6，所述主气路4连接所述稀释管路5、有机金属源供应管路2和/或氮气供应管路6，且所述主气路4通过一个第一质量流量控制器411控制输入到反应腔的掺杂源供应量，所述稀释管路5和有机金属源供应管路2分别连接载气源1。
具体来说，如附图1所示，所述载气源1中的载气可以是已知的各种可行的载气，优选为氢气。
所述载气源1与所述有机金属源供应管路2连接，所述有机金属源供应管路2包括载气输送管路3和反应源输出支路，所述载气输送管路3连接载气源1和用于盛装有机金属源的水浴系统21，所述反应源输出支路连接所述水浴系统21及主管路4。
其中，所述水浴系统21可以是已知各种可行的水浴装置，在此不再赘述，并且所用的有机金属源可以是各种可行的MO源，本实施例中优选为有机铝源；同时，所述水浴系统21输出的有机金属源气体的摩尔流量满足如下公式：
Figure 42782DEST_PATH_IMAGE001
其中，N为有机金属源气体的摩尔流量，单位mol/min，F为载气流量，单位cm3/min，P1为有机金属源的蒸汽压，P2为鼓泡瓶内气体压力，V=22424 cm3/mol。
如附图1所示，连接所述载气源1和水浴系统21的载气输送管路3包括两条并联的分管道以及与两条分管道连接的主管道，一条分管道连接氢气源，且其上从与氢气源的连接端开始依次设置有手动阀32及气动阀33；另一条分管道连接氩气源，所述氩气源中的氩气主要用于进行管道的吹扫，当然也可作为载气使用，其上从与氩气源的连接端开始依次设置有手动阀34及气动阀35，另外本实施例中，涉及到手动阀时，都配套有电磁阀（图中未示出）。
所述主管道延伸到所述水浴系统21的水浴槽中，且与所述水浴槽的底部贴近，所述主管道上从位于所述水域系统2的一端开始依次设置有手动阀37、气动阀36及第二质量流量控制器31。
所述反应源输出支路包括从所述水浴系统21的水浴槽中延伸出的并连接到所述主气路4上的管道，所述管道上从与所述水浴系统21的连接端开始依次设置的手动阀38及气动阀39。
工作时，所述载气输送管路3将载气输入到所述水浴系统21中，载气将有机铝源蒸汽携带出并通过反应源输出支路通入到主气路4进而输送至反应腔。
如附图1所示，所述反应源输出支路的管道连接到主气路4上，所述主气路4包括主气道43以及并联接在所述主气道43上的第一支路41及第二支路42。
详细来说，所述第一支路41包括主通道和分通道，所述主通道连接所述主气道，并且其上从与所述主气道连接的一端开始依次设置有气动阀412、第一质量流量控制器411以及气动阀413，并且，所述第一质量流量控制器411的流量范围在500-1500sccm之间。
所述分通道至少为一条，如附图1所示，本实施中优选为两条，它们并联连接在所述气动阀413后方（掺杂源气体流动过程中后经过的位置）的主通道上，并且一条分通道上从与所述主通道连接的一端开始依次设置有气动阀415及气动阀417，另一条分通道上从与所述主通道连接的一端开始依次设置有气动阀414及气动阀416。
两条分通道分别连接位于反应腔内间隙设置的反应气体输出管路（图中未示出），所述反应气体输出管路中的出气孔（图中未示出）的朝向与反应气体的上升方向相反且背向衬底。
这样设置带来的好处是，一方面，两条管路间隙分开，既能保证每个衬底所在区域均反应气体分布的均匀性，同时能够保证整个反应腔内反应气体分布的均匀性，避免常规的单孔供气，反应气体主要集中在中部区域，造成反应气体分布不均匀的问题，从而能够保证每个衬底沉积膜层的均匀性，同时保证同一批次产品膜层质量的一致性。
另外，采用本专利中的出气孔设计时，反应气体从出气孔流出后，由于是处于慢慢上升的状态，因此不会对反应腔内的气氛环境产生气流冲击，并且反应气体在上升的过程中，有充分的时间和空间进行扩散以及与衬底进行接触反应，从而能够保证反应气体分布的均匀性以及与衬底接触的充分性，进一步有利于保证膜层均匀性和反应气体的充分反应，能够提高资源利用率。
由于整个管路需要维持稳定的压力，所述第二支路42即用于对管道的压力进行调整，同时由于，第二支路42输出的反应气体对环境存在一定的危害性，因此，需要对其输出的反应气体进行处理后才能排放，对应的，所述第二支路42包括连接在所述主气道和废气处理系统连接之间的支路气道，所述支路气道上从与所述主气道连接的一端开始依次设置有第一气动阀421、压力流量计422、第二气动阀423及手动阀424，并且，所述压力流量计422的压力调整范围为0-3000torr之间。
工作时，将所述压力流量计422设置于整个管路应维持的压力值，当管道内的压力值大于所述压力流量计422的设定压力值时，所述压力流量计422对管道内的反应气体进行泻放，使管道内的压力恢复到设定值。
另一方面，由于金属铝源气化后，在管路的输送过程中较容易液化，对应的，在所述反应源输出支路和主气路4的管路的外周设置有加热带（图中未示出），从而避免反应源液化，所述加热带可以是连续设置的，也可以是间断设置的。
由于所述反应源输出支路输出的反应源的浓度往往较高且只能在一个较小范围内变化，因此要降低反应气体的浓度就需要对反应气体进行稀释，如附图1所示，所述稀释管路5连接在载气源1和主气路4之间，详细来说，所述稀释管路5包括一端连接在所述第二质量流量控制器31与气动阀33、35之间，另一端连接在所述主气道43上的稀释管道，所述稀释管道上从连接载气源1的一端开始依次设置有第三质量流量控制器51及第一单向阀52，所述第一单向阀52控制气体只能向所述主气道43方向输送。
并且，本实施中优选所述第三质量流量控制器51的流量范围大于所述第二质量流量控制器31的流量范围，具体而言，所述第三质量流量控制器51的流量范围在50-150slm之间，所述第二质量流量控制器31的流量范围在500-1500sccm之间。
为了同时实现有机铝源与氮源的交替掺杂和氮源的大浓度跨度调整，如附图1所示，所述掺杂源供应管路还包括氮气输送管路6，其包括氮气源、并联接到氮气源的第一氮气支路61、第二氮气支路62以及位于管路输出端的第二单向阀63，其中，所述第一氮气支路61的管道上设置有气动阀611，所述第二氮气支路62的管道上从与所述氮气源连接的一端开始依次设置有气动阀622、第四质量流量控制器621及气动阀623，其中所述第四质量流量控制器621的流量控制范围在15-30 sccm之间，所述第二单向阀63设置于连接所述第一氮气支路61和第二氮气支路62的单向控制支路上，所述第二单向阀63用于控制氮气单向输送到所述主气道43中。
工作时，打开相应管路中的阀门使相应管路导通后，同时设置各质量流量控制器的参数，即可向反应腔内输出设定浓度的掺杂源气体；当需要调整掺杂源气体的浓度时，打开或关闭稀释管路或调整第三质量流量控制器的参数，调整载气的输入量，即可调整掺杂源气体的浓度。
具体来说，当进行有机铝源掺杂，且需要输出的铝源气体浓度为最大时，将所述第二质量流量控制器31的范围调整到最大，关断稀释管路即可；当需要输出的铝源气体浓度为最小时，将所述第二质量流量控制器31的流量调整到最小，且将所述第三质量流量控制器51的流量调整到最大即可。
当进行氮源掺杂，且需要输出的氮源气体浓度为最大时，导通所述第一氮气支路61，关断稀释管路5即可；当需要输出的氮源气体浓度最小时，关断第一氮气支路61，使第二氮气支路61导通，同时控制第四质量流量控制器621的流量为最小，导通稀释管路5并使第三质量流量控制器51的流量调整为最大值即可。
进一步，使用后的管路需要进行清洗，对应的，如附图1所示，所述掺杂源供应管路还包括吹扫管路，所述吹扫管路包括第一吹扫管路、第二吹扫管路、第三吹扫管路、第四吹扫管路及第五吹扫管路，它们与主气路4、稀释管路5、有机金属源供应管路2和/或氮气供应管路6配合形成一套清洗管路系统。
所述第一吹扫管路包括一端连接在所述第二质量流量控制31和气动阀36之间的主管道上，另一端连接在所述气动阀432后方的主气道上的第一吹扫通道，所述第一吹扫通道上设置有气动阀71。
所述第二吹扫管路包括一端连接在所述气动阀36和手动阀37之间的主管道上，另一端连接在手动阀431和气动阀432之间的主气道上的第二吹扫通道，所述第二吹扫通道上串接有气动阀72及气动阀73。
所述第三吹扫管路包括一端控制，另一端连接在所述气动阀72、73之间的第二吹扫通道上的第三吹扫通道，所述第三吹扫通道上设置有手动阀74。
所述第四吹扫管路包括一端连接在所述手动阀74和第三吹扫通道与第二吹扫通道连接点之间的第三吹扫管道上，另一端连接在气动阀413与气动阀414、415之间的主通道上的第四吹扫管路，所述第四吹扫管路上从与所述主气道43连接的一端开始依次设置有第三单向阀75及气动阀76。
所述第五吹扫管路包括一端连接在所述气动阀432后方的主气道上，另一端连接第四吹扫通道且它们的连接点位于第三单向阀及第四吹扫通道与第三吹扫通道连接点之间的第五吹扫通道，所述第五吹扫通道上设置有气动阀77。
本发明同时揭示了化学气相沉积系统，包括气相沉积炉，所述气相沉积炉与上述的掺杂源供应管路连接。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.掺杂源供应管路，包括载气源(1)，其特征在于：还包括主气路(4)、稀释管路(5)、有机金属源供应管路(2)和氮气供应管路(6)，所述主气路(4)连接所述稀释管路(5)、有机金属源供应管路(2)和氮气供应管路(6)，所述主气路(4)通过一个第一质量流量控制器(411)控制输入到反应腔的掺杂源供应量，所述第一质量流量控制器(411)的流量范围在500-1500sccm之间，所述稀释管路(5)和有机金属源供应管路(2)分别连接载气源(1)，所述稀释管路(5)至少包括依次设置在所述主气路(4)和载气源(1)之间的管道上的第一单向阀(52)及第三质量流量控制器(51)，所述第三质量流量控制器(51)的流量范围在50-150slm之间；所述有机金属源供应管路(2)包括载气输送管路(3)和反应源输出支路，所述载气输送管路(3)连接载气源(1)和用于盛装有机金属源的水浴系统(21)，其管道上设置有第二质量流量控制器(31)，所述反应源输出支路连接所述水浴系统(21)及主气路(4)；所述第二质量流量控制器(31)的流量范围在500-1500sccm之间；所述氮气供应管路(6)包括氮气源、并联连接氮气源的第一氮气支路(61)、第二氮气支路(62)以及位于氮气输出端的第二单向阀(63)，所述第二氮气支路(62)上设置有第四质量流量控制器(621)；所述第四质量流量控制器的流量范围在15-30sccm之间；所述主气路(4)及反应源输出支路的管道外围连续或间断设置有加热带；所述主气路(4)包括主气道(43)以及并联在所述主气道(43)上的第一支路(41)及第二支路(42)，所述第一支路(41)连接所述反应腔且其上设置所述第一质量流量控制器(411)，所述第二支路(42)连接废气处理系统；所述第一支路(41)连接位于反应腔内的反应气体输出管路，所述反应气体输出管路上的出气孔的朝向与反应气体的上升方向相反且背向衬底；所述第二支路(42)包括从主气道到废气处理系统之间的管道上依次设置的第一气动阀(421)、压力流量计(422)、第二气动阀(423)及手动阀(424)，所述压力流量计(422)的压力调整范围为0-3000torr之间。
2.根据权利要求1所述的掺杂源供应管路，其特征在于：所述水浴系统输出的有机金属源气体的摩尔流量满足如下公式：
Figure FDA0002917946060000011
其中，N为有机金属源气体的摩尔流量，单位mol/min，F为载气流量，单位cm3/min，P1为有机金属源的蒸汽压，P2为鼓泡瓶内气体压力，V＝22424cm3/mol。
3.化学气相沉积系统，包括气相沉积炉，其特征在于：所述气相沉积炉与权利要求1-2任一所述的掺杂源供应管路连接。
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