CN1124371C - 一种高温碳化硅半导体材料制造装置 - Google Patents

Abstract

一种高温碳化硅半导体材料制造装置，包括前级进样室、样品传递装置、样品生长装置、插板阀和抽气设备；其中样品传递装置、前级进样室、插板阀和样品生长装置通过标准CF或标准VCR依序连接密封在一直线上；前级进样室和样品生长装置的下方连接有一抽气设备；本发明其是兼有高生长速率和原位及实时监测的新型碳化硅宽带隙材料的高真空制造装置，能够克服上述现有技术的技术缺陷，能够满足碳化硅器件对材料的要求。

Description

一种高温碳化硅半导体材料制造装置

技术领域

本发明涉及一种半导体薄膜材料制造装置，特别涉及一种基于平面式射频加热超高真空的新型高温碳化硅(SiC)半导体材料制造装置。

背景技术

SiC材料具有禁带宽、热导率高、临界击穿电场强、饱和电子漂移速率高等特点，其综合性能远远优于常规的半导体材料Si和GaAs等。由于优异的物理及电子特性，SiC是制造高频、大功率、耐高温、抗辐照、兰色及紫外发光器件和探测器件的优选材料。虽然SiC体单晶技术得到快速发展，但要制备SiC器件，需要的是高质量的外延材料。SiC外延材料现有的制造技术有化学气相沉积(CVD)技术及分子束外延(MBE)技术，它们已成为SiC材料多层n型SiC和p型SiC器件结构生长的关键生长技术，使得SiC器件的研制工作取得突破性进展。所谓CVD技术，就是将化合物气体如Si₂H₆、C₂H₄和H₂等反应气体通入反应室内，在热衬底表面上发生化学反应，并在衬底上淀积所希望的薄膜材料，如SiC。CVD技术是制备SiC晶体薄膜材料和器件的主要方法，相对SiC体单晶生长工艺(生长温度在2200-2800℃范围内)而言，CVD技术要求生长温度较低，一般在1300-1600℃，薄膜的均匀性高，过程较易控制。CVD有三种典型的生长设备，一是冷壁水平式常压反应系统；二是热壁水平式常压CVD生长装置；三是冷壁垂直式低压CVD生长装置。一般情况下，由于CVD系统采用的是管状式石英腔室，反应压力较高(一般在常压下工作)，并且调节范围窄，因此CVD系统常常不配备原位检测系统。MBE生长技术按源来分有两种类型，一是固态源，二是气态源。其特点是生长环境洁净，可以进行原子层外延生长和原位监测，便于研究生长过程中原子的吸附，脱附和生长表面的再构，进行SiC多晶型体的异质结及超晶格的生长，有利于抑制自掺杂等。与CVD生长技术相比，MBE生长温度更低，但其生长速率较低，如固态源MBE的生长速率为0.3μm/h，气态源MBE的生长速率为10nm/h。由于生长速率慢，对于SiC器件材料，尤其是功率器件材料的制备而言，要想使其离开实验室，进入实用化生产，尚有许多工作要做。

发明内容

本发明的目的是设计一种高温碳化硅半导体材料制造装置，其是兼有高生长速率和原位及实时监测的新型SiC宽带隙材料的高真空制造装置，不但能够克服上述现有CVD和MBE制造技术中存在的技术缺陷，而且能够满足SiC器件，尤其是功率器件对材料的要求。

本发明一种高温碳化硅半导体材料制造装置，包括前级进样室、样品传递装置、样品生长装置、插板阀和抽气设备；其特征在于：其中样品传递装置、前级进样室、插板阀和样品生长装置通过标准依序连接密封在一直线上；前级进样室和样品生长装置的下方连接有一抽气设备，该装置兼有原位及实时监测的技术措施。

其中所述的样品生长装置包括：样品生长装置包括生长室、进气装置、加热装置、衬底旋转装置、高能电子衍射监测系统、和液氮冷却装置组成，其特征在于，其中样品生长室是一个水平放置的圆柱形超高真空腔体；进气装置由多路进气管道构成，它位于生长室的上方；加热装置是一感应式铜加热装置，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；高能电子衍射监测系统安装在铜加热装置的上端；液氮冷却装置是一中空的不锈钢件，外形与生长室相同，它位于整个生长室的内侧，起到冷壁的作用。

其中在铜加热装置的上方是石墨板，它位于圆柱形生长室的中心偏下的位置，石墨板放置在钼金属托架上，钼金属托架依次通过支撑杆、从动齿轮和不锈钢帽架及支架与生长室底部的大法兰盘固定在一起。

其中所述的高能电子衍射监测系统由高能电子枪和荧光屏组成，高能电子枪安装在圆柱形生长室侧面的一个窗口上，荧光屏安装在另一个侧面的窗口上，两者之间的水平连线与圆柱的轴线相交，交点的下方就是样品衬底所处的位置，即高能电子枪、样品衬底和荧光屏在一个垂直平面上，由高能电子枪射出的电子束入射到样品衬底表面，反射后打在荧光屏上；电子束的方向与水平线之间的夹角为1-2°。

实现本发明所采取的技术措施有以下几个方面：一是在样品生长装置上加装RHEED系统。RHEED是生长过程中的重要原位观察手段，主要用于观察样品表面的清洁度，表面平整度及表面的结构等，以实现生长过程中的原位监测目的，便于确定合适的生长条件。二是加装衬底的转动装置。采用直流电动机作为动力，来驱动转动装置，直流电机与主动齿轮相连接，从动齿轮带动衬底托架以一定的转速转动，达到均匀加热样品的目的，以确保样品生长的均匀性。三是采用平面式加热器，达到薄片衬底易被加热和温度均匀的目的。四是反应气体的压力可调，其调节范围在10^-7乇到1000乇内，以达到高真空、低压和常压生长工艺要求。五是反应气体进气方式可调。该发明的进气嘴可以在90°的范围内变动，通过调整进气嘴与衬底之间的相互关系，在样品生长室内实现涡流式进气方式、中间式进气方式和平流式进气方式等三种进气方式。

本发明采用的是气源作为反应气体，是为制造SiC单晶薄膜材料而设计的，也可适用于多晶和非晶SiC薄膜材料的制备，以及其它用气源的半导体材料如锗硅合金(GeSi)、氮化镓(GaN)等的制备。

本发明的特点是灵活、多用、调节范围宽、易于控制，与现有生长技术相比，兼有生长速率高和原位及实时监测双重优点。

附图说明

为了进一步说明本发明的结构和特征，结合附图对本发明做进一步的描述，其中：

图1是本发明SiC生长装置整体示意图。

图2是本发明反射式高能电子衍射(RHEED)示意图。

图3是本发明衬底旋转装置示意图。

图4是本发明平面螺旋式加热器的剖面图。

图5是本发明样品用石墨板示意图。

图6是本发明石墨板与钼金属框架之间的位置关系。

图7是本发明钼金属托架结构示意图。

图8是本发明三种不同方式(涡流式，中间式，和平流式)的进气装置示意图。

具体实施方式

图1给出的是碳化硅(SiC)生长装置整体示意图。该生长装置是一超高真空系统，由不锈钢材料制造而成。如图1所示，整个装置是由前级进样室1、插板阀2、样品传递装置3、抽气设备4和样品生长装置5等五部分组成(其中前级进样室1、插板阀2、样品传递装置3、抽气设备4均为已有技术，在此对其具体结构不详细描述)，其中样品传递装置3、前级进样室1、插板阀2和样品生长装置5通过标准CF或标准VCR依序连接密封在一直线上；前级进样室1和样品生长装置5的下方连接有一抽气设备4。其中抽气设备4主要由分子泵、离子泵、机械泵和干泵等构成(为已有技术)，这里没有给出具体的结构，在以下的描述中，将具体给出其连接方式。

前级进样室1也是一高真空室，其作用是除气、去湿、存放待生长的衬底片和已生长的样品等。内部有一个样品存放架，同时可存放六个样品或样品衬底，样品架的外部传动部件12及其中的手动转轮11位于进样室的上方，用手动转轮11可以调整样品在进样室内的垂直位置；拨叉13位于进样室侧面，可以用拨叉13将样品从样品存放架上取下放置在位于前级进样室1内传递装置上，或将样品从传递装置上取下放置在样品存放架上。前级进样室1通过CF连接分别与插板阀2和样品传递装置3密封。前级进样室1的下端是抽气口14，通过CF连接分别与分子泵和离子泵密封。

样品传递装置3是用来在前级进样室1和样品生长室51之间传递样品或样品衬底用的，由支撑架31、磁套32、传递杆外套33、支架34和内部的传递杆构成，它与前级进样室1通过CF连接进行密封。支撑架31起到支撑的作用，传递装置的传递杆位于传递杆外套33的内部，滑动磁套32可以带动内部的传递杆移动，内部传递杆的一端位于前级进样室内1，端面有一个槽位，可以放置样品衬底，通过滑动磁套32达到传递样品或衬底的目的。

样品生长室51是一水平放置的圆柱形不锈钢腔室，它包括进气装置500、液氮冷却装置61、加热装置58、衬底旋转装置59、和高能电子衍射监测(RHEED)系统60组成。冷却装置61是一个不锈钢液氮冷套，位于圆拄形不锈钢生长室51内侧，形成冷壁式系统，通过密封垫圈与不锈钢生长室51连接，液氮冷却装置61的液氮进口55和出口54分别位于样品生长室51的两个端面。样品生长室51通过CF连接与插板阀2密封，生长室的主抽气通道56通过CF连接与分子泵密封，生长室51的另一抽气通道57通过另一种标准(VCR)与干泵密封连接，在生长室和干泵之间有一个手动阀门(图中未示)，反应气压是通过调节干泵前的手动阀门来控制的。在生长室51的径向还有另一个抽气通道(图中未示)，它与抽气通道56垂直，该抽气通道通过CF连接与离子泵密封。

如图1所示，在样品生长室51的上方装有进气装置500，该进气装置500包括三路进气通道522，用户可以根据具体的生长材料来确定进气路数，可随时增加或减少；与之相连的是几种反应气体的混合室521，最后是反应气体的进气通路523，它位于生长室51内。在混合室521混合后的反应气体，经进气通路523进入生长室51，并入射到样品衬底65表面。拨叉531位于生长室51的圆柱形端面中心，当衬底送入生长室51后，可用拨叉531将样品放置在石墨感应加热装置58上。观察窗53同样位于生长室51的圆柱形端面上，它比拨叉531的位置稍高，并与圆柱形端面的法线方向有一个夹角，生长时可以通过观察窗53观察样品生长情况，另外也可作为测温窗口使用。

真空计511位于生长室51的上方，通过CF标准连接与生长室51密封。

中空的铜加热装置58，衬底旋转装置59，固定在生长室51底部的大法兰盘50上，铜加热装置58位于衬底旋转装置59的内部，有关铜加热装置58和衬底旋转装置59的具体结构及其与法兰盘的连接方式祥见图3和图4的说明。

图2是反射式高能电子衍射(RHEED)示意图。RHEED采用能量为30KeV电子束掠角入射到样品表面，电子束在样品中的穿透深度仅为几个原子层。图2中，电子枪63安装在生长室51侧面的一个窗口中心，观察孔62安装在另一边与电子枪63窗口水平对称的位置上，这两个窗口的连线通过样品生长室51的水平中心位置。样品衬底的位置非常重要，它位于样品生长室水平中心位置下方2-3厘米处。由于样品衬底65的位置低于生长室51的中心位置，由电子枪射出的电子束经样品衬底反射后，投影在观察孔62内置的荧光屏上，以便观察衍射图样。电子束的入射方向与衬底65的表面形成1-2°的夹角，电子束入射在样品或衬底65表面上的位置可以通过30kV高能电源上的偏转调节来完成。

图3是衬底旋转装置示意图。整个样品衬底托架固定在与从动齿轮594连接的不锈钢帽架595上，从动齿轮594转动时，带动样品衬底托架转动，从而实现样品衬底65的转动。从动齿轮594下方的不锈钢支架596是固定的，该不锈钢支架与大法兰50连接。在衬底旋转装置中，直流电机591是动力核心，直流电机591带动主动齿轮593旋转，主动齿轮593旋转带动从动齿轮594旋转。直流电机591与主动齿轮593之间是通过磁力传动系统592连接的，因此可保证传动部分与生长室51的密封。主动齿轮593与从动齿轮594的齿数比为3，直流电机591的转速可以通过调整电压来控制。主动齿轮593以一定的转速转动，达到均匀加热样品的目的。本发明所设计的样品衬底65转速为10-30转/分。加热装置中的感应式铜加热装置58位于旋转装置的内部，铜加热装置的平面与样品衬底65平行，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，详细结构参见图4。样品衬底65放置在石墨感应加热器上，而石墨感应加热器位置由钼金属托架81固定，钼金属托架81依次通过支撑杆597、从动齿轮594和不锈钢帽架595及支架596与生长室底部的大法兰盘50固定在一起，其中金属支架596与大法兰盘50通过CF连接进行密封。

图4是平面螺旋式铜加热装置58的剖面图，它位于旋转装置59的内部，铜加热装置58的平面与样品衬底65平行。铜加热装置58是由中空的铜管制成，铜管的两端分别与高频感应加热电源的两个次级线圈输出端相连。加热时，铜管内通自来水冷却。一个关键的技术是铜管与生长室的密封问题，在此我们采用了瓷套转接连接方式，即将铜管58与瓷套585的一端用金属584焊接在一起，瓷套的另一端与生长室上的一个不锈钢件587用金属586焊接在一起。不锈钢件587与生长室底部的大法兰盘50通过垫圈密封。

图5是放样品的圆形石墨板示意图。该石墨板71由纯石墨制成。由于石墨板质地松软，体内常常含有杂质，为了防止石墨污染真空系统和样品，我们用一层致密的氮化硼(BN)材料覆盖在石墨板表面上。石墨板上有一个凸台712，为了传递方便，将其固定在一个圆形的钼金属框架641上，详细结构参见图6。

图6a给出了石墨板71、样品65与钼金属框架641之间的位置关系，图6b给出了图6a的剖面图。钼金属框架641的内侧有一个凹槽，凹槽的直径与石墨板的直径相同。钼金属框架641的内径与石墨板凸台部分712的直径相同，以便紧密固定。钼金属框架上有两个通孔642，供拨叉使用。另外还有两个半圆形缺口，它们是在前级进样室和样品生长室作位置固定用的。两个半圆形缺口和两个通孔的位置在角度上相差90°。

图7是钼金属马蹄铁形托架结构示意图。钼金属托架81是来放置图6所示的石墨板的，托架上有一个缺口84，它是为了交接样品时设计的。在托架的内侧有一个凹槽84，在放置样品时，可以避免样品滑动脱落。为了使温度均匀，我们在马蹄形缺口的对称位置和与其连线的垂直位置上开了另外三个同等宽度的缺口。钼金属托架的四个通孔82是用来固定支撑杆597的，通过支撑杆597和金属帽架595与从动齿轮594连接在一起。

图8是三种不同方式(涡流式，中间式，和平流式)的进气装置示意图。进气嘴固定托架92与生长室容器壁91通过CF连接密封，进气嘴93与94分别采用不锈钢材料和氮化硼材料制作，进气嘴97和98采用紫铜管来制作。图8a中，气流方向与样品衬底表面垂直，形成涡流式进气方式；图8b中，气流方向与样品衬底表面有一夹角，形成中间式进气方式；图8c中，气流方向与样品衬底表面平行，形成平流式进气方式。在生长样品时，可以根据具体的生长材料和反应机理，来确定进气方式。

本发明的工作过程是：在进行SiC生长之前，将插板阀2和前级进样室1的离子泵关闭，用高纯氮气冲入前级进样室1至大气压，打开操作门将处理好的衬底片放入前级进样室1内的样品存放架上，关闭操作门。用机械泵和分子泵将前级进样室1抽成真空，进行必要的除气、去湿工作，随后用拨叉将衬底放在传递杆上，打开插板阀2，滑动磁套32将衬底片传入生长室，用拨叉531将衬底放置在石墨板上加热，退回传递杆，关上插板阀2。为了观察样品表面的状态，可以用RHEED技术来完成。按照生长技术所要求的温度、压力，由进气通道522通入所要求的反应气体，以进行SiC的生长工作。

本发明公布了一种基于平面式射频加热超高真空的新型高温SiC半导体材料制造装置。该发明为一超高真空系统，工作气压可以在10^-7乇到1000乇内调节。所采用的技术措施是：在超高真空系统上，加装反射式高能电子衍射系统，采用射频(RF)加热方式，加热线圈为平面式，加热器为石墨及氮化硼覆盖式石墨板或金属钼板；衬底配备有旋转装置，以提高SiC材料的均匀性。通过调整进气与衬底之间的关系，在反应室内可以形成涡流式、中间式和平流式三种进气方式。本发明的特点是灵活、多用、调节范围宽、易于控制，兼有生长速率高和原位及实时监测的双重特点。

Claims (4)

1、一种高温碳化硅半导体材料制造装置，包括前级进样室、样品传递装置、样品生长装置、插板阀和抽气设备；其特征在于：其中样品传递装置、前级进样室、插板阀和样品生长装置通过标准依序连接密封在一直线上；前级进样室和样品生长装置的下方连接有一抽气设备，该装置兼有原位及实时监测的技术措施。

2、根据权利要求1所述的一种高温碳化硅半导体材料制造装置，其中所述的样品生长装置包括：样品生长装置包括生长室、进气装置、加热装置、衬底旋转装置、高能电子衍射监测系统、和液氮冷却装置组成，其特征在于，其中样品生长室是一个水平放置的圆柱形超高真空腔体；进气装置由多路进气管道构成，它位于生长室的上方；加热装置是一感应式铜加热装置，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；高能电子衍射监测系统安装在铜加热装置的上端；液氮冷却装置是一中空的不锈钢件，外形与生长室相同，它位于整个生长室的内侧，起到冷壁的作用。

3、根据权利要求1或2所述的一种高温碳化硅半导体材料制造装置，其特征在于，其中在铜加热装置的上方是石墨板，它位于圆柱形生长室的中心偏下的位置，石墨板放置在钼金属托架上，钼金属托架依次通过支撑杆、从动齿轮和不锈钢帽架及支架与生长室底部的大法兰盘固定在一起。

4、根据权利要求1或2所述的一种高温碳化硅半导体材料制造装置，其特征在于，其中所述的高能电子衍射监测系统由高能电子枪和荧光屏组成，高能电子枪安装在圆柱形生长室侧面的一个窗口上，荧光屏安装在另一个侧面的窗口上，两者之间的水平连线与圆柱的轴线相交，交点的下方就是样品衬底所处的位置，即高能电子枪、样品衬底和荧光屏在一个垂直平面上，由高能电子枪射出的电子束入射到样品衬底表面，反射后打在荧光屏上；电子束的方向与水平线之间的夹角为1-2°

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