CN114150381B - 一种碳化硅外延生长装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种碳化硅外延生长装置。该外延生长装置包括：气体供给系统，该气体供给系统包括：前端模块及后端模块，前端模块用以接入反应气体，前端模块的输出连接后端模块，后端模块的气路都配置有匹配对应至少一种反应气体类型的分支流路，每个分支流路的流路的数量与多腔室喷淋头装置的进气腔n的数量相等，每个气路分支都设置一个压力控制器和n‑1个流量控制器,后端模块用以调整引入多腔室喷淋头装置前的反应气体、载气或保护气体。该气体供给系统中气路分支的流量由n‑1个MFC来设置决定，安装PC这一路的气体流量等于分支前部进气总流量减去安装MFC的分支的总流量，这样的好处在于不会产生进口流量跟出口流量总数不符的问题。
Description
技术领域
本申请涉及薄膜材料生长技术领域，具体地涉及一种碳化硅外延生长装置。
背景技术
用于制备碳化硅外延片的碳化硅CVD设备是一种集气体输运、混气、真空、高温、旋转等技术为一体的高科技装备。设备运行时反应气体被加热器加热流到反应温度的基片（即衬底）的表面，在表面发生化学反应生成单晶薄膜。CVD设备的气体供给系统由多种反应气体/载气混合而成，通常反应气体混合之后通过大流量载气送入进气部件，再进入反应腔参与生长反应。目前碳化硅CVD设备的气体供给系统结构复杂，每个分支都用一个流量控制器来控制，该结构下当进气量与出气量不一致时，如进气量大于出气量时导致进气压力会增大，进来的流量受限，反之当进气量小于出气量时，流量控制器的前端压力会下降，后面的分支气流不够，造成有些支路流量减少，这样流量控制不稳定，导致外延片的生长环境变化大，掺杂浓度均匀性差，有一定的记忆效应，批次间的重复性差。
因此，需改进现有的碳化硅外延生长装置的供气系统。
发明内容
为克服上述缺点，本申请的目的在于：提供一种碳化硅外延生长装置，优化其供气系统，利用PC压控对分支前端气体的输入端进行稳压控制，保持各进气管道压力均衡，MFC进气和出气端压差也相对稳定，可以大大提高MFC流量控制精度，控制的稳定性大大增加。
为了达到以上目的，本申请采用如下技术方案：
一种碳化硅外延生长装置，其特征在于，包括：
反应模块，所述反应模块上安装有多腔室喷淋头装置，所述多腔室喷淋头装置连接至气体供给系统，
所述气体供给系统包括：前端模块及后端模块，
所述前端模块用以接入反应气体，所述前端模块的输出连接后端模块，
所述后端模块的气路都配置有匹配对应至少一种反应气体类型的分支流路，每个所述分支流路的分支的数量与所述多腔室喷淋头装置的进气腔n的数量相等，每个分支流路中都设置一个压力控制器和n-1个流量控制器,
所述后端模块用以调整引入多腔室喷淋头装置前的反应气体、载气或保护气体。这样的设计，每个分支流路的分支的数量n与多腔室喷淋头装置的进气腔的数量n相等，气路分支的流量由n-1个MFC来设置决定，PC这一路的气体流量等于分支前部进气总流量减去MFC的分支的总流量，这样进口流量恒定，出口总流量也就恒定，控制的稳定性大大增加，提高批次间的外延片一致性。
优选的，该多腔室喷淋头装置包括：
本体，所述本体内配置有腔体，所述腔体内配置有隔板，所述隔板将腔体分成上下2层空间，
上层空间的腔体从内到外依次的配置有相互隔离的内圈进气腔、环形的中圈进气腔、环形的外圈进气腔和最外侧的环形的外围吹扫腔。
优选的，该内圈进气腔、环形的中圈进气腔及环形的外圈进气腔的下方侧配置有匹配的匀气板，匀气后的气体流入下层空间的腔体后，分别经匹配的出气管引导至反应腔内。
优选的，该碳化硅外延生长装置，其特征在于，还包括：环形的外围吹扫腔，其与所述内圈进气腔、环形的中圈进气腔及环形的外圈进气腔同层配置且位于环形的外圈进气腔的外侧。
优选的，该碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述内圈进气腔通过内圈进气管连接至后端模块，
所述环形的中圈进气腔通过中圈进气管连接至后端模块，
所述环形的外圈进气腔通过外圈进气管连接至后端模块，
所述最外侧的环形的外围吹扫腔通过外围进气管连接至后端模块。
优选的，该碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述内圈进气管，中圈进气管，外圈进气管及外围进气管分别连接至常开阀的一端以及常闭阀的一端，
所述常开阀的另一端经管道连接保护气体源，所述常闭阀的另一端经管道连接载气进气管。
优选的，该碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述内圈进气管、中圈进气管、外圈进气管及外围进气管上分别有匹配的流量控制器。
优选的，该碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述分支流路包括：第一支路、第二支路及第三支路，
其中，第一支路上配置有压力控制器，第二支路及第三支路上分别配置有流量控制器，
所述第一支路经管道连接至内圈进气管，
所述第二支路经管道连接至外圈进气管，
所述第三支路经管道连接至中圈进气管。
优选的，该碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述反应模块内具有反应腔，所述反应腔的底部配置有托盘，所述托盘用以容纳衬底，
所述托盘配置于旋转系统上，所述旋转系统的输出端连接驱动部，
基于驱动部的驱动，所述旋转系统旋转，进而带动所述托盘旋转，所述托盘旋转带动其上的衬底同步旋转。
优选的，该反应模块的侧壁上配置有抽气口，所述抽气口通过抽气管连接真空泵。
有益效果
本申请实施方式的碳化硅外延生长装置通过优化气体供给系统，在气路分支中利用MFC（流量控制器）和PC（压力控制器）相结合的方式进行气路分支和流量分配，具体的，气体的流量由n-1个MFC（流量控制器）来设置决定，PC（压力控制器）这一路的气体流量不需要独立设置、即PC这一路的气体流量等于分支前部进气总流量减去其他安装MFC（流量控制器）的分支的总流量。这样设计的好处在于，可以灵活调整喷淋头装置（简称喷淋头）的进气总量，达到各分区/分支的压力平衡；另一个好处在于，增加管道气体的流速，可以让反应气体更快速地进入反应腔内。为例保证一定的气流压力，分支前部进气总流量必须大于该路气体分支的MFC的总流量，只要进口流量恒定，出口总流量也就恒定，控制的稳定性大大增加。每路分支流路汇合到喷淋头装置的进气管的数量n等于喷淋头分区的数量。每根/每路喷淋头的进气管接有可以自由切换的载气和保护气，因反应气体大多是易燃易爆或腐蚀性气体，当产生泄漏或其他事故时，可以快速将载气切换成氮气、氩气或其他惰性气体，将管道和反应腔进行快速稀释和冲洗，提高设备安全性；载气管道配置常闭型阀门，保护气管道配置常开型阀门。
附图说明
附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本申请内容。
图1为本申请一实施例的碳化硅外延生长装置的立体截面示意图；
图2为图1中多腔室喷淋头装置与反应模块连接的示意图；
图3为图1中气体供给系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本申请提出一种碳化硅外延生长装置，其包括：反应模块，该反应模块上安装有多腔室喷淋头装置，该多腔室喷淋头装置连接至气体供给系统，该气体供给系统包括：前端模块及后端模块，前端模块用以接入反应气体，前端模块的输出连接后端模块，该后端模块的气路都配置有匹配对应至少一种气体类型的分支流路，每个分支流路的流路的数量与多腔室喷淋头的进气腔n的数量相等，每个分支流路都设置一个压力控制器和n-1个流量控制器（即对每个分支流路而言，其中一个流路上配置PC，其余流路上配置MFC）,后端模块用以调整引入多腔室喷淋头装置前的反应气体、载气或保护气体。本申请实施方式的碳化硅外延生长装置气体供给系统中气体的分支流路的流量由n-1个MFC来设置决定，安装PC这一路的气体流量等于分支流路前部进气总流量减去安装MFC的分支的总流量，这样的好处在于不会产生进口流量跟出口流量总数不符的问题。只要进口流量恒定，出口总流量也就恒定，控制的稳定性大大增加。利用PC（压力控制器）对前端模块（即1到N号气体的输入端）的输入进行稳压控制，保持各进气管道压力均衡，MFC进气和出气端压差也相对稳定，可以大大提高MFC流量控制精度。另外，该碳化硅外延生长装置的气路配置有独立的外围吹扫管道，外围吹扫气从喷淋头下部出来后进入反应腔，可以在反应腔壁形成一个气帘，将反应腔壁与喷淋头出来的反应气体隔离，减少反应腔壁的沉积，同时提高反应气体的利用率。
接下来结合附图来描述本申请提出的碳化硅外延生长装置。
图1为本申请一实施例的碳化硅外延生长装置的立体截面示意图；
该碳化硅外延生长装置，包括：反应模块100，该反应模块呈筒状，
反应模块100的一侧（反应模块100的端部）安装有多腔室喷淋头装置150，该多腔室喷淋头装置150连接至气体供给系统，该气体供给系统包括：
前端模块200及后端模块300，
该前端模块2 0 0 用以完成气体的接入、流量配比、气体类型选择、M O 源（metalorganic source，高纯金属有机化合物，或叫化合物半导体微结构材料）或其他固态和液态源的鼓泡、气体切换和混气等，
该后端模块300，用以将调整好的气体在进入多腔室喷淋头装置150前的分支、分配、混气、总流量调整等。
反应模块100内具有反应腔117，
反应腔117的底部配置有托盘120，该托盘120用以容纳衬底（图未示），
托盘120配置于旋转系统130上，旋转系统130配置基底115上，旋转系统130的输出端连接驱动部140，基于驱动部140的驱动，带动旋转系统130旋转，进而带动托盘120旋转，托盘120旋转带动其上的衬底同步旋转。
反应模块100一侧的侧壁110上配置有抽气口114，其通过抽气管连接真空泵（图未示）。
反应模块100的侧壁110上配置有：壳体111、并排配置的第一保温层112与第二保温层113以及内衬管116，内衬管116位于并排配置的第一保温层112与第二保温层113的一侧且远离壳体111。较佳的，在内衬管116与第一保温层112间配置有侧壁加热器（图未示）。侧壁加热器用于给流入反应腔117的气体预热，从气体流路看越靠近托盘预热的温度越高（越接近托盘的温度）。该侧壁加热器配置成沿侧壁的轴心轴向延伸。本实施方式中，多腔室喷淋头装置150与托盘120相对配置，这样多腔室喷淋头装置150流出的气体垂直于或大致垂直于托盘120上衬底的表面。在一实施方式中，多腔室喷淋头装置150的中轴线与反应模块100的轴线一致。多腔室喷淋头装置150的中轴线、反应模块100的轴线及旋转系统130的轴线一致（即同轴）。
该多腔室喷淋头装置150（请参见图2），包括：
本体156，本体156内配置有腔体，该腔体内配置有隔板151（也称匀气板），将腔体分成上下2层（即沿多腔室喷淋头装置150的中轴线方向上将腔体分成上下2层，下层靠近反应模块侧），
上层的腔体从内到外依次配置有：内圈进气腔152、环形的中圈进气腔153、环形的外圈进气腔154和最外侧的环形的外围吹扫腔155，进气腔之间通过隔离板（也称隔离圈）隔离，这样进气腔之间（内圈进气腔152与中圈进气腔153间，中圈进气腔153与外圈进气腔154之间，外圈进气腔154和外围吹扫腔155之间）相互隔离。
接下来结合图1及图2来描述多腔室喷淋头装置150与气体供给系统的连接。
内圈进气腔152，通过内圈进气管330连接至后端模块300，
环形的中圈进气腔153，通过中圈进气管320连接至后端模块300，
环形的外圈进气腔154，通过外圈进气管310连接至后端模块300，
和最外侧的环形的外围吹扫腔155，通过外围进气管340连接至后端模块300。
内圈进气腔152、环形的中圈进气腔153、环形的外圈进气腔154和最外侧的环形的外围吹扫腔155的下面分别配置有匹配的匀气板，匀气后的气体流入下层的腔体后，分别经匹配的出气管引导至反应腔117内。本实施方式中，内圈进气腔152、环形的中圈进气腔153、环形的外圈进气腔154和最外侧的环形的外围吹扫腔155处于同一层。通过配置外围吹扫腔进一步的提高气体均匀性。通过设置外围吹扫气，这样气体从多腔室喷淋头装置150的下部出来后进入反应腔内，在反应腔壁形成一个气帘，将反应腔壁与喷淋头出来的反应气体隔离，减少反应腔壁的沉积，提高反应气体的利用率。在一实施方式中，后端模块300与多腔室喷淋头装置150之间配置有连接部件，这样维护时方便多腔室喷淋头装置150的拆卸/组装。
接下来结合图3来描述本申请的气体供给系统，气体供给系统用于与反应模块连接。
气体供给系统包括：前端模块200及后端模块300，
前端模块200将反应所需的气体如1号气体、2号气体…N号气体，引导至后端模块300。
内圈进气管330，中圈进气管320，外圈进气管310及外围进气管340分别连接至常开阀333的一端以及常闭阀334的一端，常开阀333的另一端经管道332连接保护气体源（图未示），常闭阀334的另一端经管道连接载气进气管331。
针对每种气体（反应气体）而言，后端模块300的气路都配置有分支流路，分支流路中分支的数量跟多腔室喷淋头的进气腔的数量n相等。本实施方式中，n为3，内圈进气腔、环形的中圈进气腔、环形的外圈进气腔，以1号气体为例（其他类型气体对应的分支流路的结构与1号气体的相同），其对应有3个分支（也称流路），其中一个分支/流路上配置PC（压力控制器），另2个分支/流路上分别配置MFC（流量控制器）。其连接关系描述如下：
前端模块200将1号气体引导至后端模块300匹配的分支流路，
该分支流路包括：3个支路，即第一支路301、第二支路302及第三支路303，
其中，第一支路301上配置有PC（压力控制器），第二支路302及第三支路303上分别配置有MFC（流量控制器），
第一支路301经管道连接至内圈进气管330，
第二支路302经管道连接至外圈进气管310，
第三支路303经管道连接至中圈进气管320。
通过3个支路将反应气体引入3个进气腔（n=3），即通过3个支路将反应气体引入内圈进气腔、环形的中圈进气腔及环形的外圈进气腔。保护气体及载气引入内圈进气腔、环形的中圈进气腔、环形的外圈进气腔及外围吹扫腔。该结构相对于目前的气体供给中针对气体的每个分支都用一个MFC来控制的方式，目前的气体供给方式下当进气大于出气时，进气压力会增大，进来的流量受限，反之当进气小于出气时，MFC前端压力会下降，后面的分支气流不够，造成有些支路流量减少，并且不受控，这样导致外延片的生长环境变化大，掺杂浓度均匀性差，且批次间的重复性差。而本申请提出的方式，对某种气体而言，利用具有PC的支路对分支前端1号气体（其他号反应气体也适应）的输入进行稳压控制，保持各进气管道压力均衡，MFC进气和出气压差也相对稳定，可以大大提高MFC流量控制精度。
本实施方式中，内圈进气管330，中圈进气管320，外圈进气管310及外围进气管340上分别配有MFC（流量控制器），参见图3。从MFC和PC出来的气体分别汇入不同的多腔室喷淋头装置的进气管道，管道的数量跟喷淋头的进气腔的数量n相等，每根管道可以汇入的气体类型数量可变，根据工艺需求，1到N号气体可以任意组合并汇入喷淋头进气管道。分支流路中分支的流量由n-1个MFC来设置决定， PC这一路的气体流量等于分支前部进气总流量减去n-1个MFC分支的总流量。
本实施方式中，与多腔室喷淋头装置的内圈进气腔、环形的中圈进气腔、环形的外圈进气腔和最外侧的环形的外围吹扫腔匹配的进气管道（310/320/330/340）上配置有相应的MFC并连接至调节多腔室喷淋头装置中载气的管道。这样的设计好处在于，可以灵活调整喷淋头进气总量，达到各分区压力平衡，另一个好处是，增加管道气体流速，可以让反应气体更快速地进入反应腔内。另外还可依据工艺载气通常选择不参与反应的氢气、氮气、氩气或其他气体，通过常开/常闭阀根据工艺需要在工艺载气和安全保护气体之间进行切换。
上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种碳化硅外延生长装置，其特征在于，包括：
反应模块，所述反应模块上安装有多腔室喷淋头装置，所述多腔室喷淋头装置连接至气体供给系统，所述多腔室喷淋头装置包括：
本体，所述本体内配置有腔体，所述腔体内配置有隔板，所述隔板将腔体分成上下2层空间，
上层空间的腔体从内到外依次的配置有相互隔离的内圈进气腔、环形的中圈进气腔、环形的外圈进气腔和最外侧的环形的外围吹扫腔，
所述气体供给系统包括：前端模块及后端模块，
所述前端模块用以接入反应气体，所述前端模块的输出连接后端模块，
所述后端模块的气路都配置有匹配对应至少一种反应气体类型的分支流路，每个所述分支流路的分支的数量与所述多腔室喷淋头装置的进气腔n的数量相等，每个分支流路中都设置一个压力控制器和n-1个流量控制器,
所述后端模块用以调整引入多腔室喷淋头装置前的反应气体、载气或保护气体，
所述内圈进气腔通过内圈进气管连接至后端模块，
所述环形的中圈进气腔通过中圈进气管连接至后端模块，
所述环形的外圈进气腔通过外圈进气管连接至后端模块，
所述最外侧的环形的外围吹扫腔通过外围进气管连接至后端模块。
2.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述内圈进气腔、环形的中圈进气腔及环形的外圈进气腔的下方侧配置有匹配的匀气板，匀气后的气体流入下层空间的腔体后，分别经匹配的出气管引导至反应腔内。
3.如权利要求2所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，还包括：环形的外围吹扫腔，其与所述内圈进气腔、环形的中圈进气腔及环形的外圈进气腔同层配置且位于环形的外圈进气腔的外侧。
4.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述内圈进气管，中圈进气管，外圈进气管及外围进气管分别连接至常开阀的一端以及常闭阀的一端，
所述常开阀的另一端经管道连接保护气体源，所述常闭阀的另一端经管道连接载气进气管。
5.如权利要求4所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述内圈进气管、中圈进气管、外圈进气管及外围进气管上分别有匹配的流量控制器。
6.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述分支流路包括：第一支路、第二支路及第三支路，
其中，第一支路上配置有压力控制器，第二支路及第三支路上分别配置有流量控制器，
所述第一支路经管道连接至内圈进气管，
所述第二支路经管道连接至外圈进气管，
所述第三支路经管道连接至中圈进气管。
7.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述反应模块内具有反应腔，所述反应腔的底部配置有托盘，所述托盘用以容纳衬底，
所述托盘配置于旋转系统上，所述旋转系统的输出端连接驱动部，
基于驱动部的驱动，所述旋转系统旋转，进而带动所述托盘旋转，所述托盘旋转带动其上的衬底同步旋转。
8.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述反应模块的侧壁上配置有抽气口，所述抽气口通过抽气管连接真空泵。
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