CN216793619U - 一种新型碳化硅衬底的前处理设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种新型碳化硅衬底的前处理设备，包括进气管路、反应腔、隔热层、支撑部件、射频加热部件、真空抽气部件、尾气处理管路、加热基板和衬底托盘；进气管路和尾气处理管路分别位于隔热层两个侧边，射频加热部件位于反应腔底部，支撑部件位于加热基板并固定加热基板于隔热层内侧底部，加热基板上设置有凹槽，衬底托盘位于凹槽处，真空抽气部件位于隔热层外侧；衬底托盘包括基材、结构层和防护层；结构层位于基材上并具有标准形貌或图案支撑结构。其中本实用新型的有益效果是：降低衬底缺陷，改进衬底外延生长前处理，在不影响衬底处理效果的同时进行大批量、多批次处理，同时减少外延准备时间，缩短工艺流程。

Description

一种新型碳化硅衬底的前处理设备

技术领域

本实用新型涉及半导体制造设备，特别涉及一种新型碳化硅衬底的前处理设备。

背景技术

第三代半导体材料碳化硅(SiC)外延生长工艺由单晶、外延、器件、模块、应用五部分构成，其中外延作为连接单晶和器件之间的桥梁其地位弥足轻重。但由于4H型碳化硅的密排六方的晶体结构、特殊的单晶及衬底制备工艺，会在衬底中留下大量不利于后续外延生长的缺陷。因此，在外延生长前需要对衬底进行处理，以降低衬底中的缺陷数量。这样的过程称为“硅衬底的前处理”

降低SiC单晶衬底中缺陷的工艺方法主要应用于前处理阶段和外延阶段。一般的衬底前处理包括化学机械研磨、碳保护层的沉积以及在保护气氛下高温退火的过程；而外延准备阶段包括原位/非原位刻蚀、高掺杂缓冲层设计、外延Si/C比设计以及生长中断。当前碳化硅衬底缺陷转化工艺通常位于外延阶段，该阶段通过氢气原位刻蚀以及高氮缓冲层的生长阻止衬底缺陷向外延层延伸。但上述工艺步骤不仅延长整个碳化硅外延工艺流程，并且对于单晶片外延设备而言，长时间多批次的高氮缓冲层生长处理对设备的使用寿命、外延阶段背景掺杂浓度以及实际生产效率均有较大影响，因此需要将当前工艺流程中对衬底的处理环节以及实际的外延环节分开处理，在不影响衬底处理效果的同时进行大批量、多批次处理。

在上述前处理阶段需要在高温的环境下对单晶衬底进行退火处理，因此在上述的前处理过程中通常选择石墨材料作为容器的基材。然而在实际退火环节中高温会导致石墨容器内表面与衬底粘连，进而可能引发衬底划伤、断裂等恶性事件。因此根据相关专利(CN102449185.B)显示，采用钽制容器以及对应的渗碳工艺可有效减少衬底与容器之间的粘连现象。但也由此出现了钽层与基材接触不紧密易脱落以及钽层厚度过厚或过薄所引发的等一系列问题，同时钽系材料的价格不低，需要同时平衡成本与防护效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型中披露了一种新型碳化硅衬底的前处理设备，本实用新型的技术方案是这样实施的：

一种新型碳化硅衬底的前处理设备，包括进气管路、隔热层、支撑部件、射频加热部件、真空抽气部件、尾气处理管路、加热基板和衬底托盘；

所述进气管路和所述尾气处理管路分别位于所述隔热层两个侧边，所述隔热层位于所述反应腔内侧壁，所述射频加热部件位于所述反应腔底部，所述支撑部件位于所述加热基板并固定所述加热基板于所述隔热层内侧底部，所述加热基板上设置有凹槽，所述衬底托盘位于所述凹槽处，所述真空抽气部件位于所述隔热层外侧；

所述衬底托盘包括基材、结构层和防护层；

所述结构层位于所述基材上并具有标准形貌或图案支撑结构；所述防护层位于所述结构层上。

优选地，所述标准形貌或图案支撑结构数量为3，高度为1-5mm，宽度为5-10cm。

优选地，所述标准形貌或图案支撑结构的最内环形成衬底放置凹槽，所述衬底放置凹槽的高度为2-10mm，直径为20.5-21cm。

优选地，所述衬底托盘的高度为10-15mm，直径为21-25cm。

优选地，所述衬底托盘还包括托盘边沿，所述托盘边沿宽度为0-1cm。

优选地，所述防护层材料选自包括择钽和铌金属中的一种。

优选地，所述防护层材料为铌金属，所述防护层高度为3-5mm。

优选地，所述加热基板的类型包括6*8inch、8*6inch和12*4inch。

优选地，所述加热基板包括托盘放置处和硅源放置孔；所述托盘放置处和所述硅源放置孔旋转对称分布于所述加热基板上。

优选地，所述加热基板的高度为10-15cm，直径为65-70cm。

优选地，所述硅源放置孔的高度为0.5-2cm，直径为1-2cm，所述相邻硅源放置孔间角度距离为30-60度。

优选地，所述加热基板为碳系基材。

优选地，所述加热基板为石墨基材。

一种新型碳化硅衬底的前处理设备的制造方法，包括步骤如下；

加热基板制备：利用切削磨抛机械加工工具，在加热基板表面制备出对应特征；

衬底托盘制备：在制备之前需要提前准好所需的标准形貌或图案支撑结构的三维模型；选取与所述加热基板凹槽部位尺寸相匹配的基材；利用传统的切削磨抛机械加工工艺，在基材表面制备出所述标准形貌或图案支撑结构，形成衬底托盘；

衬底托盘表面处理：对所述衬底托盘的表面进行纯化处理；

防护层沉积：在经过纯化后的所述衬底托盘表面沉积防护层；

渗碳处理：对所述防护层进行渗碳处理，形成复合防护层；

产品组装：将所有零部件安装成成品。

优选地，所述防护层材料为铌金属，使用化学气相沉积的方法，使用TaCl5和H2作为气源，H2作为载气，在生长条件温度为1000～1800℃，压力为100～500Pa生长条件下表面沉积金属钽层。

优选地，将带有衬底托盘的加热基板置于使用石墨制材料制成的封闭反应炉中，并抽至真空度小于0.1Pa，在600～800℃/h的升温速率升温至2000-2200℃，并保温1.5-3小时，之后以100-150℃/h的降温速率降温至室温，通过渗碳工艺获得碳化钽层。

优选地，获得碳化碳层的渗碳工艺参数：在700℃/h的升温速率升温至2150℃，并保温2小时，之后以140℃/h的降温速率降温至室温。

实施本实用新型的技术方案可解决现有技术中衬底前处理技术中存在的技术问题；实施本实用新型的技术方案，可实现降低衬底缺陷，改进衬底外延生长前处理，在不影响衬底处理效果的同时进行大批量、多批次处理，同时减少外延准备时间，缩短工艺流程的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1为碳化硅衬底的前处理设备的剖面结构示意图；

图2为加热基板的三种类型结构图；

图3为加热基板截面图；

图4为衬底托盘俯视结构图和截面图；

图5为碳化硅衬底的前处理设备生产工艺流程图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1，氩气进气管路

2，反应腔

3，隔热层

4，射频加热线圈

5，支撑部件

6，加热基板

7，凹槽

8，尾气处理管路

9，衬底托盘

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

在一种具体的实施例中，如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种新型碳化硅衬底的前处理设备，包括氩气进气管路1、反应腔2、隔热层3、支撑部件5、射频加热线圈4、真空抽气部件(图中未标出)、尾气处理管路8、加热基板6和衬底托盘9；

氩气进气管路1和尾气处理管路8分别位于隔热层3两个侧边，隔热层3位于反应腔2内侧壁，射频加热部件4位于反应腔2底部，通过电磁感应加热，无需接触反应腔2，射频加热线圈4可以调整位置和疏密程度，例如中心对称、中心线圈密集，外围线圈稀疏，这样通过控制射频加热线圈4摆放的位置、以及线圈的输入功率可控制温场的分布以及效果，这种调整方式可根据实际需求进行选择；所述支撑部件5位于加热基板6并固定加热基板6于隔热层3内侧底部，加热基板6上设置有凹槽7，衬底托盘9位于凹槽7处，真空抽气部件位于隔热层3外侧；本实施例中真空抽气部件与尾气处理管路8位于同一水平面，实际可以根据需要进行位置调整，且采用常规真空抽气装置即可。加热基板6的类型包括6*8inch、8*6inch和12*4inch，本实施例中的加热基板6为6*8inch。

衬底托盘9包括基材、结构层、防护层和托盘边沿，托盘边沿宽度为0.5cm。

结构层位于基材上并具有标准形貌或图案支撑结构；防护层位于结构层上。

标准形貌或图案支撑结构数量为3，高度为1-5mm，宽度为5-10cm。

标准形貌或图案支撑结构的最内环形成衬底放置凹槽，衬底放置凹槽的高度为2-10mm，衬底放置凹槽7的直径*2+20cm＝最小基板直径。本实施例中采用的6*8inch的规格，对应的衬底放置凹槽直径为20.5-21cm，高度为4-6mm。

衬底托盘9的高度为10-15mm，直径为21.5-22cm。

本实施例中防护层材料为铌金属，防护层高度为3-5mm。

加热基板6包括托盘放置处和硅源放置孔；托盘放置处和硅源放置孔旋转对称分布于加热基板6上。加热基板6的高度为10-15cm，直径为65-70cm。硅源放置孔的高度为0.5cm，直径为2cm，相邻硅源放置孔间角度距离为60度。

加热基板6为碳系基材。本实施例中加热基板6为石墨基材。

本实施例中的加热基板6支持大批量、多批次处理衬底。加热基板6均匀分布衬底托盘9，并具有旋转中心对称特性。同时加热基板6上与衬底托盘9位置错轴分布有对应规格的硅源放置孔洞，孔洞分布应同样具有旋转中心对称特性，而径向分布特性应外关于第二标记线(第二标记线：6个加热基板6的凹槽7圆心所在共圆，即衬底托盘9放置处，图中未标出)的位置对称。

衬底托盘9的尺寸与加热基板6中的凹槽7口径行对应。同时衬底托盘9具有标准形貌或图案支撑结构，并且在标准形貌或图案支撑结构的表面引入一层碳化钽/钽防护层。可以在控制衬底粘连的同时，有效的阻止了基材元素或其它杂质元素向衬底扩散渗入。有效减少由基材与防护层之间的热膨胀系数差异带来的基座变形现象。通过控制钽金属沉积的时间以及后续处理工艺参数可有效控制钽层厚度。防护层在贴合衬底托盘9原本基材表面形貌的同时，减薄了现有技术中钽复合层的厚度，其特殊的表面形貌增大了防护层与基材的接触面积，并减小了与衬底的接触面积，减小了衬底粘连的现象。

本实施例的制造方法，包括步骤如下；

加热基板6部分：所选用石墨块状材料尺寸应根据实际碳化硅反应炉腔大小以及衬底的直径选取。本实例选取的石墨块状基材的尺寸为；直径65～70cm，高度为10～15cm。

加热基板6：利用切削磨抛的等机械加工工具，在基材表面制备出凹槽7；其中凹槽7的直径应根据所需衬底托盘9决定，并预留出5～10mm的边距。本实施例选用8英寸衬底，凹槽7宽度应为23～25cm；凹陷部位的深度距离基材底部为5～8cm。在凹槽7处边缘制备处阶多级梯度结构，梯度比为1.5。

硅源放置孔：本实施例的硅源放置孔分布位置、孔隙直径、孔隙深度与衬底规格密切相关。本实例所提供的解决方案为硅源放置孔的分布角度以60°为旋转角，围绕基板中心旋转中心对称。第一硅源孔位于第一标尺线上(第一标尺线：6个加热基板6的凹槽7处公共外切圆)，第二硅源孔位于第三标尺线上(第三标尺线：6个加热基板6的凹槽7处公共内切圆)。硅源放置孔的孔径为2cm，深度0.5cm。

衬底托盘9部分：结构应与加热基板6的凹槽7处相匹配。尺寸为22～23cm，高度为1cm，边缘台阶梯度比为1.5。

标准形貌或图案支撑结构：三维建模后在衬底托盘9凹陷处制备出所需的支撑结构层。支撑结构层图案纹路的高度、宽度、间距应由实际的所需温场效果决定。根据对实际温场的控制标准形貌或图案支撑结构纹路高度可不在同一平面内。为了实现衬底托盘9表面的温场均匀性，标准形貌或图案支撑结构的所有纹路应具有中心旋转对称性。标准形貌或图案支撑结构设计制备模式包括不仅限于传统工艺的切削磨抛、数字加工中心以及3D打印等技术。

在上述部件制备完毕后，需要对衬底托盘9表面进行纯化处理。使用的辅助气体包括不仅限于氯气、氢气等。经过上述表面处理的容器表面灰度降到20ppm以下。

防护层的制备：在上述经过纯化的衬底托盘9表面沉积金属钽层。本实施例的金属钽层通过化学气相沉积CVD的方式制备，在生长条件温度为1000～1800℃，压力为100～500Pa生长条件下表面沉积金属钽层。本实例以TaCl5、H2作为反应物和载气，在生长条件温度为1200℃，压力为200Pa生长条件下在上述制备的容器内表面沉积金属钽层，此生长条件下效果最优。为了避免长时间的热处理环境对防护层的形貌产生影响，沉积厚度为3～5mm。

渗碳处理：对衬底托盘9进行渗碳处理，形成碳化钽/钽复合防护层。具体方法为将带有衬底托盘9的加热基板6置于使用石墨制材料制成的封闭反应炉中，并抽至真空度小于0.1Pa。通过设置渗碳工艺时的升温降温曲线，可控制TaC防护层的厚度以及表面平整度，本实施例在渗碳条件(以700℃/h的升温速率升温至2150℃，并保温2小时，之后以140℃/h的降温速率降温至室温)下进行，通过上述渗碳工艺可获得，涂层厚度为5μm的碳化钽层。

需要指出的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型碳化硅衬底的前处理设备，其特征在于：包括进气管路、反应腔、隔热层、支撑部件、射频加热部件、真空抽气部件、尾气处理管路、加热基板和衬底托盘；

所述进气管路和所述尾气处理管路分别位于所述隔热层两个侧边，所述隔热层位于所述反应腔内侧壁，所述射频加热部件位于所述反应腔底部，所述支撑部件位于所述加热基板并固定所述加热基板于所述隔热层内侧底部，所述加热基板上设置有凹槽，所述衬底托盘位于所述凹槽处，所述真空抽气部件位于所述隔热层外侧；

所述衬底托盘包括基材、结构层和防护层；

所述结构层位于所述基材上并具有标准形貌或图案支撑结构；所述防护层位于所述结构层上。

2.根据权利要求1所述的一种新型碳化硅衬底的前处理设备，其特征在于：所述标准形貌或图案支撑结构的最内环形成衬底放置凹槽，所述衬底放置凹槽的高度为2-10mm，直径为20.5-21cm；所述衬底托盘的高度为10-15mm，直径为21-25cm；所述标准形貌或图案支撑结构数量为3，高度为1-5mm，宽度为5-10cm；所述衬底托盘还包括托盘边沿，所述托盘边沿宽度为0-1cm；所述防护层材料选自包括择钽和铌金属中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种新型碳化硅衬底的前处理设备，其特征在于：所述防护层材料为铌金属，所述防护层高度为3-5mm。

4.根据权利要求3所述的一种新型碳化硅衬底的前处理设备，其特征在于：所述加热基板的类型包括6*8inch、8*6inch和12*4inch。

5.根据权利要求4所述的一种新型碳化硅衬底的前处理设备，其特征在于：所述加热基板包括托盘放置处和硅源放置孔；所述托盘放置处和所述硅源放置孔旋转对称分布于所述加热基板上；所述加热基板的高度为10-15cm，直径为65-70cm；所述硅源放置孔的高度为0.5-2cm，直径为1-2cm，所述相邻硅源放置孔间角度距离为30-60度。

6.根据权利要求5所述的一种新型碳化硅衬底的前处理设备，其特征在于：所述加热基板为碳系基材。

7.根据权利要求6所述的一种新型碳化硅衬底的前处理设备，其特征在于：所述加热基板为石墨基材。

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