一种高温碳化硅半导体材料制造装置制造方法及图纸

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；本发明专利技术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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。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。本专利技术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。本专利技术一种高温碳化硅半导体材料制造装置，其特征在于包括前级进样室、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；样品生长装置上加装有RHEED原位观察系统、直流电动机作为动力的衬底转动装置、平面式射频加热装置和三种反应气体进气方式涡流式进气方式、中间式进气方式和平流式进气方式。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(RHEED)监测系统、和液氮冷却装置组成，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；RHEED监控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RHEED监控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(或石墨板)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°。实现本专利技术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。该专利技术的进气嘴可以在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。本专利技术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。本专利技术的特点是灵活、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。为了进一步说明本专利技术的结构和特征，结合附图对本专利技术做进一步的描述，其中附图说明图1是本专利技术SiC生长装置整体示意图。图2是本专利技术反射式高能电子衍射(RHEED)示意图。图3是本专利技术衬底旋转装置示意图。图4是本专利技术平面螺旋式加热器的剖面图。图5是本专利技术样品用石墨板示意图。图6是本专利技术石墨板与钼金属框架之间的位置关系。图7是本专利技术钼金属托架结构示意图。图8是本专利技术三种不同方式(涡流式，中间式，和平流式)的进气装置示意图。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：李晋闽，孙国胜，朱世荣，曾一平，孙殿照，王雷，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]