一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构，涉及制造碳化硅外延晶片生长设备技术领域，桶式结构能极大地提高碳化硅外延片的产量，且衬底的温度均匀性能自然得到保证；随着衬底尺寸的增大，桶的直径也可增大，加热线圈可做成多片扇形，石墨桶也可由若干扇面拼接而成；每炉更换反应管主体，故外延生长的初始状态恒定，克服当前普遍存在的重复性问题；使用机械手操作，不浪费机时；采用管子套管子结构降低使用成本；设有激光在线膜厚监控及双波长在线测温装置；注重采用气流及水流对称性设计以确保生长参数自然均匀；本实用新型专利技术属近耦合体系，膜厚的均匀性易得到保证。证。证。

【技术实现步骤摘要】
一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构


[0001]本技术涉及制造碳化硅外延晶片生长设备
，尤其是一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构。

技术介绍

[0002]SiC属新一代宽禁带半导体材料，其功率半导体器件目前非常热。然而，整个产业链目前的合格率还极低，这包括SiC单晶材料的生长合格率及SiC外延生长的可控性。尤其是外延生长，目前国内外在用的外延生长设备，普遍存在重复性差，工艺参数无法精准控制的问题。因此，有必要结合SiC单晶材料生长的实际情况，研发可稳定量产的外延生长设备，这其中核心是反应管技术。
[0003]国际上主要有三家SiC外延设备供应商，它们分别是德国Aixtron公司、意大利LPE公司和日本TEL公司，国内有东莞市天域半导体科技有限公司及长沙一家单位在研发SiC外延设备。由于SiC外延生长温度约在1700℃，如此高温，带来温度均匀性问题，在保温方式上，目前有“热壁”系统与“温壁”系统之分；理论上，“热壁”系统更易获得好的温度均匀性及更稳定的气流模式。但“热壁”也可能导致温度的升降速度慢，使得材料生长界面不陡峭。本案采用“温壁”设计，但“温壁”的温度明显更高。
[0004]申请人曾经获得一个园桶型GaN外延生长反应管的技术授权，在这一技术中，外延衬底是水平放置的。在本案中，SiC外延衬底是垂直放置的。使用园桶形的装片结构，最大好处是能自然保证温度的均匀性，但缺点是，可能只限于2英寸的外延片生长。只是这恰好适合SiC衬底目前的供应状态，当前使用2英寸的SiC衬底，经济性可能更好。从长远来看，将来普遍使用多片6寸及8英寸的SiC衬底的可能性也不高。这是因为当衬底水平放置时，其过高的生长温度，决定多片外延的均匀性好不了，且SiC单晶棒的生长，大尺寸的合格率目前尚不尽人意。
[0005]现有的SiC外延生长反应管，其气流的稳定性及生长厚度的均匀性无法本质上做好。本案采用近耦合技术，将生长源均匀分布在外延片的表面，这从根本上保证了生长的均匀性。
[0006]现有的SiC外延生长设备的最大不足就是清理问题，由于SiC材料非常稳定，目前所有反应管，基本上不清理，直到无法生长。这一方面导致昂贵的反应管配件浪费，最主要是导致炉与炉之间工艺参数无法重复，导致目前整个行业盈利水平极差，极大地限制了SiC高功率器件的应用范围。本案在这方面作了认真考虑，做到每炉反应管内部全部好配件都进行更换。且使用机械手整体快速更换，不影响生产效率。
[0007]现有的SiC外延生长设备的温控系统无法每炉进行校正，本案使用蓝宝石红外测温探头，每炉更换，自动校正，并带气体吹扫保护，再关联感应加热的功率参数，确保温度测量可精准控制。各外延设备之间的温度按统一标准进行校正，确保公司内所有外延炉工艺参数一致，方便工艺移植及扩产。
[0008]现有的SiC外延炉无在线膜厚监测系统，本案使用表面已外延生长AlN的蓝宝石模
板作为陪片，克服了同质外延无法在线监测膜厚的弱点，从而让SiC器件的精密结构设计成为可能。
[0009]本案采用多台外延炉共用一个机械手、共用一个进料LOADLOCK及一个出料LoadLock.从而最大限度地保证生长环境干净，保证生产效率的提高。

技术实现思路

[0010]本技术的目的在于解决目前SiC外延炉的产能、稳定性、拥有成本、外延结构精密设计、自动化操作等诸多问题，尤其是解决反应管初始状态无法稳定的问题。
[0011]本技术的目的是这样来实现的：
[0012]衬底竖直放置于石墨桶的表面，生长用的碳源及硅源分开从各自源管通过喷咀喷向衬底的表面进行生长；源管的喷孔距衬底表面距离小于30mm；反应室底部内置电机，上部桶支撑在电机及旋转齿轮带动下绕中心轴旋转；不锈钢基座与桶支撑间隙处设有轴承，整个石墨桶放置于桶支撑的上面，石墨桶外设置有石英管，石英管上部设有上盖板，与上隔热板通过上盖挂卡固定连接，不锈钢基座设置有下隔热及装卸卡，便于机械手操作；石英管外壁加热线圈及保温套，通过电磁感应对石墨桶进行加热；石墨桶内设置有测温护导管，石墨桶绕中心对称轴旋转；生长后的废气通过石墨桶底部的尾气口抽走。
[0013]所述石墨桶包括载片桶、上石墨桶、下石墨桶，载片桶的表面均匀切出n1个平面，每个平面上可放置n2片衬底，这样，一次能生长n1*n2片SiC外延片；例如载片桶的表面均匀切出24个竖起平面，每个平面上可放置3片2英寸的衬底，这样就可一次生长72片2英寸的SiC外延片；设置上石墨桶及下石墨桶的目的是保证载片桶的轴向温度均匀性；反应室底部内置电机，上部桶支撑在电机及旋转齿轮带动下绕中心轴旋转；不锈钢基座与桶支撑间隙处设有轴承，整个石墨桶放置于桶支撑的上面，石墨桶外设置有石英管，石英管上部设有上盖板，与上隔热板通过上盖挂卡固定连接，石英管下部设置有下隔热及装卸卡，便于机械手操作，如果要生长4寸SiC外延片，石墨桶的直径须按比例放大。
[0014]所述源管和隔热管是同轴，隔热管外壁在考虑热膨胀因素后，彼此紧贴，从而隔开石墨桶对外的热辐射并保护石英管的内表面免受反应物的沉积；为提高隔离效果，隔热管在本技术方案中部分磨平，变成削平管；隔热管也为其内部的源管隔热，源管包括碳源管及硅源管；若干个源管及隔热管插入不锈钢基座，并通过侧封O圈密封；隔热管的上半部加工成半管的形式，喷咀安装在此半管上面。
[0015]所述测温护导管用于充气保护其内部的透明导光柱，从导光柱来的光信号再通过光学测温，变成电信号，最后用于测温及控温。
[0016]所述不锈钢基座装载着石英管(钟罩)包围的所有反应管部件，也即机械手能钩住带隔热的装卸挂卡，实现反应管主体整体更换；更换前，机械手也能钩住上盖挂卡，将上盖板连同其上隔热板一起移走；不锈钢基座和反应室底部之间通过活接连接。
[0017]所述活接，包括反应管各式气体及冷却连接，也包括常规双O圈真空密封连接；当双O圈抽真空后，不锈钢基座便和反应室底部实现面接触，从而保证间接冷却的效果；也实现石英管保护气，隔热管保护气，反应源及载气各自的独立输运及相应的密封O圈得到充分冷却。
[0018]所述加热线圈及保护套，其冷却水的进水口及出水口的水流方向要对称设置，以
此确保线圈的温度在高度方向是一致的，从而增加石墨桶的温度均匀性；所述冷却水，换成绝缘高温冷却介质，如耐高温油后，能进一步提高石墨桶的温度；加热线圈及保护套还包括必要的用于改变磁力线方向的设计及保温节能设计，还包括必要的填充设计，如在石英管与线圈之间填充导热SiC细砂，以保证石英管得到充分均匀的热传导冷却，从而保证石英管的寿命与强度，也避免不易清理的高温淀积物的粘附。
[0019]所述激光干涉膜厚在线监测仪，能透过石英管，在线监测蓝宝石模板上的SiC薄膜生长情况，由此推知碳化硅衬底上，外延层的生长情况，气流限制板用于径向隔开生长区与非生长区。
[0020]所述标准温度发生器，由红外发光二极模拟黑体辐射而成，用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构，其特征在于包括：衬底竖直放置于石墨桶的表面，生长用的碳源及硅源分开从各自源管通过喷咀喷向衬底的表面进行生长；源管的喷孔距衬底表面距离小于30mm；反应室底部内置电机，上部桶支撑在电机及旋转齿轮带动下绕中心轴旋转；不锈钢基座与桶支撑间隙处设有轴承，整个石墨桶放置于桶支撑的上面，石墨桶外设置有石英管，石英管上部设有上盖板，与上隔热板通过上盖挂卡固定连接，不锈钢基座设置有下隔热及装卸卡，便于机械手操作；石英管外壁加热线圈及保温套，通过电磁感应对石墨桶进行加热；石墨桶内设置有测温护导管，石墨桶绕中心对称轴旋转；生长后的废气通过石墨桶底部的尾气口抽走；源管与隔热管同轴设置，每根隔热管内均插入一根源管；隔热管之间彼此紧贴，从而隔开石墨桶对外的热辐射并保护石英管的内表面免受反应物的沉积；源管包括碳源管和硅源管，隔热管、碳源管、硅源管依次排列；源管与隔热管均插入不锈钢基座内，不锈钢基座与反应室底部接触。2.根据权利要求1所述的一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构，其特征在于：所述石墨桶包括载片桶、上石墨桶、下石墨桶，载片桶的表面均匀切出n1个平面，每个平面上可放置n2片衬底，这样，一次能生长n1*n2片SiC外延片。3.根据权利要求1所述的一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构，其特征在于：隔热管外表部分磨平或彼此相嵌，用于内部源管隔热。4.根据权利要求1所述的一种新型园桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构，其特征在于：还包括测温护导管，用于充气保护其内部的透明导光柱，从导光...

【专利技术属性】
技术研发人员：方文卿，蒲勇，程海英，陈炳安，赵鹏，杨超普，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：新型
国别省市：