一種用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，包括圓柱形的反應腔；反應腔的外部設(shè)置有內(nèi)部中空的感應線圈，感應線圈環(huán)繞于所述反應腔的周圍；反應腔內(nèi)部設(shè)置有多個石墨舟、多個圓環(huán)形的保溫環(huán)、三路進氣導管和一路排氣導管；多個保溫環(huán)堆疊放置，每一個保溫環(huán)的中心位置設(shè)有一個方形的通孔，且每一個所述通孔內(nèi)設(shè)有一個石墨舟；三路進氣導管和一路排氣導管分別設(shè)置于保溫環(huán)的兩側(cè)；石墨舟包括底座、托盤和上蓋；保溫環(huán)包括第一主體部件和第二主體部件。所述化學氣相沉積裝置能夠充分利用反應腔的空間來進行外延生長，提供產(chǎn)能，并且能夠改善反應腔內(nèi)部的氣流場均勻性和溫度均勻性，有利于改善外延膜的均勻性。
【專利說明】一種用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體材料生長設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種用于碳化硅外延生長的化學 氣相沉積裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)硅器件及模塊，例如硅、砷化鎵等，其性能已接近由材料特性所決定的理論極 限，已不能滿足當前電力電子行業(yè)日益增長的高頻率、高功率、高能效的需求。今后5-10年 內(nèi)，碳化硅半導體將逐步在智能電網(wǎng)及電力輸運、軌道交通及機車牽引、電動/混合動力汽 車、光伏逆變及風能變流、工業(yè)電源及馬達驅(qū)動、節(jié)能家電及IT服務器等領(lǐng)域取代傳統(tǒng)硅 基功率半導體器件。為了制備性能卓越的碳化硅功率器件，高質(zhì)量的碳化硅外延生長是其 中的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸。
[0003] 高溫化學氣相沉積（HTCVD)是目前進行生長碳化硅外延材料的主流技術(shù)。現(xiàn)有技 術(shù)的HTCVD設(shè)備都是通過基片托盤的行星旋轉(zhuǎn)來提高大尺寸外延膜的均勻性。一方面，在 超高溫環(huán)境（1700攝氏度左右），設(shè)計大尺寸碳化硅晶片用的行星傳動系統(tǒng)，無論是在材料 選擇上還是結(jié)構(gòu)設(shè)計上都具有很大的難度；另一方面，設(shè)備的產(chǎn)能提高也完全受到結(jié)構(gòu)設(shè) 計的制約。雖然已經(jīng)有設(shè)備制造商提出系統(tǒng)級的整合，比如美國的VEEC0公司針對M0CVD設(shè) 備提出的多反應腔室的Cluster集成，但只是在氣路及控制系統(tǒng)等模塊進行整合及精簡， 反應腔室本身無法簡化，單位產(chǎn)能的制造成本并沒有明顯優(yōu)勢。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，隨著產(chǎn)能的提高，其反應 腔室的尺寸和復雜程度也隨之增加，因此通常不能保證外延膜的均勻性，并且生產(chǎn)成本較 高。此外，現(xiàn)有技術(shù)的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置無法滿足各種高溫、大功率 和高頻碳化硅器件的制作要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種用于碳化硅外延生長的化學 氣相沉積裝置。
[0006] 本發(fā)明提供的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置包括圓柱形的反應腔，其 頂部呈封閉的半圓弧形，其底部由法蘭固定和密封；
[0007] 所述反應腔的外部設(shè)置有內(nèi)部中空的感應線圈，所述感應線圈環(huán)繞于所述反應腔 的周圍；
[0008] 所述反應腔內(nèi)部設(shè)置有多個石墨舟、多個圓環(huán)形的保溫環(huán)、三路進氣導管和一路 排氣導管，且所述石墨舟的個數(shù)與所述保溫環(huán)的個數(shù)相等，每一路所述進氣導管的結(jié)構(gòu)和 形狀都與所述排氣導管相同；所述多個保溫環(huán)堆疊放置，每一個所述保溫環(huán)的中心位置設(shè) 有一個方形的通孔，且每一個所述通孔內(nèi)設(shè)有一個所述石墨舟；所述三路進氣導管和所述 一路排氣導管分別設(shè)置于所述保溫環(huán)的兩側(cè)，且所述三路進氣導管和所述一路排氣導管都 被所述反應腔底部的法蘭固定；
[0009] 所述石墨舟包括底座、托盤和上蓋；
[0010] 所述底座呈方形，所述底座的兩端分別設(shè)置有第一進氣口和第一排氣口；所述底 座的中心位置設(shè)置有圓形的凹坑，所述凹坑的中心位置設(shè)有支撐立柱，所述支撐立柱的頂 端呈圓錐形，所述凹坑內(nèi)以所述支撐立柱為中心對稱設(shè)置有四個扇形的支撐臺，相鄰的兩 個所述支撐臺之間設(shè)有氣槽，所述凹坑與所述底座的上端面之間設(shè)有圓環(huán)形的凸緣，所述 支撐臺的外邊緣與所述凸緣之間設(shè)有氣隙；所述氣隙內(nèi)設(shè)有第四排氣口，且所述第四排氣 口通過設(shè)置于所述底座底面的第二凹槽與所述第一排氣口相連通；所述支撐立柱的旁邊設(shè) 有第四進氣口，且所述第四進氣口通過設(shè)置于所述底座底面的第一凹槽與所述第一進氣口 相連通；
[0011] 所述托盤呈圓盤形，所述托盤設(shè)置于支撐立柱和支撐臺上，所述托盤的下底面的 邊緣位于所述凸緣上；
[0012] 所述上蓋呈倒置的U字形，所述上蓋的兩端分別設(shè)置有第二進氣口和第二排氣 口，所述第二進氣口貫穿所述上蓋的第一臂，所述第二排氣口貫穿所述上蓋的第二臂，且所 述第二進氣口與所述第一進氣口的位置匹配，所述第二排氣口與所述第一排氣口的位置匹 配；
[0013] 所述上蓋能夠與所述底座扣合，且扣合后所述第二進氣口與所述第一進氣口相連 通，所述第二排氣口與所述第一排氣口相連通；
[0014] 所述保溫環(huán)包括第一主體部件和第二主體部件；所述第一主體部件上設(shè)有第三進 氣口，所述第二主體部件上設(shè)有第三排氣口；所述第一主體部件和所述第二主體部件圍成 能夠容納所述石墨舟的所述通孔；
[0015] 所述進氣導管和所述排氣導管的一端封閉，其另一端開口，且每一路所述進氣導 管和所述排氣導管上各自設(shè)有多個氣孔；每一路所述進氣導管的氣孔與所述第三進氣口的 位置一一對應；所述排氣導管的氣孔與所述第三排氣口的位置一一對應。
[0016] 優(yōu)選地，所述第一主體部件與所述第二主體部件通過V形接口連接為一體。
[0017] 優(yōu)選地，所述感應線圈為橫截面為矩形的銅管。
[0018] 優(yōu)選地，所述底座、所述托盤、以及所述上蓋的表面都設(shè)有碳化鉭膜層。
[0019] 優(yōu)選地，所述反應腔的腔壁的材質(zhì)為石英。
[0020] 優(yōu)選地，所述保溫環(huán)的材質(zhì)為石墨氈。
[0021] 優(yōu)選地，所述進氣導管和所述排氣導管的材質(zhì)都為石英。
[0022] 優(yōu)選地，所述支撐立柱的材質(zhì)為鎢鑰合金材料。
[0023] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0024] (1)本發(fā)明的化學氣相沉積裝置中，感應加熱部件采用堆疊放置的石墨舟，在不增 加反應腔和感應線圈的特征尺寸的情況下，技術(shù)人員可以根據(jù)需要增減石墨舟的數(shù)目，一 方面能夠充分利用反應腔的空間來進行外延生長，提供產(chǎn)能，且操作方便，另一方面能夠改 善反應腔內(nèi)部的氣流場均勻性和溫度均勻性，有利于改善外延膜的均勻性；
[0025] (2)本發(fā)明的化學氣相沉積裝置中，在保溫環(huán)的兩側(cè)分別設(shè)有三路進氣導管和一 路排氣導管，且每一路進氣導管和排氣導管上均設(shè)有多個氣孔，通過調(diào)整氣孔的大小和位 置可以實現(xiàn)對每一個石墨舟所在位置的進氣流和排氣流的調(diào)節(jié)，從而能夠保證每一個石墨 舟所在位置的進氣流和排氣流均勻分布，有利于改善外延膜的均勻性；
[0026] (3)本發(fā)明的化學氣相沉積裝置中，石墨舟的底座的中心位置設(shè)置有圓形的凹坑， 凹坑內(nèi)設(shè)有支撐立柱和支撐臺，相鄰的兩個支撐臺之間設(shè)有氣槽，凹坑與底座的上端面之 間設(shè)有圓環(huán)形的凸緣，支撐臺的外邊緣與凸緣之間設(shè)有氣隙，氣槽和氣隙的設(shè)置使得能夠 通過氣動方式驅(qū)動置于支撐臺上的托盤轉(zhuǎn)動，一方面有利于改善外延膜的均勻性，另一方 面可以避免在高溫區(qū)域使用石英管輸運作為驅(qū)動氣體的氫氣或者氬氣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的立體示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的反應腔內(nèi)部 的立體示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的反應腔內(nèi)部 的堆疊放置的石墨舟的立體示意圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的石墨舟的各 部件的連接關(guān)系示意圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的石墨舟的底 座的俯視立體示意圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的石墨舟的底 座的仰視立體示意圖；
[0033] 圖7為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的石墨舟的上 蓋的立體示意圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的石墨舟的裝 配示意圖；
[0035] 圖9為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的保溫環(huán)的立 體示意圖；
[0036] 圖10為本發(fā)明實施例的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置的進氣導管或 排氣導管的立體示意圖。

【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
作進一步的描述。
[0038] 本實施例提供的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置包括圓柱形的反應腔 100,如圖1所示，反應腔100的頂部呈封閉的半圓弧形，其底部由法蘭（圖中未示出）固定 和密封。反應腔100的外部設(shè)置有內(nèi)部中空的感應線圈600,感應線圈600環(huán)繞于反應腔 100的周圍，且感應線圈600與反應腔100的外壁不直接接觸。使用時，感應線圈600的內(nèi) 部通有循環(huán)水，以給感應線圈600降溫。感應線圈600用于給反應腔100加熱。如圖2和 圖3所示，反應腔100內(nèi)部設(shè)置有多個石墨舟200、多個圓環(huán)形的保溫環(huán)300、三路進氣導管 400和一路排氣導管500 ;且石墨舟200的個數(shù)與保溫環(huán)300的個數(shù)相等，每一路進氣導管 400的結(jié)構(gòu)和形狀都與排氣導管500相同。多個保溫環(huán)300沿例如堅直方向堆疊放置，每 一個保溫環(huán)300的中心位置設(shè)有一個方形的通孔305,且每一個保溫環(huán)300的通孔305內(nèi) 設(shè)有一個石墨舟200。三路進氣導管400和一路排氣導管500分別設(shè)置于保溫環(huán)300的兩 偵牝且三路進氣導管400和一路排氣導管500都被反應腔100底部的法蘭固定。
[0039] 如圖4、圖5、圖6和圖7所示，石墨舟200包括底座201、托盤208和上蓋210。其 中，石墨舟200的底座201呈方形，底座的兩端分別設(shè)置有第一進氣口 202和第一排氣口 203 ;底座201的中心位置設(shè)置有圓形的凹坑204,凹坑204的中心位置設(shè)有支撐立柱216， 支撐立柱216的頂端呈圓錐形（圖中未示出），凹坑204內(nèi)以支撐立柱216為中心對稱設(shè)置 有四個扇形的支撐臺205,相鄰的兩個支撐臺205之間設(shè)有氣槽215,凹坑204與底座201 的上端面206之間設(shè)有圓環(huán)形的凸緣207,凸緣207高于凹坑204的坑底面且低于底座201 的上端面206,支撐臺205的外邊緣與凸緣207之間設(shè)有氣隙。支撐臺205與凸緣207之間 的氣隙內(nèi)設(shè)有第四排氣口 218,且第四排氣口 218通過設(shè)置于底座201底面的第二凹槽220 與第一排氣口 203相連通。支撐立柱216的旁邊設(shè)有第四進氣口 217,且第四進氣口 217通 過設(shè)置于底座201底面的第一凹槽219與第一進氣口 202相連通。驅(qū)動氣體從上蓋210的 第二進氣口 211流向底座201的第一進氣口 202,然后驅(qū)動氣體經(jīng)第一進氣口 202流向第 四進氣口 217,從第四進氣口 217流出的驅(qū)動氣體流向氣槽215和氣隙內(nèi)，此時驅(qū)動氣體驅(qū) 動托盤208轉(zhuǎn)動，氣槽215和氣隙內(nèi)的驅(qū)動氣體流入第四排氣口 218內(nèi)，從第四排氣口 218 流出的驅(qū)動氣體流向底座201的第一排氣口 203并從第一排氣口 203排出。相鄰兩個支撐 臺205之間的氣槽215、以及支撐臺205與凸緣207之間的氣隙便于氣體流動，使得能夠通 過氣動方式驅(qū)動置于支撐臺205上的托盤208轉(zhuǎn)動。支撐立柱216的頂端呈圓錐形也有利 于托盤208轉(zhuǎn)動。
[0040] 石墨舟200的托盤208呈圓盤形，托盤208設(shè)置于支撐立柱216和支撐臺205上， 托盤208的下底面的邊緣位于凸緣207上。石墨舟200的上蓋210呈倒置的U字形，上蓋 210的兩端分別設(shè)置有第二進氣口 211和第二排氣口 212,第二進氣口 211貫穿上蓋210的 第一臂213,第二排氣口 212貫穿上蓋210的第二臂214,且上蓋210的第二進氣口 211與 底座201的第一進氣口 202的位置匹配，上蓋210的第二排氣口 212與底座201的第一排 氣口 203的位置匹配。如圖8所示，石墨舟200的上蓋210與其底座201匹配，即石墨舟 200的上蓋210能夠與其底座201扣合，且扣合后上蓋210的第二進氣口 211與底座201的 第一進氣口 202相連通，上蓋210的第二排氣口 212與底座201的第一排氣口 203相連通。 使用時，碳化硅晶片209置于石墨舟200的托盤208上。石墨舟200為所述化學氣相沉積 裝置的感應加熱部件。
[0041] 如圖9所示，保溫環(huán)300包括第一主體部件301和第二主體部件302。第一主體 部件301上設(shè)有第三進氣口 303,第二主體部件302上設(shè)有第三排氣口 304。第一主體部件 301與第二主體部件302通過V形接口 306連接為一體，第一主體部件301和第二主體部 件302圍成能夠容納石墨舟的方形的通孔305。第一主體部件301與第二主體部件302通 過V形接口 306連接便于保溫環(huán)300的加工和安裝，并且有利于減弱材料的熱膨脹對保溫 環(huán)300形狀和大小的影響。保溫環(huán)300用于支撐石墨舟200,并對石墨舟200起隔熱作用。
[0042] 如圖10所不，進氣導管400和排氣導管500的一端封閉，其另一端開口，且每一路 進氣導管400和排氣導管500上各自設(shè)有多個氣孔401。每一路進氣導管400的氣孔401 與保溫環(huán)300上的第三進氣口 303的位置--對應；排氣導管500的氣孔與保溫環(huán)300上的 第三排氣口 304的位置--對應。使用時，氣體從進氣導管400的開口端送入，并且從排氣 導管500的開口端抽出。三路進氣導管400用于將外延生長需要的工藝氣體通過氣孔401 送入石墨舟200內(nèi)。排氣導管500用于將從石墨舟200內(nèi)流出的多余的工藝氣體排走。
[0043] 需要說明的是，實際應用中，技術(shù)人員可以根據(jù)需要確定石墨舟200和保溫環(huán)300 的數(shù)目。
[0044] 優(yōu)選地，感應線圈600為橫截面為矩形的銅管。
[0045] 優(yōu)選地，石墨舟200的底座201、托盤208和上蓋210的材質(zhì)均為高純石墨。優(yōu)選 地，石墨舟200的底座201、托盤208、以及上蓋210的表面都設(shè)有碳化鉭膜層，以防止在高 溫環(huán)境中載氣例如氫氣對石墨的侵蝕，同時防止石墨本身的雜質(zhì)對外延氛圍的污染。
[0046] 優(yōu)選地，反應腔100的腔壁的材質(zhì)為石英。優(yōu)選地，保溫環(huán)300的材質(zhì)為石墨氈。 優(yōu)選地，進氣導管400和排氣導管500的材質(zhì)都為石英。優(yōu)選地，支撐立柱216的材質(zhì)為鶴 鑰合金材料（熔點大于2000攝氏度），使得支撐立柱216在高溫下能夠保持較高的強度和 抗腐蝕性，防止熱形變影響，從而保證托盤208在氣動驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的同軸性和穩(wěn)定性。
[0047] 應當理解，以上借助優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行的詳細說明是示意性的 而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說明書的基礎(chǔ)上可以對各實施例所記 載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并 不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，該化學氣相沉積裝置 包括圓柱形的反應腔，其頂部呈封閉的半圓弧形，其底部由法蘭固定和密封； 所述反應腔的外部設(shè)置有內(nèi)部中空的感應線圈，所述感應線圈環(huán)繞于所述反應腔的周 圍； 所述反應腔內(nèi)部設(shè)置有多個石墨舟、多個圓環(huán)形的保溫環(huán)、三路進氣導管和一路排氣 導管，且所述石墨舟的個數(shù)與所述保溫環(huán)的個數(shù)相等，每一路所述進氣導管的結(jié)構(gòu)和形狀 都與所述排氣導管相同；所述多個保溫環(huán)堆疊放置，每一個所述保溫環(huán)的中心位置設(shè)有一 個方形的通孔，且每一個所述通孔內(nèi)設(shè)有一個所述石墨舟；所述三路進氣導管和所述一路 排氣導管分別設(shè)置于所述保溫環(huán)的兩側(cè)，且所述三路進氣導管和所述一路排氣導管都被所 述反應腔底部的法蘭固定； 所述石墨舟包括底座、托盤和上蓋； 所述底座呈方形，所述底座的兩端分別設(shè)置有第一進氣口和第一排氣口；所述底座的 中心位置設(shè)置有圓形的凹坑，所述凹坑的中心位置設(shè)有支撐立柱，所述支撐立柱的頂端呈 圓錐形，所述凹坑內(nèi)以所述支撐立柱為中心對稱設(shè)置有四個扇形的支撐臺，相鄰的兩個所 述支撐臺之間設(shè)有氣槽，所述凹坑與所述底座的上端面之間設(shè)有圓環(huán)形的凸緣，所述支撐 臺的外邊緣與所述凸緣之間設(shè)有氣隙；所述氣隙內(nèi)設(shè)有第四排氣口，且所述第四排氣口通 過設(shè)置于所述底座底面的第二凹槽與所述第一排氣口相連通；所述支撐立柱的旁邊設(shè)有第 四進氣口，且所述第四進氣口通過設(shè)置于所述底座底面的第一凹槽與所述第一進氣口相連 通； 所述托盤呈圓盤形，所述托盤設(shè)置于支撐立柱和支撐臺上，所述托盤的下底面的邊緣 位于所述凸緣上； 所述上蓋呈倒置的U字形，所述上蓋的兩端分別設(shè)置有第二進氣口和第二排氣口，所 述第二進氣口貫穿所述上蓋的第一臂，所述第二排氣口貫穿所述上蓋的第二臂，且所述第 二進氣口與所述第一進氣口的位置匹配，所述第二排氣口與所述第一排氣口的位置匹配； 所述上蓋能夠與所述底座扣合，且扣合后所述第二進氣口與所述第一進氣口相連通， 所述第二排氣口與所述第一排氣口相連通； 所述保溫環(huán)包括第一主體部件和第二主體部件；所述第一主體部件上設(shè)有第三進氣 口，所述第二主體部件上設(shè)有第三排氣口；所述第一主體部件和所述第二主體部件圍成能 夠容納所述石墨舟的所述通孔； 所述進氣導管和所述排氣導管的一端封閉，其另一端開口，且每一路所述進氣導管和 所述排氣導管上各自設(shè)有多個氣孔；每一路所述進氣導管的氣孔與所述第三進氣口的位置 一一對應；所述排氣導管的氣孔與所述第三排氣口的位置一一對應。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所 述第一主體部件與所述第二主體部件通過V形接口連接為一體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所 述感應線圈為橫截面為矩形的銅管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所 述底座、所述托盤、以及所述上蓋的表面都設(shè)有碳化鉭膜層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所 述反應腔的腔壁的材質(zhì)為石英。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所 述保溫環(huán)的材質(zhì)為石墨氈。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所 述進氣導管和所述排氣導管的材質(zhì)都為石英。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于碳化硅外延生長的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所 述支撐立柱的材質(zhì)為鎢鑰合金材料。
【文檔編號】C23C16/46GK104046959SQ201410254147
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月8日
【發(fā)明者】唐治, 況維維, 陳中 申請人:唐治, 況維維, 陳中