CN114059164A - 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。该碳化硅外延生长装置包括：反应模块，其内配置有反应腔；喷淋部组件，其配置于反应模块上，喷淋部组件包括多个独立的腔体，多个所述腔体分别经管道连接至用以提供气体的气源以及分别经出气通道连通反应腔，且所述出气通道包括依次连接的导气管段、匀压管段及扩散管段，所述导气管段的直径大于所述匀压管段的直径；以及托盘组件，托盘组件配置于所述反应腔的底部，且与所述喷淋部组件相对，托盘组件的顶部用以放置衬底，反应模块运行时气体流入匹配的腔体，并在腔体内混合后从匹配的出气通道流出并流至反应腔内。该碳化硅外延生长装置采用的反应气体类型可以灵活组合，具有极大的通用性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体设备领域，具体地涉及一种碳化硅外延生长装置。
背景技术
碳化硅外延生长装置是一种集气体运输、混气、真空、高温、旋转等技术于一体的高科技装备。外延生长装置运行时，反应气体流入喷淋装置内并经喷淋装置混合、分配后流入反应腔内，在反应腔内反应气体在衬底的表面发生化学反应生长出单晶薄膜。当前碳化硅外延生长装置的喷淋装置大都采用单个进气腔的结构，该结构下出气均匀性差而且出气口侧的温度不均匀、喷淋装置容易产生热形变。
因此，需改进现有的碳化硅外延生长装置。
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，该碳化硅外延生长装置采用具有多个腔体的喷淋部，可以灵活组合所需的反应气体，外延生长装置具有极大的通用性。
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，所述反应模块内配置有供外延生长的反应腔；
喷淋部组件，所述喷淋部组件配置于所述反应模块上，所述喷淋部组件包括多个独立的腔体；多个所述腔体分别经管道连接至用以提供气体的气源以及分别经出气通道连通反应腔，且所述出气通道包括依次连接的导气管段、匀压管段及扩散管段，所述导气管段的过流面积大于所述匀压管段的过流面积；及
托盘组件，所述托盘组件配置于所述反应腔的底部，且与所述喷淋部组件相对，所述托盘组件的顶部用以放置衬底；
反应模块运行时气体流入匹配的腔体，并在腔体内混合后从匹配的出气通道流出并流至所述反应腔内。该碳化硅外延生长装置可以灵活组合所需的反应气体，外延生长装置具有极大的通用性。
优选的，该导气管段的直径与匀压管段的直径之比介于1.1-2.5。
优选的，该扩散管段的直径与所述匀压管段的直径之比介于1.1-1.5。
优选的，该喷淋部组件包括：固定部及喷淋部，所述固定部安装于所述反应模块的端部，所述固定部配置成中央区域镂空，所述喷淋部可拆卸的安装于所述中央区域。
优选的，该喷淋部包括：本体、端板及隔板，
所述本体具有基部及配置于所述基部一侧边缘的侧壁；
所述端板配置于所述侧壁的端部；
所述隔板的两侧端分别连接所述基部及所述端板，
所述基部、侧壁、隔板及端板组合围成多个所述腔体。
优选的，该碳化硅外延生长装置，所述隔板为3个，3个所述隔板间隔配置且沿本体轴向延伸，且所述基部、侧壁、隔板及端板组合围成相互独立的第一腔体、第二腔体、第三腔体及第四腔体，其中，所述第一腔体呈圆柱状，第二腔体、第三腔体及第四腔体沿第一腔体的径向依次排布。
优选的，该端板上设有复数出气通道，所述第一腔体、第二腔体、第三腔体或第四腔体经所述出气通道分别连通所述反应腔。
优选的，该碳化硅外延生长装置，至少一个所述腔体内有沿本体径向配置的间隔板，所述间隔板将所述腔体隔成上下2层，其中，上层为进气腔，下层为出气腔，所述出气腔连通出气通道。这样出气腔经出气通道连通反应腔。
优选的，该间隔板上配置有穿孔，所述穿孔连通匹配的进气腔及出气腔。
优选的，该间隔板与基部间的距离h1与所述间隔板与端板的距离h2的比值介于2～10。
采用本公开的上述方案，如此进气腔的体积远大于出气腔的体积，可保证进气腔内的气体经穿孔（该穿孔具有匀气的作用）匀气后缓慢的流至对应的出气腔内，然后再经与出气腔连通的出气通道流出并流至反应腔内，气体在向衬底侧流动的同时进行扩散及混合，大大减少在喷淋部底部的沉积（减少维护的频率）。
有益效果
本申请实施方式的碳化硅外延生长装置采用多个独立腔体的喷淋部，这样反应气体类型可以灵活组合，具有极大的通用性，即使在需要多种气体参与外延生长的场合也能适用。通过对喷淋部的结构优化，使得气体流入喷淋部中独立的腔体内，并在腔体内经混气、匀气以及经出气通道匀压后流至反应腔内，这样的结构下流出的气体温度均匀，同时气体向衬底侧流动的流速相同或大致相同，避免了不同腔体间流出气体的流速差引发的扰流，提高了掺杂均匀性。
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截面示意图；
图2为本申请一实施例的喷淋部组件的立体结构示意图；
图3为本申请一实施例的喷淋部的截面示意图；
图4为本申请一实施例本体内的隔板的截面示意图；
图5为图3中A处的局部放大示意图；
图6为图3中B处的局部放大示意图；
图7为本申请一实施例的第一间隔板的穿孔在端板上的投影示意。
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。该碳化硅外延生长装置包括：反应模块，其内配置有反应腔；喷淋部组件，其配置于反应模块上，喷淋部组件包括：喷淋部，该喷淋部包括：多个独立的腔体，多个该腔体分别经管道连接至用以提供气体的气源以及分别经出气通道连通反应腔，且出气通道包括依次连接的导气管段、匀压管段及扩散管段，且导气管段的过流面积大于匀压管段的过流面积；以及托盘组件，托盘组件配置于反应腔的底部，且与喷淋部组件相对，托盘组件的顶部用以放置衬底，反应模块运行时气体流入匹配的腔体，并在腔体内混合后从匹配的出气通道流出并流至反应腔内。这样碳化硅外延生长装置采用的反应气体类型可以灵活组合，具有极大的通用性。本实施方式中，过流面积可以理解为内横截面积。
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。
如图1所示为本申请一实施例的碳化硅外延生长装置的截面示意图。本公开实施例中的碳化硅外延生长装置100，包括：反应模块130，喷淋部组件110，托盘组件170。
其中，该反应模块130内配置有供外延生长的反应腔160，该喷淋部组件110配置于反应模块上（如，喷淋部组件110配置于反应模块的顶部）。
该托盘组件170配置于反应腔160的底部，且与喷淋部组件110相对，该托盘组件170的顶部用以放置衬底200。本实施方式中，反应模块130呈筒状。反应模块还包括：内衬管120及保温层，且内衬管120位于保温层的内侧。保温层包括：第一保温层140及第二保温层150，该第一保温层140及第二保温层150沿反应模块的轴向配置。较佳的，在内衬管120与第一保温层140间配置有第一加热器（图未示），且第一加热器靠近喷淋部组件110侧，该第一加热器用于给喷淋部组件流出的气体预热。托盘组件内设有第二加热器（图未示），该第二加热器用于给衬底200加热，提供外延生长所需的温度。反应模块运行时，气体从喷淋部组件流出（参见图1中箭头所示），并向衬底侧流动，反应气体在衬底的表面发生化学反应以生长碳化硅外延片。
如图2所示为喷淋部组件的立体结构示意。喷淋部组件110包括：固定部110a及喷淋部110b。
固定部110a安装于反应模块的端部，固定部110a配置成中央区域镂空，喷淋部110b可拆卸的安装于固定部的中央区域，喷淋部110b用于将接收的气体（如：反应气体、载气、吹扫气体或保护气体）混合后均匀分配并从喷淋部110b的出气通道流出（流至反应腔）。这样后期维护时，可仅拆卸喷淋部进行维护保养。本实施方式中，喷淋部具有多个独立的腔体，该腔体可分别连接气源以接收气体（如：反应气体、载气、吹扫气体或保护气体），并将接收的气体在腔体内混合、均匀的分配后从匹配的出气通道流出（流至反应腔）。这样外延生长时，反应气体进入到反应腔时才开始扩散和混合，大大减少反应气体在喷淋部底部的沉积，降低喷淋部因沉积引发的维护频率。另外，该结构下，反应气体流过出气通道时被匀压（以降低反应气体的流速），反应气体进入反应腔时的流速相同或大致相同，避免了不同腔体流出的反应气体因流速差异引发的扰流，进而提高了外延生长时掺杂均匀性。
接下来结合图3-图7并以配置4个独立的腔体的喷淋部为例来描述。
如图3所示为喷淋部的截面示意图。喷淋部110b，包括：本体111，端板113。
该本体111具有基部111a及配置于基部111a一侧边缘的侧壁111b。端板113配置于侧壁111b的端部，这样基部111a与端板113之间有间隙。基部111a呈圆柱状或圆盘状，侧壁呈中空的筒状。
该喷淋部还包括3个隔板，隔板的两侧端分别连接基部及端板，基部、侧壁、隔板及端板组合围成4个腔体。 具体的，3个隔板沿本体111轴向延伸且间隔配置，隔板的两侧端分别连接至基部及端板，以分割出4个独立的腔体（截面示意如图4所示），隔板包括：第一隔板117a、第二隔板117b及第三隔板117c。将侧壁111b内的空间分割成相互间独立的第一腔体115a、第二腔体115b、第三腔体115c及第四腔体115d。其中，第一腔体115a呈圆柱状，第二腔体115b、第三腔体115c及第四腔体115d沿第一腔体115a的径向依次排布（参见图4）。本实施方式中，第四腔体115d作为***吹扫腔，通过配置***吹扫腔可提高反应腔内气体均匀性。在其他的实施方式中，可省略***吹扫腔。较佳的，基部与侧壁一体成型，本体呈中空的圆柱状（或圆盘状）。本实施方式中采用4个独立的腔体的结构，在其他的实施方式中，腔体的数量可为3个，5个，6个等具体视应用场合。
该端板113上设有复数出气通道113a，该出气通道113a匹配连通第一腔体115a、第二腔体115b、第三腔体115c或第四腔体115d。即部分出气通道连通第一腔体、部分出气通道连通第二腔体、部分出气通道连通第三腔体及部分出气通道连通第四腔体。
该第一腔体115a内有沿本体径向配置的第一间隔板114a，该第一间隔板114a将第一腔体115a隔成上下2层，上层为第一进气腔（远离端板侧），下层为第一出气腔115a1，第一出气腔与端板113上匹配的出气通道113a连通。第一进气腔的体积大于第一出气腔的体积。
该第二腔体115b内有沿本体径向配置的第二间隔板114b，该第二间隔板114b将第二腔体115b隔成上下2层，上层为第二进气腔（远离端板侧），下层为第二出气腔，第二出气腔与端板113上匹配的出气通道连通。第二进气腔的体积大于第二出气腔的体积。
该第三腔体115c内有沿本体径向配置的第三间隔板114c，该第三间隔板114c将第三腔体115c隔成上下2层，上层为第三进气腔，下层为第三出气腔115c1，第三出气腔115c1与端板113上对着的出气通道连通。第三进气腔的体积大于第三出气腔的体积。
第一出气腔、第二出气腔及第三出气腔同侧配置。第一间隔板、第二间隔板及第三间隔板（统称间隔板）上皆配置有穿孔，该穿孔连通对应的进气腔及出气腔（如第一间隔板114a上配置有穿孔114a1，通过该穿孔114a1连通第一进气腔及第一出气腔115a1）。该穿孔用以将第一/第二/第三进气腔内的气体引至对应的出气腔，气体再通过出气腔匹配的出气通道流出并流至反应腔内。本实施方式中，第一/第二/第三进气腔（统称进气腔）的体积远大于匹配的出气腔的体积，这样可保证进气腔内的气体经穿孔匀气后缓慢的流至对应的出气腔内。
第一进气腔连接第一进气管116a，第二进气腔连接第二进气管116b、第三进气腔连接至第三进气管116c，第四腔体115d连接***吹扫气管116d（***吹扫气管连接至不参与反应的气体）。这样流入反应腔的反应气体的类型可通过第一至第三进气腔来灵活组合，可用于需多种气体参与外延生长的场合。
为了进一步提高出气通道出气的均匀程度，对出气通道的结构进行优化(参见图6)，
该出气通道113a包括:依次连接的导气管段113a1、匀压管段113a2、扩散管段113a3，其中，导气管段113a1靠近端板113的第一侧113c。导气管段113a1、匀压管段113a2及扩散管段113a3的组合构成出气通道。本实施方式中，导气管段113a1的过流面积大于匀压管段113a2的过流面积（过流面积可以理解为内横截面积）。较佳的，导气管段113a1的直径大于匀压管段113a2的直径。较佳的，导气管段的直径与匀压管段的直径之比介于1.1-2.5。扩散管段113a3的直径与匀压管段113a2的直径之比介于1.1-1.5。这样气体依次经导气管段（呈圆柱状）、匀压管段（呈圆柱状）、扩散管段（呈圆柱状）后进入反应腔内，气体在流动的过程中受匀压管段的阻流的作用，从出气通道113a的出口流出的气体的流速相同或大致相同，这样避免了在反应腔内产生扰流。本实施方式中，导气管段、匀压管段及扩散管段同轴线。在一实施方式中，在出气通道内气体流动的方向上，匀压管段的长度与出气通道整体的长度比介于0.2-0.45。匀压管段的长度太长或太短时，匀压效果差。
在一较佳的实施方式中，间隔板上的穿孔配置成投影在端板上时，穿孔与出气通道的入口不重叠（如第一间隔板114a的穿孔114a1在端板113的第一侧113c上的投影如图7所示），这样避免从穿孔流出的气体直接流入出气通道，造成气体短路。
在一较佳的实施方式中，第一间隔板114a、第二间隔板114b及第三间隔板114c处于同一层。以第二间隔板114b为例进行描述，在喷淋部轴向的方向上，第二间隔板114b距离基部的第一侧111a1的距离为h1(即第二间隔板114b与基部间的距离)，第二间隔板114b距离端板113的第一侧113c的距离为h2(即第二间隔板114b与端板间的距离), h2介于1～4mm。h1与h2的比值介于2～10。这样进气腔的体积远大于出气腔的体积，可保证进气腔内的气体经穿孔匀气后缓慢的流至对应的出气腔内，气体再经与出气腔连通的出气通道流出并流至反应腔内，气体在向衬底侧流动的同时进行扩散及混合，大大减少在喷淋部底部的沉积（间接减少喷淋部维护的频率）。
在一较佳的实施方式中，端板上设置有隔热板112，该隔热板112上有透气孔112a。该隔热板可以防止第二加热器（图未示）工作时产生的高温直接辐射到喷淋部，从而提高喷淋部的信赖性。较佳的，透气孔112a与扩散管段113a3同一轴线，且数量相等（即隔热板的透气孔与扩散管段一一匹配）。进一步的，透气孔的过流面积大于扩散管段的过流面积（如，透气孔的直径大于扩散管段的直径）。较佳的，透气孔的直径与扩散管段的直径的比介于1.2-3，这样的设计利于气体的扩散。
在一较佳的实施方式中，喷淋部内配置有冷却水道119a及回水道118a，该冷却水道连接进水管119b；回水道118a连接回水管118b；喷淋部运行时冷却水从进水管119b流入冷却水道119a后流至冷却槽113b的一侧端，冷却水在冷却槽113b里流动的同时来冷却气体，直至冷却水从冷却槽113b的另一侧端流出，冷却水经回水道118a回流至回水管118b，依次循环，实现对出气通道内的气体充分冷却。该方式下气体被充分的冷却且温度差小，减少反应气体在喷淋部底部的沉积。
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 (10)
1.一种碳化硅外延生长装置，其特征在于，包括：
反应模块，所述反应模块内配置有供外延生长的反应腔；
喷淋部组件，所述喷淋部组件配置于所述反应模块上，所述喷淋部组件包括：多个独立的腔体，多个所述腔体分别经管道连接至用以提供气体的气源以及分别经出气通道连通反应腔，且所述出气通道包括依次连接的导气管段、匀压管段及扩散管段，所述导气管段的过流面积大于所述匀压管段的过流面积；及
托盘组件，所述托盘组件配置于所述反应腔的底部，且与所述喷淋部组件相对，所述托盘组件的顶部用以放置衬底；
反应模块运行时气体流入匹配的腔体，并在腔体内混合后从匹配的出气通道流出并流至所述反应腔内。
2.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，所述导气管段的直径与所述匀压管段的直径之比介于1.1-2.5。
3.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，所述扩散管段的直径与所述匀压管段的直径之比介于1.1-1.5。
4.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，所述喷淋部组件包括：固定部及喷淋部，
所述固定部安装于所述反应模块的端部，所述固定部配置成中央区域镂空，所述喷淋部可拆卸的安装于所述中央区域。
5.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，所述喷淋部包括：本体、端板及隔板，
所述本体具有基部及配置于所述基部一侧边缘的侧壁；
所述端板配置于所述侧壁的端部；
所述隔板的两侧端分别连接所述基部及所述端板，
所述基部、侧壁、隔板及端板组合围成多个所述腔体。
6.如权利要求5所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，
所述隔板为3个，3个所述隔板间隔配置且沿所述本体轴向延伸，
所述基部、侧壁、隔板及端板组合围成相互独立的第一腔体、第二腔体、第三腔体及第四腔体，
其中，所述第一腔体呈圆柱状，第二腔体、第三腔体及第四腔体沿第一腔体的径向依次排布。
7.如权利要求6所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，所述端板上设有复数出气通道，所述第一腔体、第二腔体、第三腔体或第四腔体经所述出气通道分别连通所述反应腔。
8.如权利要求1所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，至少一个所述腔体内有沿本体径向配置的间隔板，所述间隔板将所述腔体隔成上下2层，其中，上层为进气腔，下层为出气腔，所述出气腔连通出气通道。
9.如权利要求8所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，所述间隔板上配置有穿孔，所述穿孔连通匹配的进气腔及出气腔。
10.如权利要求8所述的碳化硅外延生长装置，其特征在于，所述间隔板与基部间的距离h1与所述间隔板与端板的距离h2的比值介于2～10。
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