CN114150377B - 一种厚膜生长设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化合物晶体生长技术领域，提出一种厚膜生长设备，包括：反应腔室，其包括基座，其中所述基座上水平放置衬底；反应气体管道，所述反应气体管道将反应气体运送至反应腔室，并且使所述反应气体沿所述衬底表面由所述衬底的第一侧向第二侧水平流动；以及加热装置，其被配置为对所述反应气体和所述衬底进行加热。

Description

一种厚膜生长设备

技术领域

本发明总的来说涉及半导体制造技术领域。具体而言，本发明涉及一种厚膜生长设备。

背景技术

传统上的化合物晶体生长设备，通常基于如图1所示的物理气相传输法(PVTPhysica I Vapor Transport)或者如图2所示的高温化学气相沉积法(HTCVD HighTemperature Chemical Vapor Deposition)来生长厚晶体。

以碳化硅晶体为例，如图1所示，基于物理气相传输法的设备通常将籽晶101布置在反应腔室103的上部低温区域，在反应腔室103下部高温区域将固体的碳化硅原料102进行加热升华产生气相物质，所述气相物质在轴向温度梯度的驱动下输运至籽晶101处，并且在籽晶101处结晶形成碳化硅晶体。然而物理气相传输法存在无法快速更换籽晶进行连续生长、硅气氛同碳气氛温度特性不一致导致晶体质量不易控制并且生长速度较慢等问题，而高温化学气相沉积法是对于物理气相传输法的改进。

如图2所示，基于高温化学气相沉积法的设备同样将籽晶201布置在反应腔室203的上部，但采用的碳化硅原料202不再是固体，而是经过预制备的硅化学气体和碳化学气体。然而高温化学气相沉积法只是将碳化硅的输送源从直接升华变成硅和碳的化学气体分解，物理气相传输法存在的技术问题在高温化学气相沉积法上依旧大量存在。另外高温化学气相沉积法中硅化学气体和碳化学气体在通过管路运输时易发生先期的寄生反应，虽然现有技术中提出将硅化学气体和碳化学气体通过同轴的管路输运来减少所述寄生反应，但并不能完全抑制。

传统上碳化硅晶体生长设备存在下列问题：常见的市售商业衬底过薄，无法作为物理气相传输法的籽晶，而采用厚度较大的籽晶需要消耗大量成本，并且生产难度很大。现有技术中对反应腔室的温度控制存在缺陷，由于现有技术中通常在垂直反应腔室的方向上进行加热，使得加热均匀性较差，反应腔室的温度中心高两边低、内应力过大。现有技术中的硅化学气体和碳化学气体的气流控制存在缺陷，因此难以控制碳化硅晶体的掺杂，并且硅化学气体和碳化学气体通常在接触衬底之前就在前路被加温，造成沉积并且堵塞管道。现有技术中的籽晶通常粘接倒挂在反应腔室的顶部，因此难以做到全自动上下料，难以连续生长，进而会损失从室温至高温的升降温时间以及开腔维护的时间，影响晶体生长效率。现有技术中预分解硅或者石墨容易提前出现，最后落在晶体上导致气相沉积效果变差，从而影响碳化硅晶体的成晶质量。另外现有技术中预分解硅、石墨或者碳化硅容易堵塞机台进气路线。

发明内容

为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种厚膜生长设备，包括：

反应腔室，其包括基座，其中所述基座上水平放置衬底；

反应气体管道，所述反应气体管道将反应气体运送至反应腔室，并且使所述反应气体沿所述衬底表面由所述衬底的第一侧向第二侧水平流动；以及

加热装置，其被配置为对所述反应气体和所述衬底进行加热。

在本发明一个实施例中规定，所述厚膜生长设备包括一个或者多个所述基座。

在本发明一个实施例中规定，所述基座上水平放置一个或者多个所述衬底。

在本发明一个实施例中规定，所述厚膜生长设备包括衬底运送装置，所述衬底运送装置用于运送所述衬底。

在本发明一个实施例中规定，所述加热装置包括：

第一加热装置，其布置在所述反应气体管道的上方和下方以加热所述反应气体；以及

第二加热装置，其布置在所述基座的上方和下方以加热所述衬底的上下表面。

在本发明一个实施例中规定，所述第一加热装置包括多个正交加热器，所述正交加热器包括第一条状加热器以及第二条状加热器，其中第一条状加热器和第二条状加热器相互垂直并且别布置在与所述衬底平行的第一平面和第二平面上。

在本发明一个实施例中规定，所述第一或第二条状加热器在所述第一或第二平面上平行间隔布置并且构成多个温度控制分区。

在本发明一个实施例中规定，所述第二加热装置包括多个正交加热器：和\或

多个扇区加热器；和\或

多个环形加热器。

在本发明一个实施例中规定，所述反应气体管道包括：

第一管道，其运送第一反应气体；以及

第二管道，其运送第二反应气体，所述第二管道与所述第一管道同轴；或者所述第二管道与所述第一管道准同轴，其中所述第二管道将第二反应气体从所述第一管道的进气口的后方处进入所述第一管道以形成所述第一反应气体的同轴气体。

在本发明一个实施例中规定，在所述反应气体管道中所述第一反应气体的平均温度高于所述第二反应气体的平均温度。

在本发明一个实施例中规定，所述第一或第二反应气体包括硅化学气体、碳化学气体或者碳化硅前驱物气体。

在本发明一个实施例中规定，所述反应气体管道还包括第三管道，所述第一管道、第二管道与第三管道之间同轴或者准同轴，其中所述第三管道运送第三气体，所述第三气体包括氢气以及惰性气体。

在本发明一个实施例中规定，在所述反应气体管道中，所述第三气体的平均温度高于所述第二气体的平均温度并且低于所述第一反应气体的平均温度。

在本发明一个实施例中规定，所述第一至第三管道被构造为使得所述第一和第二反应气体与所述第三气体同时汇合；或者

所述第一至第三管道被构造为使得所述第一或第二反应气体与所述第三气体先汇合。

在本发明一个实施例中规定，所述反应气体管道还包括第四管道，所述第一管道、第二管道、第三管道与第四管道之间同轴或者准同轴，其中所述第四管道运送掺杂气体。

在本发明一个实施例中规定，所述厚膜生长设备还包括辅助气体装置，所述辅助气体装置被构造为将辅助气体从所述反应腔室的顶部注入以促使反应发生。

在本发明一个实施例中规定，所述厚膜生长设备还包括刻蚀气体装置，所述刻蚀气体装置被构造为将刻蚀气体注入所述反应腔室以刻蚀寄生反应副产物。

本发明至少具有如下有益效果：本发明采用水平重量放置(非粘接)的衬底以及水平送气方式，可以通过自动化传送装置例如机械手臂实现生长过程中的自动化上料。本发明通过采用正交电阻加热器的布置设计，可以通过多区控制实现均匀加热，进而改善温度均一性。另外本发明采用准同轴的管道布置送气方式，结合反应气体组合以及相应的气体反应动力学，可以使得诸如碳化硅等材料的沉积反应只发生在反应腔的衬底位置，在衬底前方的不必要沉积最少。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了一个基于物理气相传输法的碳化硅晶体生产设备的结构示意图。

图2示出了一个基于高温化学气相沉积法的碳化硅晶体生产设备的结构示意图。

图3A-B示出了本发明一个实施例中的厚膜生长设备的结构示意图。

图4-6和图10示出了本发明的实施例中反应气体管道的布置示意图。

图7-9示出了本发明的实施例中反应气体管道的汇合情况的示意图。

图11示出了本发明一个实施例中衬底运送装置的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

外延生长是指在衬底上生长一层具有特定晶体结构的外延层，外延层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层外延层，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。在此，外延层是指微米级的薄膜，其厚度通常在纳米至数十乃至数百微米范围内。在本发明的实施例中，长晶工艺通常是指毫米级别的晶体生长，晶体的生长速度通常1μm每小时量级或者更高，生长得到的晶体厚度大于1mm。本发明所提出的厚膜生长设备可以适用于长晶工艺，也可以适用于小于等于1mm的薄膜的生长。

如图3A-B所示，在本发明一个实施例中提出一个基于化学反应的厚膜生长设备，其中可以包括反应腔室301、第一加热装置304和第二加热装置305以及反应气体管道303。所述反应腔室301中可以布置有基座302，所述基座302用于承载衬底。所述反应气体管道303可以将反应气体运送至所述反应腔室301，并且使所述反应气体沿所述衬底表面由所述衬底的第一侧向第二侧水平流动。第一加热装置304布置在所述反应气体管道303的上方和下方以加热所述反应气体，第二加热装置305布置在所述基座302的上方和下方以加热所述衬底。相比于传统的反应温度较低的化学气相沉积设备，所述膜生长设备可以适用于更高的反应温度，其中可以在预加热区域通过所述第一加热装置304加热反应气体，并且在所述反应腔室中通过所述第二加热装置305进行进一步的加热。

所述基座302是可旋转的，其上可以水平放置衬底。所述基座的数量可以是一个或者多个，例如可以是1至4个基座。所述基座上可以放置一个或者多个所述衬底，例如可以放置1至7个所述衬底。例如在本发明一个实施例中单个基座可以布置3片6寸衬底，并且布置2个基座，在该实施例中可以同时有效生长6片6英寸单晶，大大提高了生产效率。然而本领域技术人员应当理解，上述实施例中的基座和衬底数量仅作为示例，本领域技术人员可以根据实际生产需要选择合适的基座和衬底数量。

另外，所述厚膜生长设备还可以包括衬底运送装置，所述衬底运送装置可以是如图11所示的机械手臂110。在所述基座302上水平放置的衬底可以便于衬底的取放，配合所述衬底运送装置运送所述衬底，可以有效实现全自动的晶体上下料，并且通过布置多个基座和衬底可以有效地提高产能。

所述反应腔室301的内壁为耐高温材料。所述第二加热装置305可以是，所述第二加热装置305可以是布置在所述反应腔室301的上下内壁的上方和下方的电阻或感应式加热元件，可以由所述加热装置加热所述反应腔室301的上下内壁后，再由所述反应腔室301的上下内壁加热所述衬底。所述反应腔室的上下内壁的表面可以采用变剖面结构。现有技术中通常在衬底的四周加热，容易导致衬底的中心过热，而采用本发明中加热所述衬底的上下表面的加热方式，可以有效改善温度梯度分布，实现U、N、W、M等形状的温度剖面。

所述第一加热装置304或第二加热装置305可以包括多个正交加热器，所述正交加热器包括第一条状加热器以及第二条状加热器。所述条状加热器例如可以是直线或者扁平带状。其中第一条状加热器和第二条状加热器相互垂直并且别布置在与所述衬底平行的第一平面和第二平面上。进一步地，所述第一或第二条状加热器可以在所述第一或第二平面上平行间隔布置并且构成多个温度控制分区。

其中所述第二加热装置305可以通过所述多个温度控制分区可以实现对温度的多区控制以便对所述衬底的上下表面均匀加热，进而改善温度均一性。现有技术中所述反应腔室的温度中间高两边低，会产生很大的应力，而采用布置多组平行线加热器的技术方案则只能在一个方向上调制温度，而本实施例中提出采用多组正交加热器，可以提供了二维的调整温度的技术方案。特别是当布置有多个所述基座时，可以提供很好的温度均匀性。

所述第一加热装置304也可以包括平行加热器，所述平行加热器包括多个第三条状加热器，所述第三条状加热器平行间隔布置在所述第一或第二平面上。通过上述上下平行的加热器布置方案以减少加热器电极可能的干涉和降低布置的难度。

所述第二加热装置305也可以是如图3A-B所示的扇区加热器，还可以是环形加热器。

所述反应气体管道可以包括第一管道以及第二管道。所述第一管道可以运送第一反应气体。第二管道可以运送第二反应气体，所述第二管道可以与所述第一管道同轴。所述第二管道也可以如图4所示与所述第一管道准同轴，也就是说所述第二管道可以将第二反应气体从所述第一管道的进气口后方处、即进气口后方的第一距离后的管道壁上进入所述第一管道形成所述第一反应气体的同轴气体。以通过所述厚膜生长设备生长碳化硅晶体为例，所述第一或第二反应气体可以包括硅化学气体、碳化学气体或者碳化硅前驱物气体。采用上述准同轴技术方案可以减少所述第二反应气体被加热的行程，降低了所述第二反应气体的温度，以使在所述反应气体管道的运送过程中所述第二反应气体的平均温度低于所述第一反应气体的平均温度，进而减少堵塞。

所述反应气体管道还可以包括第三管道，所述第三管道可以运送第三气体，所述第三气体可以包括氢气、或者惰性气体例如氩气和氮气。所述第三气体可以避免第一和第二反应气体提前接触沉积进而堵塞衬底前方的流道。

在所述反应气体管道中，所述第三气体的平均温度高于所述第二气体的平均温度并且低于所述第一反应气体的平均温度。所述第三气体可以提供一个温度梯度缓冲，进而使所述反应气体管道由于温度梯度产生的内应力实现过渡

另外，一些惰性气体有较其他气体更低的传热系数，使用该类低传热气体对第二反应气体的传热进行阻挡，从而有效降低第二反应气体的温度，阻止寄生反应的发生。

所述第一管道、第二管道以及第三管道之间可以是同轴或者准同轴。例如可以如图5所示，同轴的所述第二和第三管道从所述第一管道的进气口后方处的第一位置进入所述第一管道后转向与所述第一管道同轴。也可以如图6所示，所述第二和第三管道分别从所述第一管道的进气口后方处的第二和第三位置进入所述第一管道后转向与所述第一管道同轴。另外还可以使所述第一管道与第三管道保持同轴平行，并且所述第二管道从第一和第三管道的进气口后方处进入，以使所述第二反应气体在多数时间保持低温，并且在反应气体混合到达衬底的时候升温至合适的反应温度。然而本领域技术人员应当理解，上述实施例中第一至第三管道的布置方案仅作为示例，本领域技术人员可以在实际生产中根据本发明所启示的同轴或准同轴技术方案选择合适的布置方式。

特别的，第一至第三管道采用准同轴的布置方式时，第一至第三管道可以在第一至第三管道的会合处构造较小的入口，并且可以将第一至第三管道在同轴之前呈扇区式张开布置，使反应气体在初始时保持低温，然后迅速升温至反应温度，从而使额外沉积段的物理尺寸最短。

根据反应气体的反应动力学要求，可以图7所示将所述第一至第三管道构造为使所述第一、第二反应气体与第三气体同时汇合。也可以如图8所示让所述第一反应气体与第三气体提前汇合，或者如图9所示让让所述第二反应气体与第三气体提前汇合。其中采用不同的汇合方式可以达成不同的反应和加热效果，以生长碳化硅晶体为例，某些第三气体例如氢气可以加快某些硅或者碳的前驱物裂解，因此提前或者推迟氢气加入，可以提前或者推迟反应的发生。而某些第三气体传热较慢，可以阻止所述第二反应气体的过早升温从而推迟反应的发生。另外同高温的其它反应气体混合可以迅速提高碳化硅前驱物气体的温度使得反应在需要的地点发生，因此通过不同的反应气体组合，以及相应的气体反应动力学，可以使得碳化硅沉积反应只发生在反应腔的衬底位置，在衬底前方的不必要沉积最少。

所述厚膜生长设备可以包括辅助气体装置306，所述辅助气体装置306将辅助气体从所述反应腔室的顶部注入反应腔室以促使反应发生，如前述的氢气，推迟氢气的流入可以减少氢气注入之前的寄生反应的发生。所述辅助气体可以分开至少独立的两个分区用于调节工艺，并且可以具有向下的导流线使得第三气体能够被有效地向下导入至反应区域，同时不破坏反应气体的层流。

另外对于掺杂气体来说，大部分的掺杂用前驱体会在高温下分解，导致无法实现掺杂，因此也可以如图10所示，通过与所述第一管道同轴或者准同轴的第四管道进行对掺杂气体进行运送。其中所述第一和第二反应气体、第三气体以及掺杂气体可以通过在不同的等温线上注入所述第一管道，以使所述第二反应气体和用于高寄生反应的所述掺杂气体在比较靠近衬底侧注入所述第一气体管道，也就是说所述第二反应气体和所述掺杂气体的预加热段尽可能处于较低的温度，而仅仅在达到衬底的时候获得需要的温度。

所述厚膜生长设备可以配置刻蚀气体装置，所述刻蚀气体装置可以将刻蚀气体注入第一或者第二反应气体管道，乃至反应腔室以蚀刻寄生反应的副产物。

上述公开内容着重介绍了，厚膜生长设备用于厚膜碳化硅晶体层的生长。然而，在本发明的其他实施例中，该厚膜生长设备还可以用于碳化硅外延层等等。本发明采用水平布置的衬底以及送气方式，可以实现晶体生长过程中的自动化上料。本发明通过采用正交电阻加热器的布置设计，可以通过多区控制实现均匀加热，进而改善温度均一性。以及本发明采用准同轴的管道布置送气方式，结合反应气体组合以及相应的气体反应动力学，可以使得诸如碳化硅等材料的沉积反应只发生在反应腔的衬底位置，在衬底前方的不必要沉积最少。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (15)

1.一种厚膜生长设备，其特征在于，用于碳化硅生成，该设备包括：

反应腔室，其包括基座，其中所述基座上水平放置衬底；

反应气体管道，所述反应气体管道将反应气体运送至反应腔室，并且使所述反应气体沿所述衬底表面由所述衬底的第一侧向第二侧水平流动；以及

加热装置，其被配置为对所述反应气体和所述衬底进行加热；

其中所述反应气体管道包括：

第一管道，其运送第一反应气体；以及

第二管道，其运送第二反应气体，所述第二管道与所述第一管道同轴；或者所述第二管道与所述第一管道准同轴，其中所述第二管道将第二反应气体从所述第一管道的进气口的后方处进入所述第一管道以形成所述第一反应气体的同轴气体，其中在所述反应气体管道中所述第一反应气体的平均温度高于所述第二反应气体的平均温度。

2.根据权利要求1所述的厚膜生长设备，其特征在于，包括一个或者多个所述基座。

3.根据权利要求1和2之一所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述基座上水平放置一个或者多个所述衬底。

4.根据权利要求1所述的厚膜生长设备，其特征在于，包括衬底运送装置，所述衬底运送装置用于运送所述衬底。

5.根据权利要求1所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述加热装置包括：

第一加热装置，其布置在所述反应气体管道的上方和下方以加热所述反应气体；以及

第二加热装置，其布置在所述基座的上方和下方以加热所述衬底的上下表面。

6.根据权利要求5所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述第一加热装置包括多个正交加热器，所述正交加热器包括第一条状加热器以及第二条状加热器，其中第一条状加热器和第二条状加热器相互垂直并且别布置在与所述衬底平行的第一平面和第二平面上。

7.根据权利要求6所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述第一或第二条状加热器在所述第一或第二平面上平行间隔布置并且构成多个温度控制分区。

8.根据权利要求6所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述第二加热装置包括多个正交加热器：和\或

多个扇区加热器；和\或

多个环形加热器。

9.根据权利要求8所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述第一或第二反应气体包括硅化学气体、碳化学气体或者碳化硅前驱物气体。

10.根据权利要求9所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述反应气体管道还包括第三管道，所述第一管道、第二管道与第三管道之间同轴或者准同轴，其中所述第三管道运送第三气体，所述第三气体包括氢气以及惰性气体。

11.根据权利要求10所述的厚膜生长设备，其特征在于，在所述反应气体管道中，所述第三气体的平均温度高于所述第二反应气体的平均温度并且低于所述第一反应气体的平均温度。

12.根据权利要求11所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述第一至第三管道被构造为使得所述第一和第二反应气体与所述第三气体同时汇合；或者

所述第一至第三管道被构造为使得所述第一或第二反应气体与所述第三气体先汇合。

13.根据权利要求12所述的厚膜生长设备，其特征在于，所述反应气体管道还包括第四管道，所述第一管道、第二管道、第三管道与第四管道之间同轴或者准同轴，其中所述第四管道运送掺杂气体。

14.根据权利要求1所述的厚膜生长设备，其特征在于，还包括辅助气体装置，所述辅助气体装置被构造为将辅助气体从所述反应腔室的顶部注入以促使反应发生。

15.根据权利要求1所述的厚膜生长设备，其特征在于，还包括刻蚀气体装置，所述刻蚀气体装置被构造为将刻蚀气体注入所述反应腔室以刻蚀寄生反应副产物。