CN116427023A - 一种用于外延设备的气体分配装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于外延设备的气体分配装置，包括：石墨生长室、气体流道、过渡腔、主法兰和匀气管，主法兰、匀气管、气体流道、过渡腔和石墨生长室依次密封连接；石墨生长室内设有用于承载晶圆的晶圆基座；主法兰上设有多个独立进气口，主法兰内设有多个独立混气腔室，气体流道内分为多个独立气体子流道，进气口、混气腔室和气体子流道一一对应，工艺气体由进气口进入混气腔室，依次经由气体流道和过渡腔后进入石墨生长室。本发明具有结构紧凑、操作简单且能够实现工艺气体均匀分布等优点，解决了因石墨生长室内的工艺气体分布不均匀而导致外延层的掺杂浓度和生长厚度不均匀的问题，提高了高晶体质量，极大地降低了外延层的掺杂浓度不均匀性。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅外延生长设备技术领域，具体涉及一种用于水平冷壁式CVD外延生长设备的气体分配器。
背景技术
碳化硅(Si C)是第三代宽禁带半导体的代表性材料，具有高禁带宽度、高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度和优良的热导率等特点，可适用于高频、高压、高温等多个场景，广泛适用新能源汽车和高压电力电子行业领域。近年来，国内SiC材料正处于由进口向国产、4寸到6寸晶圆的规模生产转变过程中。
在碳化硅材料的不同晶型中，4H-SiC材料各向异性小、空穴迁移率高，目前得到了广泛的商业化认可。4H-SiC材料衬底一般制作方式为物理气相输运法(PVT)法，其本底掺杂浓度一般相当高且难以控制，且SiC材料掺杂所需温度高，难度大。因此一般在4H-SiC衬底上进行同质外延生长，得到高晶体质量和相对衬底较低掺杂浓度的外延层，所有器件工艺均在外延层上实现。
化学气相沉积(CVD)法是目前制作4H-SiC外延层的通用方法，一般以氢气作为载气，三氯氢硅(TCS)或硅烷作为硅源，氮气作为N型掺杂源，三甲基铝作为P型掺杂源，按照进气方式，可分为水平式反应器和垂直式反应器。
目前，随着外延产能的扩大，对于外延层的要求也越来越高，外延层的均匀性高度依赖于设备的均匀进气。受限于设备进气结构，难以实现反应室内的均匀进气和精确控制，外延层的掺杂浓度不均匀性和生长厚度不均匀性难以稳定在较低水平，极大地影响了现有各型外延设备的产能和良率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、操作简单、密封性好且能够实现工艺气体均匀分布的用于外延设备的气体分配装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于外延设备的气体分配装置，包括：石墨生长室、气体流道、过渡腔、主法兰和匀气管，所述主法兰、匀气管、气体流道、过渡腔和石墨生长室依次密封连接；所述石墨生长室内设有用于承载晶圆的晶圆基座，所述主法兰上设有多个独立的进气口，主法兰内部设有多个独立的混气腔室，所述气体流道内部分为多个独立的气体子流道，所述进气口、混气腔室和气体子流道一一对应，工艺气体由进气口进入混气腔室，再依次经由气体流道和过渡腔后进入石墨生长室内。
作为本发明的进一步改进，所述混气腔室包括依次排列的第一混气腔室、第二混气腔室和第三混气腔室，所述第一混气腔室和第三混气腔室的体积相等，所述第二混气腔室的体积大于第一混气腔室或第三混气腔室的体积的2倍。
作为本发明的进一步改进，所述进气口包括依次排列的第一进气口、第二进气口和第三进气口，所述第一进气口与第一混气腔室连通，所述第二进气口与第二混气腔室连通，所述第三进气口与第三混气腔室连通。
作为本发明的进一步改进，所述气体流道内部，沿着工艺气体的输送方向通过石英挡板划分为体积相等的第一气体子流道、第二气体子流道和第三气体子流道，所述第一气体子流道与第一混气腔室相对应，所述第二气体子流道与第二混气腔室相对应，所述第三气体子流道与第三混气腔室相对应。
作为本发明的进一步改进，还包括辅助法兰，所述辅助法兰与主法兰相互垂直并紧固连接，所述辅助法兰与石墨生长室之间安装有辅助进气管。
作为本发明的进一步改进，所述辅助法兰上设有第一接口和第三接口，所述石墨生长室端面的上部和下部分别设有第一气嘴和第二气嘴，所述第一接口与第一气嘴之间设有第一吹扫气管，所述第三接口与第二气嘴之间设有第二吹扫气管，由第一接口和第三接口输入的吹扫气体经由第一吹扫气管第一气嘴、第二吹扫气管和第二气嘴后输入石墨生长室内部进行吹扫。
作为本发明的进一步改进，所述辅助法兰上还设有第二接口，所述石墨生长室端面的下部设有第三气嘴，且第三气嘴位于晶圆基座下方，所述第二接口与第三气嘴之间设有供气管，由第二接口输入的气体经由供气管和第三气嘴后输入石墨生长室内部，用于驱动晶圆基座旋转。
作为本发明的进一步改进，所述匀气管包括直线管段和方形螺旋管段，所述直线管段的一端与主法兰上的混气腔室连通，直线管段的另一端与方形螺旋管段连通，所述方形螺旋管段位于气体流道内，方形螺旋管段外周均布有多个延伸管，所述延伸管上设有气孔，工艺气体由气孔喷出。
作为本发明的进一步改进，所述匀气管包括直线管段和圆形螺旋管段，所述直线管段的一端与主法兰上的混气腔室连通，直线管段的另一端与圆形螺旋管段连通，所述圆形螺旋管段位于气体流道内，圆形螺旋管段均布有多个喷嘴，工艺气体由喷嘴喷出。
作为本发明的进一步改进，所述过渡腔的前端与气体流道连通，过渡腔的后端与石墨生长室连通，所述过渡腔呈前端大后端小的喇叭形结构。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的用于外延设备的气体分配装置，通过设置依次密封连接的主法兰、匀气管、气体流道、过渡腔和石墨生长室，并且在主法兰上设有多个独立的进气口、在主法兰内部设有多个独立的混气腔室、在气体流道内部分为多个独立的气体子流道，进气口、混气腔室和气体子流道一一对应，工艺气体在混气腔室内进行一次混合，在气体子流道内进行二次混合，最后经由过渡腔流入石墨生长室内，通过将工艺气体进行分区输送，增加了工艺气体的混合均匀度，保证了外延层的生长厚度和掺杂浓度可以调节得更为均匀，使得生长的4H-Si C质量更高。
2、本发明的用于外延设备的气体分配装置，根据进气分布大小而设置混气腔室的大小，有利于增强混气效果，很好地满足了6英寸&8英寸这类大尺寸晶圆的生产需求。
3、本发明的用于外延设备的气体分配装置，通过将匀气管设置为与混气腔室连通的直线管段和位于气体流道内的螺旋管段，并且在螺旋管段外周均布有多个气孔或喷嘴，既实现了匀气管与混气腔室之间的便捷安装连接，又提高了工艺气体在气体流道内分布的均匀性，显著了提高外延层生长的掺杂浓度均匀性和厚度均匀性。
附图说明
图1为本发明用于外延设备的气体分配装置的立体结构原理示意图。
图2为本发明用于外延设备的气体分配装置的结构原理示意图。
图3为图2中A-A向的剖视结构原理示意图。
图4为本发明用于外延设备的气体分配装置另一视角的结构原理示意图。
图5为图4中B-B向的剖视结构原理示意图。
图6为本发明实施例1中匀气管的结构原理示意图。
图7为本发明实施例2中匀气管的结构原理示意图。
图例说明：1、石墨生长室；2、气体流道；21、第一气体子流道；22、第二气体子流道；23、第三气体子流道；3、过渡腔；4、主法兰；41、第一混气腔室；42、第二混气腔室；43、第三混气腔室；5、辅助法兰；51、第一接口；52、第二接口；53、第三接口；61、第一吹扫气管；62、第二吹扫气管；71、第一气嘴；72、第二气嘴；8、供气管；9、第三气嘴；10、晶圆基座；11、匀气管；111、第一匀气管；112、第二匀气管；113、第三匀气管；114、直线管段；115、方形螺旋管段；116、延伸管；117、气孔；118、喷嘴；119、圆形螺旋管段；12、进气口；121、第一进气口；122、第二进气口；123、第三进气口；13、石英挡板。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1至图6所示，本发明的用于外延设备的气体分配装置，包括：石墨生长室1、气体流道2、过渡腔3、主法兰4和匀气管11，主法兰4、匀气管11、气体流道2、过渡腔3和石墨生长室1依次密封连接。石墨生长室1内设有用于承载晶圆的气浮式晶圆基座10，主法兰4上设有多个独立的进气口12，主法兰4内部设有多个独立的混气腔室，气体流道2内部分为多个独立的气体子流道，进气口12、混气腔室和气体子流道一一对应，工艺气体由进气口12进入混气腔室，再依次经由气体流道2和过渡腔3后进入石墨生长室1内。
本实施例中，通过设置依次密封连接的主法兰4、匀气管11、气体流道2、过渡腔3和石墨生长室1，并且在主法兰4上设有多个独立的进气口12、在主法兰4内部设有多个独立的混气腔室、在气体流道2内部分为多个独立的气体子流道，进气口12、混气腔室和气体子流道一一对应，工艺气体在混气腔室内进行一次混合，在气体子流道内进行二次混合，最后经由过渡腔3流入石墨生长室内，通过将工艺气体进行分区输送，增加了工艺气体的混合均匀度，保证了外延层的生长厚度和掺杂浓度可以调节得更为均匀，使得生长的4H-Si C质量更高。
本实施例中，过渡腔3的前端与气体流道2连通，过渡腔3的后端与石墨生长室1连通，过渡腔3呈前端大后端小的喇叭形结构。进一步地，过渡腔3的材质为耐高温的高纯石墨，过渡腔3内部设有折弯结构，过渡腔3设有长方形进气口和长方形出气口，进气口与气体流道2连接，出气口直接进入石墨生长室1。
本实施例中，混气腔室包括依次排列的第一混气腔室41、第二混气腔室42和第三混气腔室43，第一混气腔室41和第三混气腔室43的体积相等，第二混气腔室42的体积大于第一混气腔室41或第三混气腔室43的体积的2倍。
进一步地，主法兰4由两个316L材质的不锈钢法兰组成，并且两个法兰的连接处均设有相应的空腔，两个法兰通过螺钉紧固、密封圈密封连接后形成了依次排列的第一混气腔室41、第二混气腔室42和第三混气腔室43。混气腔室的体积根据进气分布大小而定，在一般尺寸的碳化硅外延生长的水平式进气结构中，中间区域的气体流量一般是边缘进气流量的3倍左右，本实例中，位于中间的第二混气腔室42的体积是边缘混气腔室体积的4倍，以便增强混气效果，很好地满足了6英寸&8英寸这类大尺寸晶圆的生产需求。
本实施例中，进气口12包括依次排列的第一进气口121、第二进气口122和第三进气口123，第一进气口121与第一混气腔室41连通，第二进气口122与第二混气腔室42连通，第三进气口123与第三混气腔室43连通。具体地，在主法兰4的混气腔室前端开设有圆孔，焊接1/4或1/2VCR管道作为进气口12，以实现气体分区供气。
本实施例中，气体流道2内部，沿着工艺气体的输送方向通过耐高温的石英挡板13划分为体积相等的第一气体子流道21、第二气体子流道22和第三气体子流道23，第一气体子流道21与第一混气腔室41相对应，第二气体子流道22与第二混气腔室42相对应，第三气体子流道23与第三混气腔室43相对应。气体子流道的数量是与混气腔室的数量一一对应的，在气体流道2末端与过渡腔3相连处无分区，从气体流道2进气端板到石墨生长室1内晶圆中心的距离约在570mm～580mm之间。可以理解，本实施例中，三个气体子流道内输送的工艺气体可以相同，也可以不相同；当三个气体子流道内输送的是相同的工艺气体时，三个气体子流道内的气体流量各不相同。
本实施例中，还包括辅助法兰5，辅助法兰5与主法兰4相互垂直并紧固连接，辅助法兰5与石墨生长室1之间安装有辅助进气管。进一步地，辅助法兰5使用异形长方体结构以缩小体积、减轻重量，在辅助法兰5的上下两端开有圆孔以便于固定在结构件上，在辅助法兰5的中间区域开有圆形通孔以便于进气，并在中间区域四周开有螺纹孔，以便于与主法兰4进行紧固。
本实施例中，辅助法兰5上设有第一接口51和第三接口53，石墨生长室1端面的上部和下部分别设有第一气嘴71和第二气嘴72，第一接口51与第一气嘴7之间设有第一吹扫气管61，第三接口53与第二气嘴72之间设有第二吹扫气管62，由第一接口51和第三接口53输入的吹扫气体经由第一吹扫气管61和第一气嘴71、第二吹扫气管62和第二气嘴72后输入石墨生长室1内部的上下两个石墨发热体进行吹扫。
本实施例中，辅助法兰5上还设有第二接口52，石墨生长室1端面的下部设有第三气嘴9，且第三气嘴9位于晶圆基座10下方，第二接口52与第三气嘴9之间设有供气管8，由第二接口52输入的气体经由供气管8和第三气嘴9后输入石墨生长室1内部，用于驱动晶圆基座10旋转。
本实施例中，第一接口51与第一吹扫气管61之间、第三接口53与第二吹扫气管62之间、第二接口52与供气管8之间均采用抱轴密封的方式相连接，将气体直接输送进入石墨生长室1内。具体抱轴方式为，使用螺帽与螺纹配合压紧密封圈压环，压环压紧密封圈，达到密封与紧固的效果。第一吹扫气管61、第二吹扫气管62和供气管8均采用石英圆管，在第一接口51、第二接口52和第三接口53的接口处均为T型结构，且正面均设有带螺纹的气体密封盖，配合可拆卸的气体密封盖以保证密封性，在接口侧面开有进气口，可焊接金属VCR气管或波纹管等。
如图6所示，匀气管11包括直线管段114和方形螺旋管段115，直线管段114的一端与主法兰4上的混气腔室连通，直线管段114的另一端与方形螺旋管段115连通，方形螺旋管段115位于气体流道2内，方形螺旋管段115外周均布有多个延伸管116，延伸管116上设有气孔117，工艺气体由气孔117喷出。具体地，匀气管11在直线进气端与主法兰4通过抱轴来进行密封。
本实施例中，匀气管11为耐高温的中空石英圆管，为设计在xoy平面内的直线段和螺旋弯折段整体结构，直线段进气截面与螺旋折弯截面的面夹角为90°，在螺旋折弯段的边缘焊接有带出气孔的延伸小圆管。匀气管11的直线段与气体流道2的挡板上所开设的孔通过焊接来密封和固定。
本实施例中，通过将匀气管11设置为与混气腔室连通的直线管段和位于气体流道内的螺旋管段，并且在螺旋管段外周均布有多个气孔，既实现了匀气管与混气腔室之间的便捷安装连接，又提高了工艺气体在气体流道内分布的均匀性，很好地满足了水平式反应器的工艺需求，显著了提高外延层生长的掺杂浓度均匀性和厚度均匀性。
本实施例的气体分配装置用于生长N型掺杂或者P型掺杂的Si C外延层，使用TCS(三氯氢硅)作为Si源，使用C2H4(乙烯)作为C源，使用N2(氮气)或者TMA l(三甲基铝)作为掺杂源，生长用的工艺气体从三个进气口分为三路进入混气腔室、气体流道2以后，再经过进气过渡腔3，最后进入石墨生长室1，石墨生长室1的工艺温度一般在1600℃～1650℃之间，工艺气体在石墨生长室1内发生反应，生成高质量外延层。采用分区输送的方式是为了保证外延层的生长厚度和浓度可以调节得更为均匀，本实施例的混气结构可以增加工艺气体的混合均匀度，让生长的4H-Si C晶体质量更高。
实施例2
如图1至图5、图7所示，本实施例的用于外延设备的气体分配装置，与本实施例1中的用于外延设备的气体分配装置具有相同的结构设置和工作原理，其区别在于：
匀气管11包括直线管段114和圆形螺旋管段119，直线管段114的一端与主法兰4上的混气腔室连通，直线管段114的另一端与圆形螺旋管段119连通，所述圆形螺旋管段119位于气体流道2内，圆形螺旋管段119均布有多个朝下设置的喷嘴118，工艺气体由喷嘴118喷出。
通过将匀气管11设置为与混气腔室连通的直线管段114和位于气体流道2内的圆形螺旋管段119，并且在圆形螺旋管段119外周均布有多个朝下设置的喷嘴118，既实现了匀气管11与混气腔室之间的便捷安装连接，又提高了工艺气体在气体流道内分布的均匀性，很好地满足了垂直式反应器的工艺需求，显著了提高外延层生长的掺杂浓度均匀性和厚度均匀性。
虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，包括：石墨生长室(1)、气体流道(2)、过渡腔(3)、主法兰(4)和匀气管(11)，所述主法兰(4)、匀气管(11)、气体流道(2)、过渡腔(3)和石墨生长室(1)依次密封连接；所述石墨生长室(1)内设有用于承载晶圆的晶圆基座(10)，所述主法兰(4)上设有多个独立的进气口(12)，主法兰(4)内部设有多个独立的混气腔室，所述气体流道(2)内部分为多个独立的气体子流道，所述进气口(12)、混气腔室和气体子流道一一对应，工艺气体由进气口(12)进入混气腔室，再依次经由气体流道(2)和过渡腔(3)后进入石墨生长室(1)内。
2.根据权利要求1所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述混气腔室包括依次排列的第一混气腔室(41)、第二混气腔室(42)和第三混气腔室(43)，所述第一混气腔室(41)和第三混气腔室(43)的体积相等，所述第二混气腔室(42)的体积大于第一混气腔室(41)或第三混气腔室(43)的体积。
3.根据权利要求2所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述进气口(12)包括依次排列的第一进气口(121)、第二进气口(122)和第三进气口(123)，所述第一进气口(121)与第一混气腔室(41)连通，所述第二进气口(122)与第二混气腔室(42)连通，所述第三进气口(123)与第三混气腔室(43)连通。
4.根据权利要求2所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述气体流道(2)内部，沿着工艺气体的输送方向通过石英挡板(13)划分为体积相等的第一气体子流道(21)、第二气体子流道(22)和第三气体子流道(23)，所述第一气体子流道(21)与第一混气腔室(41)相对应，所述第二气体子流道(22)与第二混气腔室(42)相对应，所述第三气体子流道(23)与第三混气腔室(43)相对应。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，还包括辅助法兰(5)，所述辅助法兰(5)与主法兰(4)相互垂直并紧固连接，所述辅助法兰(5)与石墨生长室(1)之间安装有辅助进气管。
6.根据权利要求5所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述辅助法兰(5)上设有第一接口(51)和第三接口(53)，所述石墨生长室(1)端面的上部和下部分别设有第一气嘴(71)和第二气嘴(72)，所述第一接口(51)与第一气嘴(7)之间设有第一吹扫气管(61)，所述第三接口(53)与第二气嘴(72)之间设有第二吹扫气管(62)，由第一接口(51)和第三接口(53)输入的吹扫气体经由第一吹扫气管(61)和第一气嘴(71)、第二吹扫气管(62)和第二气嘴(72)后输入石墨生长室(1)内部进行吹扫。
7.根据权利要求5所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述辅助法兰(5)上还设有第二接口(52)，所述石墨生长室(1)端面的下部设有第三气嘴(9)，且第三气嘴(9)位于晶圆基座(10)下方，所述第二接口(52)与第三气嘴(9)之间设有供气管(8)，由第二接口(52)输入的气体经由供气管(8)和第三气嘴(9)后输入石墨生长室(1)内部，用于驱动晶圆基座(10)旋转。
8.根据权利要求6或7所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述匀气管(11)包括直线管段(114)和方形螺旋管段(115)，所述直线管段(114)的一端与主法兰(4)上的混气腔室连通，直线管段(114)的另一端与方形螺旋管段(115)连通，所述方形螺旋管段(115)位于气体流道(2)内，方形螺旋管段(115)外周均布有多个延伸管(116)，所述延伸管(116)上设有气孔(117)，工艺气体由气孔(117)喷出。
9.根据权利要求6或7所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述匀气管(11)包括直线管段(114)和圆形螺旋管段(119)，所述直线管段(114)的一端与主法兰(4)上的混气腔室连通，直线管段(114)的另一端与圆形螺旋管段(119)连通，所述圆形螺旋管段(119)位于气体流道(2)内，圆形螺旋管段(119)均布有多个喷嘴(118)，工艺气体由喷嘴(118)喷出。
10.根据权利要求6或7所述的用于外延设备的气体分配装置，其特征在于，所述过渡腔(3)的前端与气体流道(2)连通，过渡腔(3)的后端与石墨生长室(1)连通，所述过渡腔(3)呈前端大后端小的喇叭形结构。
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Cited By (1)
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