一种用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，包括圆柱形的反应腔；反应腔的外部设置有内部中空的感应线圈，感应线圈环绕于所述反应腔的周围；反应腔内部设置有多个石墨舟、多个圆环形的保温环、三路进气导管和一路排气导管；多个保温环堆叠放置，每一个保温环的中心位置设有一个方形的通孔，且每一个所述通孔内设有一个石墨舟；三路进气导管和一路排气导管分别设置于保温环的两侧；石墨舟包括底座、托盘和上盖；保温环包括第一主体部件和第二主体部件。所述化学气相沉积装置能够充分利用反应腔的空间来进行外延生长，提供产能，并且能够改善反应腔内部的气流场均匀性和温度均匀性，有利于改善外延膜的均匀性。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及半导体材料生长设备领域，特别涉及一种用于碳化硅外延生长的 化学气相沉积装置。 一种用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置
【背景技术】
[0002] 传统硅器件及模块，例如硅、砷化镓等，其性能已接近由材料特性所决定的理论极 限，已不能满足当前电力电子行业日益增长的高频率、高功率、高能效的需求。今后5-10年 内，碳化硅半导体将逐步在智能电网及电力输运、轨道交通及机车牵引、电动/混合动力汽 车、光伏逆变及风能变流、工业电源及马达驱动、节能家电及IT服务器等领域取代传统硅 基功率半导体器件。为了制备性能卓越的碳化硅功率器件，高质量的碳化硅外延生长是其 中的关键技术和瓶颈。
[0003] 高温化学气相沉积（HTCVD)是目前进行生长碳化硅外延材料的主流技术。现有技 术的HTCVD设备都是通过基片托盘的行星旋转来提高大尺寸外延膜的均匀性。一方面，在 超高温环境（1700摄氏度左右），设计大尺寸碳化硅晶片用的行星传动系统，无论是在材料 选择上还是结构设计上都具有很大的难度；另一方面，设备的产能提高也完全受到结构设 计的制约。虽然已经有设备制造商提出系统级的整合，比如美国的VEEC0公司针对M0CVD设 备提出的多反应腔室的Cluster集成，但只是在气路及控制系统等模块进行整合及精简， 反应腔室本身无法简化，单位产能的制造成本并没有明显优势。
[0004] 现有技术中，用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，随着产能的提高，其反应 腔室的尺寸和复杂程度也随之增加，因此通常不能保证外延膜的均匀性，并且生产成本较 高。此外，现有技术的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置无法满足各种高温、大功率 和高频碳化硅器件的制作要求。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于碳化硅外延生长的 化学气相沉积装置。
[0006] 本实用新型提供的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置包括圆柱形的反应 腔，其顶部呈封闭的半圆弧形，其底部由法兰固定和密封；
[0007] 所述反应腔的外部设置有内部中空的感应线圈，所述感应线圈环绕于所述反应腔 的周围；
[0008] 所述反应腔内部设置有多个石墨舟、多个圆环形的保温环、三路进气导管和一路 排气导管，且所述石墨舟的个数与所述保温环的个数相等，每一路所述进气导管的结构和 形状都与所述排气导管相同；所述多个保温环堆叠放置，每一个所述保温环的中心位置设 有一个方形的通孔，且每一个所述通孔内设有一个所述石墨舟；所述三路进气导管和所述 一路排气导管分别设置于所述保温环的两侧，且所述三路进气导管和所述一路排气导管都 被所述反应腔底部的法兰固定；
[0009] 所述石墨舟包括底座、托盘和上盖；
[0010] 所述底座呈方形，所述底座的两端分别设置有第一进气口和第一排气口；所述底 座的中心位置设置有圆形的凹坑，所述凹坑的中心位置设有支撑立柱，所述支撑立柱的顶 端呈圆锥形，所述凹坑内以所述支撑立柱为中心对称设置有四个扇形的支撑台，相邻的两 个所述支撑台之间设有气槽，所述凹坑与所述底座的上端面之间设有圆环形的凸缘，所述 支撑台的外边缘与所述凸缘之间设有气隙；所述气隙内设有第四排气口，且所述第四排气 口通过设置于所述底座底面的第二凹槽与所述第一排气口相连通；所述支撑立柱的旁边设 有第四进气口，且所述第四进气口通过设置于所述底座底面的第一凹槽与所述第一进气口 相连通；
[0011] 所述托盘呈圆盘形，所述托盘设置于支撑立柱和支撑台上，所述托盘的下底面的 边缘位于所述凸缘上；
[0012] 所述上盖呈倒置的U字形，所述上盖的两端分别设置有第二进气口和第二排气 口，所述第二进气口贯穿所述上盖的第一臂，所述第二排气口贯穿所述上盖的第二臂，且所 述第二进气口与所述第一进气口的位置匹配，所述第二排气口与所述第一排气口的位置匹 配；
[0013] 所述上盖能够与所述底座扣合，且扣合后所述第二进气口与所述第一进气口相连 通，所述第二排气口与所述第一排气口相连通；
[0014] 所述保温环包括第一主体部件和第二主体部件；所述第一主体部件上设有第三进 气口，所述第二主体部件上设有第三排气口；所述第一主体部件和所述第二主体部件围成 能够容纳所述石墨舟的所述通孔；
[0015] 所述进气导管和所述排气导管的一端封闭，其另一端开口，且每一路所述进气导 管和所述排气导管上各自设有多个气孔；每一路所述进气导管的气孔与所述第三进气口的 位置一一对应；所述排气导管的气孔与所述第三排气口的位置一一对应。
[0016] 优选地，所述第一主体部件与所述第二主体部件通过V形接口连接为一体。
[0017] 优选地，所述感应线圈为横截面为矩形的铜管。
[0018] 优选地，所述底座、所述托盘、以及所述上盖的表面都设有碳化钽膜层。
[0019] 优选地，所述反应腔的腔壁的材质为石英。
[0020] 优选地，所述保温环的材质为石墨毡。
[0021] 优选地，所述进气导管和所述排气导管的材质都为石英。
[0022] 优选地，所述支撑立柱的材质为钨钥合金材料。
[0023] 本实用新型具有如下有益效果：
[0024] (1)本实用新型的化学气相沉积装置中，感应加热部件采用堆叠放置的石墨舟， 在不增加反应腔和感应线圈的特征尺寸的情况下，技术人员可以根据需要增减石墨舟的数 目，一方面能够充分利用反应腔的空间来进行外延生长，提供产能，且操作方便，另一方面 能够改善反应腔内部的气流场均匀性和温度均匀性，有利于改善外延膜的均匀性；
[0025] (2)本实用新型的化学气相沉积装置中，在保温环的两侧分别设有三路进气导管 和一路排气导管，且每一路进气导管和排气导管上均设有多个气孔，通过调整气孔的大小 和位置可以实现对每一个石墨舟所在位置的进气流和排气流的调节，从而能够保证每一个 石墨舟所在位置的进气流和排气流均匀分布，有利于改善外延膜的均匀性；
[0026] (3)本实用新型的化学气相沉积装置中，石墨舟的底座的中心位置设置有圆形的 凹坑，凹坑内设有支撑立柱和支撑台，相邻的两个支撑台之间设有气槽，凹坑与底座的上端 面之间设有圆环形的凸缘，支撑台的外边缘与凸缘之间设有气隙，气槽和气隙的设置使得 能够通过气动方式驱动置于支撑台上的托盘转动，一方面有利于改善外延膜的均匀性，另 一方面可以避免在高温区域使用石英管输运作为驱动气体的氢气或者氩气。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的立体示 意图；
[0028] 图2为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的反应腔 内部的立体示意图；
[0029] 图3为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的反应腔 内部的堆叠放置的石墨舟的立体示意图；
[0030] 图4为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的石墨舟 的各部件的连接关系示意图；
[0031] 图5为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的石墨舟 的底座的俯视立体示意图；
[0032] 图6为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的石墨舟 的底座的仰视立体示意图；
[0033] 图7为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的石墨舟 的上盖的立体示意图；
[0034] 图8为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的石墨舟 的装配示意图；
[0035] 图9为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的保温环 的立体示意图；
[0036] 图10为本实用新型实施例的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置的进气导 管或排气导管的立体示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图及实施例对本实用新型的实用新型内容作进一步的描述。
[0038] 本实施例提供的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置包括圆柱形的反应腔 100,如图1所示，反应腔100的顶部呈封闭的半圆弧形，其底部由法兰（图中未示出）固定 和密封。反应腔100的外部设置有内部中空的感应线圈600,感应线圈600环绕于反应腔 100的周围，且感应线圈600与反应腔100的外壁不直接接触。使用时，感应线圈600的内 部通有循环水，以给感应线圈600降温。感应线圈600用于给反应腔100加热。如图2和 图3所示，反应腔100内部设置有多个石墨舟200、多个圆环形的保温环300、三路进气导管 400和一路排气导管500 ;且石墨舟200的个数与保温环300的个数相等，每一路进气导管 400的结构和形状都与排气导管500相同。多个保温环300沿例如坚直方向堆叠放置，每 一个保温环300的中心位置设有一个方形的通孔305,且每一个保温环300的通孔305内 设有一个石墨舟200。三路进气导管400和一路排气导管500分别设置于保温环300的两 侦牝且三路进气导管400和一路排气导管500都被反应腔100底部的法兰固定。
[0039] 如图4、图5、图6和图7所示，石墨舟200包括底座201、托盘208和上盖210。其 中，石墨舟200的底座201呈方形，底座的两端分别设置有第一进气口 202和第一排气口 203 ;底座201的中心位置设置有圆形的凹坑204,凹坑204的中心位置设有支撑立柱216， 支撑立柱216的顶端呈圆锥形（图中未示出），凹坑204内以支撑立柱216为中心对称设置 有四个扇形的支撑台205,相邻的两个支撑台205之间设有气槽215,凹坑204与底座201 的上端面206之间设有圆环形的凸缘207,凸缘207高于凹坑204的坑底面且低于底座201 的上端面206,支撑台205的外边缘与凸缘207之间设有气隙。支撑台205与凸缘207之间 的气隙内设有第四排气口 218，且第四排气口 218通过设置于底座201底面的第二凹槽220 与第一排气口 203相连通。支撑立柱216的旁边设有第四进气口 217,且第四进气口 217通 过设置于底座201底面的第一凹槽219与第一进气口 202相连通。驱动气体从上盖210的 第二进气口 211流向底座201的第一进气口 202,然后驱动气体经第一进气口 202流向第 四进气口 217,从第四进气口 217流出的驱动气体流向气槽215和气隙内，此时驱动气体驱 动托盘208转动，气槽215和气隙内的驱动气体流入第四排气口 218内，从第四排气口 218 流出的驱动气体流向底座201的第一排气口 203并从第一排气口 203排出。相邻两个支撑 台205之间的气槽215、以及支撑台205与凸缘207之间的气隙便于气体流动，使得能够通 过气动方式驱动置于支撑台205上的托盘208转动。支撑立柱216的顶端呈圆锥形也有利 于托盘208转动。
[0040] 石墨舟200的托盘208呈圆盘形，托盘208设置于支撑立柱216和支撑台205上， 托盘208的下底面的边缘位于凸缘207上。石墨舟200的上盖210呈倒置的U字形，上盖 210的两端分别设置有第二进气口 211和第二排气口 212,第二进气口 211贯穿上盖210的 第一臂213,第二排气口 212贯穿上盖210的第二臂214,且上盖210的第二进气口 211与 底座201的第一进气口 202的位置匹配，上盖210的第二排气口 212与底座201的第一排 气口 203的位置匹配。如图8所示，石墨舟200的上盖210与其底座201匹配，即石墨舟 200的上盖210能够与其底座201扣合，且扣合后上盖210的第二进气口 211与底座201的 第一进气口 202相连通，上盖210的第二排气口 212与底座201的第一排气口 203相连通。 使用时，碳化硅晶片209置于石墨舟200的托盘208上。石墨舟200为所述化学气相沉积 装置的感应加热部件。
[0041] 如图9所示，保温环300包括第一主体部件301和第二主体部件302。第一主体 部件301上设有第三进气口 303,第二主体部件302上设有第三排气口 304。第一主体部件 301与第二主体部件302通过V形接口 306连接为一体，第一主体部件301和第二主体部 件302围成能够容纳石墨舟的方形的通孔305。第一主体部件301与第二主体部件302通 过V形接口 306连接便于保温环300的加工和安装，并且有利于减弱材料的热膨胀对保温 环300形状和大小的影响。保温环300用于支撑石墨舟200,并对石墨舟200起隔热作用。
[0042] 如图10所不，进气导管400和排气导管500的一端封闭，其另一端开口，且每一路 进气导管400和排气导管500上各自设有多个气孔401。每一路进气导管400的气孔401 与保温环300上的第三进气口 303的位置--对应；排气导管500的气孔与保温环300上的 第三排气口 304的位置--对应。使用时，气体从进气导管400的开口端送入，并且从排气 导管500的开口端抽出。三路进气导管400用于将外延生长需要的工艺气体通过气孔401 送入石墨舟200内。排气导管500用于将从石墨舟200内流出的多余的工艺气体排走。
[0043] 需要说明的是，实际应用中，技术人员可以根据需要确定石墨舟200和保温环300 的数目。
[0044] 优选地，感应线圈600为横截面为矩形的铜管。
[0045] 优选地，石墨舟200的底座201、托盘208和上盖210的材质均为高纯石墨。优选 地，石墨舟200的底座201、托盘208、以及上盖210的表面都设有碳化钽膜层，以防止在高 温环境中载气例如氢气对石墨的侵蚀，同时防止石墨本身的杂质对外延氛围的污染。
[0046] 优选地，反应腔100的腔壁的材质为石英。优选地，保温环300的材质为石墨毡。 优选地，进气导管400和排气导管500的材质都为石英。优选地，支撑立柱216的材质为鹤 钥合金材料（熔点大于2000摄氏度），使得支撑立柱216在高温下能够保持较高的强度和 抗腐蚀性，防止热形变影响，从而保证托盘208在气动驱动旋转的同轴性和稳定性。
[0047] 应当理解，以上借助优选实施例对本实用新型的技术方案进行的详细说明是示意 性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本实用新型说明书的基础上可以对各实 施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或 者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1. 一种用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，该化学气相沉积装置 包括圆柱形的反应腔，其顶部呈封闭的半圆弧形，其底部由法兰固定和密封； 所述反应腔的外部设置有内部中空的感应线圈，所述感应线圈环绕于所述反应腔的周 围； 所述反应腔内部设置有多个石墨舟、多个圆环形的保温环、三路进气导管和一路排气 导管，且所述石墨舟的个数与所述保温环的个数相等，每一路所述进气导管的结构和形状 都与所述排气导管相同；所述多个保温环堆叠放置，每一个所述保温环的中心位置设有一 个方形的通孔，且每一个所述通孔内设有一个所述石墨舟；所述三路进气导管和所述一路 排气导管分别设置于所述保温环的两侧，且所述三路进气导管和所述一路排气导管都被所 述反应腔底部的法兰固定； 所述石墨舟包括底座、托盘和上盖； 所述底座呈方形，所述底座的两端分别设置有第一进气口和第一排气口；所述底座的 中心位置设置有圆形的凹坑，所述凹坑的中心位置设有支撑立柱，所述支撑立柱的顶端呈 圆锥形，所述凹坑内以所述支撑立柱为中心对称设置有四个扇形的支撑台，相邻的两个所 述支撑台之间设有气槽，所述凹坑与所述底座的上端面之间设有圆环形的凸缘，所述支撑 台的外边缘与所述凸缘之间设有气隙；所述气隙内设有第四排气口，且所述第四排气口通 过设置于所述底座底面的第二凹槽与所述第一排气口相连通；所述支撑立柱的旁边设有第 四进气口，且所述第四进气口通过设置于所述底座底面的第一凹槽与所述第一进气口相连 通； 所述托盘呈圆盘形，所述托盘设置于支撑立柱和支撑台上，所述托盘的下底面的边缘 位于所述凸缘上； 所述上盖呈倒置的U字形，所述上盖的两端分别设置有第二进气口和第二排气口，所 述第二进气口贯穿所述上盖的第一臂，所述第二排气口贯穿所述上盖的第二臂，且所述第 二进气口与所述第一进气口的位置匹配，所述第二排气口与所述第一排气口的位置匹配； 所述上盖能够与所述底座扣合，且扣合后所述第二进气口与所述第一进气口相连通， 所述第二排气口与所述第一排气口相连通； 所述保温环包括第一主体部件和第二主体部件；所述第一主体部件上设有第三进气 口，所述第二主体部件上设有第三排气口；所述第一主体部件和所述第二主体部件围成能 够容纳所述石墨舟的所述通孔； 所述进气导管和所述排气导管的一端封闭，其另一端开口，且每一路所述进气导管和 所述排气导管上各自设有多个气孔；每一路所述进气导管的气孔与所述第三进气口的位置 一一对应；所述排气导管的气孔与所述第三排气口的位置一一对应。
2. 根据权利要求1所述的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，所 述第一主体部件与所述第二主体部件通过V形接口连接为一体。
3. 根据权利要求1所述的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，所 述感应线圈为横截面为矩形的铜管。
4. 根据权利要求1所述的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，所 述底座、所述托盘、以及所述上盖的表面都设有碳化钽膜层。
5. 根据权利要求1所述的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，所 述反应腔的腔壁的材质为石英。
6. 根据权利要求1所述的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，所 述保温环的材质为石墨毡。
7. 根据权利要求1所述的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，所 述进气导管和所述排气导管的材质都为石英。
8. 根据权利要求1所述的用于碳化硅外延生长的化学气相沉积装置，其特征在于，所 述支撑立柱的材质为钨钥合金材料。
【文档编号】C23C16/458GK203890438SQ201420305139
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2013年6月8日
【发明者】唐治, 况维维, 陈中 申请人:唐治, 况维维, 陈中