一种化学气相沉积设备的制作方法

1.本发明涉及化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积设备。


背景技术：

2.碳化硅(sic)材料作为优秀的第三代半导体材料，具有热传导度高、耐等离子刻蚀、耐氧化、耐磨损、耐腐蚀、高温稳定等优点，尤其是具备在等离子刻蚀制造工艺中几乎不产生颗粒污染的优良特性。使用碳化硅材料制备而成的部件，比如刻蚀机内部的topedgering、focusring以及电极，化学气相沉积反应设备使用的基座等，均有效提高了部件的使用周期及品质，成为半导体领域成功量产和良率保证的重要利器之一。
3.目前，主要的碳化硅零部件制造技术为化学气相沉积，即利用前驱体在高温生长炉内不断的分解反应沉积进而得到期望的碳化硅材料。不同于常规的薄膜沉积技术，碳化硅部件材料为厚膜沉积生长获得，这就意味着需要长时间精确维持严苛的生长条件。并且，随着半导体制程的不断进步，对半导体部件提出了越来越高的要求，主要体现在化学气相沉积气体、温度和压力等工艺参数的精确控制上，其中对于工艺过程中温度的精确控制尤其关键。
4.对于常规化学气相沉积设备内温度的测定主要有常规的热电偶和红外测温仪方法，但对于碳化硅部件化学气相沉积系统而言，由于具备沉积温度高、沉积时间长、沉积膜层厚等特点，导致上述两种温度测定手段均不适用。热电偶法测温一般是将热电偶的末端置于衬底某一预定的位置，但随着碳化硅材料的膜厚增加，该方法无法准确反应衬底实际的温度，且一旦热电偶发生故障，更换困难；红外测温仪即通过接收材料表面的红外能量进行温度测定，但该种方法对需测定温度的物体表面材质及距离非常敏感，而碳化硅材料的生长过程膜厚变化量很大，这就导致常规的红外测温仪方法测得的温度值与实际值必然会出现偏差，不利于工艺温度的精确调控。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种化学气相沉积设备，能够准确检测材料生长过程中的温度数据。
6.一种化学气相沉积设备，包括：
7.炉体，其内部具有反应室，所述炉体的壁上设有连通所述反应室的进气口和排气口；
8.载具，设在所述反应室内，包括供材料生长的衬底；
9.第一测温组件，设在所述炉体的壁上，包括第一调节机构和第一测温元件，所述第一测温元件的检测口与所述衬底的侧面相对，所述第一调节机构能够带动所述第一测温元件随所述衬底侧面上生长材料厚度的增加向远离所述衬底的方向运动，以使所述第一测温元件的检测口与所述衬底侧面上的生长材料的表面对准且保持第一预设距离；
10.第二测温组件，设在所述炉体的壁上，包括第二调节机构和第二测温元件，所述第
二测温元件的检测口正对所述衬底顶面的中心点，所述第二调节机构能够带动所述第二测温元件随所述衬底顶面上生长材料厚度的增加向远离所述衬底的方向运动，以使所述第二测温元件的检测口与所述衬底顶面上生长材料的上表面的中心点对准且保持第二预设距离。
11.可选的，所述第一调节机构包括第一滑轨和滑动设于所述第一滑轨上的第一滑块，所述第一测温元件与所述第一滑块固定连接，所述第一滑块能够带动所述第一测温元件随所述衬底侧面上生长材料厚度的增加向远离所述衬底的方向移动。
12.可选的，所述第二调节机构包括第二滑轨和滑动设于所述第二滑轨上的第二滑块，所述第二测温元件与所述第二滑块转动连接，所述第二滑块能够带动所述第二测温元件随所述衬底侧面上生长材料厚度的增加向远离所述衬底的方向移动，所述第二测温元件能够随所述衬底侧面上生长材料厚度的增加相对于所述第二滑块向靠近所述炉体顶部的方向转动。
13.可选的，所述炉体的壁上开设有第一测温口，所述第一测温口密封连接有第一观察窗；
14.所述第一测温组件包括第一壳体，所述第一壳体安装在所述第一测温口处，所述第一调节机构和第一测温元件设于所述第一壳体内，所述第一测温元件的检测口透过所述第一观察窗检测所述衬底侧面上生长材料表面的温度。
15.可选的，所述炉体的壁上开设有第二测温口，所述第二测温口密封连接有第二观察窗，所述第二观察窗至少部分向所述反应室凸出；
16.所述第二测温组件包括第二壳体，所述第二壳体安装在所述第二测温口处，所述第二调节机构和第二测温元件设于所述第二壳体内，所述第二测温元件的检测口透过第二观察窗检测所述衬底顶面上生长材料的上表面中心处的温度。
17.可选的，所述载具还包括旋转轴和载台，所述旋转轴的上端与所述载台固定，所述旋转轴的下端与所述炉体的底面转动连接，所述衬底设在所述载台上，所述载台、所述旋转轴和所述衬底为同轴设置。
18.可选的，所述第一观察窗和所述第二观察窗为石英材料制成；
19.所述第一壳体和所述第二壳体伸入所述反应室内的部分为石墨材质，所述第一壳体和第二壳体位于所述反应室外的部分为不锈钢材质。
20.可选的，第一测温元件的中心轴与所述衬底的中心轴垂直；
21.所述第一测温元件和所述第二测温元件为红外测温仪。
22.可选的，所述第一测温组件还包括第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述第一滑块相连，用于驱动所述第一滑块带动所述第一测温元件移动；
23.所述第二测温组件还包括第二驱动装置和第三驱动装置，所述第二驱动装置与所述第二滑块相连，用于驱动所述第二滑块带动所述第二测温元件移动；所述第三驱动装置用于驱动所述第二测温元件相对于所述第二滑块转动。
24.可选的，所述设备还包括控制器和膜厚测量装置，所述控制器分别与所述膜厚测量装置、所述第一驱动装置、所述第二驱动装置和所述第三驱动装置信号连接；
25.所述膜厚测量装置用于获取所述衬底上生长材料的检测数据，并将所述检测数据传输至所述控制器；所述控制器用于根据所述检测数据确定所述衬底侧面上及顶面上生长
材料的厚度，并基于所述衬底侧面上生长材料的厚度，控制所述第一驱动装置调整所述第一测温元件的位置，基于所述衬底顶面上生长材料的厚度，控制所述第二驱动装置和第三驱动装置调整所述第二测温元件的位置。
26.实施上述方案，具有如下有益效果：
27.通过在炉体上设第一测温元件和第二测温元件，利用第一测温元件检测衬底上生长材料边缘的温度，利用第二测温元件检测衬底上生长材料顶面中心的温度，能够较全面的反映衬底上生长材料的温度，准确反应生长工艺温度。此外，设置第一调节机构调整第一测温元件与衬底侧面上生长材料的相对位置，设置第二调节机构调整第二测温元件与衬底顶面上生长材料的中心点的相对位置，使得炉体内材料生长过程中，测温元件始终对准生长材料上的目标检测点并与其保持距离不变进行温度检测，消除因生长材料厚度变化对温度测量的影响，提高温度数据的真实性和准确性，利于工艺温度的精确调控。
附图说明
28.图1是本发明实施例提供的化学气相沉积设备的主体结构示意图；
29.图2是本发明实施例提供的化学气相沉积设备的局部结构示意图；
30.图3是本发明实施例提供的化学气相沉积设备的局部结构示意图；
31.图4是本发明实施例提供的化学气相沉积设备的控制部分的结构示意图。
32.图中：
33.100炉体，101反应室，102壁，103进气口，104排气口，105第一测温口，106第一观察窗，107第二测温口，108第二观察窗，
34.200载具，201衬底，202旋转轴，203载台，
35.300第一测温组件，301第一调节机构，302第一测温元件，303第一滑轨，304第一滑块，
36.400第二测温组件，401第二调节机构，402第二测温元件，403第二滑轨，404第二滑块，405转轴，
37.500控制器，501重量传感器，502第一驱动装置，503第二驱动装置，504第三驱动装置。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
42.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
45.半导体制程要求对化学气相沉积气体、温度和压力等工艺参数进行精确控制，其中温度检测主要依靠热电偶法和红外测温仪方法，这两种方法都是将测温元件设在一预定位置，由于碳化硅材料生长过程膜厚变化量很大，碳化硅材料上测温位置会发生变化，导致测温元件不能对准测温位置，测温结果与实际值偏差，不利于工艺温度的精确调控。本发明实施例提供一种化学气相沉积设备，使测温元件能够随生长材料厚度的增加而适应性调整，确保测温元件始终对准生长材料上的目标测温位置进行检测，提高温度量测的准确性。
46.本实施例提供一种化学气相沉积设备，请参见图1，该设备包括炉体100、载具200、第一测温组件300和第二测温组件400。炉体100内部具有反应室101，前驱体及其他反应气体在反应室101内反应沉积，炉体100的壁102上设有连通反应室101的进气口103和排气口104，进气口103将包含前驱体及其他反应气体的混合气体输送至反应室101内，排气口104将包含未反应的前驱体和气体、反应产物及其他副产物的混合物质从反应室101排出，便于新的前驱体及其他反应气体进入反应室101内。载具200设在反应室101内，载具200包括供材料生长的衬底201，衬底201的中心轴与反应室101的中心轴同轴。第一测温组件300设在炉体100的壁102上且处于进气口103与排气口104之间，包括第一调节机构301和第一测温元件302，第一测温元件302为红外测温仪，第一测温元件302的检测口与衬底201的侧面相对，第一调节机构301能够带动第一测温元件302随衬底201侧面上生长材料厚度的增加向远离衬底201的方向运动，以使第一测温元件302的检测口与衬底201侧面上的生长材料的表面对准且保持第一预设距离。第二测温组件400设在炉体100的壁102上且处于第一测温组件300与进气口103之间，包括第二调节机构401和第二测温元件402，第二测温元件402为
红外测温仪，第二测温元件402的检测口正对衬底201顶面的中心点，第二调节机构401能够带动第二测温元件402随衬底201顶面上生长材料厚度的增加向远离衬底201的方向运动，以使第二测温元件402的检测口与衬底201顶面上生长材料的上表面的中心点对准且保持第二预设距离。
47.请参见图1和2，炉体100的壁102上开设有第一测温口105和第二测温口107，第一测温组件300安装于第一测温口105，第二测温组件400安装于第二测温口107。第一测温口105密封连接有第一观察窗106，第一观察窗106紧贴炉体100的内壁102设置或者向反应室101凸出，以便为第一测温组件300提供更多的安装空间，同时缩短第一测温元件302与衬底201以及衬底201侧面上生长材料之间的距离。第二测温口107密封连接有第二观察窗108，第二观察窗108至少部分向反应室101凸出，第一测温组件300部分凸出于反应室101内，使得第二测温元件402移动和调节角度后仍能对准衬底201以及衬底201顶面上生长材料的中心点，避免第二测温元件402的测温口被炉体100的壁102遮挡。第一测温元件302的检测口透过第一观察窗106检测衬底201侧面上生长材料表面的温度，第二测温元件402的检测口透过第二观察窗108检测衬底201顶面上生长材料的上表面中心处的温度，第一观察窗106和第二观察窗108为石英材料制成，由于石英材料对红外线通过性影响极小，故不会降低红外检测仪检测结果的精准度。
48.第一测温组件300包括第一壳体，第一壳体安装在第一测温口105处，第一壳体伸入反应室101内的部分为石墨材质，第一壳体位于反应室101外的部分为不锈钢材质。第一调节机构301和第一测温元件302设于第一壳体内，第一调节机构301包括第一滑轨303和第一滑块304，第一滑轨303固定在第一壳体的内壁102上，第一滑轨303的长轴与衬底201的中心轴垂直，第一滑块304的一端与第一测温元件302固定连接，第一测温元件302的中心轴与衬底201的中心轴垂直，第一滑块304的另一端滑动设于第一滑轨303上，第一滑块304能够带动第一测温元件302沿第一滑轨303移动。为确保第一测温元件302准确检测到衬底201侧面上生长材料表面的温度，随着生长材料厚度的增加，第一滑块304带动第一测温元件302逐渐远离衬底201，将第一测温元件302的检测口与衬底201侧面上生长材料的表面之间保持第一预设距离，第一预设距离为第一测温元件302的有效测量距离，从而可以避免因测温距离变化导致量测结果不准。
49.第二测温组件400包括第二壳体，第二壳体安装在第二测温口107处，第二调节机构401和第二测温元件402设于第二壳体内，第二壳体伸入反应室101内的部分为石墨材质，第二壳体位于反应室101外的部分为不锈钢材质。第二调节机构401包括第二滑轨403和第二滑块404，第二滑块404的一端滑动设于第二滑轨403上，第二滑块404的另一端与第二测温元件402转动连接，第二滑块404能够带动第二测温元件402沿第二滑轨403移动，第二测温元件402与第二滑块404之间设有转轴405，转轴405的一端与第二测温元件402固定，转轴405的另一端与第二滑块404转动连接，该转轴405能够带动第二测温元件402相对于第二滑块404转动。
50.为确保第二测温元件402准确检测到衬底201顶部生长材料的上表面的中心点温度，随着生长材料厚度的增加，生长材料上表面的中心点被抬升，第二滑块404带动第二测温元件402逐渐远离衬底201，并转动第二测温元件402使第二测温元件402的检测口抬高，以将第二测温元件402的检测口与衬底201顶面上生长材料顶面的中心点之间保持第二预
设距离，第二预设距离为第二测温元件402的有效测量距离，如此可以避免因测温距离变化导致量测结果不准。
51.在一个可能的实现方式中，载具200还包括旋转轴202和载台203，旋转轴202的上端与载台203固定，旋转轴202的下端与炉体100的底面转动连接，衬底201设在载台203上，载台203、旋转轴202和衬底201为同轴设置。可选的，衬底201为圆盘状。气相沉积过程中，旋转轴202带动载台203和衬底201旋转运动，能够确保沉积均匀性。其中衬底201转速为1-3转/分钟。
52.本实施例根据生长材料厚度的增加实时调整第一测温元件302和第二测温元件402的位置，其中可以通过膜厚测量装置检测生长材料的厚度变化，具体实施时，膜厚测量装置可以是重量传感器或者激光位移传感器。
53.在一个可能的实现方式中，旋转轴202下方设有重量传感器501，重量传感器501用于检测载具200的质量数据，通过对质量数据进行计算处理，可以确定衬底201上生长材料的厚度，进而可以确定对第一测温元件302移动的距离，以及对第二测温元件402移动的距离和转动的角度。
54.在另一个可能的实现方式中，可以在炉体100的顶部设置第一激光位移传感器，第一激光位移传感器的检测口正对衬底201上表面的中心位置，用于检测衬底顶面的中部沉积的生长材料的厚度；同时在炉体的侧面设第二激光位移传感器，第二激光位移传感器的检测口对准衬底201的侧壁，用于检测衬底侧壁上生长材料的厚度。通过第一激光位移传感器和第二激光位移传感器直接检测获得生长材料中部和边缘的厚度，效率更高，确保第一测温元件302和第二测温元件402的位置调整更及时。
55.上述第一测温元件302和第二测温元件402可以通过手动操作控制，也可以通过驱动结构自动控制。在一个可能的实现方式中，第一测温组件300还包括第一驱动装置502，第一驱动装置502与第一滑块304相连，用于驱动第一滑块304带动第一测温元件302移动。具体实施时，第一驱动装置502可以是气缸，气缸的活塞杆与第一滑块304相连，通过控制活塞杆的伸缩来带动第一滑块304沿第一滑轨303移动。第二测温组件400还包括第二驱动装置503和第三驱动装置504，第二驱动装置503与第二滑块404相连，用于驱动第二滑块404带动第二测温元件402移动；第三驱动装置504用于驱动第二测温元件402相对于第二滑块404转动。具体地，第二驱动装置503可以为气缸，气缸的活塞杆与第二滑块404相连，通过控制活塞杆的伸缩来带动第二滑块404沿第二滑轨403移动，第三驱动装置504可以是角度调节器，角度调节器与转轴405相连，通过驱动转轴405转动来带动第二测温元件402上下转动。
56.请参见图4，本实施例的化学气相沉积设备可以根据生长材料厚度的增长自动调节第一测温元件302和第二测温元件402的位置。具体为设置控制器500，控制器500分别与重量传感器501、第一驱动装置502、第二驱动装置503和第三驱动装置504信号连接，重量传感器501用于采集载具200的质量数据，并将质量数据传输给控制器500；控制器500基于质量数据，确定衬底201侧面上及顶面上生长材料的厚度，并基于衬底201侧面上生长材料的厚度，控制第一驱动装置502调整第一测温元件302的位置，基于衬底201顶面上生长材料的厚度，控制第二驱动装置503和第三驱动装置504调整第二测温元件402的位置。
57.本实施例通过在炉体上设第一测温元件和第二测温元件，利用第一测温元件检测衬底上生长材料边缘的温度，利用第二测温元件检测衬底上生长材料顶面中心的温度，能
够较全面的反映衬底上生长材料的温度，准确反应生长工艺温度。此外，设置第一调节机构调整第一测温元件与衬底侧面上生长材料的相对位置，设置第二调节机构调整第二测温元件与衬底顶面上生长材料的中心点的相对位置，使得炉体内材料生长过程中，测温元件始终对准生长材料上的目标检测点并与其保持距离不变进行温度检测，消除因生长材料厚度变化对温度测量的影响，提高温度数据的真实性和准确性，可以辅助工艺温度的精确调控。
58.为了能够更为详细的说明本实施例的化学气相沉积设备，参照图2和图3，第一测温组件300穿过炉体100的壁102，第一测温元件302的检测口且对准衬底201的边缘位置，该处温度信号透过第一观察窗106被第一测温元件302收集。实际的材料生长过程中，衬底201表面会有较大膜厚的材料生长，这会导致第一测温元件302与材料间的距离产生变化，而第一驱动装置502则会根据重力传感器采集的质量数据来实时调整第一测温元件302的相对位置。类似的，第二测温组件400与第一测温组件300有相同功能，如图3所示，第二测温组件400对准衬底201的中间位置，该处温度信号透过第二观察窗108被第二测温元件402收集。实际的材料生长过程中，衬底201表面中间位置也会有较大膜厚的材料生长，这会导致第二测温元件402与材料间的距离以及对准区域产生变化，而第二驱动装置503和第三驱动装置504则会根据重力传感器采集的质量数据来实时调整第二测温元件402的相对位置和相对角度。最终根据第一测温元件302和第二测温元件402的实测数据，来获得材料生长的准确工艺温度信息，实现精确控制。
59.本实施例中，炉体100内的沉积温度为1100℃，载气携带前驱体混合其他反应气体通过进气口103进入到炉体100内部的反应室101，前驱体及反应气体分子运动到石墨衬底201附近，前驱体在高温下会进行分解反应过程，最终在石墨衬底201上沉积碳和硅原子，制备得到碳化硅材料。为确保材料沉积的均匀性，旋转轴202会带动石墨衬底201在作慢速顺时针旋转运动，转速为1转/分钟。随着沉积工艺的进行，衬底201以及旋转轴202表面均会沉积碳化硅材料，转轴405下方的重力传感器会实时量测其上方的重力变化数据，控制器500计算获得的碳化硅材料膜厚变化数据，确定第一测温元件302和第二测温元件402需要调整的数据量，由第一驱动装置502、第二驱动装置503和第三驱动装置504去执行这些数据量。如上，随着沉积时间的延长，衬底201表面会有厚膜碳化硅材料生长，这就导致测温装置中的红外测温仪与材料的相对位置(包含距离以及对准的位置)发生变化，这必然会导致量测数据与实际情况发生偏差。为了消除上述影响，第一测温元件302和第二测温元件402会根据生长材料的膜厚变化进行相应调整，提高温度量测的准确性。
60.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。