一种用于外延设备的气体分配装置的制作方法

本发明属于碳化硅外延生长设备，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、与现有技术相比，本发明的优点在于：

14、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。

15、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。

16、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。

技术特征：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：胡志坤,巩小亮,胡凡,巴赛,李苹
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十八研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13