[实用新型]一种用于生产碳化硅外延片的化学气相沉积设备

说明书

【技术领域】

本实用新型属于化学气相沉积领域，具体讲涉及一种用于生产碳化硅外延片的化学气相沉积设备。 

【背景技术】

碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料，具有宽带隙、高临界击穿电场、高导热率、高载流子饱和漂移速度等特点，特别适合制作高温、高压、大功率电力电子等半导体器件，对混合电力汽车、电动汽车、太阳能逆变器以及智能电网等行业的发展具有非常重要的意义。 

碳化硅材料的制作，无论是晶体生长还是外延生长都是不易的，生长高质量的外延片更是对工艺一种挑战。传统的化学气相沉积法生长碳化硅外延时反应腔体、反应腔体的洁净度及其他工艺参数（温度、压强、反应气体流速等）都会对碳化硅外延层的质量（表面缺陷、掺杂浓度、浓度均匀性、外延层厚度、厚度均匀性等）产生影响。其中外延片的厚度均匀性及外延层的厚度都会直接影响最终器件的性能，因而厚度均匀性及外延片的厚度被视为外延片质量的重要指标。在外延生长中影响厚度均匀性及外延片的厚度的参数有：反应腔体构造，反应腔体中温度的分布，反应腔体中气流流量的大小，反应腔体中各个部位气体浓度的分布情况等。如图1所示的传统水平气相沉积设备，在外延生长时，由于在反应过程中，反应气体源通过反应腔体时，存在“耗尽”现象，即反应气体平行于衬底流动时，在气流的流入方向浓度较大，由于“消耗”现象在气流的流出方向浓度较小，于是在衬底表面靠近气流流入方向的外延层会更厚而在靠近气流流出方向的外延层会较薄。这种不均匀性对器件制造造成很大的影响，尤其是较厚的外延层。 

专利号为ZL98812328.2，实用新型名称为生长非常均匀的碳化硅外延层的专利中公开了一种改良的化学气相沉积方法，将反应器加热到碳化硅原料气体在反应器内基体上形成外延层的温度，让原料气体和载气流过加热的反应器在基体上形成碳化硅外延层，同时载气包括氢气和第二种气体的混合气体，其中第二种气体的热导要低于氢气热导，使得原料气体在通过反应器时它的消耗比使用单一氢气作载气时的更低，但是其操作工艺复杂，并且要增加额外的气体源，使得制造成本增加。近年来，在低压器件方面碳化硅外延技术已经很成熟，而在高压器件方面的碳化硅厚外延技术仍然存在许多不足，如由于均匀性和表面缺陷的问题难以实现较厚的碳化硅外延层；生长速率太低，导致生长高压器件所需的厚碳化硅外延片的成本过高。 

【实用新型内容】

为获得均匀性良好的碳化硅外延片，本实用新型提供了一种用于生长碳化硅外延片的化学气相沉积设备，通过改进腔体结构，在其中增设一个弧形气流阻挡环，将反应腔体内加热到外延生成所需的温度，再通入反应气体和载气，碳化硅衬底上最终形成碳化硅外延层。增设的气流阻挡环可以相对提高气流流出区域内反应气体的浓度，来弥补“消耗”现象造成的厚度较小问题以实现碳化硅外延生长厚度均匀的目的。 

本实用新型的一种用于生产碳化硅外延片的化学气相沉积设备，设备腔体由内向外依次为石墨支撑台、石墨软毡层、石英壁层和加热感应线圈，设备腔体还包括一个固定于石墨支撑台上弧形气流阻挡环。 

本实用新型的设备，其中，阻挡环形状为弧形，弧形阻挡环的宽0.8～1.2cm（如图8所示），本实用新型中采用的碳化硅衬底的形状为圆形，设置的弧形阻挡环的半径比衬底晶片的半径大1～1.5cm，阻挡环的弧度采用90～180度。 

本实用新型的设备，其中，阻挡环为石墨阻挡环，使得阻挡环在1500℃～1700℃下，稳定性好，不发生形变、软化现象，保证了阻挡环区域内的气体浓度的稳定，阻挡环为高纯石墨时，可以减少杂质对碳化硅外延生长的影响。 

本实用新型的设备，其中，阻挡环接触支撑台，通过石墨螺丝直接加固于石墨支撑台上，阻挡环的设置高度为0.3～0.7cm，对气流的阻力均衡，不产生涡流，保证了气流的稳定。 

将本实用新型的设备用于外延片的生产中，特别是碳化硅外延片。 

本实用新型的设备，其中，阻挡环的表面镀有碳化硅或碳化钽镀层，以阻止石墨中的杂质向反应腔体里扩散。 

本实用新型提供的设备，解决了碳化硅外延层气流流入方向和流出方向厚度不均的问题，改进碳化硅外延生长的反应腔体，在腔体内的气流流出方向安装一个气流阻挡环，通过阻挡环的作用来提高气流流出方向区域内反应气体的浓度，来弥补“消耗”现象造成的厚度较小的问题。