[实用新型]一种碳化硅外延生长装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及晶体外延层生长装置，具体涉及一种碳化硅外延生长装置。

背景技术

碳化硅（SiC）是继第一代半导体材料硅、锗和第二带半导体材料砷化镓、磷化铟后发展起来的第三代半导体材料，碳化硅材料的宽禁带是硅和砷化镓的2～3倍，使得半导体器件能在相当高的温度下（500℃以上）工作以及具有发射蓝光的能力；高击穿电场比硅和砷化镓均要高一个数量级，决定了半导体器件的高压、大功率性能；高的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；导热率是硅的3.3倍，砷化镓的10倍，意味着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的体积。因此可以预见不久的将来，随着碳化硅材料和器件工艺的不断完善，部分Si领域被碳化硅来替代指日可待。由于碳化硅具有宽带隙、高临界击穿场强、高的热导率、高的电子饱和飘逸速率等特点，特别适合大功率、高电压电力电子器件，成为当前电力电子领域的研究热点。

目前生长SiC外延材料的主要方法为化学气相传输法（CVD）。该方法可以生长高纯度、大尺寸的SiC外延片，并可有效地减少SiC外延材料中的各种缺陷。要获得高质量的外延晶体必须精确控制多种晶体生长参数，如：沉积温度、沉积室压力、腔体真空、各反应气体分压（配比）等。

化学气相沉积原理：化学气相沉积生长碳化硅(SiC)晶体密闭反应器，外部加热使反应室保持所需要反应温度，反应气体SiH4由H2或Ar载带，与C2H4混合，再一起通入反应器，反应气体高温下分解生成碳化硅并附着衬底材料表面，并沿着材料表面不断生长，反应产生残余气体废弃处理装置处理排放掉。

其主要包括如下反应：2SiH4+C2H4=2SiC+6H2。

高电压的碳化硅电力电子器件需要的外延层厚度达几十微米到上百微米，一般电压10kV的器件需要的外延厚度大约100um，而目前成熟的碳化硅外延生长速率只有5～7um/h左右，如果在这样的生长速率下生长100um的厚碳化硅外延材料，需要14-20个小时，显然大大增加制造成本，并且随着外延生长周期的延长，会在反应腔壁沉积更多的污染物，进而污染外延片，所以要生长高质量、厚的碳化硅外延片必须提高外延的生长速率。

生长速率慢的可能原因是反应源气体的分解率低和反应气体中易形成的硅聚集物，如何提高生长速率即演变为提高反应源的分解率或抑制硅聚集物的产生，现有技术中，通过在反应气流中引入Cl化物，利用Cl元素的刻蚀作用来抑制硅聚集物的形成，以此来提高生长速率，但是Cl化物的引入，要增加额外的气体管道等设备，并且含有Cl元素的尾气对环境污染极大。

另外，生长过程中会存在“耗尽”现象，是指反应气体平行于衬底流动时，在气流的上方浓度较大，气流的下方浓度较小，于是在衬底表面靠近气流上方部位的外延层会更厚而在靠近气流下方的部位的外延层会更薄。

高电压器件所需的外延厚度越厚，由“耗尽”现象所引起的厚度不均匀性就越严重，所以在实现快速外延生长的同时，也需解决不均匀性问题。

实用新型内容

为克服现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种改进的碳化硅外延生长装置，本实用新型的技术方案是通过在反应腔上方引入补气管，通过补气管，气流从上往下进入反应室与反应腔入口的气流混合，在碳化硅衬底上经过反应形成碳化硅外延薄膜，再流出反应腔，达到快速生长高度均匀的碳化硅外延片的目的。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种碳化硅外延生长装置，装置为圆柱形，其反应腔由内至外依次设置石墨支撑层、石墨软毡、石英壁和加热线圈，并排设置的L型补气管平行于圆柱形的轴向通过石墨软毡并垂直通过石墨支撑层且正对石墨支撑层中部。

石墨支撑层用于支撑碳化硅衬底6，且可防止石墨软毡3在高温下分解对腔体产生污染。

石英壁为反应腔体壁。

感应线圈1为反应腔体提供热量。

进一步的，补气管内壁镀有镀层，镀层为碳化硅或碳化钽镀层，阻止石墨中的杂质向反应腔扩散，厚度为70～100um。

进一步的，补气管直径为0.5～1cm，由石墨制成。石墨在温度1500℃～1700℃下，稳定性好，不发生形变、软化现象。

进一步的，补气管由高纯石墨制成。减少了杂质对碳化硅外延生长的影响。

补气管并排覆盖反应室整个截面。

可以兼容2英寸、3英寸、4英寸、6英寸等多尺寸碳化硅外延片的生长。

补气管经过石墨软毡包裹的热区，提高了气体源的有效分解速率，进而提高了生长速率。