[发明专利]一种圆桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构

说明书

本发明涉及一种圆桶形对称多片碳化硅外延生长反应管，涉及制造碳化硅外延晶片生长设备技术领域，桶式结构能极大地提高碳化硅外延片的产量，且衬底的温度均匀性能自然得到保证；随着衬底尺寸的增大，桶的直径也可增大，加热线圈可做成多片扇形，石墨桶也可由若干扇面拼接而成；每炉更换反应管主体，故外延生长的初始状态恒定，克服当前普遍存在的重复性问题；使用机械手操作，不浪费机时；采用管子套管子结构降低使用成本；设有激光在线膜厚监控及双波长在线测温装置；注重采用气流及水流对称性设计以确保生长参数自然均匀；本发明属近耦合体系，膜厚的均匀性易得到保证；本发明同样适合UV LED等器件的生产。

技术领域

本发明涉及制造碳化硅外延晶片生长设备技术领域，特指一种圆桶形对称多片碳化硅外延生长反应管结构。

背景技术

SiC属新一代宽禁带半导体材料，其功率半导体器件目前非常热。然而，整个产业链目前的合格率还极低，这包括SiC单晶材料的生长合格率及SiC外延生长的可控性。尤其是外延生长，目前国内外在用的外延生长设备，普遍存在重复性差，工艺参数无法精准控制的问题。因此，有必要结合SiC单晶材料生长的实际情况，研发可稳定量产的外延生长设备，这其中核心是反应管技术。

国际上主要有三家SiC外延设备供应商，它们分别是德国Aixtron公司、意大利LPE公司和日本TEL公司，国内有东莞市天域半导体科技有限公司及长沙一家单位在研发SiC外延设备。由于SiC外延生长温度约在1700℃，如此高温，带来温度均匀性问题，在保温方式上，目前有“热壁”系统与“温壁”系统之分；理论上，“热壁”系统更易获得好的温度均匀性及更稳定的气流模式。但“热壁”也可能导致温度的升降速度慢，使得材料生长界面不陡峭。本案采用“温壁”设计，但“温壁”的温度明显更高。

申请人曾经获得一个圆桶型GaN外延生长反应管的发明授权，在这一发明中，外延衬底是水平放置的。在本案中，SiC外延衬底是垂直放置的。使用圆桶形的装片结构，最大好处是能自然保证温度的均匀性，但缺点是，可能只限于2英寸的外延片生长。只是这恰好适合SiC衬底目前的供应状态，当前使用2英寸的SiC衬底，经济性可能更好。从长远来看，将来普遍使用多片6寸及8英寸的SiC衬底的可能性也不高。这是因为当衬底水平放置时，其过高的生长温度，决定多片外延的均匀性好不了，且SiC单晶棒的生长，大尺寸的合格率目前尚不尽人意。

现有的SiC外延生长反应管，其气流的稳定性及生长厚度的均匀性无法本质上做好。本案采用近耦合技术，将生长源均匀分布在外延片的表面，这从根本上保证了生长的均匀性。

现有的SiC外延生长设备的最大不足就是清理问题，由于SiC材料非常稳定，目前所有反应管，基本上不清理，直到无法生长。这一方面导致昂贵的反应管配件浪费，最主要是导致炉与炉之间工艺参数无法重复，导致目前整个行业盈利水平极差，极大地限制了SiC高功率器件的应用范围。本案在这方面作了认真考虑，做到每炉反应管内部全部好配件都进行更换。且使用机械手整体快速更换，不影响生产效率。

现有的SiC外延生长设备的温控系统无法每炉进行校正，本案使用蓝宝石红外测温探头，每炉更换，自动校正，并带气体吹扫保护，再关联感应加热的功率参数，确保温度测量可精准控制。各外延设备之间的温度按统一标准进行校正，确保公司内所有外延炉工艺参数一致，方便工艺移植及扩产。

现有的SiC外延炉无在线膜厚监测系统，本案使用表面已外延生长AlN的蓝宝石模板作为陪片，克服了同质外延无法在线监测膜厚的弱点，从而让SiC器件的精密结构设计成为可能。

本案采用多台外延炉共用一个机械手、共用一个进料LoadLock及一个出料LoadLock.从而最大限度地保证生长环境干净，保证生产效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于解决目前SiC外延炉的产能、稳定性、拥有成本、外延结构精密设计、自动化操作等诸多问题，尤其是解决反应管初始状态无法稳定的问题。

本发明的目的是这样来实现的：