一种碳化硅外延设备及控制方法

技术领域

本申请涉及CVD设备技术领域，具体地涉及一种碳化硅外延设备及控制方法。

背景技术

碳化硅外延设备对温度和气体流动的流场的要求都很高。运行时腔体处于高温环境中(温度通常高于1600℃)，腔体的侧壁的石墨和/或内部的石英材料会被碳化硅生长覆盖，随着生长的炉数(次数)不断增加，碳化硅材料长时间累积后会形成颗粒物掉落、可能掉落到衬底上，造成衬底的表面缺陷增多，同时石墨件吸附的氮也会越来越高，产生记忆效应，造成衬底浓度边缘偏高或波动，此时就必须进行开腔维护，即PM。开腔的目的主要是清理腔体内部碳化硅颗粒物，再通过相关工艺手段恢复到良好的生长状态。此过程耗时，繁琐且需要专业人员来操作。导致碳化硅外延设备维护成本高且碳化硅外延设备的稼动率低。

为此，需要改进现有的碳化硅外延设备。

发明内容

为克服上述缺点，本申请的目的在于：针对垂直进气型的碳化硅外延设备进行改进提高了PM复机时间。

为了达到以上目的，本申请采用如下技术方案：

一种碳化硅外延设备，其包括：反应腔,

所述反应腔包括壳体

所述反应腔包括壳体，

所述壳体的顶部配置有喷淋部件，所述喷淋部件包括中间区域及位于所述中间区域外侧的周边区域；

所述壳体的靠近所述喷淋部件侧设有沿所述壳体径向延伸的穿孔，所述穿孔通过管路连接至外部气源，用于在碳化硅外延设备运行时向反应腔内通入侧壁吹扫气体；

所述壳体内的底部侧配置有旋转支撑部件，所述旋转支撑部件内配置有第一加热器；

所述壳体内配置有沿其轴向设置的中空的引导部件、第二加热器、第一石墨筒及第二石墨筒，且所述第二加热器位于所述第一石墨筒或所述第一石墨筒及第二石墨筒的外侧，所述引导部件呈喇叭状，其将所述喷淋部件与所述第一石墨筒连通，且所述引导部件与所述第一石墨筒的表面间具有间隙。

优选的，该引导部件具有第一端及第二端，所述第一端连接所述喷淋部件，所述第二端靠近第一石墨筒的表面，并与所述第一石墨筒的表面间具有间隙。通过这样的设计喷淋部件包括中间区域及周边区域，其分别经管道连接至气源，采取分区控制模式，以提高薄膜厚度和掺杂浓度均匀性。减少反应气体在喷淋头下表面和侧壁的沉积，减少预反应，减少颗粒(particle)的产生。

优选的，该述第二端具有平坦部，所述平坦部与所述第一石墨筒的表面平行。

优选的，该喷淋部件呈圆盘状，所述中间区域与所述周边区域一体设计。

本申请实施例提供一种如上述碳化硅外延设备的控制方法，该控制方法包括如下步骤：

第一次bake，其包括：

将衬底放于石墨托盘上；

基于第一加热器和/或第二加热器的加热使得腔体的温度至第一预设温度、基于喷淋部件向反应腔内注入气体以将反应腔的压力调整到第一预设压力，并基于驱动装置的驱动使得旋转支撑部件的转速至第一预设转速；

基于喷淋部件的中间区域向反应腔内注入氢气、并按一定斜率将氢气的流量增加到30-100slm，混合通入氯化氢气体并按一定斜率将氯化氢气体的流量增加到100-800sccm，基于喷淋部件的周边区域通入氢气并按一定斜率将氢气的流量增加到30-50slm，并经壳体的穿孔通入保护气体、并按一定斜率将保护气体的流量增加到3-10slm，维持第一预设时间；

将反应腔内温度降低到900℃或以下、压力下降到100mbar或以下，转速降低到50rpm或以下；

基于喷淋部件将各路气体(氢气、保护气体)流量降低到稳定流量的1/4-1/2,同时关闭氯化氢气体，并维持第二预设时间，第一次bake结束。

优选的，该控制方法，还包括第二次bake及Coating生长，

所述第二次bake包括：

基于第一加热器和/或第二加热器的加热使得腔体的温度升至第一预设温度、同时基于喷淋部件向反应腔内注入气体，以将反应腔的压力调整到第二预设压力，且所述第二预设压力大于所述第一预设压，并基于驱动装置的驱动使得旋转支撑部件的转速至第二预设转速，所述第二预设转速大于所述第一预设转速；

基于喷淋部件的中间区域向反应腔内注入氢气，并按一定斜率将氢气的流量增加到30-100slm，基于喷淋部件的周边区域通入氢气并按一定斜率将氢气的流量增加到30-50slm，并侧壁吹扫区域通入保护气体并按一定斜率将保护气体的流量增加到3-10slm，并维持第三预设时间，第二次bake结束；然后进入Coating生长，包括：

将反应腔内温度降低到第二预设温度，所述第二预设温度小于所述第一预设温度，并维持所述第二预设压力和第二预设转速第四预设时间；

按预设比例从所述中间区域向反应腔内通入反应气体及从所述周边区域向反应腔内通入吹扫气体，且吹扫气与反应气体的比例为1.2-1.5，开始外延生长，保持第五预设时间，在托盘和所述衬底上生长外延同时，反应腔体内的石墨件表面生长一层碳化硅膜层；

将反应腔内温度降低到900℃或以下，同时吹扫气与反应气体的流量降低到预设值(如0或接近0的某个值)，将旋转支撑部件的转速降低到0，工艺结束。

优选的，该反应气体包括TCS、C

优选的，该第一预设温度为1650℃±5℃，所述第一预设压力介于100-200mbar。

优选的，该第二预设温度为1620℃±2℃，所述第二预设压力介于200-300mbar。

优选的，该控制方法中经所述壳体的穿孔通入稳定时流量介于3-10slm的氩气。

有益效果

本申请实施方式的喷淋部件采取分区控制模式，提高薄膜厚度和掺杂浓度均匀性；延长设备PM周期，降低设备维护时间，提高设备产能；减少反应气体在喷淋头下表面和侧壁的沉积，减少预反应，减少particle的产生。通过该控制方法可延长反应腔体的维护周期，还能提高复机后重复性和稳定性。

附图说明

附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本申请内容。

图1为本申请实施例的碳化硅外延设备的结构示意图；

图2为本申请实施例的碳化硅外延设备运行时气体的流向示意图；

图3为图2中设备运行时气体的流向俯视的示意图；

图4为本申请实施例的碳化硅外延设备的控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请提出一种碳化硅外延设备，其反应腔,该反应腔包括壳体，该壳体的顶部配置有喷淋部件，该喷淋部件呈盘状，包括中间区域及周边区域，中间区域及周边区域上皆设置有穿孔；该壳体的靠近喷淋部件侧设有沿壳体径向延伸的穿孔，穿孔通过管路连接至外部气源，用于在碳化硅外延设备运行时向反应腔内通入侧壁吹扫气体；壳体内的底部侧配置有旋转支撑部件，其内配置有第一加热器；壳体内配置有沿其轴向设置的中空的引导部件、第二加热器、第一石墨筒及第二石墨筒，且该第二加热器位于第一石墨筒或第一石墨筒及第二石墨筒的外侧，该引导部件呈喇叭状，其将喷淋部件与第一石墨筒连通。设备运行时反应气体及吹扫气体通过喷淋部件通入反应腔内。本实施方中使用氢气做载气。喷淋部件的中间区域及周边区域均单独控制(分区控制模式)，中间区域通入工艺气体，周边区域通入吹扫气体，该方式在后续的外延生长中，可提高薄膜厚度和掺杂浓度均匀性。

接下来结合附图来描述本申请提出的碳化硅外延设备。

如图1所示为本申请碳化硅外延设备的结构示意图。

该碳化硅外延设备包括反应腔100,该反应腔100包括

壳体120，壳体120的顶部配置有喷淋部件110，壳体120内的底部侧配置有旋转支撑部件160，该旋转支撑部件160内配置有第一加热器170，该旋转支撑部件160内的顶部配置有石墨托盘200，石墨托盘200用于放置衬底(图未示)。该旋转支撑部件160连接驱动装置(图未示)，基于驱动装置的驱动使得该旋转支撑部件160旋转。

壳体120内配置有第二加热器130，该第二加热器130沿壳体120的轴向配置，并靠近喷淋部件110侧。第一加热器及第二加热器皆为石墨材质。第一加热器也称底部加热器(可由多个加热器组合而成)。第二加热器也称侧壁加热器(可由多个加热器组合而成)。

壳体120内配置有第一石墨筒140及第二石墨筒140，该第一石墨筒140及第二石墨筒140沿壳体120的轴向连接(第二石墨筒140靠近旋转支撑部件160侧)，且位于第二加热器130的内侧。即第二加热器130的套设于第一石墨筒140或第一石墨筒140及第二石墨筒140上。在一实施方式中，壳体120内配置有保温层180。

壳体120内配置有引导部件190，其呈喇叭状，引导部件190的第一端靠近/连接喷淋部件110，第二端191靠近第一石墨筒140的表面。引导部件190与第一石墨筒140的表面间具有间隙。该间隙以流过保护气体(如氩气)，参见图3中C。第二端191上具有平坦部，该平坦部与第一石墨筒140的表面平行或大致平行。

喷淋部件110包括中间区域111及周边区域112，该中间区域111包括复数第一透气孔，用于在设备运行时向反应腔内喷入工艺气体(该区域也称生长气区域)，周边区域112包括复数第二透气孔，用于在设备运行时向反应腔内喷入吹扫气体(该区域也称顶部吹扫区域)。在一实施方式中，壳体120的靠近喷淋部件110侧设有沿壳体径向延伸的穿孔，该穿孔通过管路连接至外部气源，用于在设备运行时向反应腔内喷入吹扫气体(也称侧壁吹扫气)。第一透气孔与第二透气孔的孔径可相同，也可不相同。中间区域111与周边区域112介于0.75-1.0。

工艺过程中第一加热器170及第二加热器130一起工作来加热，工艺气体从喷淋部件110的中间区域111(参见图3中A)的第一透气孔往下进入反应腔，吹扫气从喷淋部件110的周边区域112(参见图3中B)的第二透气孔往下进入反应腔(参见图2)，侧壁吹扫气由引导部件190(也称吹扫石墨筒)和上石墨筒140组成的环形槽进入反应腔(参见图3中C)，一起构成外延生长系统。在一定的工艺压力下，反应气体到达被加热的衬底(位于托盘200上)的表面产生化学反应生长出所需的单晶材料。此时旋转支撑部件160以一定的转速旋转。

以外延厚度10微米规格为例，设备正常生长100-150run以后，生长的外延质量下降，需要进行PM(即开腔维护)，然后进行PM进行复机。现目前的维护及复机方式繁琐且耗时，需要反复生长3-5片才能恢复到PM前的浓厚度均匀性。

为此，申请人提出一种上述外延设备的控制方法(也称复机方法)。

该控制方法依次包括如下步骤：

第一次bake(可一次，也可重复多次)、第二次bake及Coating生长(外延生长)。通过该方法缩短复机的同时节省了试验片的成本。

该第一次bake包括：

将衬底放于石墨托盘上，该步骤中衬底(也称dummy)经机械手传入反应腔内并放于石墨托盘上；

基于第一加热器和/或第二加热器的加热使得腔体的温度至第一预设温度(1650左右的bake温度，如1650±5℃)、同时基于喷淋部件向反应腔内注入气体以将反应腔的压力调整到第一预设压力(100-200mbar左右的bake压力)，并基于驱动装置的驱动使得旋转支撑部件的转速至第一预设转速(该第一预设转速可为一区间，如200-300rpm左右的bake转速)；

流量调节：基于喷淋部件的中间区域(反应气体区域)向反应腔内注入(也称通入)氢气，并按一定斜率增加到30-100slm(升每分钟，standard litre perminute)流量，混合通入氯化氢气体并按一定斜率增加到100-800sccm(standard cubic centimeter perminute)左右，基于喷淋部件的周边区域(上部吹扫区域)通入氢气并按一定斜率增加到30-50slm流量，并通过壳体的穿孔，即侧壁吹扫区域通入保护气体(如氩气)并按一定斜率增加到3-10slm流量，并维持第一预设时间(即为此当前的温度、压力、转速及流量等稳定后并持续一定的一次bake时间(如10-30分钟)；

将反应腔内温度降低到900℃或以下，压力下降到100mbar或以下，转速降低到50rpm或以下；

基于喷淋部件各路气体流量降低到稳定流量的1/4-1/2,同时关闭HCL气体；

并维持第二预设时间(如保持10-30分钟)，第一次bake结束。较佳的，在其他的实施方式中，可以重复第一次bake 1-5次，然后再做第二次bake和coating生长。这样彻底对反应腔的清扫。

第二次bake：

基于第一加热器和/或第二加热器的加热使得腔体的温度至第一预设温度(1650左右的bake温度)、同时基于喷淋部件向反应腔内注入气体以将反应腔的压力调整到第二预设压力(200-300mbar左右的bake压力)，并基于驱动装置的驱动使得旋转支撑部件的转速至第二预设转速(该第二预设转速可为一区间，如500-600rpm左右的bake转速)；

流量调节：

基于喷淋部件的中间区域向反应腔内注入(也称通入)氢气，并按一定斜率增加到30-100slm流量，基于喷淋部件的周边区域通入氢气并按一定斜率增加到30-50slm流量，并侧壁吹扫区域通入保护气体(如氩气)并按一定斜率增加到3-10slm流量(该阶段无需通入氯化氢气体)，并维持第三预设时间(即温度、压力、转速、流量等稳定后维持第三预设时间(二次bake时间，如30-50min)，第二次bake结束；

Coating生长：

将反应腔内温度降低到1620℃左右，压力和转速维持原来的参数，持续第四预设时间(如2-5分钟)；

按一定比例通入反应气体(TCS、C2H4和HCL气体)及吹扫气体，且吹扫气与反应气体按为1.2-1.5(如，1.2、1.3、1.35、1.4、1.45、1.5)的固定比例通入反应腔，开始外延生长；

保持第五预设时间(如30-200分钟)，在托盘和dummy片上生长coating碳化硅外延层的同时，腔体内的石墨件内壁也生长一层碳化硅膜层；

将反应腔内温度降低到900℃或以下，同时各路流量降低到预设值(idle时的数值)，转速降低到0，工艺结束。通过该方法提高了PM复机时间，原来需要反复生长3-5片才能恢复到PM前的浓厚度均匀性，现在只需要生长2-3片就可以恢复，节省了时间和试验片的成本。该方法中无需将托盘和衬底取出，无需多次升降温和取盘动作，减小了对腔体内部石墨材料的损伤。复机后浓度平均值变化值减小，不超过10％。该方法中第一/二Bake温度比coating生长温度高20-50℃。Bake指正式工艺之前，去除开腔维护产生的杂质和前面工艺反应副产物等。该方法中上部吹扫气与反应气体按固定比例通入反应腔，比例为1.2-1.5。第一次bake维持时间和次数和第二次bake维持时间可根据实际情况适当增减。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。