用于碳化硅生長的高溫裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種用于碳化硅生長的高溫裝置及方法，該裝置包括：一外殼，為筒形結構；一生長室，為筒形結構，其位于外殼的中間；一出氣管，其固定在生長室的頂部；一溫度探測器，其固定在生長室的頂部；一生長源進氣管，其位于生長室內的側壁，且通向生長室的底部；一可旋轉載盤，其從上至下通過一軸桿連接至生長室的中間部位；一勻氣盤，其固定在生長室的底部；一加熱器，其位于生長室的下面，在外殼內，該加熱器與生長室之間形成一燃燒室；一保溫層，其圍繞在生長室的外側；一排煙管，其一端固定于保溫層上與燃燒室相通，另一端經(jīng)外殼通往室外。本發(fā)明可以避免巨大的電力消耗，又可以提高生產效率、降低能耗。
【專利說明】用于碳化硅生長的高溫裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體【技術領域】，尤其涉及一種碳化硅生長的高溫裝置及方法，可用于碳化硅體單晶的生長以及碳化硅同質厚膜外延材料的快速生長。

【背景技術】
[0002]碳化硅(SiC)是第三代半導體材料，由于它的帶隙寬，可達3.2eV，是Si的3倍，因此，它具有高的臨界擊穿電場(Si的10倍)，高載流子飽和濃度(Si的2倍)等特點，另夕卜，它還具有高熱導率(Si的3倍)的特點，因此，它在軍用和航天領域的高溫、高頻、大功率電力電子、光電器件方面具有優(yōu)越的應用價值，并有望逐步取代現(xiàn)有的硅基大功率器件，成為下一代電力電子半導體的基礎材料。
[0003]碳化硅單晶體材料一般采用物理氣相輸運(PVT)的方法進行制備。如圖1所示，其核心是采用一高溫裝置，方案是采用幾組射頻加熱器103，將石墨生長室105進行感應加熱，使原料區(qū)112處于一個高溫場(約2100攝氏度)，使碳化硅原料升華；在原料區(qū)112和籽晶111之間建立一個負溫度梯度，使碳化硅在籽晶111上結晶生長。PVT法生長速率一般為每小時200-300微米，受此影響，生長一個厚20厘米的晶體需要3-5天時間，所消耗電力巨大。電力消耗是當前PVT法碳化硅晶體成本居高不下的主要原因之一。如果要提高生長速率，則需要更高的生長溫度以及更好的溫度梯度。
[0004]另外，碳化硅的液相外延(LPE)、化學氣相沉積(CVD)等場合一般需要17002000攝氏度的生長環(huán)境，也需要采用高溫裝置。目前采用的加熱方式主要是電加熱，如電阻加熱或者射頻感應加熱，受加熱方式、效率和維持時間的影響，會引起大量的電力消耗，抬高了碳化硅半導體的成本。


【發(fā)明內容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于碳化硅生長的高溫裝置及方法，采用火焰加熱，利用氣體火焰的高效、高能來產生和維持生長室高溫，能夠為碳化硅的PVT、LPE、CVD制備提供所需高溫環(huán)境，與電加熱相比，既可以避免巨大的電力消耗，又可以提高生產效率、降低能耗等。
[0006]本發(fā)明提供一種用于碳化硅生長的高溫裝置，包括:
[0007]—外殼，為筒形結構；
[0008]一生長室，為筒形結構，其位于外殼的中間；
[0009]一出氣管，其固定在生長室的頂部；
[0010]一溫度探測器，其固定在生長室的頂部；
[0011]一生長源進氣管，其位于生長室內的側壁，且通向生長室的底部；
[0012]一可旋轉載盤，其從上至下通過一軸桿連接至生長室的中間部位；
[0013]一勻氣盤，其固定在生長室的底部；
[0014]一加熱器，其位于生長室的下面，在外殼內，該加熱器與生長室之間形成一燃燒室;
[0015]一保溫層，其圍繞在生長室的外側；
[0016]一排煙管，其一端固定于保溫層上與燃燒室相通，另一端經(jīng)外殼通往室外。
[0017]本發(fā)明還提供一種碳化硅生長方法，其是采用如權利要求1所述的高溫裝置，包括如下步驟:
[0018]步驟1:將碳化硅籽晶固定于可旋轉載盤上，原料粉末置于勻氣盤中，抽真空；
[0019]步驟2:在生長室內通入還原性載氣；
[0020]步驟3:打開加熱器的進氣管，通入燃氣和氧氣，控制升溫至生長溫度；
[0021]步驟4:升溫過程中，通入硅源氣體，到達生長溫度時，通入碳源氣體；
[0022]步驟5:關閉硅源氣體，通入惰性氣體；
[0023]步驟6:關閉碳源氣體，關閉還原性載氣，完成碳化硅的生長；
[0024]步驟7:降低燃氣和氧氣的流量，隨后關閉氧氣和燃氣，關閉加熱器30，降溫。
[0025]本發(fā)明加熱器由火焰噴盤、進氣管路、排煙管路、與溫度探測器組成反饋系統(tǒng)的溫度控制器組成，其結構可靠，操作簡便，安全性高，可以達到持續(xù)工作的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為進一步說明本發(fā)明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中:
[0027]圖1為現(xiàn)有技術中高溫裝置示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明提供的用于碳化硅生長的高溫裝置實施例的示意圖；
[0029]圖3為本發(fā)明的方法流程圖；
[0030]圖4為本發(fā)明提供的碳化硅生長方法的一個實施例的示意圖；
[0031]圖5為本發(fā)明提供的碳化硅生長方法的另一個實施例的示意圖。

【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發(fā)明示例性的實施例進行描述。為了清楚和簡要起見，實際的實施例并不局限于說明書中所描述的這些技術特征。然而，應該理解的是，在改進任何一個所述實際實施例的過程中，多個具體實施例的決定必須是能夠實現(xiàn)改進人員的特定目標，例如，遵從行業(yè)相關和商業(yè)相關的限制，所述限制隨著實施例的不同而變化。而且，應該理解的是，前述改進的效果即使是非常復雜和耗時的，但是這對于知曉本發(fā)明益處的本領域技術人員來說仍然是常規(guī)技術手段。
[0033]請參閱圖2所示，本發(fā)明提供一種用于碳化硅生長的高溫裝置，包括:
[0034]—外殼21，為筒形結構；
[0035]一生長室24，為筒形結構，其位于外殼21的中間，其材質為高純石墨材質或高純氧化鋯陶瓷，內壁涂有碳化鉭涂層；
[0036]一出氣管25，其固定在生長室24的頂部；
[0037]一溫度探測器26，其固定在生長室24的頂部；
[0038]一生長源進氣管27，其位于生長室24內的側壁，且通向生長室24的底部；
[0039]一可旋轉載盤28，其從上至下通過一軸桿連接至生長室24的中間部位，其材質為高純、高強度、高密度石墨材質，表面經(jīng)碳化硅或者碳化鉭涂層覆蓋；
[0040]—勾氣盤29，其固定在生長室24的底部，帶有原料槽，為尚純石墨材質或尚純氧化鋯陶瓷，帶有碳化鉭涂層；
[0041]一加熱器30，其位于生長室24的下面，在外殼21內，該加熱器30與生長室24之間形成一燃燒室，所述加熱器30由一火焰噴盤301、支撐桿302和進氣管303組成，所述火焰噴盤301為石英材質或者金屬材質；
[0042]一保溫層22，其圍繞在生長室24的外側，其材質為氧化硅氣凝膠紙；
[0043]一排煙管23，其一端固定于保溫層22上與燃燒室相通，另一端經(jīng)外殼21通往室外。
[0044]請參閱圖3所示，并結合參閱圖2，本發(fā)明提供一種碳化硅生長方法，包括如下步驟:
[0045]步驟1:將碳化硅籽晶固定于可旋轉載盤28上，原料粉末置于勻氣盤29中，抽真空；
[0046]步驟2:在生長室24內通入還原性載氣，所述通入生長室24的載氣為H2或者H2和惰性氣體Ar的混合氣體；
[0047]步驟3:打開加熱器30的進氣管303，通入燃氣和氧氣，控制升溫至生長溫度，所述控制升溫至生長溫度為兩個生長溫度段，第一溫度段為1300-1500攝氏度，第二溫度段為1700-2300攝氏度，所述通入進氣管303的燃氣為碳氫化合物，優(yōu)選地，該碳氫化合物為乙塊;
[0048]步驟4:升溫過程中，通入硅源氣體，到達生長溫度時，通入碳源氣體；
[0049]步驟5:關閉硅源氣體，通入惰性氣體；
[0050]步驟6:關閉碳源氣體，關閉還原性載氣，完成碳化硅的生長；
[0051]步驟7:降低燃氣和氧氣的流量，隨后關閉氧氣和燃氣，關閉加熱器30，降溫。
[0052]請參閱圖4所示，本發(fā)明提供一種碳化硅生長方法，優(yōu)選地，包括如下步驟:
[0053]步驟1:將I片4英寸η型偏4底4H_SiC(0001)襯底片固定于可旋轉載盤28上，將500克高純碳化硅原料粉末置于勻氣盤29上的原料槽中，抽真空至1E-3帕，
[0054]步驟2:1小時后，在生長室24內通入還原性載氣H2，流量為lOslm，并設置生長室氣壓為5000帕。
[0055]步驟3:約5分鐘穩(wěn)定后，打開加熱器30的進氣管303，先通入乙炔(C2H2)，點燃，接著通入氧氣(O2)，調節(jié)燃氣/氧氣比例為2/1，乙炔流量逐漸調至1.5slm，使焰炬高度達10厘米。
[0056]步驟4:升溫過程中，當溫度高于1600攝氏度時，通入80sccm的娃源氣體SiH4。到達生長溫度2100攝氏度時，通入80SCCm的碳源氣體C2H4。
[0057]步驟5:保溫10分鐘后，關閉SiH4,降低H2流量至2slm，同時通入惰性氣體Ar，此過程中保持H2流量和Ar流量之和為lOslm。
[0058]步驟6:10分鐘后關閉C2H4，關閉H2，保持通Ar，并使Ar流量為lOslm。此時進行碳化硅PVT生長，生長2小時后完成碳化硅的生長；
[0059]步驟7:降低燃氣C2H2和氧氣02的流量，隨后關閉氧氣和燃氣，關閉加熱器火焰，生長室自然降溫。
[0060]請再參閱圖5所示，本發(fā)明提供一種碳化硅生長方法，優(yōu)選地，包括如下步驟:
[0061]步驟1:將I片4英寸p型偏4底4H-SiC(0001)襯底片固定于可旋轉載盤28上，抽真空至1E-3帕，
[0062]步驟2:1小時后，在生長室24內通入還原性通入載氣H2，流量為lOslm，并設置生長室氣壓為5000帕。
[0063]步驟3:約5分鐘穩(wěn)定后，打開加熱器30的進氣管303，先通入乙炔(C2H2)，點燃，接著通入氧氣(O2)，調節(jié)燃氣/氧氣比例為1/1，乙炔流量逐漸調至lslm，使焰炬高度達8厘米。
[0064]步驟4:當溫度達1400攝氏度時，保持I小時，使H2對襯底片表面進行刻蝕清潔。此后繼續(xù)升溫，升溫過程中通入20sCCm的硅源氣體SiH4。溫度到達1600攝氏度時，通入1sccm的碳源氣體C2H4。溫度到達2000攝氏度時，增大SiH^ C 2H4的流量，使之分別達到120sccm和lOOsccm，此時進行碳化娃HTCVD生長。
[0065]步驟5:保溫100分鐘后，關閉SiH4;
[0066]步驟6:5分鐘后關閉C2H4,完成碳化硅的生長，保持通H2,并使H2流量為lOslm。
[0067]步驟7:降低燃氣C2H2和氧氣O2的流量，隨后關閉氧氣和燃氣，關閉加熱器火焰，使生長室自然降溫。
[0068]盡管基于一些優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是本領域技術人員應該知曉，本發(fā)明的范圍并不限于那些實施例。在不脫離本發(fā)明的精神和實質的情況下，本領域的普通技術人員在理解本發(fā)明的基礎上能夠對實施例進行各種變化和修改，并且因此落入本發(fā)明所附權利要求限定的保護范圍。
【權利要求】
1.一種用于碳化硅生長的高溫裝置，包括: 一外殼，為筒形結構； 一生長室，為筒形結構，其位于外殼的中間； 一出氣管，其固定在生長室的頂部； 一溫度探測器，其固定在生長室的頂部； 一生長源進氣管，其位于生長室內的側壁，且通向生長室的底部； 一可旋轉載盤，其從上至下通過一軸桿連接至生長室的中間部位； 一勻氣盤，其固定在生長室的底部； 一加熱器，其位于生長室的下面，在外殼內，該加熱器與生長室之間形成一燃燒室； 一保溫層，其圍繞在生長室的外側； 一排煙管，其一端固定于保溫層上與燃燒室相通，另一端經(jīng)外殼通往室外。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于碳化硅生長的高溫裝置，其中所述生長室的內壁涂有碳化組涂層。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于碳化硅生長的高溫裝置，其中所述可旋轉載盤的表面經(jīng)碳化硅或者碳化鉭涂層覆蓋。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于碳化硅生長的高溫裝置，其中所述勻氣盤帶有原料槽，為高純石墨材質或高純氧化鋯陶瓷，帶有碳化鉭涂層。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于碳化硅生長的高溫裝置，其中所述加熱器由一火焰噴盤、支撐桿和進氣管組成。
6.一種碳化硅生長方法，其是采用如權利要求1所述的高溫裝置，包括如下步驟: 步驟1:將碳化硅籽晶固定于可旋轉載盤上，原料粉末置于勻氣盤中，抽真空； 步驟2:在生長室內通入還原性載氣； 步驟3:打開加熱器的進氣管，通入燃氣和氧氣，控制升溫至生長溫度； 步驟4:升溫過程中，通入硅源氣體，到達生長溫度時，通入碳源氣體； 步驟5:關閉硅源氣體，通入惰性氣體； 步驟6:關閉碳源氣體，關閉還原性載氣，完成碳化硅的生長； 步驟7:降低燃氣和氧氣的流量，隨后關閉氧氣和燃氣，關閉加熱器30，降溫。
7.根據(jù)權利要求6所述的碳化硅生長方法，其中所述控制升溫至生長溫度為兩個生長溫度段，第一溫度段為1300-1500攝氏度，第二溫度段為1700-2300攝氏度。
8.根據(jù)權利要求6所述的碳化硅生長方法，其中所述通入生長室24的載氣為H2或者H2和惰性氣體Ar的混合氣體。
9.根據(jù)權利要求6所述的碳化硅生長方法，其中通入所述進氣管的燃氣為碳氫化合物。
10.根據(jù)權利要求9所述的碳化硅生長方法，其中通入所述進氣管的碳氫化合物為乙炔。
【文檔編號】C30B35/00GK104514034SQ201510008972
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2015年1月8日 優(yōu)先權日:2015年1月8日
【發(fā)明者】劉興昉, 劉斌, 閆果果, 劉勝北, 田麗欣, 申占偉, 王雷, 趙萬順, 張峰, 孫國勝, 曾一平 申請人:中國科學院半導體研究所