一种用于碳化硅外延薄膜生长的设备及其控制方法

摘要

本申请提出一种用于碳化硅外延薄膜生长的设备及其控制方法。该生长反应模块及拿取部件，生长反应模块包括：主体部，主体部内配置有反应腔，主体部的一侧具有开口部，开口部配置有喷淋组件，喷淋组件的进气侧通过匹配对应的管道连接至气体供给系统，反应腔内配置有旋转装置，转装置上放置托盘，所述托盘下配置有衬底加热器，所述喷淋组件的出气侧对着托盘，沿主体部的轴向配置有侧壁加热器，所述主体部的侧壁配置有进料口，所述拿取部件的机械手通过进料口以托盘装盘或取托盘，所述主体部的侧壁配置有抽气口，所述抽气口通过抽气管连接真空泵。利用拿取部件实现在较高的温度下装载/取托盘，减少等待时间、提高生产效率，设备利用率。

权利要求

1.一种碳化硅外延薄膜生长的控制方法，其特征在于，包括：用于碳化硅外延薄膜生长的设备，所述设备包括：

至少一个生长反应模块及拿取部件，所述拿取部件包括：机械手，所述生长反应模块包括：主体部，沿主体部的轴向配置有侧壁加热器，侧壁加热器配置成靠近喷淋组件侧，且在主体部的轴向上侧壁加热器的长度与主体部的长度比介于0.3～

0.6，所述主体部内配置有反应腔，所述主体部的顶部具有开口部，所述开口部配置有喷淋组件，所述喷淋组件通过匹配对应的管道连接至气体供给系统，所述反应腔内配置有旋转装置，所述旋转装置上放置托盘，所述托盘下配置有衬底加热器，所述喷淋组件的出气侧垂直的对着托盘，

所述主体部的侧壁上配置有进料口，所述机械手通过所述进料口进入反应腔内以装托盘或取托盘，

所述主体部的侧壁配置有抽气口，所述抽气口通过抽气管连接真空泵，所述进料口与所述抽气口相对配置，所述机械手配置于TM腔体内，所述主体部通过所述进料口与TM腔体连接，设备在运行时反应腔内的气压与TM腔体内的气压相同，基于侧壁加热器和衬底加热器的功率来拟算出功率下的温度，所述控制方法包括如下步骤：

S1.清洗反应腔，即利用气体供给系统的进气与真空泵的抽气配合以将反应腔内的杂质气体的浓度降至1ppb以下，

S2.生长前准备，包括：准备供气及将反应腔侧壁加热器和衬底加热器分别升温至920℃的取盘温度，所述步骤S2中包括：S21.将反应腔内的气压调整至生长需要的范围，打开源气并通入旁路管道；S22.打开生长载气H2；S23.开启升温程序，基于侧壁加热器和衬底加热器以3‑5℃/s的升温斜率加热升温至取盘温度；

S3.托盘装载，即基于机械手将放置好衬底的托盘从TM腔体转移到反应腔内的旋转装置上；

S4.侧壁加热器和衬底加热器继续升温，直至预设的1620‑1680℃，在升温的同时基于驱动部的驱动带动托盘旋转，并将托盘旋转的转速按一定斜率逐步升高到预设的600‑

1000rpm，在升温的同时调整反应气体和吹扫气体的流量至生长需要的要求；

S5.当温度到达设置值后，等待2‑5分钟的第二预设时间，使得反应腔内和托盘的温度稳定；

S6.进入生长模式，此时反应腔和托盘的温度波动控制在±1℃以内，直至生长出预设厚度的薄膜，

S7.生长结束等待降温，将所有含H2的载气和吹扫气体切换成Ar气，并减少流量到设置值，关闭侧壁加热器和衬底加热器，以降低反应腔和托盘的温度直至温度降至取盘温度，关闭驱动部驱动以将托盘的转速缓慢的降至0，S8.取盘，当反应腔和托盘的实际温度降低到920℃取盘温度时，基于机械手将托盘从反应腔取到冷却室进行降温。

2.如权利要求1所述的碳化硅外延薄膜生长的控制方法，其特征在于，步骤S8之后还包括，托盘的温度低至150℃时，基于机械手将托盘送至装载室进行取片，然后装入新的衬底片，重复步骤S3到S8，以进行下一衬底的外延生长。

3.如权利要求1所述的碳化硅外延薄膜生长的控制方法，其特征在于，基于驱动部的驱动托盘旋转的上升斜率或下降斜率不大于100rpm。

说明书

一种用于碳化硅外延薄膜生长的设备及其控制方法

技术领域

[0001] 本申请涉及薄膜材料生长的技术领域，具体地涉及一种用于碳化硅外延薄膜生长的设备及其控制方法。

背景技术

[0002] 用于制备半导体薄膜如：制备碳化硅外延的设备是一种集气体输运、混气、真空、高温、旋转等技术为一体的高科技装备。反应气体流经被加热到反应温度的基片（即衬底）
表面，发生化学反应生成单晶薄膜。为保证衬底的温度和气流场的均匀性，进气装置需要将
反应气体均匀地通入反应腔，除了匀气机构，衬底和托盘也需要旋转。设备的气体供给系统
由多种反应气体混合而成，反应气体混合之后通过大流量载气送入反应腔参与生长反应。
该类薄膜材料生长设备的反应系统的核心部件是反应腔。目前制备碳化硅外延的反应腔，
生长/维护时间长、维护过程繁琐，且生长环境变化大。

[0003] 因此，需改进现有的碳化硅外延薄膜生长的设备。

发明内容

[0004] 为克服上述缺点，本申请的目的在于：提供一种用于碳化硅外延薄膜生长的设备及其控制方法。

[0005] 为了达到以上目的，本申请采用如下技术方案：

[0006] 一种用于碳化硅外延薄膜生长的设备，其特征在于，包括：

[0007] 至少一个生长反应模块及拿取部件，所述拿取部件包括：机械手，

[0008] 所述生长反应模块包括：主体部，沿主体部的轴向配置有侧壁加热器，且在主体部的轴向上侧壁加热器的长度与主体部的长度比介于0.3～0.6，

[0009] 所述主体部内配置有反应腔，所述主体部的顶部具有开口部，所述开口部配置有喷淋组件，所述喷淋组件通过匹配对应的管道连接至气体供给系统，

[0010] 所述反应腔内配置有旋转装置，所述转装置上放置托盘，所述托盘下配置有衬底加热器，所述喷淋组件的出气侧垂直的对着托盘，

[0011] 所述主体部的侧壁上配置有进料口，所述机械手通过所述进料口进入反应腔内以装托盘或取托盘，

[0012] 所述主体部的侧壁配置有抽气口，所述抽气口通过抽气管连接真空泵，

[0013] 所述进料口与所述抽气口相对配置。这样的设计，优化了主体部的结构，反应腔内洁净度高，生长出的外延片产品性能优良，实现高温装/取托盘，减小等待时机提高生产的
效率。该生长反应模块可实现连续循环生长，且批间一致性好。

[0014] 在一实施方式中，机械手截面呈U型，所述机械手的U型开口朝向托盘，用以托着托盘。

[0015] 在一实施方式中，机械手配置于TM腔体内，所述主体部通过所述进料口与TM腔体连接。

[0016] 在一实施方式中，主体部的轴线与旋转装置的轴线同轴。

[0017] 本申请实施例提供一种基于上述的用于碳化硅外延薄膜生长的设备的碳化硅外延薄膜生长的控制方法，该控制方法包括如下步骤：

[0018] S1.清洗反应腔，即利用气体供给系统的进气与真空泵的抽气配合以将反应腔内的杂质气体的浓度降至1ppb以下，

[0019] S2.生长前准备，包括：准备供气及将反应腔侧壁加热器和衬底加热器分别升温至920℃的取盘温度；

[0020] S3.托盘装载，即基于机械手将放置好衬底的托盘从TM腔体转移到反应腔内的旋转装置上；

[0021] S4.侧壁加热器和衬底加热器继续升温，直至预设的1620‑1680℃，在升温的同时基于驱动部的驱动带动托盘旋转，并将托盘旋转的转速按一定斜率逐步升高到预设的600‑
1000rpm，在升温的同时调整反应气体和吹扫气体的流量至生长需要的要求；

[0022] S5.当温度到达设置值后，等待2‑5分钟的第二预设时间，使得反应腔内和托盘的温度稳定；

[0023] S6.进入生长模式，此时反应腔和托盘的温度波动控制在±1℃以内，直至生长出预设厚度的薄膜，

[0024] S7.生长结束等待降温，将所有含H2的载气和吹扫气切换成Ar气，并减少流量到设置值，关闭侧壁加热器和衬底加热器，以降低反应腔和托盘的温度直至温度降至取盘温度，
关闭驱动部驱动以将托盘的转速缓慢的降至0，

[0025] S8.取盘，当反应腔和托盘的实际温度降低到920℃取盘温度时，基于机械手将托盘从反应腔取到冷却室进行降温。

[0026] 在一实施方式中，步骤S8之后还包括，托盘的温度低至150℃时，基于机械手将托盘送至装载室进行取片，然后装入新的衬底片，重复步骤S3到S8，以进行下一衬底的外延生
长。

[0027] 在一实施方式中，步骤S2中包括：

[0028] S21.将反应腔内的气压调整至生长需要的范围，打开源气并通入旁路管道；

[0029] S22.打开生长载气H2；

[0030] S23.开启升温程序，基于侧壁加热器和衬底加热器以3‑5℃/s的升温斜率加热升温至取盘温度，所述取盘温度920℃。

[0031] 在一实施方式中，基于驱动部的驱动托盘旋转的上升斜率或下降斜率不大于100rpm。

[0032] 有益效果

[0033] 本申请实施方式的用于碳化硅外延薄膜生长的设备，腔体洁净度高，产品性能优良。实现外延片的连续循环生长、生长过程中借助拿取部件在较高的温度（920℃）下进行托
盘装载/取托盘，减少了等待时间，提高生产效率。基于该设备的控制方法，在升温时不同的
温区采用不同的升温斜率，既保证快速升温速度，又延长了加热器使用寿命，碳化硅外延薄
膜生长的控制方法，腔体洁净度高，产品性能优良，借助拿取部件在较高的温度（920℃）下
进行托盘装载/取托盘，降低等待时间，提供设备整体的稼动率。

附图说明

[0034] 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。

[0035] 图1为本申请一实施例的外延设备的生长反应模与TM连接的截面示意图；

[0036] 图2为本申请一实施例的外延设备的俯视示意图；

[0037] 图3为本申请一实施例的外延生长的流程示意图。

具体实施方式

[0038] 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。

[0039] 本申请提出一种用于碳化硅外延薄膜生长的设备。该设备包括：至少一个生长反应模块及拿取部件，该拿取部件与生长反应模块配合，以向其反应腔装待装外延生长的托
盘或取外延生长完成的托盘。生长反应模块包括：主体部，主体部内配置有反应腔，主体部
的顶部具有开口部，开口部配置有喷淋组件，喷淋组件的进气侧通过匹配对应的管道连接
至气体供给系统（气体供给系统包含：反应气体、载气及保护气体等），反应腔内配置有旋转
装置，转装置上放置托盘，托盘下配置有衬底加热器，喷淋组件的出气侧对着托盘，沿主体
部的轴向配置有侧壁加热器（即主体沿其轴向的侧壁上配置有侧壁加热器），主体部的侧壁
上配置有进料口，拿取部件的机械手通过进料口进入反应腔内以托盘装盘或取托盘，主体
部的侧壁配置有抽气口，抽气口通过抽气管连接真空泵。该设备的生长模块利用喷淋头喷
出的气体垂直的接触衬底来生长外延，利用机械手实现920℃高温时装载托盘/拿取托盘，
以降低工序间的等待时间，提高生产效率，减少腔体内部沉积和颗粒杂质的产生。衬底加热
器和侧壁加热器加热升温时，采用分段控制，不同的温度区间设置不同的升温斜率，这样可
以既保证快速升温，又延长了加热器使用寿命。

[0040] 接下来结合附图1‑图2来描述本申请提出的用于碳化硅外延薄膜生长的设备。

[0041] 图1为本申请一实施例设备的生长反应模块的截面示意图；

[0042] 该生长反应模块包括：

[0043] 主体部，主体部内配置有反应腔，主体部的一侧具有开口部，开口部配置有喷淋组件220，该喷淋组件220通过匹配对应的管道连接至气体供给系统600、主体部内的下部配置
有旋转装置260，该旋转装置260上放置托盘800，该旋转装置旋转带动托盘旋转，该托盘800
用以放置衬底700，该托盘800下配置有衬底加热器250，该衬底加热器250通过连接部件安
装于水冷电极部件270上，水冷电极部件270的一侧配置有凸起，该凸起上配置有密封件
271，该凸起安装于主体部的底座280。通过密封件271提高气密性，防止气体从该处进入反
应腔内，本实施方式中，衬底加热器工作可以将托盘连同衬底一起加热到反应温度。主体部
的开口部对着该托盘800。较佳的，主体部的轴线与旋转装置260的轴线同轴。该旋转装置
260连接驱动部（图未示），并基于驱动部的驱动带动旋转装置260旋转，进而带动托盘800旋
转。托盘800旋转带动其上的衬底旋转。经喷淋组件220混合的气体流出垂直或大致垂直的
喷在旋转的衬底的表面，反应气体到达衬底表面时，产生化学反应在衬底的表面生长出所
需的单晶材料。该设备还配置有控制模块，该控制模块连接驱动部、衬底加热器、侧壁加热
器、真空泵及进气阀等，以控制设备正常运行。

[0044] 主体部的侧壁，包括，

[0045] 反应腔（反应腔也称PM腔）体壳210，沿主体部的轴向配置的侧壁加热器211，该侧壁加热器211配置成与反应腔体壳210的表面平行或大致平行。该侧壁加热器211靠近反应
腔。侧壁加热器211配置成靠近喷淋组件220侧。主体部的轴向上侧壁加热器211的长度与主
体部的长度比介于0.3～0.6.通过这样的设计以保证反应腔内温度。

[0046] 侧壁的远离开口部侧，配置有抽气口212，抽气管241的一侧连接抽气口212，另一端连接真空泵。与抽气口相对的侧壁上配置有进料口213，该进料口213上配置有闸板阀
230。主体部通过该进料口213与TM腔体300连通，TM腔体300内配置有机械手110，该机械手
110用以托盘装载/取盘。该机械手110的截面呈U字型。PM腔也称反应腔。TM腔体也称转移
腔。设备在运行时反应腔与TM腔体300的气压相同或大致相同。这样机械手110进入反应腔
内装托盘或取托盘时，反应腔与TM腔体300间不会有气流（压差引起的）。

[0047] 主体部内配置有复数温度感应装置，该温度感应装置用以检测反应腔及衬底的温度。在一实施方式中，可基于侧壁加热器和衬底加热器的功率来拟算出该功率下的温度。该
方式下，需预先（如，在设备调试阶段）拟合出侧壁加热器和衬底加热器的功率与温度对应
的曲线。

[0048] 该气体供给系统600用以气体的接入、流量配比、气体类型选择（如通过1号气管连接至1号气体，…，通过N号气管连接至N号气体）、MO源或其他固态和液态源的鼓泡、气体切
换、混合、分支、分配、总流量调整等，气体供给系统600通过匹配对应的管道连接至喷淋组
件220，经喷淋组件220将反应气体或载气输入到反应腔内。

[0049] 真空泵240基于指令动作，以抽吸反应腔内的气体。在一实施方式中，反应腔体内的反应尾气通过排气系统抽到设备外部进行处理和排放。

[0050] 接下来结合图2来描述机械手110与生长反应模块及取片腔体等的连接俯视示意。图2中示意出2个生长反应模块200，在其他的实施方式中，生长反应模块可为1个或多个
（如，3个，4个等）。TM腔体300的轴向上间隔的配置2个生长反应模块200、缓冲腔400、取片腔
10及冷却腔500。拿取部件100的机械手110位于当中，这样便于各部件间协调操作。

[0051] 接下来结合图3描述本申请提出的利用碳化硅外延薄膜生长的控制方法。该控制方法利用上述的设备。

[0052] 该外延生长控制方法（也称流程）包括如下步骤：

[0053] S1.反应腔清洗，以将反应腔内的杂质气体的浓度降至1ppb（part per billion）以下。反应腔的清洗包括：开启真空泵，按一定抽气斜率将反应腔内的气压抽至低压值（如：
10‑20mbar），然后关闭全部反应腔的进气阀，继续基于真空泵将反应腔内的气压抽至
0mbar，并维持第一预设时间（如：2分钟），打开全部进气阀，将反应腔气压升高至800mbar左
右。以此反复抽/充反应腔2‑5回，以将反应腔内杂质气体浓度降至1ppb以下。该步骤中反复
的利用进气/真空泵抽气降低反应腔内的杂质气体的浓度（杂质气体的浓度降至1ppb）。

[0054] S2.生长前准备，调整各路气体逐步上升至设定值及将反应腔侧壁加热器和衬底加热器分别升温至取盘温度；具体的，包括：

[0055] S21.将反应腔内的气压调整至生长需要的范围（100‑500mbar），打开源气并通入旁路管道（回收管道）；

[0056] S22.打开生长的载气（H2）；

[0057] S23.开启升温程序，设置一定的升温斜率（3‑5℃/s）将反应腔侧壁加热器和衬底加热器分别升温至取盘温度（920℃）；

[0058] S3.托盘装载，该步骤通过机械手将预放置衬底的托盘从TM腔体转移到PM腔体（也称反应腔）内；

[0059] S4.托盘升温，托盘装载完成后，将PM腔体和托盘温度设置成升温状态（基于侧壁加热器和衬底加热器分别升温），直到升温至反应需要的目标温度区间（1620‑1680℃），在
此过程中升温斜率设置介于3‑7℃/s（升温斜率可微调）。在升温的同时基于驱动部驱动托
盘旋转，直至旋转的转速至预设的转速（600‑1000rpm）。较佳的，按一定斜率（50‑100rpm）逐
步升高到预设的转速。在升温的同时继续调整反应气体和吹扫气体的流量至生长需要的要
求；

[0060] S5.等待温度稳定：当实际温度到达设置目标温度区间（1620‑1680℃）后，维持第二预设时间（如2‑5分钟），设置第二预设时间的目的在于，使得PM腔体和托盘的温度稳定、
均匀（这样降低生长制程的不良率）；

[0061] S6.进入生长模式，经过第二预设时间后，PM腔体和托盘温度稳定（波动在±1℃以内时），启动外延生长程序，根据工艺要求，将反应气体和掺杂气体按照一定的时间顺序从
旁路管道切换到PM腔（反应腔），开始生长外延。生长过程中可以对气体的流量进行调整，也
可对气体的种类进行选择和切换。

[0062] S7.薄膜厚度达到工艺要求，完成生长程序，生长结束等待降温，将反应气体和掺杂气体按照预设的程序（一定的时间顺序）从PM腔切换到旁路管道；将PM腔体和托盘温度设
置成降温模式（关闭侧壁加热器和衬底加热器使其不工作），降温目标为降至取盘温度（920
℃，）；关闭驱动部驱动将托盘的转速缓慢降至0。较佳的，在生长结束等待降温的过程中还
包括，将所有含H2的载气和吹扫气切换成Ar气，并减少流量到设置值。

[0063] S8.取盘，当PM腔体和托盘的实际温度降低到920℃时，基于机械手从进料口伸入反应腔内，将托盘从反应腔取出。较佳的，将托盘从反应腔取出到冷却室进行降温。还包括，
冷却室内的托盘的温度低至150℃及以下时，基于机械手将托盘从冷却腔送至缓冲腔进行
取片，然后取片腔取片向托盘内装入新的待生长的衬底，然后依次重复步骤S3到S8进行下
一个衬底的外延生长。在设备运行过程中，生长流程可以中断和暂停，但是再进行任然按照
上述的生长顺序推进。在该方法下，可提高薄膜厚度和掺杂浓度均匀性。同时延长设备保养
周期，降低设备维护时间，提高设备产能。该方法下，利用机械手在相对高的温度下（实际温
度降低到920℃时）实现托盘装载/取盘皆，这样变相的减少了等待的时间，提高生产效率。

[0064] 在一实施方式中，该外延生长流程还包括：开启设备，进而等待模式，该步骤包括：

[0065] 打开弱电控制和安全控制系统电源，将设备各个控制单元参数和阀门状态设置成默认的安全值，进入闲置等待模式，再开启其他电源并开始通入安全气体如Ar气。

[0066] 在一实施方式中，升温步骤，升温斜率采用分段控制，具体的可为：

[0067] 低温段（室温‑400℃）升温斜率3‑5℃/s；

[0068] 中温段（401‑1200℃）升温斜率5‑7℃/s（适当加快）；

[0069] 高温段（1201℃以上）升温斜率3‑5℃/s较中温段逐步减慢。通过这样的设计，可以既保证了快速升温速度，又延长了加热器使用寿命。

[0070] 步骤S4中.基于驱动部的驱动带动托盘旋转，托盘旋转的上升斜率不大于100rpm。步骤中S7中关闭驱动部驱动将托盘的转速缓慢降至0。转速下降期间下降斜率不大于
100rpm。

[0071] 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。