專利名稱：一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，特別涉及一種基于銅螺旋管射頻加熱的豎直式冷壁高溫大功率碳化硅(SiC)外延材料制造裝置。
背景技術：
近年來由于科學技術的發展及軍事、航天、雷達通訊、石油鉆探、汽車工業等對耐高溫、大功率工作和抗輻照電子器件的大量需求，以碳化硅(SiC)為代表的寬帶隙半導體材料及其器件研究為人們所關注。碳化硅(SiC)是繼硅(Si)及砷化鎵(GaAs)傳統半導體之后出現的第三代半導體，具有禁帶寬(Si的3倍)、熱導率高(Si的3.3倍)、擊穿場強高(Si的10倍)、飽和電子漂移速率高(Si的2.5倍)、工作溫度高(400~600℃)、鍵合能高以及極好的物理及化學穩定性等許多優良特性，使其在高溫、大功率、抗輻照的器件應用方面有著得天獨厚的潛力和優勢。當前，國際上高溫、大功率、抗輻照的性能好的半導體器件大部分都是用碳化硅(SiC)材料制作的。正是因為碳化硅所具備的優良特性和碳化硅器件所展示的巨大應用潛力及在國防應用上具有的特殊地位，國際上非常注重碳化硅材料與器件的研究開發，許多西方政府和公司都正在投巨資從事碳化硅的研發工作。碳化硅的研究工作包括從碳化硅(SiC)單晶的制備、外延材料(包括同質外延與異質外延)的生長、特性表征，到碳化硅各種高溫、高頻、大功率器件的研發。其中碳化硅外延生長，是實現碳化硅器件的關鍵技術和瓶頸。要制備碳化硅器件，需要高質量的器件結構外延材料，如良好的表面形貌、厚度的有效控制、摻雜的有效控制、良好的厚度及摻雜均勻性等。在有效的幾種外延生長技術中，化學氣相沉積(CVD)技術已成為優質碳化硅(SiC)器件結構材料的關鍵生長技術，并使得碳化硅器件的研制工作取得突破性進展。所謂CVD技術，就是將化合物氣體如硅烷(SiH4)、乙烯(C2H4)和氫氣(H2)等反應氣體通入外延生長室內，在熱襯底表面上發生化學反應，并在襯底上淀積所希望的薄膜材料，如碳化硅(SiC)外延材料。

發明內容
本發明的目的是設計一種豎直式冷壁高溫大功率碳化硅(SiC)外延材料制造裝置，利用該裝置不但能夠實現碳化硅的大面積異質外延生長(非碳化硅(SiC)襯底材料包括單晶Si襯底、藍寶石襯底、硅-二氧化硅-表面硅(SOI)襯底、氧化鋅(ZnO)以及其它柔性襯底等)，而且也能夠實現碳化硅(SiC)襯底上的同質外延生長，并達到較高的碳化硅外延材料厚度及摻雜濃度均勻性。
為達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，包括雙層石英外延生長室、樣品交接室、樣品傳遞與支撐裝置、波紋管調節器、插板隔斷閥，其中，樣品傳遞與支撐架垂直設置，其上套設有波紋管調節器，樣品傳遞與支撐架的下部通過法蘭圈與波紋管調節器的下端口固接；波紋管調節器的上方又套設有樣品交接室，波紋管調節器的上端口與樣品交接室的下端口固接；樣品交接室的上方又套設有插板隔斷閥，樣品交接室的上端口與插板隔斷閥的下端口固接；插板隔斷閥的上方再套設有雙層石英外延生長室，插板隔斷閥的上端口與雙層石英外延生長室的下端口固接；樣品傳遞與支撐架的上部位于雙層石英外延生長室的容腔內，樣品傳遞與支撐架的頂端位于雙層石英外延生長室的容腔中心處；雙層石英外延生長室內有石墨感應加熱器，石墨感應加熱器水平設置，其下表面中心與樣品傳遞與支撐架的頂端相接；雙層石英外延生長室外周圓中部圍有一圈銅螺旋管加熱線圈，銅螺旋管加熱線圈與生長室外壁之間有一定間隙；其雙層石英外延生長室、插板隔斷閥、樣品交接室、波紋管調節器、以及樣品傳遞與支撐架上下依次連接在一條垂直軸線上；樣品傳遞與支撐架位于共同垂直軸線上。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述的樣品傳遞與支撐架，包括傳遞桿、磁套、傳遞桿真空外套、帶碳化硅涂層的小石墨棒、小石英管支架和小石英管支架固定器，其中，傳遞桿與磁套動連接，傳遞桿真空外套套于磁套外周面，其上端設有法蘭圈，可與位于它上面的波紋管調節器的下端口法蘭圈密封連接；帶碳化硅涂層的小石墨棒的上端是一個圓錐臺，圓錐臺與石墨感應加熱器連接，它的中段是一個圓柱體，它的下端也是一個圓柱體，下端圓柱體的直徑比中段圓柱體的直徑小，下端圓柱體插入圓筒狀小石英管支架的上端內筒內；小石英管支架的下端內筒套于傳遞桿上端的階梯軸桿上，下端外側面插入傳遞桿上端面的小石英管支架固定器，它們之間形成間隙配合；磁套與外設電機動連接；傳遞桿、小石墨棒、小石英管支架和小石英管支架固定器被密封在裝置構成的真空室內。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述雙層石英外延生長室，由直徑不同的兩個同軸心石英管組成，上端以法蘭盤密封，下端以法蘭圈與插板隔斷閥密封連接；下端法蘭圈側面設有進水管，上端法蘭盤側面設有出水管，進水管、出水管與兩個同軸心石英管構成的夾層空間相通；上端法蘭盤的中心位置設有進氣管，上端法蘭盤的內腔設有氣體緩沖分散器。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述氣體緩沖分散器，由兩部分組成，一個氣體緩沖分散板和一個帶缺口的圓環，用帶缺口的圓環將氣體緩沖分散板由下方固定在生長室的上端法蘭盤內；氣體緩沖分散板上有許多小孔，呈中心對稱分布，中間部分，位于進氣口的正下方沒有小孔。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述樣品交接室，為十字形圓筒狀，有四個帶發蘭圈的端口，其上端口與插板隔斷閥密封相連，下端口與波紋管調節器密封連接；兩側端口，其一側端口為進樣門，另一側端口接有抽氣管。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述波紋管調節器，其上、下端口的發蘭圈水平延伸有復數個支腳，支腳均勻分布，上設有孔，孔內固連有支柱；調節支柱兩端固緊裝置，以改變上、下端口發蘭圈的相對距離，來調節石墨感應加熱器在石英管生長室中的位置。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述雙層石英外延生長室的水冷結構，冷卻水是自下而上流動，反應氣體自上而下流動；在進氣口安裝有氣體緩沖分散器，消除了反應氣體的強湍流現象，并在外延生長室內形成平穩流動氣體。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述石墨感應加熱器，為一圓柱形塊體，其上端面有一凹槽，用來放置碳化硅襯底材料，下端面中心部有一個圓錐臺凹槽，圓錐臺凹槽小石墨棒上端面的圓錐凸臺形成緊密配合。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述小石英管支架固定器，為圓筒狀，圓筒狀內徑與小石英管支架的外徑適配，圓筒狀下端口側外緣有一圈水平突起，突起的外徑與垂直傳遞桿的外徑適配，在水平突起的平面上設有復數個固定孔，通過固緊裝置與傳遞桿固接；小石英管支架固定器的筒內壁與階梯軸桿的間隙，與小石英管支架的筒壁厚相適配。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其所述傳遞桿與磁套動連接，是磁套在電機驅動下，通過連動裝置使傳遞桿伸長或縮短，而將傳遞桿上小石墨棒上端的石墨感應加熱器送入雙層石英外延生長室或退回樣品交接室。
所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其還適用于多晶、非晶碳化硅薄膜材料的生長；采用不同的生長氣體，還可以生長其它不同的外延材料，如氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)；采用不同的襯底材料，還可適用于其它襯底上的碳化硅(SiC)異質外延生長。
本發明的碳化硅外延生長室是一水冷的雙層石英管腔室，波紋管調節器是用來調節石墨感應加熱器在雙層石英管外延生長室的中心位置；樣品交接室的一側是抽氣口，該抽氣口與抽氣設備(分子泵和機械泵)相連，與其相對的一側是樣品交接門；傳遞與支撐裝置具有兩種功能，一是支撐石墨感應加熱器，二是傳遞交接石墨感應加熱器上的碳化硅(SiC)樣品或襯底，采用直流電動機作為樣品傳遞交接裝置的動力。
其中所述的碳化硅樣品外延生長室由豎直的雙層石英管、多孔反應氣體緩沖分散器和銅螺旋管加熱線圈組成，雙層石英管中間是冷卻水，自下而上流動；多孔反應氣體緩沖分散器用不銹鋼材料制成，它位于生長室的頂部法蘭盤的內部，螺旋管加熱線圈位于雙層石英管外側的中間部位，其兩極與射頻電源的兩個輸出端相連。
樣品傳遞與支撐裝置由帶碳化硅涂層的石墨棒、石英管、石英管固定器和不銹鋼真空傳遞系統組成，真空傳遞系統的底端有一個旋轉磁套，通過旋轉磁套來帶動中心桿的上下移動，從而達到傳遞和交接碳化硅樣品或襯底的目的。
波紋管調節器是通過調整傳遞與支撐裝置來調節石墨感應加熱器與生長室石英壁的相對位置的，使其位于石英管外延生長室的軸中心位置。波紋管調節器由波紋管、法蘭和三根調節柱組成。波紋管的兩端是法蘭，三根調節柱等角分布于兩個法蘭外沿的三對螺紋座上。
實現本發明所采取的技術措施有以下幾個方面一是樣品生長室采用了水冷的雙層石英管，實現冷壁外延生長；通過使用內表面光滑的石英管，有效控制反應氣體的流動狀態及其與室壁的相互作用-粘滯性；二是在反應室進氣口加裝氣體緩沖分散器，以消除反應氣體從氣體管道進入生長室后而引起的氣體湍流，使氣體迅速進入平穩流動狀態；三是采用置于生長室外的螺旋管加熱方式，消除因內置螺旋管而帶來的雜質污染；四是利用波紋管調節器來調整石墨感應加熱器與石英壁的相對位置，使反應氣體在外延生長室內實現動態軸對稱分布。
本發明是一種氣體反應生長裝置，屬于CVD生長技術范疇，是為制造碳化硅(SiC)外延材料而專門設計，除了用于單晶SiC外延材料的生長之外，該裝置還適用于多晶、非晶碳化硅(SiC)薄膜材料的生長；采用不同的生長氣體，還可以生長其它不同的外延材料，如氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)等；另外，采用不同的襯底材料，還可適用于其它襯底上的碳化硅(SiC)異質外延生長。
本發明的特點是采用了豎直結構的水冷雙層石英生長室，具有軸對稱性，易于控制氣流狀態，加熱效率高，不發生輝光現象；另一個顯著特點是可擴展性強，通過增大石英管的直徑，可以外延生長尺寸更大或小尺寸多片的碳化硅(SiC)外延材料。


圖1是本發明豎直式高溫大功率碳化硅(SiC)外延材料制造裝置的主體示意圖；圖2是本發明豎直式水冷雙層石英管外延生長室示意圖；圖3是本發明碳化硅(SiC)外延生長反應氣體緩沖分散器示意圖；(a)多孔氣體緩沖分散板，(b)帶缺口的支撐環；圖4是本發明樣品傳遞與支撐裝置示意圖；圖5是本發明樣品傳遞與支撐裝置上端有碳化硅(SiC)涂層的石墨棒支撐桿結構示意圖；圖6是本發明樣品傳遞與支撐裝置上的小石英管示意圖；圖7是樣品傳遞與支撐裝置上端面的階梯軸桿示意圖；圖8是樣品垂直傳遞與支撐裝置上用到的小石英管固定器示意圖；(a)是側視圖，(b)是俯視圖；圖9是本發明樣品交接室示意圖；圖10是本發明波紋管調節器示意圖；(a)是側視圖，(b)是俯視圖；
圖11是本發明有碳化硅(SiC)涂層的石墨感應加熱器示意圖；(a)是俯視圖，(b)是側視剖面圖；圖12是本發明銅螺旋管射頻加熱線圈示意圖。
具體實施例方式
圖1是直立式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置的主體示意圖。該裝置是一高真空系統，由不銹鋼和石英材料制造而成。如圖1所示，整個裝置由雙層石英外延生長室1、樣品傳遞與支撐架2、石墨感應加熱器3、波紋管調節器4、樣品交接室5、銅螺旋管加熱線圈6和插板隔斷閥7等部分組成，其中，樣品傳遞與支撐架2垂直設置，其上套設有波紋管調節器4，樣品傳遞與支撐架2的下部通過法蘭圈與波紋管調節器4的下端口固接。波紋管調節器4的上方又套設有樣品交接室5，波紋管調節器4的上端口與樣品交接室5的下端口固接；樣品交接室5的上方又套設有插板隔斷閥7，樣品交接室5的上端口與插板隔斷閥7的下端口固接；插板隔斷閥7的上方再套設有雙層石英外延生長室1，插板隔斷閥7的上端口與雙層石英外延生長室1的下端口固接；樣品傳遞與支撐架2的上部位于雙層石英外延生長室1的容腔內，樣品傳遞與支撐架2的頂端位于雙層石英外延生長室1的容腔中心處。雙層石英外延生長室1內有石墨感應加熱器3，石墨感應加熱器3水平設置，其下表面中心與樣品傳遞與支撐架2的頂端相接。雙層石英外延生長室1外周圓中部圍有一圈銅螺旋管加熱線圈6，銅螺旋管加熱線圈6與生長室1外壁之間有一定間隙，其兩端與射頻電源的兩個輸出端相連。
雙層石英外延生長室1、插板隔斷閥7、樣品交接室5、波紋管調節器4、以及樣品傳遞與支撐架2上下依次連接在一條垂直軸線上。樣品傳遞與支撐架2位于共同垂直軸線上。
雙層石英外延生長室1的上、下端側面設有出、進水管，頂部中心處接有進氣管。
樣品交接室5的一側端口為進樣門，另一側端口接有抽氣管。
下面再進一步對各個部分的結構及作用作以下描述。
石英外延生長室1是一高真空腔室，在此進行碳化硅(SiC)外延材料的生長。如圖2所示，石英外延生長室1由直徑不同的兩個同軸心石英管組成，上下兩端分別與兩個不銹鋼法蘭盤密封連接，其中外石英管是水密封，內石英管是氣密封。冷卻水由位于下法蘭盤上的進水口14進入兩石英管的中間空間，由上出水口15流出，流動方向是自下而上。生長室1的底端接口與插板隔斷閥7連接。反應氣體的進氣口16位于生長室頂部法蘭盤的中心位置，外延生長碳化硅(SiC)材料時，反應氣體在內石英管中的流動方向是自上而下。為了使反應氣體進入內石英管后盡快達到平穩流動狀態，在上法蘭盤的內部安裝了氣體緩沖分散器12，其結構如圖3所示，圖中，(a)是多孔氣體緩沖分散板，(b)是帶缺口的支撐環。氣體緩沖分散器12有兩部分組成，即一個不銹鋼的氣體緩沖分散板121和一個帶缺口124的不銹鋼圓環123，用帶缺口的圓環123將氣體緩沖分散板121由下方固定在生長室1的上法蘭盤內。不銹鋼氣體緩沖分散板121上有許多小孔122，呈現中心對稱分布；在氣體緩沖分散板121的中間部位沒有小孔，該部位位于進氣口16的正下方。由于進氣管道的直徑很小，當反應氣體進入石英生長室1后，因與石英管的直徑相差太大，氣體會出現強烈的湍流現象。當安裝上氣體緩沖分散器12后，氣體沖擊到不銹鋼氣體緩沖分散板121中間無孔的部位上，然后通過不銹鋼氣體緩沖分散板121上的小孔122均勻進入石英管外延生長室1內。
樣品傳遞與支撐裝置2的結構如圖4所示，它是用來傳遞樣品或襯底的，它由傳遞桿21、磁套25、傳遞桿真空外套26、帶碳化硅涂層的小石墨棒22、小石英管支架23和小石英管支架固定器24構成。傳遞桿21與磁套25動連接，可以是傳遞桿21下部螺桿與磁套25內腔壁羅紋相配，轉動磁套25可以帶動傳遞桿21上下移動，如生長前將襯底移動到生長室1內，生長結束后將樣品送回交接室5，從而達到實現傳遞樣品或襯底的目的。磁套25與外設電機動連接。傳遞桿真空外套26套于磁套25外周面，其上端設有法蘭圈27，可與位于它上面的波紋管調節器4的下端口法蘭圈密封連接。帶碳化硅涂層的小石墨棒22、小石英管支架23、垂直傳遞桿21和小石英管支架固定器24的結構分別示于圖5、圖6、圖7和圖8中。圖5是帶碳化硅涂層的小石墨棒22的結構示意圖，它的上端是一個圓錐臺223，圓錐臺223是用來穩定支撐石墨感應加熱器3的，它的中段221是一個圓柱體，它的下端222也是一個圓柱體，下端222的直徑比中段221的直徑小，下端222與圖6中的小石英管支架23的內經相當，并可將小石墨棒22的下端222放置在小石英管支架23內。石英管支架23的下端插在圖7所示的傳遞桿21上端的階梯軸桿211上，它們之間形成間隙配合。小石墨棒22通過石英管支架23間接與傳遞桿21連接，目的是利用石英的低熱導率特性，減小通過垂直傳遞桿的熱傳導，因而減小熱量損失。為了更好的固定小石英管支架23，在傳遞桿21上端面安裝了一個小石英管支架固定器24，其結構如圖8所示，其中，(a)是側視圖，(b)是俯視圖。小石英管支架固定器24為圓筒狀，圓筒狀內徑242與小石英管支架23的外徑適配，圓筒狀下端口側外緣有一圈水平突起，突起的外徑與垂直傳遞桿21的外徑適配，在水平突起的平面上設有復數個固定孔241，通過固緊裝置與傳遞桿21固接。小石英管支架固定器24的筒內壁與階梯軸桿211的間隙，與小石英管支架23的筒壁厚相適配。石墨棒22、石英管支架23、垂直傳遞桿21、階梯軸桿211和小石英管支架固定器24的具體安裝位置參見圖1。傳遞桿21、小石墨棒22、小石英管支架23和小石英管支架固定器24被密封在本發明裝置構成的真空室內。
圖9是本發明樣品交接室5的結構示意圖，裝載襯底和交接樣品在這里完成。樣品交接室5為十字形圓筒狀，有四個帶發蘭圈的端口，其上端口53與插板隔斷閥7密封相連，下端口54與波紋管調節器4密封連接；兩側端口，一為進樣門52，一為抽氣口55。
圖10是波紋管調節器4的結構示意圖。其中，(a)是側視圖，(b)是俯視圖。利用波紋管一定的扭曲量，通過調節等角分布的三根支柱42來實現調節功能，以達到調節感應加熱器3位置的目的。波紋管調節器4的上端口41與樣品交接室5的下端口54密封連接，下端口46與傳遞與支撐裝置2上的端口法蘭圈27連接。
圖11是有碳化硅涂層的圓形石墨感應加熱器3的結構示意圖，其中，(a)是俯視圖，(b)是側視剖面圖。石墨感應加熱器3為一圓柱形塊體，是用高純石墨制成，由于石墨質地松軟，體內常常含有雜質和微孔，為了防止污染，在周圍表面覆蓋了一層厚度約1毫米的碳化硅材料。它的上端面有一個深0.5毫米的凹槽31，用來放置碳化硅(SiC)襯底材料，如硅(Si)晶圓片等。它的下端面中心部有一個圓錐臺凹槽32，它與圖5所示的小石墨棒22的上端面的圓錐凸臺223形成緊密配合。
圖12是銅螺旋管加熱線圈6的結構示意圖。銅螺旋管加熱線圈6是由中空的銅管制成。銅管的兩端分別與高頻感應加熱電源的兩個次級線圈輸出端相連。加熱時，銅管內通自來水冷卻，它置于水冷雙層石英管生長室1的外側中間位置，并與石英管生長室1有一定的間隙。
本發明的工藝流程(1)對襯底材料進行化學清洗；(2)襯底準備工作結束后，用電機帶動旋轉瓷套25將石墨感應加熱器3置于樣品交接室5內，打開樣品交接室5的進樣門52，將襯底材料放置在石墨感應加熱器3的樣品槽31內，關閉進樣門52；用機械泵和分子泵由抽氣口55將交接室5抽至真空，對襯底材料進行必要的除氣、去濕工作；(3)當真空度達到要求后，打開插板隔斷閥7的閥門，用電機帶動旋轉瓷套25將裝有襯底的石墨感應加熱器3送至樣品生長室1；(4)按照碳化硅(SiC)的生長技術要求，選擇合適的生長溫度、壓力，由進氣口16通入所要求的反應氣體和載氣，根據碳化硅(SiC)外延生長步驟進行碳化硅(SiC)的外延生長工作；(5)碳化硅(SiC)外延生長工作結束后，用電機帶動反向旋轉瓷套25，通過傳遞桿21將石墨感應加熱器3和其中生長的碳化硅(SiC)樣品退回至樣品交接室5，關閉插板隔斷閥7閥門，使生長室1保持真空狀態；(6)將樣品交接室5充氮氣(N2)至大氣壓力后，打開進樣門52，取出樣品；(7)不工作時，關閉樣品交接室5，打開插板隔斷閥7閥門，繼續由抽氣口55抽氣，使整個系統維持在真空狀態。
本發明公布了一種豎直式高溫大功率碳化硅(SiC)外延材料制造裝置。該發明為一高真空系統，即可以在低壓力下工作，也可以在常壓下工作。本發明所采用的技術措施是采用軸中心對稱的豎直式結構；因碳化硅的外延生長溫度較高(最高可達1650℃)，為避免不必要的雜質污染，銅螺旋管加熱器置于石英管生長室的外側，即大氣中；在進氣口處安裝氣體緩沖分散器，減小因進氣管道直徑與石英管生長室直徑相差太大而引起的強烈湍流現象，并在生長室內形成平穩流動氣體；采用進樣室與生長室隔離的技術方案；采用了波紋管調節器，從技術上保證了石墨感應加熱器處于生長室的軸中心位置。本發明的特點是采用了豎直結構的水冷雙層石英生長室，具有軸對稱性，易于控制氣流狀態，加熱效率高，不發生輝光現象；可擴展性強，通過增大石英管的直徑，可以外延生長尺寸更大或小尺寸多片的碳化硅(SiC)外延材料，更具有經濟性。
權利要求
1.一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，包括雙層石英外延生長室、樣品交接室、樣品傳遞與支撐裝置、波紋管調節器、插板隔斷閥，其中，樣品傳遞與支撐架垂直設置，其上套設有波紋管調節器，樣品傳遞與支撐架的下部通過法蘭圈與波紋管調節器的下端口固接；波紋管調節器的上方又套設有樣品交接室，波紋管調節器的上端口與樣品交接室的下端口固接；樣品交接室的上方又套設有插板隔斷閥，樣品交接室的上端口與插板隔斷閥的下端口固接；插板隔斷閥的上方再套設有雙層石英外延生長室，插板隔斷閥的上端口與雙層石英外延生長室的下端口固接；樣品傳遞與支撐架的上部位于雙層石英外延生長室的容腔內，樣品傳遞與支撐架的頂端位于雙層石英外延生長室的容腔中心處；雙層石英外延生長室內有石墨感應加熱器，石墨感應加熱器水平設置，其下表面中心與樣品傳遞與支撐架的頂端相接；雙層石英外延生長室外周圓中部圍有一銅螺旋管加熱線圈，銅螺旋管加熱線圈與生長室外壁之間有一定間隙；其特征在于雙層石英外延生長室、插板隔斷閥、樣品交接室、波紋管調節器、以及樣品傳遞與支撐架上下依次連接在一條垂直軸線上；樣品傳遞與支撐架位于共同垂直軸線上。
2.根據權利要求1所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述的樣品傳遞與支撐架，包括傳遞桿、磁套、傳遞桿真空外套、帶碳化硅涂層的小石墨棒、小石英管支架和小石英管支架固定器，其中，傳遞桿與磁套動連接，傳遞桿真空外套套于磁套外周面，其上端設有法蘭圈，可與位于它上面的波紋管調節器的下端口法蘭圈密封連接；帶碳化硅涂層的小石墨棒的上端是一個圓錐臺，圓錐臺與石墨感應加熱器連接，它的中段是一個圓柱體，它的下端也是一個圓柱體，下端圓柱體的直徑比中段圓柱體的直徑小，下端圓柱體插入圓筒狀小石英管支架的上端內筒內；小石英管支架的下端內筒套于傳遞桿上端的階梯軸桿上，下端外側面插入傳遞桿上端面的小石英管支架固定器，它們之間形成間隙配合；磁套與外設電機動連接；傳遞桿、小石墨棒、小石英管支架和小石英管支架固定器被密封在裝置構成的真空室內。
3.根據權利要求1所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述雙層石英外延生長室，由直徑不同的兩個同軸心石英管組成，上端以法蘭盤密封，下端以法蘭圈與插板隔斷閥密封連接；下端法蘭圈側面設有進水管，上端法蘭盤側面設有出水管，進水管、出水管與兩個同軸心石英管構成的夾層空間相通；上端法蘭盤的中心位置設有進氣管，上端法蘭盤的內腔設有氣體緩沖分散器。
4.根據權利要求3所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述氣體緩沖分散器，由兩部分組成，一個氣體緩沖分散板和一個帶缺口的圓環，用帶缺口的圓環將氣體緩沖分散板由下方固定在生長室的上端法蘭盤內；氣體緩沖分散板上有許多小孔，呈中心對稱分布，中間部分，位于進氣口的正下方沒有小孔。
5.根據權利要求1所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述樣品交接室，為十字形圓筒狀，有四個帶發蘭圈的端口，其上端口與插板隔斷閥密封相連，下端口與波紋管調節器密封連接；兩側端口，其一側端口為進樣門，另一側端口接有抽氣管。
6.根據權利要求1所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述波紋管調節器，其上、下端口的發蘭圈水平延伸有復數個支腳，支腳均勻分布，上設有孔，孔內固連有支柱；調節支柱兩端固緊裝置，以改變上、下端口發蘭圈的相對距離，來調節石墨感應加熱器在石英管生長室中的位置。
7.根據權利要求3或4所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述雙層石英外延生長室的水冷結構，冷卻水是自下而上流動，反應氣體自上而下流動；在進氣口安裝有氣體緩沖分散器，消除了反應氣體的強湍流現象，并在外延生長室內形成平穩流動氣體。
8.根據權利要求1所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述石墨感應加熱器，為一圓柱形塊體，其上端面有一凹槽，用來放置碳化硅襯底材料，下端面中心部有一個圓錐臺凹槽，圓錐臺凹槽與小石墨棒上端面的圓錐凸臺形成緊密配合。
9.根據權利要求2所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述小石英管支架固定器，為圓筒狀，圓筒狀內徑與小石英管支架的外徑適配，圓筒狀下端口側外緣有一圈水平突起，突起的外徑與垂直傳遞桿的外徑適配，在水平突起的平面上設有復數個固定孔，通過固緊裝置與傳遞桿固接；小石英管支架固定器的筒內壁與階梯軸桿的間隙，與小石英管支架的筒壁厚相適配。
10.根據權利要求2所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于所述傳遞桿與磁套動連接，是磁套在電機驅動下，通過連動裝置使傳遞桿伸長或縮短，而將傳遞桿上小石墨棒上端的石墨感應加熱器送入雙層石英外延生長室或退回樣品交接室。
11.根據權利要求1所述的一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，其特征在于還適用于多晶、非晶碳化硅薄膜材料的生長；采用不同的生長氣體，還可以生長其它不同的外延材料，如氮化鋁、氮化鎵、氧化鋅；采用不同的襯底材料，還可適用于其它襯底上的碳化硅異質外延生長。
全文摘要
一種豎直式高溫大功率碳化硅外延材料制造裝置，特別涉及一種基于銅螺旋管射頻加熱的豎直式冷壁高溫大功率碳化硅(SiC)外延材料制造裝置。該裝置，包括雙層石英外延生長室、樣品交接室、樣品傳遞與支撐裝置、波紋管調節器、插板隔斷閥，其雙層石英外延生長室、插板隔斷閥、樣品交接室、波紋管調節器、以及樣品傳遞與支撐架上下依次連接在一條垂直軸線上；樣品傳遞與支撐架位于共同垂直軸線上。本發明采用了豎直結構的水冷雙層石英生長室，具有軸對稱性，易于控制氣流狀態，加熱效率高，不發生輝光現象；且可擴展性強，通過增大石英管的直徑，可以外延生長尺寸更大或小尺寸多片的碳化硅(SiC)外延材料。
文檔編號C04B35/565GK1718559SQ200410069190
公開日2006年1月11日 申請日期2004年7月7日 優先權日2004年7月7日
發明者孫國勝, 王雷, 趙萬順, 曾一平, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所