專利名稱：一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體薄膜材料制造裝置，特別涉及一種基于平面式射頻加熱超高真空的新型高溫碳化硅(SiC)半導體材料制造裝置。
SiC材料具有禁帶寬、熱導率高、臨界擊穿電場強、飽和電子漂移速率高等特點，其綜合性能遠遠優于常規的半導體材料Si和GaAs等。由于優異的物理及電子特性，SiC是制造高頻、大功率、耐高溫、抗輻照、蘭色及紫外發光器件和探測器件的優選材料。雖然SiC體單晶技術得到快速發展，但要制備SiC器件，需要的是高質量的外延材料。SiC外延材料現有的制造技術有化學氣相沉積(CVD)技術及分子束外延(MBE)技術，它們已成為SiC材料多層n型SiC和p型SiC器件結構生長的關鍵生長技術，使得SiC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Si2H6、C2H4和H2等反應氣體通入反應室內，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SiC。CVD技術是制備SiC晶體薄膜材料和器件的主要方法，相對SiC體單晶生長工藝(生長溫度在2200-2800℃范圍內)而言，CVD技術要求生長溫度較低，一般在1300-1600℃，薄膜的均勻性高，過程較易控制。CVD有三種典型的生長設備，一是冷壁水平式常壓反應系統；二是熱壁水平式常壓CVD生長裝置；三是冷壁垂直式低壓CVD生長裝置。一般情況下，由于CVD系統采用的是管狀式石英腔室，反應壓力較高(一般在常壓下工作)，并且調節范圍窄，因此CVD系統常常不配備原位檢測系統。MBE生長技術按源來分有兩種類型，一是固態源，二是氣態源。其特點是生長環境潔凈，可以進行原子層外延生長和原位監測，便于研究生長過程中原子的吸附，脫附和生長表面的再構，進行SiC多晶型體的異質結及超晶格的生長，有利于抑制自摻雜等。與CVD生長技術相比，MBE生長溫度更低，但其生長速率較低，如固態源MBE的生長速率為0.3μm/h，氣態源MBE的生長速率為10nm/h。由于生長速率慢，對于SiC器件材料，尤其是功率器件材料的制備而言，要想使其離開實驗室，進入實用化生產，尚有許多工作要做。
本發明的目的是設計一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置，其是兼有高生長速率和原位及實時監測的新型SiC寬帶隙材料的高真空制造裝置，不但能夠克服上述現有CVD和MBE制造技術中存在的技術缺陷，而且能夠滿足SiC器件，尤其是功率器件對材料的要求。
本發明一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置，其特征在于包括前級進樣室、樣品傳遞裝置、樣品生長裝置、插板閥和抽氣設備；其中樣品傳遞裝置、前級進樣室、插板閥和樣品生長裝置通過標準CF或標準VCR依序連接密封在一直線上；前級進樣室和樣品生長裝置的下方連接有一抽氣設備；樣品生長裝置上加裝有RHEED原位觀察系統、直流電動機作為動力的襯底轉動裝置、平面式射頻加熱裝置和三種反應氣體進氣方式渦流式進氣方式、中間式進氣方式和平流式進氣方式。
其中所述的樣品生長裝置包括樣品生長裝置包括生長室、進氣裝置、加熱裝置、襯底旋轉裝置、高能電子衍射(RHEED)監測系統、和液氮冷卻裝置組成，其中樣品生長室是一個水平放置的圓柱形超高真空腔體；進氣裝置由多路進氣管道構成，它位于生長室的上方；加熱裝置是一感應式銅加熱裝置，其兩極與射頻電源的兩個輸出端相連，其中銅加熱裝置與生長室之間的絕緣是通過陶瓷過度完成的；RHEED監控系統安裝在銅加熱裝置的上端；液氮冷卻裝置是一中空的不銹鋼件，外形與生長室相同，它位于整個生長室的內側，起到冷壁的作用。
其中在銅加熱裝置的上方是石墨板，它位于圓柱形生長室的中心偏下的位置，石墨板放置在鉬金屬托架上，鉬金屬托架依次通過支撐桿、從動齒輪和不銹鋼帽架及支架與生長室底部的大法蘭盤固定在一起。
其中所述的RHEED監控系統由高能電子槍和熒光屏組成，高能電子槍安裝在圓柱形生長室側面的一個窗口上，熒光屏安裝在另一個側面的窗口上，兩者之間的水平連線與圓柱的軸線相交，交點的下方就是樣品襯底所處的位置，即高能電子槍、樣品襯底(或石墨板)和熒光屏在一個垂直平面上，由高能電子槍射出的電子束入射到樣品襯底表面，反射后打在熒光屏上；電子束的方向與水平線之間的夾角為1-2°。
實現本發明所采取的技術措施有以下幾個方面一是在樣品生長裝置上加裝RHEED系統。RHEED是生長過程中的重要原位觀察手段，主要用于觀察樣品表面的清潔度，表面平整度及表面的結構等，以實現生長過程中的原位監測目的，便于確定合適的生長條件。二是加裝襯底的轉動裝置。采用直流電動機作為動力，來驅動轉動裝置，直流電機與主動齒輪相連接，從動齒輪帶動襯底托架以一定的轉速轉動，達到均勻加熱樣品的目的，以確保樣品生長的均勻性。三是采用平面式加熱器，達到薄片襯底易被加熱和溫度均勻的目的。四是反應氣體的壓力可調，其調節范圍在10-7乇到1000乇內，以達到高真空、低壓和常壓生長工藝要求。五是反應氣體進氣方式可調。該發明的進氣嘴可以在90°的范圍內變動，通過調整進氣嘴與襯底之間的相互關系，在樣品生長室內實現渦流式進氣方式、中間式進氣方式和平流式進氣方式等三種進氣方式。
本發明采用的是氣源作為反應氣體，是為制造SiC單晶薄膜材料而設計的，也可適用于多晶和非晶SiC薄膜材料的制備，以及其它用氣源的半導體材料如鍺硅合金(GeSi)、氮化鎵(GaN)等的制備。
本發明的特點是靈活、多用、調節范圍寬、易于控制，與現有生長技術相比，兼有生長速率高和原位及實時監測雙重優點。
為了進一步說明本發明的結構和特征，結合附圖對本發明做進一步的描述，其中

圖1是本發明SiC生長裝置整體示意圖。
圖2是本發明反射式高能電子衍射(RHEED)示意圖。
圖3是本發明襯底旋轉裝置示意圖。
圖4是本發明平面螺旋式加熱器的剖面圖。
圖5是本發明樣品用石墨板示意圖。
圖6是本發明石墨板與鉬金屬框架之間的位置關系。
圖7是本發明鉬金屬托架結構示意圖。
圖8是本發明三種不同方式(渦流式，中間式，和平流式)的進氣裝置示意圖。
圖1給出的是碳化硅(SiC)生長裝置整體示意圖。該生長裝置是一超高真空系統，由不銹鋼材料制造而成。如圖1所示，整個裝置是由前級進樣室1、插板閥2、樣品傳遞裝置3、抽氣設備4和樣品生長裝置5等五部分組成(其中前級進樣室1、插板閥2、樣品傳遞裝置3、抽氣設備4均為已有技術，在此對其具體結構不詳細描述)，其中樣品傳遞裝置3、前級進樣室1、插板閥2和樣品生長裝置5通過標準CF或標準VCR依序連接密封在一直線上；前級進樣室1和樣品生長裝置5的下方連接有一抽氣設備4。其中抽氣設備4主要由分子泵、離子泵、機械泵和干泵等構成(為已有技術)，這里沒有給出具體的結構，在以下的描述中，將具體給出其連接方式。
前級進樣室1也是一高真空室，其作用是除氣、去濕、存放待生長的襯底片和已生長的樣品等。內部有一個樣品存放架，同時可存放六個樣品或樣品襯底，樣品架的外部傳動部件12及其中的手動轉輪11位于進樣室的上方，用手動轉輪11可以調整樣品在進樣室內的垂直位置；撥叉13位于進樣室側面，可以用撥叉13將樣品從樣品存放架上取下放置在位于前級進樣室1內傳遞裝置上，或將樣品從傳遞裝置上取下放置在樣品存放架上。前級進樣室1通過CF連接分別與插板閥2和樣品傳遞裝置3密封。前級進樣室1的下端是抽氣口14，通過CF連接分別與分子泵和離子泵密封。
樣品傳遞裝置3是用來在前級進樣室1和樣品生長室51之間傳遞樣品或樣品襯底用的，由支撐架31、磁套32、傳遞桿外套33、支架34和內部的傳遞桿構成，它與前級進樣室1通過CF連接進行密封。支撐架31起到支撐的作用，傳遞裝置的傳遞桿位于傳遞桿外套33的內部，滑動磁套32可以帶動內部的傳遞桿移動，內部傳遞桿的一端位于前級進樣室內1，端面有一個槽位，可以放置樣品襯底，通過滑動磁套32達到傳遞樣品或襯底的目的。
樣品生長室51是一水平放置的圓柱形不銹鋼腔室，它包括進氣裝置500、液氮冷卻裝置61、加熱裝置58、襯底旋轉裝置59、和高能電子衍射監測(RHEED)系統60組成。冷卻裝置61是一個不銹鋼液氮冷套，位于圓拄形不銹鋼生長室51內側，形成冷壁式系統，通過密封墊圈與不銹鋼生長室51連接，液氮冷卻裝置61的液氮進口55和出口54分別位于樣品生長室51的兩個端面。樣品生長室51通過CF連接與插板閥2密封，生長室的主抽氣通道56通過CF連接與分子泵密封，生長室51的另一抽氣通道57通過另一種標準(VCR)與干泵密封連接，在生長室和干泵之間有一個手動閥門(圖中未示)，反應氣壓是通過調節干泵前的手動閥門來控制的。在生長室51的徑向還有另一個抽氣通道(圖中未示)，它與抽氣通道56垂直，該抽氣通道通過CF連接與離子泵密封。
如圖1所示，在樣品生長室51的上方裝有進氣裝置500，該進氣裝置500包括三路進氣通道522，用戶可以根據具體的生長材料來確定進氣路數，可隨時增加或減少；與之相連的是幾種反應氣體的混合室521，最后是反應氣體的進氣通路523，它位于生長室51內。在混合室521混合后的反應氣體，經進氣通路523進入生長室51，并入射到樣品襯底65表面。撥叉531位于生長室51的圓柱形端面中心，當襯底送入生長室51后，可用撥叉531將樣品放置在石墨感應加熱裝置58上。觀察窗53同樣位于生長室51的圓柱形端面上，它比撥叉531的位置稍高，并與圓柱形端面的法線方向有一個夾角，生長時可以通過觀察窗53觀察樣品生長情況，另外也可作為測溫窗口使用。
真空計511位于生長室51的上方，通過CF標準連接與生長室51密封。
中空的銅加熱裝置58，襯底旋轉裝置59，固定在生長室51底部的大法蘭盤50上，銅加熱裝置58位于襯底旋轉裝置59的內部，有關銅加熱裝置58和襯底旋轉裝置59的具體結構及其與法蘭盤的連接方式祥見圖3和圖4的說明。
圖2是反射式高能電子衍射(RHEED)示意圖。RHEED采用能量為30KeV電子束掠角入射到樣品表面，電子束在樣品中的穿透深度僅為幾個原子層。圖2中，電子槍63安裝在生長室51側面的一個窗口中心，觀察孔62安裝在另一邊與電子槍63窗口水平對稱的位置上，這兩個窗口的連線通過樣品生長室51的水平中心位置。樣品襯底的位置非常重要，它位于樣品生長室水平中心位置下方2-3厘米處。由于樣品襯底65的位置低于生長室51的中心位置，由電子槍射出的電子束經樣品襯底反射后，投影在觀察孔62內置的熒光屏上，以便觀察衍射圖樣。電子束的入射方向與襯底65的表面形成1-2°的夾角，電子束入射在樣品或襯底65表面上的位置可以通過30kV高能電源上的偏轉調節來完成。
圖3是襯底旋轉裝置示意圖。整個樣品襯底托架固定在與從動齒輪594連接的不銹鋼帽架595上，從動齒輪594轉動時，帶動樣品襯底托架轉動，從而實現樣品襯底65的轉動。從動齒輪594下方的不銹鋼支架596是固定的，該不銹鋼支架與大法蘭50連接。在襯底旋轉裝置中，直流電機591是動力核心，直流電機591帶動主動齒輪593旋轉，主動齒輪593旋轉帶動從動齒輪594旋轉。直流電機591與主動齒輪593之間是通過磁力傳動系統592連接的，因此可保證傳動部分與生長室51的密封。主動齒輪593與從動齒輪594的齒數比為3，直流電機591的轉速可以通過調整電壓來控制。主動齒輪593以一定的轉速轉動，達到均勻加熱樣品的目的。本發明所設計的樣品襯底65轉速為10-30轉/分。加熱裝置中的感應式銅加熱裝置58位于旋轉裝置的內部，銅加熱裝置的平面與樣品襯底65平行，其兩極與射頻電源的兩個輸出端相連，其中銅加熱裝置與生長室之間的絕緣是通過陶瓷過度完成的，詳細結構參見圖4。樣品襯底65放置在石墨感應加熱器上，而石墨感應加熱器位置由鉬金屬托架81固定，鉬金屬托架81依次通過支撐桿597、從動齒輪594和不銹鋼帽架595及支架596與生長室底部的大法蘭盤50固定在一起，其中金屬支架596與大法蘭盤50通過CF連接進行密封。
圖4是平面螺旋式銅加熱裝置58的剖面圖，它位于旋轉裝置59的內部，銅加熱裝置58的平面與樣品襯底65平行。銅加熱裝置58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。一個關鍵的技術是銅管與生長室的密封問題，在此我們采用了瓷套轉接連接方式，即將銅管58與瓷套585的一端用金屬584焊接在一起，瓷套的另一端與生長室上的一個不銹鋼件587用金屬586焊接在一起。不銹鋼件587與生長室底部的大法蘭盤50通過墊圈密封。
圖5是放樣品的圓形石墨板示意圖。該石墨板71由純石墨制成。由于石墨板質地松軟，體內常常含有雜質，為了防止石墨污染真空系統和樣品，我們用一層致密的氮化硼(BN)材料覆蓋在石墨板表面上。石墨板上有一個凸臺712，為了傳遞方便，將其固定在一個圓形的鉬金屬框架641上，詳細結構參見圖6。
圖6a給出了石墨板71、樣品65與鉬金屬框架641之間的位置關系，圖6b給出了圖6a的剖面圖。鉬金屬框架641的內側有一個凹槽，凹槽的直徑與石墨板的直徑相同。鉬金屬框架641的內徑與石墨板凸臺部分712的直徑相同，以便緊密固定。鉬金屬框架上有兩個通孔642，供撥叉使用。另外還有兩個半圓形缺口，它們是在前級進樣室和樣品生長室作位置固定用的。兩個半圓形缺口和兩個通孔的位置在角度上相差90°。
圖7是鉬金屬馬蹄鐵形托架結構示意圖。鉬金屬托架81是來放置圖6所示的石墨板的，托架上有一個缺口84，它是為了交接樣品時設計的。在托架的內側有一個凹槽84，在放置樣品時，可以避免樣品滑動脫落。為了使溫度均勻，我們在馬蹄形缺口的對稱位置和與其連線的垂直位置上開了另外三個同等寬度的缺口。鉬金屬托架的四個通孔82是用來固定支撐桿597的，通過支撐桿597和金屬帽架595與從動齒輪594連接在一起。
圖8是三種不同方式(渦流式，中間式，和平流式)的進氣裝置示意圖。進氣嘴固定托架92與生長室容器壁91通過CF連接密封，進氣嘴93與94分別采用不銹鋼材料和氮化硼材料制作，進氣嘴97和98采用紫銅管來制作。圖8a中，氣流方向與樣品襯底表面垂直，形成渦流式進氣方式；圖8b中，氣流方向與樣品襯底表面有一夾角，形成中間式進氣方式；圖8c中，氣流方向與樣品襯底表面平行，形成平流式進氣方式。在生長樣品時，可以根據具體的生長材料和反應機理，來確定進氣方式。
本發明的工作過程是在進行SiC生長之前，將插板閥2和前級進樣室1的離子泵關閉，用高純氮氣沖入前級進樣室1至大氣壓，打開操作門將處理好的襯底片放入前級進樣室1內的樣品存放架上，關閉操作門。用機械泵和分子泵將前級進樣室1抽成真空，進行必要的除氣、去濕工作，隨后用撥叉將襯底放在傳遞桿上，打開插板閥2，滑動磁套32將襯底片傳入生長室，用撥叉531將襯底放置在石墨板上加熱，退回傳遞桿，關上插板閥2。為了觀察樣品表面的狀態，可以用RHEED技術來完成。按照生長技術所要求的溫度、壓力，由進氣通道522通入所要求的反應氣體，以進行SiC的生長工作。
本發明公布了一種基于平面式射頻加熱超高真空的新型高溫SiC半導體材料制造裝置。該發明為一超高真空系統，工作氣壓可以在10-7乇到1000乇內調節。所采用的技術措施是在超高真空系統上，加裝反射式高能電子衍射系統，采用射頻(RF)加熱方式，加熱線圈為平面式，加熱器為石墨及氮化硼覆蓋式石墨板或金屬鉬板；襯底配備有旋轉裝置，以提高SiC材料的均勻性。通過調整進氣與襯底之間的關系，在反應室內可以形成渦流式、中間式和平流式三種進氣方式。本發明的特點是靈活、多用、調節范圍寬、易于控制，兼有生長速率高和原位及實時監測的雙重特點。
權利要求
1.一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置，包括前級進樣室、樣品傳遞裝置、樣品生長裝置、插板閥和抽氣設備；其特征在于其中樣品傳遞裝置、前級進樣室、插板閥和樣品生長裝置通過標準CF或標準VCR依序連接密封在一直線上；前級進樣室和樣品生長裝置的下方連接有一抽氣設備。
2.根據權利要求1所述的一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置，其中所述的樣品生長裝置包括樣品生長裝置包括生長室、進氣裝置、加熱裝置、襯底旋轉裝置、高能電子衍射監測系統、和液氮冷卻裝置組成，其特征在于，其中樣品生長室是一個水平放置的圓柱形超高真空腔體；進氣裝置由多路進氣管道構成，它位于生長室的上方，在樣品生長室內有三種進氣方式即渦流式進氣方式、中間式進氣方式和平流式進氣方式；加熱裝置是一感應式銅加熱裝置，其兩極與射頻電源的兩個輸出端相連，其中銅加熱裝置與生長室之間的絕緣是通過陶瓷過度完成的；高能電子衍射監測系統安裝在銅加熱裝置的上端；液氮冷卻裝置是一中空的不銹鋼件，外形與生長室相同，它位于整個生長室的內側，起到冷壁的作用。
3.根據權利要求1或2所述的一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置，其特征在于，其中在銅加熱裝置的上方是石墨板，它位于圓柱形生長室的中心偏下的位置，石墨板放置在鉬金屬托架上，鉬金屬托架依次通過支撐桿、從動齒輪和不銹鋼帽架及支架與生長室底部的大法蘭盤固定在一起。
4.根據權利要求1或2所述的一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置，其特征在于，其中所述的高能電子衍射監測系統由高能電子槍和熒光屏組成，高能電子槍安裝在圓柱形生長室側面的一個窗口上，熒光屏安裝在另一個側面的窗口上，兩者之間的水平連線與圓柱的軸線相交，交點的下方就是樣品襯底所處的位置，即高能電子槍、樣品襯底和熒光屏在一個垂直平面上，由高能電子槍射出的電子束入射到樣品襯底表面，反射后打在熒光屏上；電子束的方向與水平線之間的夾角為1-2°。
全文摘要
一種高溫碳化硅半導體材料制造裝置,包括前級進樣室、樣品傳遞裝置、樣品生長裝置、插板閥和抽氣設備;其中樣品傳遞裝置、前級進樣室、插板閥和樣品生長裝置通過標準CF或標準VCR依序連接密封在一直線上;前級進樣室和樣品生長裝置的下方連接有一抽氣設備;本發明其是兼有高生長速率和原位及實時監測的新型碳化硅寬帶隙材料的高真空制造裝置,能夠克服上述現有技術的技術缺陷,能夠滿足碳化硅器件對材料的要求。
文檔編號C30B29/36GK1327092SQ0010910
公開日2001年12月19日 申請日期2000年6月7日 優先權日2000年6月7日
發明者李晉閩, 孫國勝, 朱世榮, 曾一平, 孫殿照, 王雷 申請人:中國科學院半導體研究所