在碳化硅衬底片生长外延层的感应加热外延炉及生长方法与流程

本发明涉及一种在碳化硅衬底片生长外延层的感应加热外延炉及生长方法。

背景技术：

1、半导体行业作为现代电子信息产业的基础，是支撑国民经济高质量发展的重要行业。第三代半导体指的是碳化硅（sic）、氮化镓（gan）等具有宽禁带（eg＞2.3ev）特性的新兴半导体材料。碳化硅是目前发展最成熟的第三代半导体材料。碳化硅器件具有体积小、功率大、频率高、能耗低、损耗小、耐高压等优点。当前主要应用领域是各类电源及服务器，光伏逆变器，风电逆变器，新能源汽车的车载充电机、电机驱动系统、直流充电桩，变频空调，轨道交通，军工等。

2、实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅抛光晶片本身只作为衬底，通过化学气相淀积（cvd）法在其正面（抛光面）上生长一定厚度和电阻率的碳化硅或氮化镓外延层。碳化硅衬底片加上外延层就是通常所说的碳化硅外延片。

3、在碳化硅器件设计制造方面，sic二极管正在逐步完善，但sic mos器件面临较多难点，其中一个重要的方面就是提高碳化硅外延层的质量。

4、目前典型的cvd外延炉反应室的结构有三种（图1、图2、图3），分别是热壁水平卧式、壁温行星式、准热壁立式。三种反应室结构的共同特点是反应气体从碳化硅衬底片的正面（抛光面）上方流过，并在抛光面上生长出一定厚度和电阻率的碳化硅外延层。因为在碳化硅衬底上生长碳化硅外延层的反应温度高（约1600℃），反应室内壁有碳化硅沉积，沉积的碳化硅颗粒会被卷入反应气体中，反应气体中还会因化学反应产生碳化硅颗粒，反应气体中的颗粒会掉落在衬底片外延生长面上，导致后续生长的外延层产生缺陷，这类缺陷被称为外延包裹物。外延包裹物缺陷会使后续加工成的器件的因漏电流大而失效。

5、目前解决外延生长过程中颗粒掉落问题的方法是使衬底片在外延生长过程中高速旋转（准热壁立式外延炉大于500转/分钟，热壁水平卧式外延炉约60转/分钟），使颗粒在离心力作用下离开衬底片表面，但这并不能有效解决包裹物问题，还会使衬底片震动过大而降低外延质量。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种在碳化硅衬底片生长外延层的感应加热外延炉及生长方法。将碳化硅衬底片抛光正面朝下悬挂，氢气和外延生长气体的混合气体从下方沿衬底片抛光正面流过，并在衬底片抛光正面生长所需要的碳化硅外延层。没有颗粒掉落到生长的外延层上的问题，也不需要使衬底片在外延生长过程中高速旋转以去除掉落的颗粒，提高了外延过程中衬底片的旋转稳定性。有效解决了碳化硅外延片制作过程中容易产生包裹物缺陷的难题，提高了外延片的电阻率和厚度均匀性。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种在碳化硅衬底片生长外延层的感应加热外延炉，从左到右依次为装片腔、传输腔、圆柱形石英腔； 传输腔的一侧设有冷却腔，装片腔内设有片座一，冷却腔内设有片座二，传输腔内设有叉形机械手；圆柱形石英腔的右端设有氢气与外延生长气进气口和进气端法兰，圆柱形石英腔的左端设有法兰和装片通道，装片通道的下部设有排气口；圆柱形石英腔外设有感应线圈；圆柱形石英腔的中部上方设有托柄旋转升降装置、转轴，转轴穿过感应线圈和圆柱形石英腔，转轴的下端固定托柄，托柄穿过上部感应加热环；托柄下方依次设有基座、下部感应加热环；上部感应加热环、基座、下部感应加热环围成了外延生长区；托柄的下端连接承载环，外延生长过程中衬底片放置在承载环上，其用于外延生长的抛光正面朝下，托柄端面边沿设有上钩，用于钩住承载环。

4、所述的圆柱形石英腔内设有保温筒，包裹了上部感应加热环、下部感应加热环，保温筒的两端分别设有保温板一、保温板二；上部感应加热环与上部吹扫气进气管相连接，下部感应加热环与下部吹扫气进气管相连接。

5、所述的圆柱形石英腔的右端上表面设有冷却水出口，下表面设有冷却水进水口。

6、所述的托柄的下端面边沿设有上钩，用于钩住承载环，上钩的钩子部分沿其所在托柄端面位置的圆弧方向。

7、所述的承载环的上表面边沿设有下钩、外延生长时上钩与下钩相连，承载环的中部设有内斜面，抛光正面朝下的衬底片的正面边沿倒角面与内斜面接触。

8、所述的承载环的边沿设置上钩下放缺口，用上钩下放缺口两侧的承载环下表面区域做为钩取区代替下钩。

9、一种在碳化硅衬底片生长外延层的方法，采用所述的装置，步骤如下：

10、1）将外延生长区的温度保持在850-950℃，从氢气与外延生长气进气口通氢气，悬挂晶片的托柄保持在外延生长区的顶部；

11、2）将承载环放置在装片腔内的片坐一上，上表面朝上；用手动或自动的方法将碳化硅衬底片放置在承载环上，用于外延层生长的抛光正面朝下，衬底片的正面边沿的倒角面与承载环承载衬底片的内斜面接触，衬底片背面和正面与承载环的上下表面平行；

12、3）传输腔内的叉形机械手托住承载环下表面两侧边沿，经装片腔、传输腔、传输腔法兰、法兰、装片通道将承载环连同其上的衬底片放置在外延生长区内的基座上，基座、承载环、抛光正面朝下的衬底片的轴线保持重合；

13、4）将外延生长区的温度按设定速度升到设定的外延生长温度；

14、5）转动托柄使设置在托柄下端边沿的上钩对准设置在承载环上表面边沿的下钩的一侧边缘；

15、6）下降托柄使上钩的钩子部分的上表面最高点比下钩钩子部分的下表面最低点低0.5-2毫米；

16、7）使托柄旋转设定的角度，旋转完成后上钩的上表面位于下钩的下表面的正下方；

17、8）升起托柄，使上钩带着承载环和其上的衬底片上升，到承载环下表面与上部感应加热环的最低下表面平齐时停止上升；

18、9）使托柄按外延生长工艺设定转速旋转；

19、10）将外延生长气体由氢气与外延生长气进气口导入外延生长区并向排气口方向流动，流动过程中氢气与外延生长气体的混合气体从衬底片的下方沿衬底片的抛光正面流过，当衬底表面生长出设定厚度的碳化硅外延层后，停止导入外延生长气体结束外延生长过程；

20、11）将外延生长区的温度按设定速度降低到850-950℃，并保持；

21、12）将托柄的转速降至零；

22、13）下降托柄将承载环和其上的碳化硅外延片放置在基座上并使上钩的钩子上表面与下钩的钩子的下表面脱离接触，距离保持在0.5-2毫米；使托柄沿步骤7）的反方向旋转相同角度，完成上钩和下钩在水平和垂直方向的同时脱离；

23、14）将托柄升至外延生长区的顶部位置；

24、15）传输腔内的叉形机械手将承载环和其上的外延片送至冷却腔并放置在片座二上冷却；

25、16）重复1）至15）的步骤，开始加工下一片外延片；当上一片外延片冷却后由传输腔内的叉形机械手转移至装片腔的片座一上，再取出。

26、所述的方法，用于在碳化硅衬底片上生长碳化硅或者氮化镓外延层。

27、本发明的有益效果是：

28、没有颗粒掉落到生长的外延层上的问题，也不需要使衬底片在外延生长过程中高速旋转以去除掉落的颗粒，提高了外延过程中衬底片的旋转稳定性。有效解决了碳化硅外延片制作过程中容易产生包裹物缺陷的难题，提高了外延片的电阻率和厚度均匀性。

29、本发明也可用于在碳化硅衬底表面生长氮化镓外延层。