用于碳化硅衬底片的电阻式加热外延炉及外延生长方法与流程

本发明涉及一种用于碳化硅衬底片生长外延层的电阻式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用于碳化硅衬底片的电阻式加热外延炉及外延生长方法。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。没有颗粒掉落到外延生长面上的问题，也不需要使衬底片在外延生长过程中高速旋转，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造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、一种用于碳化硅衬底片的电阻式加热外延炉，从左到右依次为装片腔、传输腔、生长室；装片腔内设有片座一，传输腔内设有机械手，连接颈内设有装片通道；

3、生长室从上到下分为上炉体、下炉体；上炉体和/或下炉体内至少设有一个电阻加热器；所述的下炉体外壁设有氢气与外延生长气进气口和出气口，与外延生长区相连通；

4、上炉体的上方设有转轴旋转装置，转轴旋转装置下方设有转轴，转轴旋转装置与转轴升降装置相连，转轴升降装置与上立柱相连，上立柱位于上炉体的上表面；下炉体的左侧壁开孔，设有连接颈，形成装片通道，装片通道与外延生长区相连通；连接颈的外端设有生长室法兰，生长室法兰与传输腔法兰相连。

5、所述的转轴的底部设有装片笼；装片笼包括悬挂轴、上挂盘、挂爪、装载盘，悬挂轴与转轴连接，上挂盘、挂爪、装载盘围成装载腔，装载盘上开有承载环安装孔，用于放置承载环，承载环用于放置抛光正面朝下的衬底片；

6、下炉体从上到下设有上壁板、下壁板，上壁板、装载盘、下壁板之间围成一个外延生长区。

7、所述的上炉体内侧壁从上到下设有顶部保温层、上部保温筒；下炉体的内侧壁设有底部保温层，下部保温筒。

8、所述的生长室的右侧外部设有立柱，立柱位于炉体底部框架上，立柱与上炉体升降装置相连，上炉体升降装置通过铰链与上炉体的外部右侧相连；立柱通过下炉体支架与下炉体外部右侧相连。

9、所述的传输腔的一侧设有冷却腔，冷却腔内设有片座二，用于冷却高温外延片和承载环。

10、所述的下炉体的底部设有测温仪。

11、所述的上炉体的内部设有上部加热器，上炉体的上部对称设有上电极，上电极与上部加热器相连；装片笼的悬挂轴向下穿过上部加热器。

12、所述的下炉体的内部设有下部加热器，位于下壁板的下方，所述的下炉体的底部设有下电极，下电极与下部加热器相连。

13、所述的装片笼包括单片式装片笼和多片式装片笼，单片式装片笼的装载盘上只有一个承载环安装孔，挂爪分布在装载盘的边沿，多片式装片笼的装载盘上有2-20个承载环安装孔，承载环安装孔在装载盘上均匀分布，挂爪分布在装载盘的边沿。

14、所述的多片式装片笼在装载盘的中部设有一个挂爪。

15、所述的下炉体外壁设有氢气与外延生长气进气口和出气口，氢气与外延生长气进气口与外设的配气柜相连；出气口与外设的真空泵相连。

16、所述的外延炉装片方向与氢气与外延生长气进气口和出气口连线方向的夹角ɑ1的最佳值是90度，ɑ1的取值范围是0-180度。

17、所述的一种用于碳化硅衬底片的电阻式加热外延炉，所述的承载环设有内斜面，内斜面只与衬底片的正面边沿倒角面接触，用于放置抛光正面朝下的衬底片。

18、所述的装片笼的装载盘上设有承载环定位槽，用于精确定位承载环。

19、一个不设有承载环方案，所述的一种用于碳化硅衬底片的电阻式加热外延炉，所述的外延炉不设有承载环，将装载盘的承载环安装孔改变成一体化衬底片安装孔，衬底片由机械手直接装在装载盘的一体化衬底片安装孔内，抛光正面朝下，衬底片的抛光正面。

20、一种用于碳化硅衬底片的外延生长方法，采用所述的装置，步骤如下：

21、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；

22、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，衬底片正面边沿的倒角面与承载环的承载内斜面接触，衬底片背面和正面与承载环的上下表面平行，衬底片的抛光正面不与其它物体接触，抛光正面与装载盘的下表面基本平齐，高度差δ的取值范围0-1mm；

23、3）将装片笼下降到装取片位置，装片笼的装取片方向与装取片机械手的装取片方向对齐，传输腔内的机械手托住承载环下表面两侧边沿，经装片腔、传输腔、生长室法兰、装片通道将承载环连同其上的衬底片放置在装片笼内的装载盘上；

24、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；

25、5）升起装片笼，到承载环下表面与生长区上壁板的下表面平齐时停止上升；

26、6）使转轴按外延生长设定转速旋转；

27、7）将外延生长气体（包括但不限于三氯氢硅、乙烯、氯化氢、氮气、氨气等的部分或全部）由氢气与外延生长气进气口导入外延生长区并向出气口方向流动，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，当衬底片的抛光正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；

28、8）将外延生长区的温度按设定速度降低到850-950℃，并保持；

29、9）将转轴的转速降至零，将装片笼下降到装取片位置，装片笼的装取片方向与装取片机械手的装取片方向对齐；

30、10）传输腔内的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；

31、11）重复1）至10）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机械手转移至装片腔的片座一上，再取出。

32、所述的方法，用于在碳化硅衬底上生长碳化硅或者氮化镓外延层。

33、本发明的有益效果是，

34、碳化硅外延生长过程中没有颗粒掉落到外延生长面上的问题，也不需要使衬底片在外延生长过程中高速旋转，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。