一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置制造方法及图纸

一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，特别涉及一种基于铜螺旋管射频加热的竖直式冷壁高温大功率碳化硅（ＳｉＣ）外延材料制造装置。该装置，包括双层石英外延生长室、样品交接室、样品传递与支撑装置、波纹管调节器、插板隔断阀，其双层石英外延生长室、插板隔断阀、样品交接室、波纹管调节器、以及样品传递与支撑架上下依次连接在一条垂直轴线上；样品传递与支撑架位于共同垂直轴线上。本发明专利技术采用了竖直结构的水冷双层石英生长室，具有轴对称性，易于控制气流状态，加热效率高，不发生辉光现象；且可扩展性强，通过增大石英管的直径，可以外延生长尺寸更大或小尺寸多片的碳化硅（ＳｉＣ）外延材料。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

Vertical type high temperature large power silicon carbide epitaxial material manufacturing device

The invention relates to a vertical high-temperature high-power silicon carbide epitaxial material manufacturing device, in particular to a vertical cold wall high temperature large power silicon carbide (SiC) epitaxial material manufacturing device based on a copper spiral tube radio-frequency heating. The device comprises a double-layer quartz epitaxial growth chamber, sample transfer chamber, sample delivery and support device, bellows regulator, inserted in the cut off valve, the double quartz epitaxial growth chamber, inserted in partition valve, sample transfer chamber, bellows regulator, as well as the sample transfer and the support frame are connected in a vertical axis; sample transfer and vertical axis support frame in common. The invention adopts the vertical structure of the double water-cooled quartz growth chamber with axial symmetry, easy to control the flow state, high heating efficiency, no glow phenomenon; also with strong scalability, by increasing the diameter of the quartz tube, can be epitaxially grown larger size or small size multi piece of silicon carbide (SiC) epitaxial materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，特别涉及一种基于铜螺旋管射频加热的竖直式冷壁高温大功率碳化硅(SiC)外延材料制造装置。
技术介绍
近年来由于科学技术的发展及军事、航天、雷达通讯、石油钻探、汽车工业等对耐高温、大功率工作和抗辐照电子器件的大量需求，以碳化硅(SiC)为代表的宽带隙半导体材料及其器件研究为人们所关注。碳化硅(SiC)是继硅(Si)及砷化镓(GaAs)传统半导体之后出现的第三代半导体，具有禁带宽(Si的3倍)、热导率高(Si的3.3倍)、击穿场强高(Si的10倍)、饱和电子漂移速率高(Si的2.5倍)、工作温度高(400~600℃)、键合能高以及极好的物理及化学稳定性等许多优良特性，使其在高温、大功率、抗辐照的器件应用方面有着得天独厚的潜力和优势。当前，国际上高温、大功率、抗辐照的性能好的半导体器件大部分都是用碳化硅(SiC)材料制作的。正是因为碳化硅所具备的优良特性和碳化硅器件所展示的巨大应用潜力及在国防应用上具有的特殊地位，国际上非常注重碳化硅材料与器件的研究开发，许多西方政府和公司都正在投巨资从事碳化硅的研发工作。碳化硅的研究工作包括从碳化硅(SiC)单晶的制备、外延材料(包括同质外延与异质外延)的生长、特性表征，到碳化硅各种高温、高频、大功率器件的研发。其中碳化硅外延生长，是实现碳化硅器件的关键技术和瓶颈。要制备碳化硅器件，需要高质量的器件结构外延材料，如良好的表面形貌、厚度的有效控制、掺杂的有效控制、良好的厚度及掺杂均匀性等。在有效的几种外延生长技术中，化学气相沉积(CVD)技术已成为优质碳化硅(SiC)器件结构材料的关键生长技术，并使得碳化硅器件的研制工作取得突破性进展。所谓CVD技术，就是将化合物气体如硅烷(SiH4)、乙烯(C2H4)和氢气(H2)等反应气体通入外延生长室内，在热衬底表面上发生化学反应，并在衬底上淀积所希望的薄膜材料，如碳化硅(SiC)外延材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种竖直式冷壁高温大功率碳化硅(SiC)外延材料制造装置，利用该装置不但能够实现碳化硅的大面积异质外延生长(非碳化硅(SiC)衬底材料包括单晶Si衬底、蓝宝石衬底、硅-二氧化硅-表面硅(SOI)衬底、氧化锌(ZnO)以及其它柔性衬底等)，而且也能够实现碳化硅(SiC)衬底上的同质外延生长，并达到较高的碳化硅外延材料厚度及掺杂浓度均匀性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，包括双层石英外延生长室、样品交接室、样品传递与支撑装置、波纹管调节器、插板隔断阀，其中，样品传递与支撑架垂直设置，其上套设有波纹管调节器，样品传递与支撑架的下部通过法兰圈与波纹管调节器的下端口固接；波纹管调节器的上方又套设有样品交接室，波纹管调节器的上端口与样品交接室的下端口固接；样品交接室的上方又套设有插板隔断阀，样品交接室的上端口与插板隔断阀的下端口固接；插板隔断阀的上方再套设有双层石英外延生长室，插板隔断阀的上端口与双层石英外延生长室的下端口固接；样品传递与支撑架的上部位于双层石英外延生长室的容腔内，样品传递与支撑架的顶端位于双层石英外延生长室的容腔中心处；双层石英外延生长室内有石墨感应加热器，石墨感应加热器水平设置，其下表面中心与样品传递与支撑架的顶端相接；双层石英外延生长室外周圆中部围有一圈铜螺旋管加热线圈，铜螺旋管加热线圈与生长室外壁之间有一定间隙；其双层石英外延生长室、插板隔断阀、样品交接室、波纹管调节器、以及样品传递与支撑架上下依次连接在一条垂直轴线上；样品传递与支撑架位于共同垂直轴线上。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述的样品传递与支撑架，包括传递杆、磁套、传递杆真空外套、带碳化硅涂层的小石墨棒、小石英管支架和小石英管支架固定器，其中，传递杆与磁套动连接，传递杆真空外套套于磁套外周面，其上端设有法兰圈，可与位于它上面的波纹管调节器的下端口法兰圈密封连接；带碳化硅涂层的小石墨棒的上端是一个圆锥台，圆锥台与石墨感应加热器连接，它的中段是一个圆柱体，它的下端也是一个圆柱体，下端圆柱体的直径比中段圆柱体的直径小，下端圆柱体插入圆筒状小石英管支架的上端内筒内；小石英管支架的下端内筒套于传递杆上端的阶梯轴杆上，下端外侧面插入传递杆上端面的小石英管支架固定器，它们之间形成间隙配合；磁套与外设电机动连接；传递杆、小石墨棒、小石英管支架和小石英管支架固定器被密封在装置构成的真空室内。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述双层石英外延生长室，由直径不同的两个同轴心石英管组成，上端以法兰盘密封，下端以法兰圈与插板隔断阀密封连接；下端法兰圈侧面设有进水管，上端法兰盘侧面设有出水管，进水管、出水管与两个同轴心石英管构成的夹层空间相通；上端法兰盘的中心位置设有进气管，上端法兰盘的内腔设有气体缓冲分散器。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述气体缓冲分散器，由两部分组成，一个气体缓冲分散板和一个带缺口的圆环，用带缺口的圆环将气体缓冲分散板由下方固定在生长室的上端法兰盘内；气体缓冲分散板上有许多小孔，呈中心对称分布，中间部分，位于进气口的正下方没有小孔。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述样品交接室，为十字形圆筒状，有四个带发兰圈的端口，其上端口与插板隔断阀密封相连，下端口与波纹管调节器密封连接；两侧端口，其一侧端口为进样门，另一侧端口接有抽气管。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述波纹管调节器，其上、下端口的发兰圈水平延伸有复数个支脚，支脚均匀分布，上设有孔，孔内固连有支柱；调节支柱两端固紧装置，以改变上、下端口发兰圈的相对距离，来调节石墨感应加热器在石英管生长室中的位置。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述双层石英外延生长室的水冷结构，冷却水是自下而上流动，反应气体自上而下流动；在进气口安装有气体缓冲分散器，消除了反应气体的强湍流现象，并在外延生长室内形成平稳流动气体。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述石墨感应加热器，为一圆柱形块体，其上端面有一凹槽，用来放置碳化硅衬底材料，下端面中心部有一个圆锥台凹槽，圆锥台凹槽小石墨棒上端面的圆锥凸台形成紧密配合。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述小石英管支架固定器，为圆筒状，圆筒状内径与小石英管支架的外径适配，圆筒状下端口侧外缘有一圈水平突起，突起的外径与垂直传递杆的外径适配，在水平突起的平面上设有复数个固定孔，通过固紧装置与传递杆固接；小石英管支架固定器的筒内壁与阶梯轴杆的间隙，与小石英管支架的筒壁厚相适配。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其所述传递杆与磁套动连接，是磁套在电机驱动下，通过连动装置使传递杆伸长或缩短，而将传递杆上小石墨棒上端的石墨感应加热器送入双层石英外延生长室或退回样品交接室。所述的一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，其还适用于多晶、非晶碳化硅薄膜材料的生长；采用不同的生长气体，还可以生长其它不同的外延材料，如氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)；采用不同的衬底材料，还可适用于其它衬底上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种竖直式高温大功率碳化硅外延材料制造装置，包括双层石英外延生长室、样品交接室、样品传递与支撑装置、波纹管调节器、插板隔断阀，其中，样品传递与支撑架垂直设置，其上套设有波纹管调节器，样品传递与支撑架的下部通过法兰圈与波纹管调节器的下端口固接；波纹管调节器的上方又套设有样品交接室，波纹管调节器的上端口与样品交接室的下端口固接；样品交接室的上方又套设有插板隔断阀，样品交接室的上端口与插板隔断阀的下端口固接；插板隔断阀的上方再套设有双层石英外延生长室，插板隔断阀的上端口与双层石英外延生长室的下端口固接；样品传递与支撑架的上部位于双层石英外延生长室的容腔内，样品传递与支撑架的顶端位于双层石英外延生长室的容腔中心处；双层石英外延生长室内有石墨感应加热器，石墨感应加热器水平设置，其下表面中心与样品传递与支撑架的顶端相接；双层石英外延生长室外周圆中部围有一铜螺旋管加热线圈，铜螺旋管加热线圈与生长室外壁之间有一定间隙；其特征在于：双层石英外延生长室、插板隔断阀、样品交接室、波纹管调节器、以及样品传递与支撑架上下依次连接在一条垂直轴线上；样品传递与支撑架位于共同垂直轴线上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙国胜，王雷，赵万顺，曾一平，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]