一种碳化硅外延设备及加热控制方法与流程

1.本技术涉及cvd设备技术领域，具体地涉及一种碳化硅外延设备及加热控制方法。


背景技术：

2.cvd设备作为主流的设备用于半导体薄膜材料如碳化硅或其他材料，设备运行时反应气体流经被加热并被引导到反应温度的基片(即衬底)表面发生化学反应生成单晶薄膜。
3.目前cvd设备中加热常用感应加热和电阻加热两种方式，感应式加热器优点是能量密度大加热速率快，缺点是温度均匀性不易控制；而电阻式加热器的温度可以非常方便地校正，其温度均匀性即使在超过1000℃时也可以控制在
±
1℃以内。发热体是电阻式加热器的核心部件，其必须具有急热、急冷、耐高温等特性，包括石墨和钼、钨和钽等金属都可以满足这些基本要求，但是金属在高温下易升华导致金属污染，常温和高温下的电阻率相差很大导致升温控制比较困难，而且使用成本高昂，不适合选择金属作为加热丝。sic-cvd希望尽可能的对加热过程进行精确的分阶段控制达到快速和平稳升温，最终达到1700℃左右的生长温度并稳定保持。


技术实现要素：

4.为克服上述缺点，本技术的目的在于：提供一种碳化硅外延设备及加热控制方法(下称方法)，该碳化硅外延设备的加热器运行时产生均匀的温场，特别是衬底上的温度均匀，从而生产出合格的外延产品且批次间一致性好。
5.为了达到以上目的，本技术采用如下技术方案：
6.一种碳化硅外延设备，其包括：
7.壳体，其一侧端部设置有喷淋装置，所述喷淋装置上设置有测温装置，
8.所述壳体的内部设置有保温层，所述保温层的远离壳体侧设置有内衬管，所述保温层与内衬管之间设置有沿所述壳体轴向延伸的第一侧壁加热器、第二侧壁加热器及第三侧壁加热器，其分别电性连接至一一匹配对应的调功器或直流电源，且所述保温层与内衬管之间还设置第一热电偶，其用于检测侧壁加热器的温度，
9.所述壳体内部的底部侧设置旋转支撑部件，其端部设置有石墨托盘，所述石墨托盘用于放置衬底，
10.所述旋转支撑部件内设置有底部加热器，所述底部加热器包括同心设置的内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器，其分别电性连接至一一匹配对应的直流电源，且所述底部加热器的下方侧设置有第二热电偶，其用于测量匹配对应的内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器的温度，
11.所述第一热电偶、第二热电偶及测温装置分别电性连接控制模块，所述控制模块基于反馈的温度信息调整直流电源的输出以在衬底侧产生均匀的温场。侧壁加热器及底部加热器分别采用多区设计，以产生吻合外延生长的温场，这样提高外延片厚度均匀性和掺
杂均匀性，且批次间一致性好。
12.优选的，该第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及所述底部加热器皆采用石墨材质。
13.优选的，该测温装置为红外测温装置，其用于测量衬底表面的温度。
14.优选的，该控制模块还包括：
15.数据处理单元、温度控制单元及加热执行单元；
16.数据处理单元基于接收反馈的温度信息、通过预设的算法进行数据的计算，并生成第一指令反馈至温度控制单元，
17.温度控制单元基于接收的第一指令计算出匹配对应的第二指令并反馈至加热执行单元，
18.所述加热执行单元接收并响应第二指令输出第三指令对第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器的实际加热输出。
19.优选的，该加热执行单元包括多个直流电源或调功器，其一一匹配对应连接至第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器。
20.本技术实施例提供一种碳化硅外延设备的控制方法，该方法包括如下步骤：
21.基于温度检测单元采样温度信息并反馈至数据处理单元，
22.数据处理单元基于接收的温度信息经预设的算法运算生成第一指令并反馈至温度控制单元，
23.温度控制单元基于接收的第一指令计算出匹配对应的第二指令并反馈至加热执行单元，
24.所述加热执行单元接收并响应第二指令输出第三指令对第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器的实际加热输出。通过本技术提出的方法加热器的寿命长，能保证衬底侧反应面的温度在工艺温度范围内
±
1℃，且温度分布均匀。
25.优选的，该控制方法中，基于测温装置定期采集中圈加热器和/或外圈加热器的温度信息并通过网络传输至上位机，所述上位机将处理后的信息传输至plc控制模块，所述plc控制模块将经预设算法计算的数据传输至温控器，基于第一热电偶及第二热电偶采样的温度信号通过匹配的热电偶采集模块传输给plc控制模块，并经其传输给上位机。
26.优选的，该控制方法中，所述温控器基于接收的信息生成电压控制信号并传输至直流电源或调功器，所述直流电源或调功器响应所述电压控制信号对应比例输出。
27.优选的，该控制方法中，基于红外测温装置采样中圈加热器的温度信息并将中圈加热器的pv值传送给温控器，利用上位机将设定值sp传送给温控器，
28.温控器基于接收的pv值及sp值依据预设算法计算出输出op值，并将所述op值传输至对应的中圈直流电源，所述中圈直流电源响应所述op值信号进行功率输出。
29.优选的，该控制方法中，基于红外测温装置采样中圈加热器的温度信息并将中圈加热器的pv值传送给温控器，利用上位机将设定值sp传送给温控器，
30.所述温控器将采样的外圈加热器与中圈加热器的温度的差值δpv设为当前温度有效值pv’，将外圈加热器与中圈加热器的设定温度的差值δsp设为当前设定温度有效值sp’，并利用当前温度有效值pv’与当前设定温度有效值sp’计算出当前的输出op值，传输至对应的外圈直流电源，所述外圈直流电源响应所述op值信号进行功率输出。通过中圈加热
器与外圈加热器的联动控制可以克服边缘效应。
31.有益效果
32.本技术实施方式提出的碳化硅外延设备，其内部包括侧壁加热器及底部加热器，该侧壁加热器及底部加热器均采用石墨材质，侧壁加热器及底部加热器分别采用多区设计，以产生吻合外延生长的温场，这样提高外延片厚度均匀性和掺杂均匀性，且批次间一致性好。通过本技术提出的加热控制方法可延长加热器的使用寿命，在衬底侧的反应面温度分布均匀，片间均匀性和批次间的均匀性高；整个反应腔的温场合理，从预热到加热外延反应快速高效。
附图说明
33.附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本技术内容。
34.图1为本技术实施例的碳化硅外延设备的内部结构示意图；
35.图2为本技术一实施例的碳化硅外延设备的系统功能示意图；
36.图3为本技术一实施例的碳化硅外延设备的加热控制流程示意图；
37.图4为本技术一实施例第一侧壁加热器的立体结构示意。
具体实施方式
38.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
39.本技术公开一种碳化硅外延设备及加热控制方法。该碳化硅外延设备包括壳体，其一侧端部设置有喷淋装置，该喷淋装置上设置有测温装置，该用于向壳体内通入气体，该壳体内设置有沿其轴向延伸的侧壁加热器(第一侧壁加热器、第二侧壁加热器及第三侧壁加热器)，其电性连接至一一匹配对应的调功器或直流电源，该壳体内还设置第一热电偶，其用于检测侧壁加热器的温度(如第一热电偶用于检测靠近底部侧的第三侧壁加热器的温度)，壳体内部的底部侧设置旋转支撑部件，其端部设置有石墨托盘，石墨托盘用于放置衬底/晶圆，旋转支撑部件内设置有底部加热器，该底部加热器包括同心设置的内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器，其分别电性连接至一一匹配对应的直流电源。较佳的，内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器的下方侧分别设置有第二热电偶，以检测一一匹配对应的内圈加热器、中圈加热器或外圈加热器的温度。较佳的，仅在中圈加热器的下方侧设置第二热电偶，以检测中圈加热器的温度。测温装置用于检测中圈加热器及外圈加热器的温度(如测温装置包括第一红外测温装置用于测量中圈加热器的温度，第二红外测温装置用于测量外圈加热器)还可测量衬底表面的温度。该第一热电偶、第二热电偶及测温装置分别电性连接控制模块，其基于反馈的温度信息调整直流电源或调制器的输出，以在衬底侧产生均匀的温场。较佳的，该测温装置包括第三红外测温装置(如配置于壳体的底部侧)用于测量第三侧壁加热器的温度。通过这样的设计，衬底表面温度分布，进而获得的外延片的厚度均匀性和掺杂均匀性，成膜性能大幅提升。
40.如图1所示为本技术实施例的碳化硅外延设备的内部结构示意图；碳化硅外延设备100包括：
41.圆柱状壳体111，壳体111的一侧端部设置有喷淋装置110，该喷淋装置110的远离壳体111侧设置有测温装置(图未示)
42.该圆柱状壳体111的内部设置有保温层130，保温层130的远离壳体111侧设置有内衬管112，
43.保温层130与内衬管112之间的间隙设置有第一侧壁加热器121、第二侧壁加热器122及第三侧壁加热器123，该第一侧壁加热器121、第二侧壁加热器122及第三侧壁加热器123沿壳体111的轴向设置(第一侧壁加热器121位于第二侧壁加热器122的上方靠近喷淋装置110，第三侧壁加热器123靠近壳体111的底部侧)，且保温层130与内衬管112之间的间隙设置第一热电偶(图未示)，该热电偶用于检测侧壁加热器的温度，第一侧壁加热器121、第二侧壁加热器122及第三侧壁加热器统称侧壁加热器，较佳的，第一热电偶为3个分别配置于第一侧壁加热器121、第二侧壁加热器122及第三侧壁加热器123侧，以检测其温度。本实施方式中，第一热电偶配置于第三侧壁加热器123侧，以检测其温度。
44.壳体111内部的底部侧设置旋转支撑部件140，其端部设置有石墨托盘150，该石墨托盘150用于放置衬底(也称晶圆)，测温装置配置于喷淋装置110(图未示上用于测量底部加热器/衬底的温度。本实施方式中测温装置为红外测温装置，其设置有2个，用于检测中圈加热器162及外圈加热器163的温度。
45.旋转支撑部件140内设置有底部加热器，该底部加热器包括内圈加热器161、中圈加热器162及外圈加热器163，且该底部加热器的下方侧设置有隔离部164，较佳的，该隔离部164上设置有3个第二热电偶，该热电偶用于测量一一匹配对应的内圈加热器161、中圈加热器162及外圈加热器163的温度。本实施方式中，内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器分别电性连接至一一匹配对应的直流电源，侧壁加热器电性连接调功器(在其他的实施方式中，侧壁加热器也可分别电性连接至一一匹配对应的直流电源)，设置有1个第二热电偶，其位于中圈加热器162的下方侧以检测其温度。第一/第二热电偶及测温装置分别电性连接控制模块，控制模块基于反馈的侧壁加热器及底部加热器的温度信息调整加热策略，通过这样的设计使得碳化硅外延设备中产生均匀的温场，特别是衬底上温度均匀(如，衬底的中心与边缘的温差小于2℃)。本实施方式中第一侧壁加热器、第二侧壁加热器及第三侧壁加热器的结构相同(如图4所示为第一侧壁加热器的立体结构示意)，在其他的实施方式中第一侧壁加热器、第二侧壁加热器及第三侧壁加热器的结构可不同。在一实施方式中，红外测温装置还可测量侧壁加热器的温度(下称侧壁红外)。而石墨有高导热性和导电性、良好的加工性能、极小的热膨胀系数、较高的电阻等优点，而且相对金属价格便宜很多，因此石墨作为真空电阻加热器的加热元件得到越来越多的应用。该侧壁加热器及底部加热器采用石墨材质，能承受温度能够达到2200℃左右甚至更高，通过对侧壁加热器及底部加热器的镂空结构优化使得其中心与外表面间温度差异小，进而避免内部产生应力避免容易开裂，间接延长了加热器的使用寿命。
46.接下来结合图2及图3来描述加热器的控制方法。
47.如图2所示为本技术实施例的碳化硅外延设备的控制系统的功能示意图。该碳化硅外延设备包括：温度检测单元、数据处理单元温度控制单元及加热执行单元；
48.该温度检测单元包至第一热电偶、第二热电偶及测温装置，第一热电偶配置于pm腔体侧壁侧，以检测侧壁加热器的温度(如3个第一热电偶，也可采用1个第一热电偶一简化控制策略)，该第二热电偶配置于pm腔的底部侧，以检测底部加热器的温度(内圈加热器/中圈加热器/外圈加热器中至少一个的温度)，测温装置配置于pm腔的顶部，以检测衬底表面的温度，在其他的实施方式中，测温装置还可测量侧壁的温度，此时可设置2类测温装置，一类用于测量底部加热器/衬底表面的温度，另一类用于测量侧壁的温度。温度检测单元采样的温度信息反馈至数据处理单元(上位机及plc控制模块)，
49.数据处理单元基于接收温度检测单元反馈的温度信息、通过预设的算法进行数据的计算，并生成第一指令(将计算的结果)反馈至温度控制单元，
50.温度控制单元基于接收的第一指令计算出匹配对应的加热器的第二指令(加热器加热信息)并反馈至加热执行单元，
51.加热执行单元接收并响应第二指令输出第三指令(对应加热器的加热信号)，实现对目标加热器的实际加热输出。以此实现对反应腔内衬底侧的温度闭环循环控制，从而生产出合格的外延产品。
52.如图3为本技术一实施例的外延设备的加热控制流程示意图，
53.测温装置定期采集中圈加热器和/或外圈加热器的温度信息并通过网络(如以太网)传输至数据处理单元，数据处理单元包括上位机及plc控制模块，即测温装置采集的温度信息经以太网传输至上位机将处理后的信息传输至plc控制模块，plc控制模块将经预设算法计算的数据传输至温度控制单元(如温控器)，热电偶信号通过匹配的热电偶采集模块传输给plc控制模块，并经其传输给上位机；测温装置为红外测温装置。可采用2个红外测温装置一个用于测中圈加热器的温度，另一个用于测外圈加热器的温度。在其他的实施方式中，也可用1个红外测温装置测量中圈加热器及外圈加热器的温度。
54.温控器基于接收的信息生成控制信号(电压控制信号，如0-10v的控制信号)并传输至直流电源1/2/3(统称直流电源)或调功器1/2/3(统称调功器)即加热执行单元。较佳的，温控器通过profibus通讯网络与plc(plc控制模块)实时通讯。上位机通过plc发放指令及数据至温控器。温控器接收并响应该指令及数据经运算(内部逻辑运算、处理)得出对应的输出比例及模式，通过输出0-10v电压控制信号给相应的执行器，对应输出0-100％输出(本实施方式中，温控器每个通道相对独立，且分为手动/自动两种模式。手动模式下，相应通道的控制信号由上位机发出并通过plc由profibus通讯协议传输给温控器。自动模式下，相应通道的控制信号由温控器通过上位机提供的数据再经过计算得出(pid运算)，并通过plc由profibus通讯协议传输给温控器)；
55.加热执行单元接收并响应该控制信号调整直流电源及调功器的输出比例(如功率)(0-100％)，以调整侧壁加热器及底部加热器。侧壁加热器包括第一侧壁加热器、第二侧壁加热器及第三侧壁加热器，其分别对侧壁区域进行加热，保证侧壁温度在可控范围，其控温流程：由上位机通过plc传送相应的输出比例(功率)，并根据实际温度进行微调。本实施方式中，内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器分别对衬底的各区域进行加热，保证温度在工艺温度范围内
±
1℃，且控温均匀。加热执行单元中对应的内圈加热器的内圈直流电源的输出跟随中圈直流电源的输出(即内圈对应的输出与中圈对应的输出间具有对应的比例)。本实施方式中通过对底部加热器的精准温控进行控制，可以克服边缘效应，同时在侧壁设
置上/中/下3个侧壁加热器(依次为第一侧壁加热器、第二侧壁加热器及第三侧壁加热器)，以对反应腔内的生长环境进行温控，以产生吻合外延生长的温场，这样得到更均匀的晶圆表面温度分布，外延生长的厚度均匀性和掺杂均匀性，成膜性均能大幅提升。本实施方式中，反应腔的升温采用分段控制，不同的温度区间升温斜率不同，如低温段(室温-400℃)稍慢(3-5℃/s)，中温段(401-1200℃)适当加快(5-7℃/s)，高温段(1201℃以上)逐步减慢(3-5℃/s)，这样的设计可以既保证了快速升温速度，又延长了加热器使用寿命。
56.在一实施方式中，中圈加热器的控温流程：
57.红外测温装置将采样的中圈加热器的温度信息通过通讯方式将中圈的pv值传送给温控器，上位机通过plc将设定值sp传送给温控器，温控器基于接收的pv值及sp值采用预设算法(如pid自动调节算法)计算出当前的输出op值，并传输至中圈加热器对应的中圈直流电源，中圈直流电源据此进行功率输出。
58.在一实施方式中，外圈加热器控温流程：
59.红外测温装置将采样的中圈加热器的温度信息并通过通讯方式将外圈的pv值传送给温控器，温控器将外圈与中圈采集温度的差值δpv(如2℃)视为当前温度有效值pv’，并将外圈与中圈的设定温度的差值δsp(如1℃)视为当前设定温度有效值sp’，此时温控器采用预设算法(如pid自动调节算法)计算出当前的输出op值，并传输至外圈加热器对应的外圈直流电源，外圈直流电源据此进行功率输出。
60.在一实施方式中，升温过程中，数据处理单元在处理时分为两种情况，
61.1，800℃以下，实际温度pv以侧壁热电偶、底部热电偶为参考值。
62.2，800℃以上，实际温度pv以侧壁红外、底部红外测温为参考值。pv值通过上位机内部逻辑运算后，通过plc传输给温控器。
63.上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种碳化硅外延设备，其特征在于，包括：壳体，其一侧端部设置有喷淋装置，所述喷淋装置上设置有测温装置，所述壳体的内部设置有保温层，所述保温层的远离壳体侧设置有内衬管，所述保温层与内衬管之间设置有沿所述壳体轴向延伸的第一侧壁加热器、第二侧壁加热器及第三侧壁加热器，其分别电性连接至一一匹配对应的调功器或直流电源，且所述保温层与内衬管之间还设置至少一个第一热电偶，其用于检测侧壁加热器的温度，所述壳体内部的底部侧设置旋转支撑部件，其端部设置有石墨托盘，所述旋转支撑部件内设置有底部加热器，所述底部加热器包括同心设置的内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器，其分别电性连接至一一匹配对应的直流电源，且所述底部加热器的下方侧设置有第二热电偶，其用于测量匹配对应的内圈加热器、中圈加热器及外圈加热器中至少一个的温度，所述第一热电偶、第二热电偶及测温装置分别电性连接控制模块，所述控制模块基于反馈的温度信息调整直流电源或调功器的输出，以产生均匀的温场。2.如权利要求1所述的碳化硅外延设备，其特征在于，所述第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及所述底部加热器皆采用石墨材质。3.如权利要求1所述的碳化硅外延设备，其特征在于，所述测温装置为红外测温装置，其用于测量底部加热器和/或石墨托盘上衬底表面的温度。4.如权利要求1所述的碳化硅外延设备，其特征在于，控制模块还包括：数据处理单元、温度控制单元及加热执行单元；数据处理单元基于接收反馈的温度信息、通过预设的算法进行数据的计算，并生成第一指令反馈至温度控制单元，温度控制单元基于接收的第一指令计算出匹配对应的第二指令并反馈至加热执行单元，所述加热执行单元接收并响应第二指令输出第三指令对第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器的实际加热输出。5.如权利要求4所述的碳化硅外延设备，其特征在于，所述加热执行单元包括多个直流电源或调功器，其一一匹配对应连接至第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器。6.一种碳化硅外延设备的加热控制方法，其特征在于，包括如下步骤：基于温度检测单元采样温度信息并反馈至数据处理单元；数据处理单元基于接收的温度信息经预设的算法运算生成第一指令并反馈至温度控制单元；温度控制单元基于接收的第一指令计算出匹配对应的第二指令并反馈至加热执行单元；所述加热执行单元接收并响应第二指令输出第三指令对第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器的实际加热输出，以在石墨托盘上的衬底侧产生均匀
的温场。7.如权利要求6所述的碳化硅外延设备的加热控制方法，其特征在于，基于测温装置定期采集中圈加热器和/或外圈加热器的温度信息并通过网络传输至上位机，所述上位机将处理后的信息传输至plc控制模块，所述plc控制模块将经预设算法计算的数据传输至温控器，基于第一热电偶及第二热电偶采样的温度信号通过匹配的热电偶采集模块传输给plc控制模块，并经其传输给上位机。8.如权利要求7所述的碳化硅外延设备的加热控制方法，其特征在于，所述温控器基于接收的信息生成电压控制信号并传输至直流电源或调功器，所述直流电源或调功器响应所述电压控制信号对应比例输出。9.如权利要求6所述的碳化硅外延设备的加热控制方法，其特征在于，基于红外测温装置采样中圈加热器的温度信息并将中圈加热器的pv值传送给温控器，利用上位机将设定值sp传送给温控器，温控器基于接收的pv值及sp值依据预设算法计算出输出op值，并将所述op值传输至对应的中圈直流电源，所述中圈直流电源响应所述op值信号进行功率输出。10.如权利要求6所述的碳化硅外延设备的加热控制方法，其特征在于，基于红外测温装置采样中圈加热器的温度信息并将中圈加热器的pv值传送给温控器，利用上位机将设定值sp传送给温控器，所述温控器将采样的外圈加热器与中圈加热器的温度的差值δpv设为当前温度有效值pv’，将外圈加热器与中圈加热器的设定温度的差值δsp设为当前设定温度有效值sp’，并利用当前温度有效值pv’与当前设定温度有效值sp’计算出当前的输出op值，传输至对应的外圈直流电源，所述外圈直流电源响应所述op值信号进行功率输出。

技术总结
本申请公开一种碳化硅外延设备及加热控制方法，该加热控制方法包括：基于温度检测单元采样温度信息并反馈至数据处理单元，数据处理单元基于接收的温度信息经预设的算法运算生成第一指令并反馈至温度控制单元，温度控制单元基于接收的第一指令计算出匹配对应的第二指令并反馈至加热执行单元，所述加热执行单元接收并响应第二指令输出第三指令对第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器的实际加热输出。通过本申请提出的方法加热器的寿命长，能保证衬底侧反应面的温度在工艺温度范围内


技术研发人员：张勇 蒲勇 施建新 卢勇 李俊涛 费戴扬
受保护的技术使用者：芯三代半导体科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/7/11