文章來源：晶格半導體???

原文作者：晶格半導體???

SiC外延設備的復雜性主要體現在反應室設計、加熱系統和旋轉系統等關鍵部件的精確控制上。在SiC外延生長過程中，晶型夾雜和缺陷問題頻發，嚴重影響外延膜的質量。如何在提高外延生長速率和品質的同時，有效避免這些問題的產生，可以從以下幾個方面入手。?

反應室設計優化?????????

1、氣體分布優化

設計更合理的氣體入口結構，采用氣體分布器或特殊的進氣管道布局，使反應氣體（如硅源、碳源等）能均勻地進入反應室，避免局部氣體濃度過高或過低。例如，采用多孔板氣體分布器，讓氣體通過小孔均勻擴散到反應區域，這樣能保證外延生長過程中各處反應條件一致，減少因氣體分布不均導致的晶型夾雜和缺陷。

優化反應室的形狀和內部流場，通過計算機模擬流體動力學（CFD）技術，分析氣體在反應室內的流動特性，調整反應室結構，使氣體流動更加平穩，減少氣體的渦流和滯流區域，從而提高外延生長的均勻性，降低缺陷產生幾率。

2、反應室材料選擇與處理

選擇合適的反應室材料，確保其在高溫、腐蝕性氣體環境下具有良好的化學穩定性。例如，選用經過特殊涂層處理的石英或碳化硅材質反應室，這些材料不僅能耐受高溫和反應氣體的侵蝕，還能減少雜質的釋放，避免因反應室材料引入雜質而導致外延膜缺陷。

對反應室進行嚴格的清洗和預處理，在每次使用前，采用高溫烘烤、化學清洗等方法去除反應室內殘留的雜質和污染物，保證反應環境的純凈，為高質量的外延生長創造條件。

加熱系統改進????

1、溫度均勻性控制

采用多區加熱技術，在反應室周圍設置多個獨立控制的加熱區，通過精確調節每個加熱區的功率，使反應室內不同位置的溫度分布更加均勻。例如，在水平式反應室中，可在反應室的前端、中端和后端分別設置加熱區，根據溫度監測數據實時調整各加熱區的功率，確保整個反應區域的溫度偏差控制在極小范圍內，避免因溫度梯度導致的晶型轉變異常和缺陷形成。

優化加熱元件的布局和結構，采用更合理的加熱絲纏繞方式或使用新型的加熱材料，如石墨加熱體等，提高加熱效率和溫度均勻性。同時，在加熱元件與反應室之間設置隔熱層，減少熱量散失和熱傳導不均的影響，進一步提升溫度控制的精度。

2、溫度精確控制與穩定性

配備高精度的溫度傳感器，實時監測反應室內的溫度變化，并將溫度信號反饋給控制系統。采用先進的溫度控制算法，如比例 - 積分 - 微分（PID）控制算法及其改進算法，根據溫度偏差精確調節加熱功率，使反應溫度能夠快速、穩定地達到設定值，并保持在極小的波動范圍內。例如，將溫度波動控制在 ±1℃以內，為外延生長提供穩定的熱環境，減少因溫度波動導致的晶型夾雜和缺陷。

旋轉系統優化????

1、旋轉穩定性提升

選用高精度的旋轉電機和軸承，確保旋轉系統在高速旋轉時具有良好的穩定性和低振動特性。例如，采用空氣軸承或磁懸浮軸承，這些軸承能夠有效減少機械摩擦和振動，保證晶圓在旋轉過程中的平穩性，避免因旋轉抖動導致外延膜生長不均勻，進而產生缺陷。

對旋轉系統進行動平衡測試和校正，在安裝前對旋轉部件進行精確的動平衡檢測，通過添加或去除配重塊等方式，使旋轉部件的重心與旋轉軸重合，減少因不平衡旋轉產生的離心力，保證晶圓在旋轉過程中各點受到的力均勻，提高外延生長的一致性。

2、旋轉速度精確控制

采用先進的速度控制系統，能夠精確調節旋轉系統的轉速，并根據外延生長的不同階段和工藝要求，實時調整轉速。例如，在生長初期采用較低的轉速，使反應氣體能夠充分吸附在晶圓表面，形成均勻的初始層；隨著生長過程的進行，逐漸提高轉速，增強氣體的擴散和混合效果，提高外延生長速率和質量。通過精確控制旋轉速度，優化外延生長過程中的傳質和反應動力學，減少晶型夾雜和缺陷的產生。

工藝參數優化????

1、生長溫度和時間優化

通過實驗和理論模擬相結合的方法，確定最佳的外延生長溫度窗口。不同的晶型對生長溫度有嚴格要求，例如，4H - SiC 的外延生長通常在 1500 - 1600℃之間，在此溫度范圍內精確調整溫度，找到既能保證較高生長速率又能減少晶型夾雜和缺陷的最佳溫度點。同時，合理控制生長時間，避免過長或過短的生長時間導致的外延膜質量問題。例如，過長的生長時間可能會使雜質積累增多，產生更多缺陷；過短的生長時間則可能導致外延膜厚度不均勻或生長不完全。

2、氣體流量和比例調整

精確控制反應氣體的流量，根據外延生長的速率和質量要求，實時調整硅源、碳源等氣體的流量。例如，在生長初期，適當增加硅源氣體的流量，促進硅原子在晶圓表面的吸附和沉積，形成良好的初始層；在生長后期，根據外延膜的生長情況，合理調整碳源氣體的流量，以保證碳硅比符合目標晶型的要求，避免因碳硅比失調導致晶型夾雜。同時，精確控制載氣（如氫氣）的流量，通過載氣的流動帶動反應氣體的擴散和混合，優化反應環境，提高外延生長的質量。

3、壓力控制

優化反應室內的壓力條件，根據不同的外延生長工藝，選擇合適的生長壓力。例如，在常壓或低壓條件下進行外延生長，通過精確控制壓力，調節反應氣體的擴散和反應速率。較低的壓力可以促進氣體分子的擴散，減少氣相中的雜質碰撞和沉積，有利于提高外延膜的質量；而在某些情況下，適當提高壓力可以增加反應氣體的濃度，提高外延生長速率。通過精確控制壓力參數，找到生長速率和質量的最佳平衡點，減少晶型夾雜和缺陷的產生。

原材料質量控制????

1、氣體純度

保證使用高純度的反應氣體，確保硅源（如硅烷等）、碳源（如丙烷等）和載氣（如氫氣）的純度達到 99.999% 以上，甚至更高。采用氣體純化設備，進一步去除氣體中的雜質，如水分、氧氣、金屬雜質等，避免這些雜質在反應過程中進入外延膜，導致晶型夾雜和缺陷。例如，通過低溫冷凝、吸附等方法去除氣體中的水分和氧氣，通過特殊的金屬吸附劑去除氣體中的金屬雜質，保證反應氣體的純凈度。

2、晶圓質量

篩選對用于外延生長的 SiC 晶圓進行嚴格的質量篩選，選擇晶體質量高、缺陷密度低的晶圓。在晶圓的采購過程中，要求供應商提供詳細的晶體質量檢測報告，包括位錯密度、微管密度等指標。在使用前，對晶圓進行再次檢測，如采用化學腐蝕法觀察晶圓表面的缺陷情況，采用 X 射線衍射等技術檢測晶圓的晶體結構完整性。通過選擇高質量的晶圓作為生長襯底，為獲得高質量的外延膜奠定基礎，減少因襯底缺陷導致的外延膜晶型夾雜和缺陷問題。

實時監測與反饋控制?????

1、在線監測技術應用

采用原位監測技術，如反射高能電子衍射（RHEED）、光發射光譜（OES）等，實時監測外延生長過程中的晶體結構和反應氣體的狀態。RHEED 可以實時觀察外延層的生長模式、晶型轉變等情況，通過監測衍射圖案的變化，及時發現晶型夾雜等問題；OES 則可以在線分析反應氣體的成分和濃度變化，根據光譜信號調整氣體流量和比例，保證反應過程的穩定性。通過實時監測，能夠及時發現生長過程中的異常情況，為及時調整工藝參數提供依據。

2、反饋控制系統建立

基于在線監測的數據，建立反饋控制系統，將監測到的晶體結構、溫度、氣體流量等信息實時反饋給控制系統。控制系統根據預設的工藝標準和模型，自動調整反應室設計、加熱系統、旋轉系統等關鍵部件的參數，實現對外延生長過程的閉環控制。例如，當 RHEED 監測到晶型出現異常時，反饋控制系統自動調整加熱溫度、氣體流量等參數，嘗試糾正晶型生長方向，避免晶型夾雜和缺陷進一步擴大，從而提高外延生長的穩定性和外延膜的質量。