外延炉及其相关的小知识

外延炉是一种用于生产半导体材料的设备，其工作原理是在高温高压环境下将半导体材料沉积在衬底上。

硅外延生长，是在具有一定晶向的硅单晶衬底上，生长一层具有和衬底相同晶向的电阻率且厚度不同的晶格结构完整性好的晶体。

外延生长的特点：

1.低（高）阻衬底上外延生长高（低）阻外延层

2.P（N）型衬底上外延生长N（P）型外延层

3.与掩膜技术结合，在指定的区域进行外延生长

4.外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度

5.生长异质,多层,多组分化合物且组分可变的超薄层

6.实现原子级尺寸厚度的控制

7.生长不能拉制单晶的材料

半导体分立元器件和集成电路制造工艺需要外延生长技术，因半导体其中所含的杂质有N型和P型，通过不同类型的组合，使半导体器件和集成电路具有各种各样的功能，应用外延生长技术就能容易地实现。

硅外延生长方法，又可分为气相外延、液相外延、固相外延。目前国际上广泛的采用化学气相沉积生长方法满足晶体的完整性、器件结构的多样化，装置可控简便，批量生产、纯度的保证、均匀性要求。

气相外延

气相外延在单晶硅晶片上再生长单晶层，保持原有晶格继承性。气相外延温度更低一些，主要保证界面质量。气相外延不需要掺杂。质量方面，气相外延好，但慢。

化学气相外延生长使用的设备装置通常称谓外延生长反应炉。一般主要由气相控制系统、电子控制系统、反应炉主体、排气系统四部分组成。

根据反应室的结构，硅外延生长系统有水平式和立式两种，水平式已很少使用，立式又分为平板式和桶式。立式外延炉，外延生长时基座不断转动，故均匀性好、生产量大。

反应炉炉体是在高纯石英钟罩中悬挂着一个多边锥状桶式经过特殊处理的高纯石墨基座。基座上放置硅片，利用红外灯快速均匀加热。中心轴可以旋转，进行严格双密封的耐热防爆结构。

设备工作原理如下：

1、反应气体从钟罩顶部气体入口处进入反应室，从排成一圈的六个石英喷嘴喷出，经石英挡板阻挡，沿基座与钟罩之间向下，在高温下反应而在硅片表面沉积生长，反应尾气在下部排出。

2、温度分布2061加热原理：感应线圈内通过高频大电流，制造涡旋磁场。基座是导体，处于涡旋磁场中，产生感生电流，电流加热基座。

气相外延生长提供特定的工艺环境，实现在单晶上，生长与单晶晶相具有对应关系的薄层晶体，为单晶沉底实现功能化做基础准备。作为一种特殊工艺，其生长薄层的晶体结构是单晶衬底的延续，而且与衬底的晶向保持对应的关系。

在半导体科学技术的发展中，气相外延发挥了重要作用，该技术已广泛用于Si半导体器件和集成电路的工业化生产。

气相外延生长(如图)

外延设备所用的气体：

通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCL4。其中SiH2Cl2在常温下是气体，使用方便并且反应温度低，是近年来逐渐扩大使用的硅源。SiH4也是气体，硅烷外延的特点是反应温度低，无腐蚀性气体，可得到杂质分布陡峭的外延层。

SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但生长速度快，易提纯，使用安全，所以它们是较通用的硅源。早期多使用SiCl4，近来使用SiHCl3和SiH2Cl2逐渐增多。

由于SiCl4等硅源的氢还原及SiH4的热分解反应的△H为正值，即提高温度有利于硅的淀积，因此反应器需要加热，加热方式主要有高频感应加热和红外辐射加热。通常在石英或不锈钢反应室内放有高纯石墨制的安放硅衬底的基座，为了保证硅外延层质量，石墨基座表面包覆着SiC或沉积多晶硅膜。

相关生产厂家： 

国际：美国CVD Equipment公司、美国GT公司、法国Soitec公司、法国AS公司、美国Proto Flex公司、美国科特·莱思科（Kurt J.Lesker）公司、美国Applied Materials公司。

国内：中国电子科技集团第四十八所、青岛赛瑞达、合肥科晶材料技术有限公司、北京金盛微纳、济南力冠电子科技有限公司。

液相外延

主要用途：

液相外延系统主要用于化合物半导体器件制造过程中外延膜的液相外延生长，是光电子器件研制、生产中的关键工艺装备。

技术特点：
· 自动化程度高，除装片、取片外，整个工艺过程均由工业计算机控制自动完成。
· 工艺操作可由机械手完成。
· 机械手运动定位精度小于0.1mm。
· 炉温稳定、重复性好，恒温区精度优于±0.5℃，降温速率在0.1～6℃/min范围内可调节，降温过程中恒温区平坦度佳，斜率线性度好。
· 冷却功能完善。
· 保护功能周全可靠。
· 设备可靠性高，工艺重复性好。