热壁CVD制备工艺对8英寸SiC外延层厚度均匀性的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0066

摘要/Abstract

摘要： 本文针对典型8英寸热壁卧式SiC外延生长系统建立了考虑衬底转动、Si-C-Cl-H体系反应机理和多物理过程热质输运的数学模型，并用于三维数值仿真模拟研究。此外，本文特别研究了不同衬底表面平均温度、进气流量、进气Si/H₂比对外延层生长速率和厚度均匀性的影响。结果表明：衬底转动提高了衬底表面温度分布均匀性，SiC瞬时生长速率主要受表面附近生长组分浓度影响；外延层厚度均匀性主要受SiC瞬时生长速率沿流动方向的分布影响，衬底前缘和后缘的瞬时生长速率须相互补偿以提高厚度均匀性；提高衬底表面平均温度、降低进气流量和降低进气Si/H₂比均导致瞬时生长速率沿流动方向的分布由上凸向下凸转变，衬底表面实际生长速率的分布从边缘低中间高逐渐过渡为边缘高中间低；所考察的参数范围内进气流量对瞬时生长速率分布影响最大。

关键词: 碳化硅; 外延生长; 化学气相沉积; 热-质输运; 数学模型

Abstract: A mathematical model considering substrate rotation， Si-C-Cl-H system reaction mechanism and multi-physical heat and mass transport process were established for a typical 8-inch hot-wall horizontal SiC epitaxial growth system， and it was used for three-dimensional numerical simulation research. In particular， the effects of different substrate surface average temperature， inlet flow rate， and inlet Si/H₂ ratio on the growth rate and thickness uniformity of epitaxial layer were studied. The results show that the substrate rotation improves the uniformity of temperature distribution on the substrate surface， and the instantaneous growth rate of SiC is mainly affected by the concentration of growth components near the surface. The thickness uniformity of epitaxial layer is mainly affected by the distribution of the instantaneous growth rate of SiC along the flow direction. The instantaneous growth rate of leading edge and trailing edge of substrate must compensate each other to improve the thickness uniformity. Increasing the average temperature of substrate surface， reducing the inlet flow rate and decreasing the Si/H₂ ratio of the inlet gas all lead to change of distribution of the instantaneous growth rate along the flow direction from concave to convex， and the distribution of the actual growth rate on substrate surface gradually changes from the edge low center high to the edge high center low. The inlet flow rate has the greatest influence on the instantaneous growth rate distribution in the parameter range investigated.

Key words: silicon carbide; epitaxy; chemical vapor deposition; heat-mass transport; numerical model

中图分类号:

TQ163⁺.4

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图/表 20

图1 外延系统结构图。（a）x-z立体剖面图；（b）y-z断面图；（c）x-y剖面图

Fig.1 Schematic diagram of the epitaxial system. （a） Longitudinal x-z section；（b） y-z section of hot zone structure；（c） x-y section of the reaction chamber

图2 外延系统计算域和边界条件（结构尺寸非等比例绘制），图中给出三维计算域的x-z截面

Fig.2 Schematic diagram of the computational domain and boundary conditions of the epitaxial system （not to scale）. Only the x-z section of the three-dimensional computational domain is presented

表1 仿真中使用的材料热物性（温度T单位为K）

Table 1 Thermophysical of materials used in simulations， with temperature T in K unit

Parameter	Material	Value
Density/ （kg·m^-3）	Susceptor^［16］	1 740
	Insulation^［17］	170
	Quartz glass^［18-19］	2 200
Thermal conductivity/ （W·m^-1·K^-1）	Susceptor^［16］	128.595-0.126 895T+6.884 01×10^-5T²-1.799 46×10^-8T³+1.791 50×10^-12T⁴
	Insulation^［17］	-0.067 92+0.177 2exp（3.348×10^-12T）+0.135 5exp（9.048×10^-4T）
	Quartz glass^［20］	-0.985 470+0.018 209 1T-5.290 51×10^-5T²+7.552 53×10^-8T³-5.008 12×10^-11T⁴+1.311 32×10^-14T⁵
Heat capacity/ （J·kg^-1·K^-1）	Susceptor^［16］	-159.879+3.655 02T-2.380 56×10^-3T²+7.382 78×10^-7T³-8.797 87×10^-11T⁴
	Insulation^［17］	600
	Quartz glass^［21］	931.7+0.256T-5.90×10⁷/T²

图3 外延生长系统内反应区下表面温度分布，衬底旋转速率分别为0（a）和50 r/min（b），气流方向自左向右

Fig.3 Distributions of temperature on the lower surface of reaction chamber with substrate rotation speed of 0 （a） and 50 r/min （b）， and gas flows from left to right

图4 反应区下表面处主要组分摩尔分数沿流动方向变化。（a）C-H组分和有机硅组分；（b）Si-H-Cl组分

Fig.4 Mole fraction versus susceptor coordinate along the center line of the lower surface of reaction chamber. （a） C-H species and organosilicon species；（b） Si-H-Cl species

图5 反应区下表面处（实线）和表面上方11 mm处气流内（虚线）的温度和生长组分摩尔分数沿流动方向变化，分别为温度（a）、C2H2摩尔分数（b）、SiCl摩尔分数（c）、Si摩尔分数（d）

Fig.5 Temperature and mole fraction of growth species versus susceptor coordinate along the center line of the lower surface of the reaction chamber （solid line） and a plane 11 mm above the lower surface （dashed line）， including temperature （a）， mole fraction of C2H2 （b）， mole fraction of SiCl （c）， mole fraction of Si （d）

图6 基准算例中反应区内瞬时生长速率分布（单位：μm·h-1）。（a）反应区下表面；（b）反应区上表面，气流方向自左向右

Fig.6 Instantaneous growth rate distribution in the reaction zone in the baseline case （unit： μm·h-1）. （a） Lower surface of the reaction zone；（b） upper surface of the reaction zone， and gas flows from left to right

图7 反应区下表面处（实线）和上表面处（点划线）的瞬时生长速率（a）和温度（b）沿流向变化

Fig.7 Instantaneous growth rate （a） and temperature （b） change along the flow direction at the lower surface （solid line） and the upper surface （dotted line） of the reaction chamber

图8 旋转衬底示意图

Fig.8 Schematic diagram of the rotating substrate

图9 衬底表面沿径向的瞬时和实际生长速率分布。（a）θ=0°（实线）和θ=180°（虚线）处瞬时生长速率及其平均值（点划线）；（b）实际生长速率（实线）及其近似值（点线）

Fig.9 Distribution of instantaneous and actual growth rate versus radial coordinate. （a） Instantaneous growth rate of θ=0° （solid line）， θ=180°（dash line） and their average value （dash-dot line）；（b） the actual growth rate （solid line） and its approximation （dotted line）

表2 参数化研究中各参数取值范围

Table 2 Range of operating conditions in parametric analyses

Operating condition	Range
Growth temperature/K	1 823~2 023
Gas flow rate/slm	50~150
Si/H₂ ratio/%	0.05~0.15

图10 生长温度分别为1 823（圆形）、1 923（三角形）和2 023 K（方形）时，反应区下表面中央（实线）和表面上方11 mm处（虚线）的气流温度（a）、C2H2摩尔分数（b）、SiCl摩尔分数（c）以及Si摩尔分数（d）沿流向变化

Fig.10 For growth temperatures of 1 823 （circle）， 1 923 （triangle） and 2 023 K （square）， temperature and mole fraction along the flow direction at the center line of the lower surface of the reaction chamber （solid line） and a plane 11 mm above the lower surface （dashed line）， including temperature （a）， mole fraction of C2H2 （b）， mole fraction of SiCl （c）， and mole fraction of Si （d）

图11 生长温度分别为1 823（圆形）、1 923（三角形）和2 023 K（方形）时，瞬时生长速率沿流向变化（a）和归一化的实际生长速率（实线）及忽略横向分布的近似值（点线）沿衬底径向的分布（b）

Fig.11 For growth temperatures of 1 823 （circle）， 1 923 （triangle） and 2 023 K （square），（a） the instantaneous growth rate along the flow direction，（b） the normalized actual growth rate （solid line） and its approximation （dotted line） along the radial direction of the substrate

图12 不同生长温度对衬底平均生长速率（圆形）和生长速率分布非均匀性（三角形）的影响

Fig.12 Influence of growth temperatures on the average growth rate （circle） and the non-uniformity of growth rate distribution （triangle）

图13 进气流量分别为50（圆形）、100（三角形）和150 slm（方形）时，反应区下表面中央温度（实线）和表面上方11 mm处气流温度（a）、C2H2摩尔分数（b）、SiCl摩尔分数（c）以及Si摩尔分数（d）沿流向变化

Fig.13 For inlet flow rates of 50 （circle）， 100 （triangle） and 150 slm （square）， temperature and mole fraction along the flow direction at the center line of the lower surface of the reaction chamber （solid line） and a plane 11 mm above the lower surface （dashed line）， including temperature （a）， mole fraction of C2H2 （b）， mole fraction of SiCl （c）， and mole fraction of Si （d）

图14 进气流量分别为50（圆形）、100（三角形）和150 slm（方形）时，瞬时生长速率沿流向变化（a）和归一化的实际生长速率（实线）及忽略横向分布的近似值（点线）沿衬底径向的分布（b）

Fig.14 For inlet flow rates of 50 （circle）， 100 （triangle） and 150 slm （square）， the instantaneous growth rate along the flow direction （a），the normalized actual growth rate （solid line） and its approximation （dotted line） along the radial direction of the substrate （b）

图15 不同进气流量对衬底平均生长速率（圆形）和非均匀性（三角形）的影响

Fig.15 Influences of gas flow rates on average growth rate （circle） and non-uniformity of growth rate distribution （triangle）

图16 进气Si/H2比分别为0.05%（圆形）、0.15%（三角形）和0.25%（方形）时，反应区下表面中央温度（实线）和表面上方11 mm处的气流温度（a）、C2H2摩尔分数（b）、SiCl摩尔分数（c）以及Si摩尔分数（d）沿流向变化

Fig.16 For inlet Si/H2 ratio of 0.05% （circle）， 0.15% （triangle） and 0.25% （square）， temperature and mole fraction along the flow direction at the center line of the lower surface of the reaction chamber （solid line） and a plane 11 mm above the lower surface （dashed line）， including temperature （a）， mole fraction of C2H2 （b）， mole fraction of SiCl （c）， and mole fraction of Si （d）

图17 进气Si/H2比分别为0.05%（圆形）、0.15%（三角形）和0.25%（方形）时瞬时生长速率沿流向变化（a）和归一化的实际生长速率（实线）及忽略横向分布的近似值（点线）沿衬底径向的分布（b）

Fig.17 For inlet Si/H2 ratio of 0.05% （circle）， 0.15% （triangle） and 0.25% （square）， the instantaneous growth rate along the flow direction （a）， the normalized actual growth rate （solid line） and its approximation （dotted line） along the radial direction of the substrate （b）

图18 不同Si/H2比对衬底平均生长速率（圆形）和非均匀性（三角形）的影响

Fig.18 Influence of Si/H2 ratio on the average growth rate （circle） and the non-uniformity of growth rate distribution （triangle）

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