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CN113488380A - 一种提高碳化硅衬底质量的处理方法及装置 - Google Patents

一种提高碳化硅衬底质量的处理方法及装置 Download PDF

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CN113488380A
CN113488380A CN202110750303.5A CN202110750303A CN113488380A CN 113488380 A CN113488380 A CN 113488380A CN 202110750303 A CN202110750303 A CN 202110750303A CN 113488380 A CN113488380 A CN 113488380A
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Abstract

本申请公开了一种提高碳化硅衬底质量的处理方法及装置，属于半导体材料清洁技术领域。该装置包括：上壳体和下壳体，所述碳化硅衬底放置在所述上壳体和下壳体中间，以使得所述碳化硅衬底分别与所述上壳体和下壳体之间形成密闭的第一气源腔和第二气源腔；所述第一气源腔内设置第一进气口和第一出气口，所述第二气源腔内设置第二进气口和第二出气口，清洁气体分别进入至第一气源腔和第二气源腔缓冲后流动至碳化硅衬底的上表面和下表面，并分别自所述第一出气口和第二出气口流出。使用该装置对碳化硅衬底进行清洁，能够提高碳化硅衬底C面和Si面的表面一致性，进而提高外延质量。

Description

一种提高碳化硅衬底质量的处理方法及装置
技术领域
本申请涉及一种提高碳化硅衬底质量的处理方法及装置，属于半导体材料清洁技术领域。
背景技术
碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料代表之一。碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子迁移率等优异特性，成为制备高温、高频、高功率及抗辐射器件的热门材料之一。
外延技术是碳化硅基器件制备过程中的核心技术，外延质量的好坏直接决定了碳化硅基器件的性能、寿命、稳定性等关键技术指标，在行业内具有举足轻重的地位。提高外延质量除了对外延工艺参数要求较严格外，对碳化硅衬底本身质量也有很高要求。为提高碳化硅衬底的一致性并提高表面质量，目前市场上通用的方法是对碳化硅晶体进行切、磨、抛、洗等加工操作，获得一致性较高的外延用碳化硅衬底。
碳化硅衬底的加工过程提高了衬底表面质量的一致性，便于大规模碳化硅衬底的外延生长，但衬底表面加工过程中的切、磨、抛、洗工序不可避免的破坏了衬底表面原有的生长信息，且衬底表面会残留大量颗粒，传统清洗方式无法有效去除，特别是加工原料残留颗粒强力吸附在衬底表面，这些颗粒的存在增大衬底表面的粗糙程度，对外延质量造成严重影响，诱发微管、多型、位错、层错、胡萝卜缺陷、三角、台阶束等质量缺陷。此外，由于碳化硅衬底C面和Si面的物理特性本身存在较大差异，C面颗粒相比于Si面颗粒更加难以去除，在同等清洗条件下C面颗粒残留数量会远大于Si面，这种差异也会对外延质量造成一定影响，进而影响碳化硅基器件的整体性能。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了一种提高碳化硅衬底质量的处理方法及装置，使用该处理装置，清洁气体能够同时对碳化硅衬底的两个表面进行定量、定向的吹扫，能够有效去除衬底表面吸附的残留颗粒，改善碳化硅衬底表面的光洁程度，提高碳化硅衬底两个表面，即C面和Si面的表面一致性，减少层错、位错、三角、台阶束等缺陷的产生，提高外延质量。
根据本申请的一个方面，提供了一种提高碳化硅衬底质量的处理装置，该装置将碳化硅衬底放置于上壳体和下壳体之间，形成第一气源腔和第二气源腔，清洁气体分别进入第一气源腔和第二气源腔对碳化硅衬底的两个表面进行清洁，提高清洁效率，同时能够根据C面和Si面的颗粒数量的不同，有针对性进行清洁，提高碳化硅衬底两个表面的一致性。该装置，包括：
上壳体和下壳体，所述碳化硅衬底放置在所述上壳体和下壳体中间，以使得所述碳化硅衬底分别与所述上壳体和下壳体之间形成密闭的第一气源腔和第二气源腔；
所述第一气源腔内设置第一进气口和第一出气口，所述第二气源腔内设置第二进气口和第二出气口，清洁气体分别进入至第一气源腔和第二气源腔缓冲后流动至碳化硅衬底的上表面和下表面，并分别自所述第一出气口和第二出气口流出。
可选地，还包括衬底放置盘，所述衬底放置盘设有多个用于放置碳化硅衬底的容纳孔，所述衬底放置盘能够相对于所述上壳体和下壳体旋转。
优选的，所述容纳孔至少为两个，至少两个所述容纳孔以衬底放置盘的中心为中心对称设置。
可选地，还包括转动轴，所述转动轴的一端设置在工作台上，另一端设置在所述衬底放置盘的中心，所述转动轴用于带动所述衬底放置盘相对于所述上壳体和下壳体旋转。
可选地，还包括夹持机构，所述碳化硅衬底通过所述夹持机构放置于所述容纳孔内。
可选地，所述第一进气口和第二进气口与所述碳化硅衬底相对设置，所述夹持机构的侧壁上开设有第一出气口和第二出气口。
优选的，所述第一进气口设置在所述上壳体的顶部中心位置，所述第二进气口设置在所述下壳体的底部中心位置。
优选的，所述第一进气口与所述碳化硅衬底上表面的距离为50-1500mm，优选为50-1500mm，更优选为700-800mm，所述第一出气口与所述碳化硅衬底上表面的距离为0-10mm，优选为3-5mm；所述第二进气口与所述碳化硅衬底下表面的距离为50-1500mm，优选为50-1500mm，更优选为700-800mm，所述第二出气口与所述碳化硅衬底下表面的距离为0-10mm，优选为3-5mm。
第一出气口与碳化硅衬底上表面的距离指的是第一出气口与碳化硅衬底上表面的最短距离，第二出气口与碳化硅衬底下表面的距离指的是第二出气口与碳化硅衬底下表面的最短距离。
可选地，所述第一出气口和第二出气口沿所述夹持机构的轴向分别成单排设置，并均匀分布在所述夹持机构的径向；
优选的，所述第一出气口的数量为2-60个，优选为10-20个，每个所述第一出气口的开口面积为0.5cm2-15cm2，优选为0.7cm2-10cm2；和/或
所述第二出气口的数量为2-60个，优选为10-20个，每个所述第二出气口的开口面积为0.5cm2-15cm2，优选为0.7cm2-10cm2。
可选地，所述第一出气口和第二出气口为矩形、圆形，优选为圆形，所述第一出气口和第二出气口的孔径为5-20mm，优选为10-15mm。
可选地，所述上壳体和下壳体外侧套设有加热线圈，所述加热线圈用于加热进入所述第一气源腔和第二气源腔内的清洁气体。
优选的，所述上壳体和下壳体为筒体结构，所述上壳体和下壳体的直径为50-500mm，所述加热线圈与所述上壳体和下壳体的形状相适配，并且与所述上壳体和下壳体共中心轴线设置。
可选地，所述上壳体内设置有第一支撑板，所述第一支撑板上设置有与第一进气口连通的第一气体喷头，所述清洁气体自第一气体喷头吹入所述第一气源腔。
可选地，所述下壳体的内设置有第二支撑板，所述第二支撑板上设置有与第二进气口连通的第二气体喷头，所述清洁气体自第二气体喷头吹入所述第二气源腔。
优选的，所述第一支撑板能够带动所述第一气体喷头升降和/或旋转，所述第二支撑板能够带动所述第二气体喷头升降和/或旋转。
可选地，所述第一气体喷头至少为一个，至少一个所述第一气体喷头设置在所述第一支撑板的中心位置，其余所述第一气体喷头与所述第一支撑板的夹角为80-90°，优选为85-88°，并均匀分布在所述中心位置处的第一气体喷头的周向。
优选的，所述第一气体喷头为7个，一个所述第一气体喷头垂直设置在所述第一支撑板的中心位置，其余6个所述第一气体喷头与所述第一支撑板的夹角为88°。
优选的，所述第二气体喷头至少为一个，至少一个所述第二气体喷头设置在所述第二支撑板的中心位置，其余所述第二气体喷头与所述第二支撑板的夹角为80-90°，优选为85-88°，并均匀分布在所述中心位置处的第二气体喷头的周向。
优选的，所述第二气体喷头为7个，一个所述第二气体喷头垂直设置在所述第二支撑板的中心位置，其余6个所述第二气体喷头与所述第二支撑板的夹角为88°。
可选地，所述夹持机构包括第一夹持件和第二夹持件，所述第一夹持件的下端面与所述第二夹持件的上端面连接，所述第一夹持件和第二夹持件连接处设置凸起的密封槽，所述密封槽用于固定所述碳化硅衬底。
优选的，所述密封槽的高度与所述碳化硅衬底的厚度相等，所述密封槽的宽度为2-10mm。
优选的，所述密封槽的高度为0.1-10mm，密封槽的宽度为4-6mm。
可选地，第一夹持件的上端面上设置第一卡槽，所述夹持机构通过所述第一卡槽与所述上壳体的底部开口连接，所述第二夹持件的下端面上设置第二卡槽，所述夹持机构通过所述第二卡槽实现与所述下壳体的顶部开口连接。
可选地，所述第二夹持件的底部侧壁上设置有卡台，所述卡台的外表面与所述容纳孔的内表面抵接，以使得所述夹持机构卡合在所述容纳孔内。
根据本申请的又一个方面，提供了一种提高碳化硅衬底质量的处理方法，所述方法使用上述任一项所述的装置进行，所述方法包括下述步骤：
S1：将待清洁的碳化硅衬底放置在上壳体和下壳体中间；
S2：打开第一进气口和第二进气口，清洁气体对碳化硅衬底的两个表面同时进行清洁至少30min后，关闭所述第一进气口和第二进气口，将清洁完毕的碳化硅衬底取下。
可选地，所述上壳体和下壳体外侧套设有加热线圈，所述清洁中，所述加热线圈用于将所述第一气源内的清洁气体加热至200-1200℃，并将所述第二气源内的清洁气体加热至150-1000℃。
本申请能产生的有益效果包括但不限于：
1.本申请所提供的处理装置,清洁气体能够同时对碳化硅衬底的两个表面进行定量、定向的吹扫，能够有效去除衬底表面吸附的残留颗粒，改善碳化硅衬底表面的光洁程度，提高碳化硅衬底两个表面，即C面和Si面的表面一致性，减少层错、位错、三角、台阶束等缺陷的产生，提高外延质量。
2.本申请所提供的处理装置，衬底放置盘的设置能够提高碳化硅衬底的清洁效率，一次安装可对多个待清洁的碳化硅衬底依次进行清洁，减少人工操作，提高该装置的自动化程度，适用于大批量清洁碳化硅衬底。
3.本申请所提供的处理装置，将碳化硅衬底固定于夹持机构的密封槽内，避免碳化硅衬底直接接触上壳体和下壳体，能够对碳化硅衬底起到保护作用，提高碳化硅衬底的成品率。
4.本申请所提供的处理装置，夹持机构的侧壁上设置有第一出气口和第二出气口，能够减少第一出气口和第二出气口与碳化硅衬底之间的距离，便于清洁气体流出，提高碳化硅衬底的清洁效果，避免碳化硅衬底的二次污染或划伤，保证安全操作。
5.本申请所提供的处理装置，第一支撑板和第二支撑板的升降能够调节第一气源腔和第二气源腔的体积，提高碳化硅衬底的清洁度；第一支撑板和第二支撑板的旋转，便于将碳化硅衬底两个表面附着力较大的颗粒吹扫下来，还能够对清洁气体起到缓冲作用，避免损伤碳化硅衬底。
6.本申请所提供的处理方法，能够利用清洁气体对碳化硅衬底的两个表面同时进行清洁，能够有效去除碳化硅衬底表面吸附的残留颗粒，改善碳化硅衬底的质量，提高碳化硅衬底C面和Si面的表面一致性，从而提高碳化硅基器件的使用性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例涉及的处理装置的剖面图；
图2为本申请实施例涉及的夹持机构的侧截面示意图；
图3为本申请实施例涉及的夹持机构的局部切面示意图；
图4为本申请实施例涉及的夹持机构的立体示意图；
图5为本申请实施例涉及的处理装置的立体示意图；
部件和附图标记列表：
10、上壳体、11、第一进气口；12、第一气源腔；20、下壳体、21、第二进气口；22、第二气源腔；30、夹持机构；31、第一夹持件；32、第一出气口；33、第一卡槽；34、密封槽；35、第二夹持件；36、第二出气口；37、第二卡槽；38、卡台；40、衬底放置盘；41、容纳孔；42、转动轴；50、加热线圈；60、第一支撑板；61、第一气体喷头；62、第一气源；63、第一控制器；64、第一电机；65、第二支撑板；66、第二气体喷头；67、第二气源；68、第二控制器；69、第二电机。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本申请的实施例中分析方法如下：
1、颗粒数检测采用KLA公司的CS8520设备。
2、元素含量检测采用EAG公司的SIMS测试设备。
3、总厚度偏差、翘曲度和弯曲度检测采用Corning公司的Tropel设备。
实施例1
参考图1-5，本申请的实施例公开了一种提高碳化硅衬底质量的处理装置，该处理装置，包括：上壳体10和下壳体20，将碳化硅衬底放置在上壳体10和下壳体20中间，以使得碳化硅衬底分别与上壳体10和下壳体20之间形成密闭的第一气源腔12和第二气源腔22，其中第一气源腔12内设置第一进气口11和第一出气口32，第二气源腔22内设置第二进气口21和第二出气口36，清洁气体自第一进气口11和第二进气口21分别进入至第一气源腔12和第二气源腔22缓冲后流动至碳化硅衬底的上表面和下表面，并分别自第一出气口32和第二出气口36流出。
使用该装置能够同时对碳化硅衬底的两个表面进行清洁，将碳化硅衬底放置在上壳体10和下壳体20中间后，上壳体10和下壳体20相向运动，将碳化硅衬底夹持在上壳体10和下壳体20之间，第一气源62内的清洁气体进入第一气源腔12和第二气源67内的清洁气体进入第二气源腔22后，能够对碳化硅衬底的C面和Si面进行定向定量的吹扫，能够对碳化硅衬底产生一定的气流冲击力，该冲击力将碳化硅两个表面附着的大量颗粒吹动下来，并带至第一出气口32和第二出气口36流出，清洁完成后，上壳体10和下壳体20相背运动，将清洁后的碳化硅衬底取下即可。随着清洁气体持续对碳化硅衬底两个表面持续那个吹扫并及时将吹扫下来的颗粒从第一出气口32和第二出气口36带走，避免吹扫下来的颗粒对碳化硅衬底的两个表面进行二次污染和造成碳化硅衬底的划伤，减少碳化硅衬底两个表面残留的颗粒数量，提高碳化硅衬底的清洁度和清洁效率。
具体的，分别设置第一气源腔12和第二气源腔22，一是能够对清洁气体产生一定的缓冲作用，避免气流冲击力过大，对碳化硅衬底造成损伤；二是由于碳化硅衬底两个表面颗粒的数量不同，因此可以通过调节进入第一气源腔12和第二气源腔22的清洁气体的组成及流量，对碳化硅衬底的两个表面针对性的进行清洁，提高碳化硅衬底的C面和Si面的一致性，进而提高外延质量和碳化硅基器件的整体性能。
作为一种实施方式，还包括衬底放置盘40，衬底放置盘40设有多个用于放置碳化硅衬底的容纳孔41，衬底放置盘40能够相对于上壳体10和下壳体20旋转。将多个待清洁的碳化硅衬底放置于衬底放置盘40的容纳孔41内，通过衬底放置盘40的旋转以使得碳化硅衬底放置在上壳体10和下壳体20之间，当碳化硅衬底清洁完毕后，旋转衬底放置盘40，将清洁完毕的碳化硅衬底取下，同时将另一碳化硅衬底放置于上壳体10和下壳体20之间，进行下一碳化硅衬底的清洁。该设置方式能够提高碳化硅衬底的清洁效率，一次安装可对多个待清洁的碳化硅衬底依次进行清洁，减少人工操作，提高该装置的自动化程度，适用于大批量清洁碳化硅衬底。
具体的，容纳孔41至少为两个，至少两个容纳孔41以衬底放置盘40的中心为中心对称设置，以衬底放置盘40的中心为中心设置，衬底放置盘40围绕其中心旋转，能够保证将各个碳化硅衬底放置在上壳体10和下壳体20中间，避免碳化硅衬底与上壳体10和下壳体20之间存在未密封的间隙，从而降低清洁效果；对称设置的容纳孔41，相连两个容纳孔41之间的间距相等，有利于设定衬底放置盘40的旋转角度，进一步提高装置的自动化程度。
作为一种实施方式，包括转动轴42，转动轴42的一端设置在工作台上，另一端设置在衬底放置盘40的中心，转动轴42用于带动衬底放置盘40相对于上壳体10和下壳体20旋转。转动轴42设置在衬底放置盘40的中心，通过转动轴42的旋转带动衬底放置盘40的旋转，能够平稳的移动容纳孔41内的碳化硅衬底，确保将碳化硅衬底放置在合适的位置上，提高清洁效率。
作为一种实施方式，还包括夹持机构30，碳化硅衬底通过夹持机构30放置于容纳孔41内。使用夹持机构30将碳化硅衬底夹持住，再将该夹持机构30放置在容纳孔41内，能够避免衬底放置盘40与上壳体10和下壳体20的直接接触，若碳化硅衬底直接放置在上壳体10和下壳体20中间，则上壳体10和下壳体20相向运动时，直接接触碳化硅衬底，容易造成碳化硅衬底的破裂或损伤，因此该设置方式能够对碳化硅衬底起到保护作用，提高碳化硅衬底的成品率。
作为一种实施方式，上壳体10和下壳体20外侧套设有加热线圈50，加热线圈50用于加热进入第一气源腔12和第二气源腔22内的清洁气体。未经加热的清洁气体，在对碳化硅衬底的表面进行吹扫时，清洁能力有限，对于一些附着力较大的污染颗粒，清洁效果不理想，加热后的清洁气体吹向碳化硅衬底表面时，能够促使颗粒产生运动，降低其与碳化硅衬底表面的附着力，从而很容易的将其带动至第一出气口32和第二出气口36流出，减少碳化硅衬底表面的颗粒残留，进一步提高籽碳化硅衬底的清洁度；另外清洁气体在对碳化硅衬底进行吹扫时，使得碳化硅衬底两个表面受热均匀，能够消除碳化硅衬底本身所携带的应力，同时避免吹扫造成碳化硅衬底应力集中，提高碳化硅衬底的质量，便于后续的加工生产。
作为一种优选的实施方式，上壳体10和下壳体20为筒体结构，上壳体10和下壳体20的直径为50-500mm，加热线圈50与上壳体10和下壳体20的形状相适配，并且与上壳体10和下壳体20共中心轴线设置。加热线圈50各个位置与上壳体10和下壳体20之间的水平距离相等，能够提高对第一气源腔12和第二气源腔22内的清洁气体的加热效果，保证清洁气体均匀受热，使得清洁气体到达碳化硅衬底表面时的温度一致，进一步提高碳化硅衬底整个表面的清洁度，避免碳化硅衬底表面的局部的颗粒数量偏多，同时也有利于碳化硅衬底释放应力，进一步提高碳化硅衬底的质量。
作为一种实施方式，第一进气口11与碳化硅衬底相对设置，能够保证自第一进气口11进入的清洁气体直接向碳化硅衬底方向传输，随后再自第一出气口32流出，避免出现清洁气体直接自第一出气口32流出的情况，提高清洁气体的利用效率，同理，第二进气口21也能提高清洁气体的利用效率。具体的，第一进气口11设置在上壳体10的顶部中心位置，第二进气口21设置在下壳体20的底部中心位置，清洁气体自第一进气口11和第二进气口21进入时，能够保证清洁气体进入时，均匀的向第一气源腔12和第二气源腔22扩散，使得碳化硅衬底表面受力相同，降低碳化硅衬底的形变，提高碳化硅衬底的面型质量。
作为一种实施方式，第一进气口11与碳化硅衬底上表面的距离为50-1500mm，优选为50-1500mm，更优选为700-800mm，第二进气口21与碳化硅衬底下表面的距离为50-1500mm，优选为50-1500mm，更优选为700-800mm。该设置方式既能保证进入第一气源腔12和第二起源腔的清洁气体能够对碳化硅衬底表面进行有效清洁，将碳化硅两个表面附着的颗粒分别吹扫至第一出气口32和第二出气口36流出，又能避免清洁气体产生的冲击力过大，容易造成碳化硅衬底变形或损伤，避免碳化硅衬底出现破碎。同时，在该距离下，加热线圈50能够均匀的对清洁气体进行加热，保证清洁气体的加热效果，提高对碳化硅衬底的清洁效果，又能避免碳化硅衬底破碎，若距离过长，虽然清洁气体加热更为均匀，但是清洁气体在达到碳化硅衬底表面时产生的气流冲击力会减小，降低碳化硅衬底的清洁效果；若距离过短，加热效果不均匀，并且气流冲击力过大，容易损伤碳化硅衬底，使碳化硅衬底产生变形，降低碳化硅衬底的面型质量。
参考图2，作为一种实施方式，夹持机构30的侧壁上开设有第一出气口32和第二出气口36，第一出气口32与第二出气口36与碳化硅之间的距离较小，若在上壳体10和下壳体20上设置第一出气口32和第二出气口36，则没有办法根据碳化硅衬底的情况选择第一出气口32和第二出气口36的设置位置，只能通过更换上壳体10和下壳体20来实现，降低该装置的便捷性。在夹持机构30的侧壁上设置第一出气口32和第二出气口36，不同的夹持机构30的第一出气口32和第二出气口36的设置位置及数量不同，由于夹持机构30部件较小，便于更换，因此可根据不同的碳化硅衬底选择合适夹持机构30，提高该装置的便捷性；进一步地，将第一出气口32和第二出气口36设置在夹持机构30的侧壁上，能够减少第一出气口32和第二出气口36与碳化硅衬底之间的距离，便于清洁气体流出，提高碳化硅衬底的清洁效果，避免带有颗粒的清洁气体长时间滞留在第一气源腔12和第二气源腔22内，稳定第一气源腔12和第二气源腔22内的气体压力，从而避免碳化硅衬底的二次污染或划伤，保证安全操作。
作为一种实施方式，第一出气口32和第二出气口36沿夹持机构30的轴向分别成单排设置，并均匀分布在夹持机构30的径向，该设置方式下，第一出气口32围绕在夹持机构30的径向为一排，第二出气口36围绕在夹持机构30的径向也为一排，有利于清洁气体带动碳化硅衬底表面的颗粒从夹持机构30的四周的第一出气口32和第二出气口36流出，保证清洁气体不会滞留在第一气源腔12和第二气源腔22内，避免带有颗粒的清洁气体又被新的清洁气体带动至碳化硅衬底表面，从而降低清洁效果；进一步的，沿夹持机构30径向均匀分布的第一出气口32和第二出气口36，能够保证清洁气体在碳化硅衬底周向产生的气流是均匀的，避免碳化硅衬底受力不均匀，提高碳化硅衬底的面型质量。
作为一种实施方式，第一出气口32与碳化硅衬底上表面的距离为0-10mm，第一出气口32的数量为2-60个，每个所述第一出气口32的开口面积为0.5cm2-15cm2，第二出气口36与碳化硅衬底下表面的距离为0-10mm，第二出气口36的数量为2-60个，每个第二出气口36的开口面积为0.5cm2-15cm2。该设置方式下，第一出气口32与碳化硅衬底上表面的距离要小于第一进气口11与碳化硅衬底上表面的距离，能够保证清洁气体进入第一气源腔12时，能够向碳化硅衬底的上表面运动，避免未对碳化硅衬底清洁的清洁气体直接自第一出气口32流出，同理，第二出气口36的设置也能保证第二气源腔22的清洁气体的浪费。该距离下能够提高清洁气体有效利用率和对碳化硅衬底的清洁力度，避免浪费，节约成本。
第一出气口32和第二出气口36数量及开口面积的设置，能够保证清洁完碳化硅衬底后的清洁气体能够顺利自第一出气口32和第二出气口36流出，避免第一气源腔12和第二气源腔22内的气压过大，从而损伤碳化硅衬底。第一出气口32和第二出气口36数量过少或开口面积过小，清洁气体无法及时流出，使得第一气源腔12和第二气源腔22内的压力过大，易造成碳化硅衬底破裂，同时使得第一气源腔12和第二气源腔22内漂浮着一定数量的颗粒，随着清洁气体的不断进入第一气源腔12和第二气源腔22，会带动这些颗粒重新向碳化硅衬底方向运动，容易造成碳化硅衬底的二次污染，从而降低清洁效果；出气口数量过多或开口面积过大，清洁气体容易直接自第一出气口32和第二出气口36流出，无法有效对碳化硅衬底进行清洁。
优选的，第一出气口32与碳化硅衬底上表面的距离为3-5mm，第一出气口32的数量为10-20个，第一出气口32的开口面积为0.7cm2-10cm2；第二出气口36与碳化硅衬底下表面的距离为3-5mm，第二出气口36的数量为10-20个，第二出气口36的开口面积为0.7cm2-10cm2。能够使得碳化硅衬底两个表面的颗粒数量降为最少，同时降低碳化硅衬底的变形。具体的第一出气口32和第二出气口36可以为矩形、圆形，优选为圆形，有利于清洁气体的流出，当第一出气口32和第二出气口36为圆形时，第一出气口32和第二出气口36的孔径为5-20mm，优选为10-15mm，进一步提高碳化硅衬底的清洁度，该碳化硅衬底用于制备碳化硅基器件时，能够提高碳化硅基器件的使用性能。
作为一种实施方式，上壳体10内设置有第一支撑板60，第一支撑板60的侧壁与上壳体10的内壁贴合，第一支撑板60上设置有与第一进气口11连通的第一气体喷头61，清洁气体依次经过第一进气口11和第一气体喷头61吹入第一气源腔12。下壳体20的内设置有第二支撑板65，第二支撑板65的侧壁与下壳体20的内壁贴合，第二支撑板65上设置有与第二进气口21连通的第二气体喷头66，清洁气体依次经过第二进气口21和第二气体喷头66吹入第二气源腔22。第一支撑板60和第一气体喷头61设置在上壳体10内，第一支撑板60、上壳体10和碳化硅衬底上表面之间围成第一气源腔12，通过第一控制器6363控制流经第一气体喷头61的清洁气体的流量，同理，通过第二控制器68控制流经第二气体喷头66的清洁气体的流量，根据碳化硅衬底两个表面颗粒的多少及存在位置，灵活调节流经第一气体喷头61和第二气体喷头66的清洁气体的流量和喷入角度，避免清洁气体的浪费或者存在碳化硅衬底清洁不彻底的现象，提高该装置的实用性和灵活性。
作为一种实施方式，第一支撑板60能够带动第一气体喷头61升降和/或旋转，第二支撑板65能够带动第二气体喷头66升降和/或旋转。第一支撑板60和第二支撑板65的升降和/或旋转，是分别通过第一电机64和第二电机69来控制的，在对碳化硅衬底进行清洁时，第一支撑板60的升降能够调节第一气体喷头61与碳化硅衬底上表面之间的距离，进而能够调节第一气源腔12的体积，同理，第二支撑板65的升降能够调节第二气源腔22的体积，第一气源腔12和第二气源腔22体积的变化，能够改变第一气源腔12和第二气源腔22内的气压和清洁气体的气流冲击力，根据碳化硅衬底表面颗粒数量的多少，灵活进行调节即可，保证清洁气体能够对碳化硅衬底进行高效清洁，提高碳化硅衬底的清洁效果；同时清洁完碳化硅衬底之后，通过第一支撑板60和第二支撑板65的升降对第一气源腔12和第二气源腔22内的气压进行调节，在上壳体10和下壳体20相背运动时，第一支撑板60和第二支撑板65向远离碳化硅衬底方向移动，使第一气源腔12和第二气源腔22内的压力下降，提高第一气源腔12和第二气源腔22的泄压效率，避免第一气源腔12和第二气源腔22内的气压过大，会瞬间冲出大量的清洁气体，从而造成碳化硅衬底的破裂和清洁气体的浪费。
具体的，第一电机64可以为两个，一个控制第一支撑板60的升降，一个控制第一支撑板60的旋转，同理，第二电机69也可以为两个，第一电机64和第二电机69采用现有技术中具有控制升降或旋转的电机即可。
在对碳化硅衬底的清洁过程中，通过第一支撑板60和第二支撑板65的旋转，第一气源腔12和第二气源腔22内的清洁气体形成的气流为旋转气流，能够延长清洁气体传输路径，对清洁气体起到缓冲作用，避免清洁气体的冲击力过大，从而造成碳化硅衬底的损伤；同时旋转的气流使得清洁气体到达碳化硅衬底表面时能够对碳化硅衬底的表面产生一个均匀的冲击力，能够减少碳化硅衬底的形变，降低碳化硅衬底的总厚度偏差、翘曲度和弯曲度，提高碳化硅衬底的面型质量，将碳化硅衬底用于制备外延产品时，也能提高外延产品的质量。
作为一种实施方式，第一气体喷头61至少为一个，至少一个第一气体喷头61设置在第一支撑板60的中心位置，其余第一气体喷头61与第一支撑板60的夹角为80-90°，优选为85-88°，并均匀分布在中心位置处的第一气体喷头61的周向。第一气体喷头61设置为一个以上，能够保证清洁气体产生足够的冲击力，从而对碳化硅衬底的上表面进行清洁；至少一个垂直设置在第一支撑板60的中心位置，该中心位置处的气体喷头和其周向的第一气体喷头61所喷出的清洁气体，在支撑板的旋转下，能够同时吹向碳化硅衬底的上表面，进一步保证碳化硅衬底受力均匀，降低碳化硅衬底的变形，提高碳化硅衬底的清洁效果。其余第一气体喷头61与第一支撑板60的夹角为80-90°，该设置下，其余第一气体喷头61能够吹向碳化硅衬底的周向，和中心位置处的第一气体喷头61相配合，进一步提高碳化硅衬底的清洁效果，降低碳化硅衬底表面的颗粒数量。
优选的，第一气体喷头61为7个，一个第一气体喷头61垂直设置在支撑板的中心位置，其余6个第一气体喷头61与支撑板的夹角为88°，在清洁过程中，气流能够均匀的对碳化硅衬底上表面进行吹扫，降低碳化硅衬底表面的颗粒数量，减少碳化硅衬底的变形，提高碳化硅衬底的面型质量。
作为一种实施方式，第二气体喷头66至少为一个，至少一个第二气体喷头66设置在第二支撑板65的中心位置，其余第二气体喷头66与第二支撑板65的夹角为80-90°，优选为85-88°，并均匀分布在中心位置处的第二气体喷头66的周向。优选的，第二气体喷头66为7个，一个第二气体喷头66垂直设置在第二支撑板65的中心位置，其余6个第二气体喷头66与所述第二支撑板65的夹角为88°。能够同时保证对碳化硅衬底的两个表面进行处理，降低碳化硅衬底两个表面的颗粒数量，减少碳化硅衬底的变形，提高碳化硅衬底两个表面的面型质量。
作为一种实施方式，第一气体喷头61与碳化硅衬底上表面的距离为50-1500mm，第二气体喷头66与碳化硅衬底下表面的距离为50-1500mm，根据碳化硅衬底两个表面的颗粒多少，通过第一支撑板60和第二支撑板65调节第一气体喷头61和第二气体喷头66的升降，进而调节第一气源腔12和第二气源腔22内的清洁气体的气流冲击力，提高该装置的灵活性，提高清洁后碳化硅衬底质量的一致性。
作为一种实施方式，夹持机构30包括第一夹持件31和第二夹持件35，第一夹持件31的下端面与第二夹持件35的上端面连接，第一夹持件31和第二夹持件35连接处设置凸起的密封槽34，密封槽34用于固定碳化硅衬底。将碳化硅衬底固定在密封槽34上，能够增加碳化硅衬底的稳固性，凸起的密封槽34能够对碳化硅衬底的边缘起到保护作用，放置碳化硅衬底在清洁过程中产生裂纹或破碎，提高碳化硅衬底的成品率；优选的，将碳化硅衬底放置于密封槽34后，碳化硅衬底的表面是平整的，位于同一水平面上，能够保证清洁气体在对碳化硅衬底进行清洁时，避免碳化硅衬底局部受力过大，进而降低碳化硅衬底在清洁过程中的变形，提高碳化硅衬底的面型质量。
作为一种优选的实施方式，密封槽34的高度与所述碳化硅衬底的厚度相等，优选为0.1-10mm；该设置方式下，碳化硅衬底放置更平稳，在旋转衬底放置盘40时或者取放夹持机构30时，碳化硅衬底都不会出现晃动。所述密封槽34的宽度为2-10mm，优选为4-6mm，该宽度的设置既能确保对碳化硅衬底表面进行有效清洁，又能保证对碳化硅衬底起到稳定和保护的作用，以防碳化硅衬底损伤。
作为一种实施方式，第一夹持件31的上端面上设置第一卡槽33，所述夹持机构30通过第一卡槽33与上壳体10的底部开口连接，第二夹持件35的下端面上设置第二卡槽37，夹持机构30通过第二卡槽37实现与下壳体20的顶部开口连接。通过第一卡槽33和第二卡槽37的设置，能够实现夹持机构30与上壳体10和下壳体20之间的密封，避免清洁气体自夹持机构30与上壳体10或下壳体20之间的连接处泄露，进而提高清洁气体的利用率，提高清洁效果。优选的，第一卡槽33的宽度和上壳体10的厚度一致，第一卡槽33的深度为5-30mm，第二卡槽37的宽度与下壳体20的厚度一致，第一卡槽33的深度为5-30mm。
作为一种优选的实施方式，夹持机构30与上壳体10和下壳体20的连接处设置有密封垫，进一步提高该处的密封性，也能防止夹持机构30与上壳体10和下壳体20之间发生碰撞，延长装置的使用寿命。
作为一种实施方式，第二夹持件35的底部侧壁上设置有卡台38，卡台38的外表面与容纳孔41的内表面抵接，以使得夹持机构30卡合在容纳孔41内。通过卡台38将夹持机构30限制在容纳孔41内，在衬底放置盘40旋转时，卡台38也能对夹持机构30起到稳固作用，避免碳化硅衬底发生晃动，提高碳化硅衬底的质量。
实施例2
本实施例提供了一种提高碳化硅衬底质量的处理方法，碳化硅晶体是由物理气相传输制备得到，其中籽晶生长面中粒径＞1μm的颗粒个数＜10个，粒径在0.5μm-1μm的颗粒个数＜20个，粒径在0.1μm-0.5μm的颗粒个数＜30个，粒径在0.02μm-0.1μm的颗粒个数＜70个，其中表面颗粒中，Ca、Fe、Cu、Zn、V、Mn、Cr、Al、Na、Ti、Ni、K、Pb和Ru元素含量低于1×1015atoms/cm2，表面粗糙度＜5nm，总厚度偏差(TTV)＜10μm，翘曲度(Bow)＜20μm，弯曲度(Warp)＜30μm，优选的，所述籽晶生长面上颗粒粒径＞1μm的颗粒个数＜1个，粒径在0.5μm-1μm的颗粒个数＜1个，粒径在0.1μm-0.5μm的颗粒个数＜3个，粒径在0.02μm-0.1μm的颗粒个数＜5个。
将制备后的碳化硅晶体进行切割、研磨和抛光工艺得到碳化硅衬底，使用实施例1中任一实施方式的装置对上述相同方法制备得到的碳化硅衬底进行清洁，该处理方法包括下述步骤：
准备阶段：将待清洁的碳化硅衬底放置于上壳体和下壳体的中间；
清洁阶段：打开第一进气口和第二进气口，使用加热线圈将第一气源腔和第二气源腔内的清洁气体加热至150-1500℃，加热后的清洁气体对碳化硅衬底的两个表面同时进行清洁至少30min后，关闭第一进气口和第二进气口，将清洁完毕的碳化硅衬底取下。
优选的，一种提高碳化硅衬底质量的处理方法，包括下述步骤：
(1)将多个待清洁的碳化硅衬底通过夹持机构放置于衬底放置盘的容纳孔内，其中碳化硅衬底的C面朝上，Si面朝下，旋转衬底放置盘，使其中一个碳化硅衬底放置于上壳体和下壳体中间；
(2)第一支撑板和第二支撑板升降，使得第一气体喷头与碳化硅衬底上表面的距离为50-1500mm，第二气体喷头与碳化硅衬底下表面的距离为50-1500mm；
(3)将第一气源腔和第二气源腔压力抽至10-6mbar以下，持续1-3h；随后持续通入惰性气体，调节第一气源腔和第二气源腔内的压力至10-100mba；
(4)打开加热线圈，使得第一气源腔内清洁气体的温度T1为200-1200℃，第二气源腔内清洁气体的温度T2为150-1000℃，其中第一气源腔内清洁气体的温度T1比第二气源腔清洁气体的温度T2高50-200℃；打开第一气体喷头和第二气体喷头，进入第一气源腔内清洁气体的流量V1为0.6-30SLM，进入第二气源腔内清洁气体的流量V2为0.1-25SLM,其中V1＝V2+(0.5-5)，第一支撑板和第二支撑板旋转，对碳化硅衬底的C面和Si面进行清洁至少30min；
(5)清洁完毕后关闭第一气体喷头和第二气体喷头，上壳体和下壳体相背运动，旋转衬底放置盘，将清洁后的碳化硅衬底取下，并将下一碳化硅衬底放置于上壳体和下壳体中间；
(6)重复步骤(2)-(5)，直至衬底放置盘上所有的待清洁碳化硅衬底全部清洁完毕。
上述V1和V2的单位为SLM(Standard Liter per Minute)，表示的是标准状态下的气体流量，例如1SLM为标准状态下的气体流量为1L/min。
第一气源腔和第二气源腔内的清洁气体为氢气、甲烷、乙烷、甲硅烷、乙硅烷、氦气、氩气中的至少两种或多种。其中，第一气源腔内的清洁气体中包括35％-70％的氢气、0％-40％的甲烷、乙烷、甲硅烷和/或乙硅烷以及0％-30％的氦气和/或氩气；第二气源腔内的清洁气体中包括25％-60％的氢气、0％-45％的甲烷、乙烷、甲硅烷和/或乙硅烷以及0％-45％的氦气和/或氩气，上述“％”代表的是体积百分比。
作为一种优选的实施方式，步骤(4)中的清洁分为第一清洁阶段和第二清洁阶段，
第一清洁阶段的温度比第二清洁阶段的温度低50-100℃，第一清洁阶段中清洁气体的流量V1和V2均比第二清洁阶段中清洁气体的流量V1和V2小1-1.5SLM，并且第二清洁阶段中，第一支撑板和第二支撑板向碳化硅衬底方向移动10-80mm。
该处理方法使用的装置参考图1，为本申请实施方式中优选的实施方式。
按照上述处理方法处理碳化硅衬底1#-7#和对比碳化硅衬底D1#-D2#,其中清洁前在步骤(2)中，第一支撑板移动至与碳化硅衬底上表面的距离为700mm，第二支撑板移动至与碳化硅衬底下表面的距离为700mm，具体的处理方法和上述方法的不同之处如表1所示。
表1
Figure BDA0003144182900000201
Figure BDA0003144182900000211
结合表1对清洁的碳化硅衬底1#-7#和对比碳化硅衬底D1#-D2#的C面和Si面的颗粒数、元素含量、表面粗糙度、总厚度偏差(TTV)、翘曲度(Bow)、弯曲度(Warp)进行检测，其中C面的检测结果如表2所示，Si面的检测结果如表3所示，表2和表3中的元素含量指的是Ca、Fe、Cu、Zn、V、Mn、Cr、Al、Na、Ti、Ni、K、Pb和Ru元素的总含量。其中粒径在0.5μm-1μm范围的颗粒个数，是指颗粒的粒径大于0.5μm，不包括0.5μm，并且粒径小于等于1μm的个数；同理粒径在0.1μm-0.5μm，是指颗粒粒径大于0.1μm，不包括0.1μm，并且粒径小于等于0.5μm；粒径在0.02μm-0.1μm，是指颗粒粒径大于0.02μm，不包括0.02μm，并且粒径小于等于0.1μm。
表2(C面)
Figure BDA0003144182900000212
Figure BDA0003144182900000221
Figure BDA0003144182900000231
表3(Si面)
Figure BDA0003144182900000232
Figure BDA0003144182900000241
Figure BDA0003144182900000251
结合表1-表3中数据分析可知，第一气源腔和第二气源腔内的清洁气体的流量、清洁气体的加热温度以及第一气体喷头和第二气体喷头距离与碳化硅之间的距离会影响清洁的碳化硅衬底的质量。本申请的处理方法处理的碳化硅衬底1#-7#的颗粒数及元素含量较低，并且面型质量好。由碳化硅衬底1#、3#、4#、6#、7#和D1#可知清洁气体的加热温度对碳化硅衬底的清洁质量影响较大，C面使用第一气源腔进行清洁，将第一气源腔的温度设定比第二气源腔内的温度高，能够有效去除C面的残留颗粒，提高C面和Si面的表面一致性；由碳化硅衬底1#、5#和D2#可知清洁气体的气体流量对碳化硅衬底的清洁质量影响较大，对碳化硅衬底的C面使用较大的气体流量，可降低C面的颗粒数，但是会造成碳化硅衬底的面型质量变差；由碳化硅衬底1#和7#可知，清洁过程中改变第一气源腔和第二气源腔的体积，清洁气体的加热温度及流量能够影响碳化硅衬底的清洁质量，清洁后期，缩小第一气源腔和第二气源腔的体积，增大清洁气体的加热温度及流量能够清洁的更加彻底。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种提高碳化硅衬底质量的处理装置，其特征在于，包括：
上壳体和下壳体，所述碳化硅衬底放置在所述上壳体和下壳体中间，以使得所述碳化硅衬底分别与所述上壳体和下壳体之间形成密闭的第一气源腔和第二气源腔；
所述第一气源腔内设置第一进气口和第一出气口，所述第二气源腔内设置第二进气口和第二出气口，清洁气体分别进入至第一气源腔和第二气源腔缓冲后流动至碳化硅衬底的上表面和下表面，并分别自所述第一出气口和第二出气口流出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括衬底放置盘，所述衬底放置盘设有多个用于放置碳化硅衬底的容纳孔，所述衬底放置盘能够相对于所述上壳体和下壳体旋转；
优选的，还包括夹持机构，所述碳化硅衬底通过所述夹持机构放置于所述容纳孔内。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一进气口和第二进气口与所述碳化硅衬底相对设置，所述夹持机构的侧壁上开设有第一出气口和第二出气口；
优选的，所述第一进气口与所述碳化硅衬底上表面的距离为50-1500mm，所述第一出气口与所述碳化硅衬底上表面的距离为0-10mm，所述第二进气口与所述碳化硅衬底下表面的距离为50-1500mm，所述第二出气口与所述碳化硅衬底下表面的距离为0-10mm。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一出气口和第二出气口沿所述夹持机构的轴向分别成单排设置，并均匀分布在所述夹持机构的径向；
优选的，所述第一出气口的数量为2-60个，优选为10-20个，每个所述第一出气口的开口面积为0.5cm2-15cm2；和/或
所述第二出气口的数量为2-60个，优选为10-20个，每个所述第二出气口的开口面积为0.5cm2-15cm2。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述上壳体内设置有第一支撑板，所述第一支撑板上设置有与第一进气口连通的第一气体喷头，所述清洁气体自第一气体喷头吹入所述第一气源腔；和/或
所述下壳体的内设置有第二支撑板，所述第二支撑板上设置有与第二进气口连通的第二气体喷头，所述清洁气体自第二气体喷头吹入所述第二气源腔；
优选的，所述第一支撑板能够带动所述第一气体喷头升降和/或旋转，所述第二支撑板能够带动所述第二气体喷头升降和/或旋转。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一气体喷头至少为一个，至少一个所述第一气体喷头设置在所述第一支撑板的中心位置，其余所述第一气体喷头与所述第一支撑板的夹角为80-90°，并均匀分布在所述中心位置处的第一气体喷头的周向；和/或
所述第二气体喷头至少为一个，至少一个所述第二气体喷头设置在所述第二支撑板的中心位置，其余所述第二气体喷头与所述第二支撑板的夹角为80-90°，并均匀分布在所述中心位置处的第二气体喷头的周向。
7.根据权利要求2-6任一项所述的装置，其特征在于，所述夹持机构包括第一夹持件和第二夹持件，所述第一夹持件的下端面与所述第二夹持件的上端面连接，所述第一夹持件和第二夹持件连接处设置凸起的密封槽，所述密封槽用于固定所述碳化硅衬底；
优选的，所述密封槽的高度与所述碳化硅衬底的厚度相等，所述密封槽的宽度为2-10mm。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二夹持件的底部侧壁上设置有卡台，所述卡台的外表面与所述容纳孔的内表面抵接，以使得所述夹持机构卡合在所述容纳孔内。
9.一种提高碳化硅衬底质量的处理方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-8任一项所述的装置进行，所述方法包括下述步骤：
S1：将待清洁的碳化硅衬底放置在上壳体和下壳体中间；
S2：打开第一进气口和第二进气口，清洁气体对碳化硅衬底的两个表面同时进行清洁至少30min后，关闭所述第一进气口和第二进气口，将清洁完毕的碳化硅衬底取下。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述上壳体和下壳体外侧套设有加热线圈，所述清洁中，所述加热线圈用于加热所述第一气源腔和第二气源腔内的清洁气体。
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