半导体设备的制作方法

本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体设备。

背景技术：

近些年，随着新能源汽车、5g技术等高科技的快速发展，对电路集成密度、散热性能、器件抗击穿能力以及开关快速响应等的需求越来越强烈，而现在主力使用的第一代半导体——硅(si)的各方面性能已经逐渐无法满足高性能的要求。而第三代半导体，比如氮化镓(gan)、碳化硅(sic)等，具有大禁带宽度、高电子迁移饱和率、优异的散热性能，突破了传统硅基器件的局限性，使得第三代半导体得到广泛得使用，因而第三代半导体单晶生长工艺也应运而生。

气相物理输运(pvt)是一种广泛采用的单晶生长工艺，采用气相物理输运(pvt)，可以得到质量和厚度均符合标准的第三代半导体的单晶材料。用于pvt工艺的半导体设备的生长腔体内设置由于盛放生长原料的原料处理装置，例如坩埚，通过对生长原料加热，使得生长原料吸收热量，升华为气相组分，通过在腔体内从温度梯度，提供输运气相组分的动力，气相组分被运输至粘有籽晶的生长板上，形成单晶并沉积，最终长成一定厚度的晶锭。

在气相物理输运(pvt)工艺中，温度是其中最重要的工艺参数之一。目前大多数设备均是采用红外测温仪，通过装有石英或蓝宝石片的测温窗口来对工艺过程中腔体内的温度进行检测，但由于工艺过程中部分气相组分会被输运至测温窗处沉积，导致测温窗的透光度下降，红外测温仪测到的温度无法准确反映腔体内的温度，进而无法实现对生长过程中的温度的准确控制。温度控制不准确，则会导致正常的单晶材料的质量受到影响。

因此，如何实现晶体生长过程中的实时精确测温是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于此，本申请提供一种半导体设备，以解决现有的测温装置无法长时间准确监控半导体设备的腔体内温度的问题。

本申请提供的一种测温装置，包括：腔体，所述腔体的顶部设置有第一测温窗；红外测温传感器，位于所述腔体外，所述红外测温传感器的测温端朝向所述第一测温窗；测温转盘，位于所述腔体内且与所述腔体顶部固定设置，且所述测温转盘具有至少两个第二测温窗；传动装置，与所述测温转盘连接，用于驱动所述测温转盘转动，将所述至少两个第二测温窗中的一个转动至所述第一测温窗下方，且使得所述第二测温窗位于所述红外测温传感器的红外光接收路径上，以使得所述腔体内辐射的红外光透过所述第二测温窗和所述第一测温窗被所述红外测温传感器的测温端接收。

可选的，所述测温转盘平行于所述第一测温窗设置，且所述测温转盘与所述第一测温窗之间的距离小于预设距离。

可选的，所述测温转盘包括具有至少两个安装孔的转盘主体，所述第二测温窗可拆卸的安装于所述安装孔内。

可选的，每个所述第二测温窗的表面均低于所述转盘主体的表面。

可选的，所述第二测温窗嵌于所述安装孔内，所述第二测温窗包括位于中部的透光区和位于所述透光区外围的固定区；所述安装孔沿轴向的第一端内壁处具有向孔内侧凸起的边沿，所述安装孔沿轴向的第二端内壁具有螺纹，所述安装孔内还设置有环状螺片，所述环状螺片通过所述螺纹固定于所述安装孔的第二端；所述测温窗的固定区夹设于所述边沿与环状螺片之间，且所述固定区的一侧表面与所述边沿之间垫有第一密封圈，另一侧表面与所述环状螺片之间垫有第二密封圈；或者，所述安装孔沿轴向的第一端和第二端内壁均具有螺纹，分别固定有环状螺片；所述测温窗的固定区夹设于两个环状螺片之间，所述固定区的两侧表面与所述环状螺片之间均垫有密封圈。

可选的，所述传动装置包括动力部以及传动轴，所述传动轴贯穿所述腔体顶部，所述传动轴的第一端垂直固定于所述测温转盘的圆心处，所述传动轴的第二端位于腔体外部；所述动力部固定于所述腔体的顶部外侧，与所述传动轴的第二端连接，所述动力部用于驱动所述传动轴转动，以带动所述测温转盘在自身所在平面内绕圆心旋转。

可选的，所述传动装置为磁流体传动装置。

可选的，还包括控制单元，连接至所述传动装置，用于控制所述传动装置启动，以及控制所述传动轴的转动参数。

可选的，所述控制单元用于在当前第二测温窗使用时间达到预设时间时，控制所述传动装置启动，以驱动所述测温转盘转动至另一第二测温窗位于所述第一测温窗下方；或者，所述控制单元用于在所述红外测温传感器检测到的温度曲线的下降斜率达到预设斜率时，控制所述传动装置启动，以驱动所述测温转盘转动至另一第二测温窗位于所述第一测温窗下方。

可选的，所述半导体设备还包括原料处理装置和加热装置；所述原料处理装置位于所述腔体内，所述测温转盘下方，至少包括：原料盛放容器，用于盛放生长原料；所述加热装置包括绕设于所述腔体侧壁外的导电线圈，用于对所述生长原料加热。

本申请上述半导体设备包括具有至少两个第二测温窗的测温转盘，所述测温装盘能够在传动装置的驱动下转动，以将其中的一个第二测温窗转动至红外光接收路径上，红外测温传感器透过测温转盘的第二测温窗对半导体设备的腔体内部进行红外温度检测；通过转动测温转盘可以更换位于测温路径上的第二测温窗，避免当前第二测温窗表面沉积有膜层而影响测温准确性，实现对腔体内长时间的准确的温度监控。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例的半导体设备的示意图。

图2是本申请一实施例的半导体设备的局部结构示意图；

图3是本申请一实施例的测温装置的测温转盘的结构示意图；

图4是本申请一实施例的测温装置的测温转盘的局部结构示意图；

图5是本申请一实施例的测温装置的测温转盘的局部结构示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有技术中，由于物理气相输运(pvt)生长过程中的气相组分会沉积在测温窗口上，形成一层较致密的黄褐色挥发物沉积层，几乎不透光。此时，对于依靠光强来计算测量温度的红外测温仪来讲，已经不能透过测温窗口探测原料处理装置，例如坩埚，上部的准确温度。对于工艺监控而言，此后坩埚的温度已经失去实时监控的能力，只能通过电气参数，比如电压、电流或功率，以及冷却水的温度为参考，依靠工艺经验来判断坩埚内部温度是否有大的波动，因为水的比热容高，并且进水是恒温的循环状态，所以这样的参考是没有实际价值的，一旦遇到温度高频率的变化，工艺人员不能及时监控到，从而也无法在第一时间对参数进行调整，造成在晶体生长过程中温度波动大的阶段，就会产生相应的位错、应力，使晶锭的缺陷增多，影响到了器件的性能。特别是对于长时间，例如大于60小时的工艺而言，需要实时掌握坩埚顶部的温度，结合所用热场温度分布模拟结果来保持生长所需的温度梯度(即气相组分的驱动力)，温度梯度的变化会引发晶体质量相关的问题，比如微管增多等，进而影响器件的性能，显然后段工艺中温度监控的盲区是目前面临的亟待解决的关键性技术难题。

在一些解决方案中，尝试在测温窗下方(也即腔体内)加装吹扫室，吹扫气体经气路从吹扫孔进入吹扫室中，对测温窗表面进行吹扫，从而保持测温窗表面的清洁，以保证红外测温对温度的全程监控。虽然该方法能够达到保持测温窗清洁的目的，但是对工艺的影响却是有待商榷的。除了温度以外，影响晶体生长质量的另一个重要因素是腔体内的气相组分的比例及压力的大小等，由于测温窗口需要与腔体连通，那么吹扫室也必然与腔体是贯通的，所以吹扫气体流量的大小以及吹扫室与整个腔体的压力差，必然会对整个腔体内的气流产生扰动，影响到坩埚内部气相组分的流动速率及方向，进而降低晶体的质量。而且，在工艺过程中，除了控制腔体的整体压力外，还需要对内部的各个气体组分之间的比例进行精确的控制，而引入吹扫气体，必然会在整个腔体内气体的比例控制方面引入新的问题，而影响到晶体的生长质量。

基于上述分析，本发明提出一种新半导体设备，在保持工艺稳定性的前提下，实现对工艺温度的实时的准确监控。

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参考图1和图2，图1为本发明一实施例的半导体设备的结构示意图，图2为半导体设备的部分结构的示意图。

该实施例中，所述半导体设备包括腔体500、测温转盘110、红外测温传感器120以及传动装置130。

所述腔体500包括腔体侧壁501、位于所述腔体侧壁501顶部的上盖502以及位于所述腔体侧壁501底部的底盖503，所述上盖502、底盖503与所述腔体侧壁501形成密闭的腔体，所述上盖502具有第一测温窗5021。所述第一测温窗5021可以是内嵌安装于所述上盖502内，采用透明材质，例如石英、蓝宝石等。所述第一测温窗5021与所述上盖502之间密封固定。所述腔体侧壁501包括双层石英管壁，在双层石英管壁之间可以通入循环冷却水5012，对管壁进行降温。

所述红外测温传感器120位于所述腔体500外，所述红外测温传感器120的测温端朝向所述第一测温窗5021，用于透过所述第一测温窗5021接收所述腔体500内辐射的红外光，实现对所述腔体500内的温度测量。

所述测温转盘110设置于所述腔体500内，且与所述腔体顶部固定设置，具体的，与所述上盖502相对固定。所述测温转盘110具有至少两个第二测温窗112(请参考图2和图3)。较佳的，所述测温转盘110平行于所述第一测温窗5021设置。

所述红外测温传感器120的测温端与所述测温转盘110相对，所述第二测温窗112也位于所述红外测温传感器120的红外光接收路径上时，所述腔体500内的红外光能够透过所述第二测温窗112以及所述第一测温窗5021被所述红外测温传感器120接收。

所述传动装置130与所述测温转盘110连接，用于驱动所述测温转盘110转动，将所述至少两个第二测温窗112中的一个转动至所述第一测温窗5021下方，且所述第二测温窗112位于所述红外测温传感器120的红外光接收路径上，以使得所述腔体500内辐射的红外光透过所述第二测温窗112和所述第一测温窗5021被所述红外测温传感器120的测温端接收。

具体的，所述传动装置130包括动力部131以及传动轴132，所述传动轴132贯穿所述腔体500顶部的上盖502。所述传动轴132的第一端垂直固定于所述测温转盘110的圆心处，所述传动轴132的第二端位于腔体500外部；所述动力部132固定于所述腔体500的顶部外侧，便于和外部控制单元进行连接，所述动力部132与所述传动轴132的第二端连接，所述动力部131用于驱动所述传动轴132转动，以带动所述测温转盘110在自身所在平面内绕圆心旋转，从而切换各个第二测温窗112的位置。

该实施例中，所述传动装置130为磁流体传动装置，磁流体传动装置是把旋转运动传入真空容器的一种有效解决方案，杜绝了气体泄漏造成污染的问题，并可以减少不必要的停机操作，提高了效率。所述磁流体传动装置的传动轴是一个多极结构，由磁极和转轴组成，在每级环形间隙中，充满了磁性流体。在理想状态下，所有磁性流体密封在每一级极间与磁极之间，形成一系列的“磁流体密封圈”，为适应真空环境，磁性流体密封圈标准设计压力大于两个大气压，保证了其使用过程的安全性。在其他实施例中，也可以采用其他类型的传动装置，例如马达驱动等，可以根据具体的使用环境，选择合适类型的传动装置130。

所述传动装置130安装在所述第一测温窗5021的旁侧，使得测温转盘110上的其中一个第二测温窗112能够位于所述第一测温窗5021正下方，且通过传动装置130控制所述测温转盘110旋转，可以切换其它第二测温窗112至所述第一测温窗5021下方。

所述测温转盘110与所述上盖5021之间需要保留一定缝隙，避免两者接触而影响所述测温转盘110的旋转。进一步，在避免两者发生接触的基础上，所述测温转盘110与所述第一测温窗5021之间的距离小于预设距离，使得工艺气体不易进入两者之间的缝隙内，以减少对所述第一测温窗5021表面的污染。在一些实施例中，所述测温转盘110与所述第一测温窗5021之间的距离为0.5mm～1.5mm。较佳的所述测温转盘110与所述第一测温窗5021之间的距离小于等于1mm。

所述半导体设备还包括原料处理装置和加热装置；所述原料处理装置位于所述腔体内，所述测温转盘下方，所述原料处理装置至少包括：原料盛放容器，用于盛放生长原料；所述加热装置包括绕设于所述腔体侧壁外的导电线圈，用于对所述生长原料加热。该实施例中，所述半导体设备为物理气相传输(pvt)生长设备，所述半导体设备的原料处理装置包括设置于所述腔体500内的加热桶510，所述加热桶510内设置有坩埚511，用于盛放生长原料513；所述加热桶510顶部具有石墨盖512及位于石墨盖512上的保温毡514，所述石墨盖512朝向所述坩埚511的一侧表面具有籽晶层；所述腔体500的腔体侧壁501外部围绕有线圈520，作为加热装置。所述加热桶510和所述坩埚511均为石墨材质。

以通过pvt工艺形成sic单晶为例，所述半导体设备的腔体侧壁501外的通电线圈520在腔体内产生低频变化的电磁场，处于电磁场中的发热桶510产生感应涡流生热，通过热辐射坩埚511，使其内部温度随之升高，sic生长原料513受热挥发转变为si2c、sic2等气相组分，大部分气相组分通过温度梯度等的驱动下，输运到粘在石墨盖512平面的籽晶层上，经过形核、形核岛之间的吞并、形成台阶流、逐层沉积长厚的过程，得到最后的晶锭。在此过程中，另外一小部分未参与沉积生长的气相组分，会透过坩埚511的孔隙，溢出到坩埚511外部的腔体内，在腔体内壁温度较低处沉积，形成挥发物沉积层。

该实施例中，所述上盖502内部具有真空层，一方面可以对腔体内部保温，另一方面可以保持设备轻量化。所述第一测温窗5021嵌入式密封在上盖502的中心位置，其上表面与外界接触，由于热传导会导致第一测温窗5021朝向腔体500内测的下表面温度较低；而上盖502的上表面虽然也直接与外界接触，但是由于内部均有真空层，具有良好的隔热效果，上盖502朝向腔体内部的下表面依旧会保持较高的温度；所以所述第一测温窗5021下表面处为腔体中温度最低的位置。由于温度的传递，腔体500内的气体容易在所述第一测温窗5021下方的第二测温窗112表面沉积，而所述测温转盘110上其他位置处的第二测温窗112表面的沉积物很少，几乎可以忽略不计。在其他实施例中，所述上盖502还可以具备其他隔热结构，例如内部或表面设置具有保温材料层等。

在其他实施例中，所述上盖502也可以不具备隔热结构，这种情况下，整个上盖502以及所述第一测温窗5021下表面的温度均接近。为了避免在第一测温窗5021下方位置处以外的其他第二测温窗表面也形成沉积层，可以在所述测温转盘110下方设置一挡板，所述挡板具有通孔，暴露处第一测温窗5021下方的测温窗区域，而将其他位置处的测温窗遮挡，避免气相成分在非使用状态下的测温窗表面沉积。

请参考图3，为本发明一实施例的测温转盘的结构示意图。

所述测温转盘110包括转盘主体111和嵌于所述转盘主体111内的至少两个第二测温窗112，所述第二测温窗112用于透过红外光。

具体的，所述转盘主体111，具有至少两个安装孔；第二测温窗112可拆卸的安装于所述安装孔内。所述传动装置130(请参考图2)的传动轴132固定于所述转盘主体111的圆心处。

所述转盘主体111为不透光材料，可以为金属、陶瓷等硬质材料。所述第二测温窗112为透明材质，对红外光具有较高的透过率，例如石英、蓝宝石等。

该实施例中，所述转盘主体111上安装有8个圆形第二测温窗112，围绕所述测温转盘110的圆心均匀分布。且所述8个测温窗的尺寸均相同。在其他实施例中，所述第二测温窗112还可以为正方形、三角形、多边形等各种其他的形状以及尺寸，不同第二测温窗112的形状和尺寸也可以不同，本领域技术人员可以根据实际需求，进行合理设置，在此不作限制。在其他实施例中，所述测温转盘110可以具有两个或两个以上的第二测温窗112，在此不作限制。

多个第二测温窗112均位于同一圆周上，从而使得所述测温转盘110在旋转过程中，每个第二测温窗112均能位于所述红外测温传感器120的红外接收路径上。具体的，所述转盘主体111内各个安装孔的中心与测温转盘110的圆心之间的距离相同，均位于同一圆周上。该实施例中，各个圆形的第二测温窗112的圆心均位于同一圆周上，且均匀分布。

该实施例中，所述第二测温窗112均可拆卸的安装于安装孔内，在对半导体设备进行维护时，当其中某个第二测温窗112表面具有沉积的膜层时，可以将该第二测温窗112拆下进行清洁或更换。

为了使得有足够的红外光被所述红外测温传感器120接收到，所述第二测温窗112的尺寸不能太小。在一些实施例中，所述第二测温窗112的直径为30mm～70mm，例如50mm。

在一些实施例中，所述第二测温窗112与所述安装孔边缘之间保持密封，以避免工艺气体透过所述测温转盘污染所述第一测温窗5021。

请参考图4，为本发明一实施例中，第二测温窗112安装于转盘主体111内的剖面结构示意图。

所述安装孔113为螺纹开孔槽，所述安装孔113沿轴向，即垂直于转盘主体111方向开设，具有分别靠近所述转盘主体111两侧表面处的第一端和第二端。所述第一端内壁处具有向孔内侧凸起的边沿1131，第二端内壁具有螺纹1132，所述安装孔113内还设置有环状螺片1133，所述环状螺片1133通过所述螺纹1132固定于所述安装孔113的第二端；所述第二测温窗112嵌于所述安装孔113内，所述第二测温窗112包括位于中部的透光区和位于所述透光区外围的固定区，所述第二测温窗的固定区夹设于所述边沿1131与环状螺片1133之间，且第二测温窗112的固定区的一侧表面与所述边沿1131之间垫有第一密封圈1121，另一侧表面与所述环状螺片1133之间垫有第二密封圈1122。所述第一密封圈1121和第二密封圈1122均为o圈(o-ring)。

在一个实施例中，所述测温转盘110的安装孔113为直径50.8mm的圆孔，槽深度为8mm，螺纹深度为5mm，第二测温窗112的厚度为1.5mm，直径为50mm。第一密封圈1121和第二密封圈1122的外直径为50.5mm，以便顺利放入安装孔113内，所述环状螺片1132的环宽度为5mm，通过所述第一密封圈1121和第二密封圈1122压紧第二测温窗112来密封固定在安装孔113内。

请参考图5，为本发明另一实施例中，第二测温窗112安装于转盘主体111内的剖面结构示意图。

该实施例中，所述转盘主体111的安装孔114在沿轴向的第一端和第二端内壁均具有螺纹1142，分别用于固定环状螺片1141；所述第二测温窗112的固定区夹设于两片环状螺片1141之间，所述第二测温窗112的固定区的表面与两侧的环状螺片1141之间均垫有密封圈1143。

上述实施例中，所述第二测温窗112的表面低于所述转盘主体111的表面，避免在转盘转动时，所述第二测温窗112表面受到外部其他部件的刮擦。

上述红外测温装置的红外测温传感器120透过测温转盘100的第二测温窗112进行红外温度检测，在当前第二测温窗112表面沉积有膜层而影响测温准确性时，可以通过传动装置130控制测温转盘110转动，切换另一第二测温窗至所述红外温度传感器120的测温路径上，可以继续获取准确的温度。

在其他实施例中，所述半导体设备还可以包括控制单元(图中未示出)，连接至所述传动装置130，用于控制所述传动装置130，例如控制所述传动装置130启动或关闭、控制所述传动轴132的转动参数，例如转动角度、转动速率等。

在一个实施例中，操作者向控制单元下达切换第二测温窗112的指令，控制单元收到指令后，向传动装置130下发启动信号，此时传动轴132将以收到的旋转参数进行旋转，从而带动固定在传动轴132上的测温转盘110一起旋转到目标位置，完成窗口切换的指令，通过切换后的第二测温窗112进行准确的温度监控，切换过程可在10秒内完成，且切换时的速率也可以根据工艺人员的要求来设定。

在其他实施例中，可以通过提前设定切换流程，在工艺流程中，自动切换测温窗；在其他实施例中，可以由工作人员根据检测的温度曲线，判断是否需要切换测温窗，手动进行切换，例如在发现检测到的温度曲线呈下滑趋势时，对测温窗进行切换。可以根据工艺时常，配置所述测准转盘110上的第二测温窗112的数量，使得整个过程中，通过切换测温窗，能够长时间保持准确测温。

在一个实施例中，所述控制单元用于在当前第二测温窗112使用时间达到预设时间时，控制所述传动装置130启动，以驱动所述测温转盘110转动至另一第二测温窗112位于所述第一测温窗5021下方。

在另一实施例中，所述控制单元用于在所述红外测温传感器120检测到的温度曲线的下降斜率达到预设斜率时，控制所述传动装置130启动，以驱动所述测温转盘110转动至另一第二测温窗112位于所述第一测温窗5021下方。

本发明的半导体设备包括装载有多个第二测温窗的测温转盘，可以有效解决无法在长时间工艺中全程监控温度的关键问题，且同时仅对硬件结构进行改变，不会对腔体内部的气体成分造成影响，不会引起工艺条件的波动，比如气流的扰动、腔体压力的波动等，从而能够实时准确监控半导体设备在工艺处理过程中的腔体内的温度。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。