一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置的制作方法

1.本技术涉及半导体退火装置的技术领域，尤其涉及一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置。


背景技术：

2.碳化硅(sic)是第三代宽禁带半导体材料之一，具有禁带宽度大、热导率高、击穿电场强度大、饱和电子迁移率高和化学稳定性好等优点，是制作高性能电力电子器件的首选半导体材料，在一些应用领域正在逐步取代硅基电子器件。碳化硅功率器件具有耐高温、耐高压和损耗低的特征，在新能源汽车、光伏发电、智能电网和轨道交通等领域具有明显优势。
3.离子注入是碳化硅器件研制过程中的一项关键工艺。由于离子注入过程中造成晶格原子的位移，且注入后对sic表面及体内造成一定程度的晶格损伤，进而影响器件的性能。为了提高注入离子的激活率和消除晶格损伤造成的缺陷，就须对注入后的sic进行高温退火。在高温退火中，退火的条件非常重要。要达到良好的退火效果，一般要求sic的退火温度高于1500℃，维持一定的退火时间，且对升温速率、保护气体类型和气压等都有要求。
4.随着6英寸sic单晶和外延片的逐渐量产，sic半导体器件也得到快速的发展和应用。对于sic器件离子注入后高温退火的要求也逐渐提高，传统的高温退火设备存在退火温度不够高、降温速率慢等缺点。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，本技术提供一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，能够精准控制高温退火，提高降温速率。采用如下的技术方案：
6.一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，包括沿垂直上下设置的上腔室及下腔室，所述上腔室内设置一炉体，所述上腔室在炉体的两端分别设有第一腔室门及第二腔室门；
7.在所述炉体外侧环设一加热器，并在所述炉体内在相对所述加热器处设置一两端开口的发热筒，所述炉体内侧在发热筒处环设一保温层；
8.所述第一腔室门上设有第一测温接口，所述第二腔室门上设第二测温接口；所述下腔室为一侧设置有第三腔室门的密封腔室，所述下腔室上设置第三测温接口；
9.所述第二腔室门在其朝内的一面上竖直向上依次固定有石英支撑座、石墨隔热片和晶片支架；
10.在所述上腔室内设置有驱动所述第二腔室门开启及关闭的升降装置，所述第二腔室门关闭时所述晶片支架置于所述发热筒内部；所述第二腔室门开启时所述晶片支架置于所述下腔室内。
11.在一较佳实施例中，在所述石英支撑座与所述晶片支架之间设置有若干用于固定石墨隔热片的石墨支撑杆，所述石墨隔热片上设有沟槽。
12.在一较佳实施例中，所述炉体在靠近所述第二腔室门的一端上设置有第一保护气体进气口及工艺气体进气口；
13.所述炉体在靠近所述第一腔室门的一端上设置有第一出气口；
14.所述下腔室上设置有第二保护气体进气口及第二出气口。
15.在一较佳实施例中，所述第一测温接口分设有高温接口及低温接口，所述第二测温接口为高温接口，所述第三测温接口为低温接口。
16.在一较佳实施例中，在所述发热筒的上端设置有一上保温层，所述上保温层设置有通孔。
17.在一较佳实施例中，所述炉体外壳设置为圆筒形石英管，所述保温层为硬质石墨碳毡，所述发热筒及所述晶片支架均为石墨制备。
18.在一较佳实施例中，所述炉体在与所述第一腔室门及第二腔室门的连接端处分别设有密封法兰盘，所述法兰盘内设置有水冷装置；
19.所述第一腔室门、第二腔室门及法兰盘均由不锈钢材料制成。
20.在一较佳实施例中，所述第一腔室门、所述第二腔室门与所述炉体盖合之间、以及所述第三腔室门和所述下腔室盖合之间均设有耐高温的密封件，所述密封件为“o”型橡胶圈。
21.在一较佳实施例中，所述加热器为射频感应加热线圈，所述射频感应加热线圈以螺旋状环绕在所述炉体外壳的外侧。
22.在一较佳实施例中，所述晶片支架适配6英寸的碳化硅晶片，所述晶片支架的碳化硅晶片容量为50片。
23.综上所述，本技术包括以下有益效果：
24.1.本实用新型所提供的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，能够满足各种高温、高电压和高功率碳化硅器件的退火工艺，具有退火温度高、降温速度快和不易污染等优点。
25.2.本实用新型所提供的垂直式退火炉装置，采用上下腔室分离的结构。上腔室保持较高的真空度，晶片在上腔室中，具有较高的洁净度。在降温过程中，利用体积较大的下腔室来提高降温速率，增加效率，节约成本。
26.3.本技术所提供的垂直式退火炉装置，可同时满足50片左右的6英寸碳化硅晶片的高温退火，退火温度最高可达2000℃，并且在整个高温退火过程中，能够快速升温并且精确控制温度，腔室压强范围可调，达到消除离子注入造成的晶格损伤和提高注入离子激活率的目的，从而提升碳化硅器件的性能。
附图说明
27.图1是本实施例的垂直式碳化硅高温退火炉装置的示意图。
28.附图标记说明：1、炉体；2、加热器；3、第一腔室门；4、第一法兰；5、第二腔室门；6、第二法兰；7、晶片支架；8、石墨隔热片；9、石英支撑座；10、发热筒；11、上保温层；12、第一侧壁保温层；13、第二侧壁保温层；14、石英环；15、工艺气体进气口；16、第一保护气体进气口；17、第一出气口；18、第一测温接口；19、第二测温接口；20、第三腔室门；21、第二保护气体进气口；22、第二出气口；23、第三测温接口。
具体实施方式
29.以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步解释。本实用新型的各附图仅为示意以更容易了解本实用新型，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
30.本技术实施例公开一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，以下结合附图1对本技术作进一步详细说明。
31.本技术所提供的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，该装置由上下两个腔室组成，上腔室由炉体1、加热器2、晶片支架7、石墨隔热片8、石英支撑座9、发热筒10和保温层组成。
32.该炉体1的外壳设置为圆筒形的石英管，石英管具有耐高温、耐腐蚀、隔热性好，能够有效地减少热量的传导。炉体1设置在上腔室内，并在炉体1的上下两端的端口上分别设有第一腔室门3和第二腔室门5，并且第一腔室门3、第二腔室门5与炉体1构成上腔室的主要组成部分。
33.该炉体1在与第一腔室门3和第二腔室门5连接的两端处分别采用第一法兰4和第二法兰6密封固定，并且第一法兰4和第二法兰6的内部都有水冷装置。所述的腔室门和法兰盘均由不锈钢材料制成。第一腔室门3和第二腔室门5与炉体1的端口盖合之间分别设有耐高温的密封件，该密封件用于隔离腔室和外界环境，具体可为“o”形橡胶密封胶圈。
34.该加热器2环绕于炉体1的外壳外侧，该发热筒10安装在炉体1内部，并对应设置在炉体1设置有加热器2的一段位置处，当加热器2加热时，发热筒10产生热量，其内部温度迅速上升至退火工艺所需温度(1500－2000℃)，以实现碳化硅晶片的高温退火。具体的，加热器2为射频加热线圈，射频加热线圈以螺旋状环绕在炉体1的外壳外侧，并且使得该发热筒10位于射频加热线圈的中心区域，以确保发热筒10内部各处温度的均匀性。
35.该石英支撑座9、石墨隔热片8和晶片支架7沿竖直方向依次固定放置在第二腔室门5内侧面上面，在上腔室上设置有驱动所述第二腔室门开启及关闭的升降装置，第二腔室门5通过升降装置的伺服电机控制上升和下降来实现启闭。当第二腔室门5关闭时，晶片支架7正好位于发热筒10的内部，当第二腔室门5开启时，晶片支架7脱离该发热筒10并置于下腔室内。
36.该下腔室为一侧设置有第三腔室门20的密封腔室，其在该第三腔室门20和该下腔室盖合之间也设有耐高温的密封件，该密封件用于隔离腔室和外界环境，具体可为“o”形橡胶密封胶圈。
37.在该石英支撑座9与该晶片支架7之间设置有若干用于固定石墨隔热片8的石墨支撑杆，在该石墨支撑杆的两端设置有固定板，该固定板上设置有固定在石墨支撑杆的安装孔，该石墨隔热片8的数量可以根据需要进行调整，且该石墨隔热片8上设有沟槽，避免被加热器2感应加热。
38.该保温层放置在发热筒10四周，保温层由高纯度石墨材料制成的硬质复合石墨碳毡，具有不易分层、强度高、隔热保温效果好的优点，能够减少发热筒10内部热量传递到外侧的炉体1和密封胶圈上。且该发热筒10和晶片支架7均为石墨件，由高纯度和高强度石墨材料制成，表面有抛光和涂层处理，稳定性好且耐腐蚀。发热筒10为两端开口的圆筒状结
构。
39.在具体的实施例中，除了贴合在发热筒10外侧的侧壁保温层以外，在该发热筒10的上端开口侧也设置有一上保温层11，位于该发热筒10侧壁的保温层由内向外依次设置为第一侧壁保温层12和第二侧壁保温层13，在该炉体1的底部设置有石英环14，该侧壁保温层放置在石英环14上面，起到固定支撑作用。
40.该上保温层11中间设有通孔，该上保温层11的通孔可用于测量温度和保证气体的流动性。同时也在该石英支撑座9和石墨隔热片8的中间设有通孔，该石英支撑座9和石墨隔热片8上的通孔可用于测量温度并保证气体的流动性。通过通孔测量发热筒10内部的温度，可以实时监测发热筒10内部晶片支架7两端区域的温度，按照设定的工艺温度，通过控制加热功率来平衡晶片支架7两端的温差，实现晶片支架7各处温度的一致性。上保温层11和侧壁保温层可用于隔离发热筒10和炉体1，以保证发热筒10内部具有良好的保温效果，具有良好的温度均匀性。
41.需要说明的是，该第一测温接口18分设有高温接口及低温接口，所述第二测温接口19为高温接口，所述第三测温接口23为低温接口。
42.具体的，该第一腔室门3上设有第一出气口17和第一测温接口18，该第一出气口17与炉体1的外壳连通。该第二腔室门5上设有工艺气体进气口15、第一保护气体进气口16和第二测温接口19，该工艺气体进气口15和第一保护气体进气口16均与炉体1的外壳连通，以实现气体在发热筒10内部的流动。该下腔室上设有第二保护气体进气口21、第二出气口22和第三测温接口23。
43.在升温前，采用保护气体氮气(n2)对上腔室和下腔室内部进行反复清洗，从而保证腔室内部具有较高的洁净度和真空度。高温退火过程采用的工艺气体可以选择氩气(ar)或者氢气(h2)，腔室的压强范围可控制在50－500torr。第一测温接口18和第二测温接口19能够准确地测量到发热筒10两端的温度，以精准地控制高温退火温度，有利于碳化硅晶片的退火。该装置通过测温接口和进气口能够精准的控制温度和压强，并且通过保温层有效控制热量流失，牢固可靠。
44.本技术的实施例还提供一种碳化硅晶片高温退火工艺，包括以下步骤：
45.步骤1，将待高温退火的碳化硅晶片整齐放置在晶片支架7上；
46.步骤2，关闭第二腔室门5，使得晶片支架7置于发热筒10内；
47.步骤3，设定退火工艺流程，包括设定温度、压强、工艺气体种类和气体流量；
48.步骤4，退火装置将自动根据工艺流程控制加热器2将发热筒10内的温度快速升温到1500－2000℃，控制压强范围在50－500torr，并且维持时间0.5－2h，然后降温至室温。
49.本技术所提供的晶片支架7适配6英寸的碳化硅晶片，在该晶片支架7上可放置50片6英寸碳化硅晶片，该6英寸的碳化硅晶片为6英寸的碳化硅衬底片或者外延片。
50.本技术的退火温度最高可达2000℃，并且在整个高温退火过程中，能够快速升温并且精确控制温度，实现高温退火来修复和消除离子注入造成的晶格损伤的目的，提升碳化硅器件的性能。
51.本技术采用上下腔室分离的垂直式退火炉装置。上腔室保持较高的真空度，晶片在上腔室中，具有较高的洁净度。在降温过程中，利用体积较大的下腔室来提高降温速率，增加效率，节约成本。
52.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：包括沿垂直上下设置的上腔室及下腔室，所述上腔室内设置一炉体，所述上腔室在炉体的两端分别设有第一腔室门及第二腔室门；在所述炉体外侧环设一加热器，并在所述炉体内在相对所述加热器处设置一两端开口的发热筒，所述炉体内侧在发热筒处环设一保温层；所述第一腔室门上设有第一测温接口，所述第二腔室门上设第二测温接口；所述下腔室为一侧设置有第三腔室门的密封腔室，所述下腔室上设置第三测温接口；所述第二腔室门在其朝内的一面上竖直向上依次固定有石英支撑座、石墨隔热片和晶片支架；在所述上腔室内设置有驱动所述第二腔室门开启及关闭的升降装置，所述第二腔室门关闭时所述晶片支架置于所述发热筒内部；所述第二腔室门开启时所述晶片支架置于所述下腔室内。2.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：在所述石英支撑座与所述晶片支架之间设置有若干用于固定石墨隔热片的石墨支撑杆，所述石墨隔热片上设有沟槽。3.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：所述炉体在靠近所述第二腔室门的一端上设置有第一保护气体进气口及工艺气体进气口；所述炉体在靠近所述第一腔室门的一端上设置有第一出气口；所述下腔室上设置有第二保护气体进气口及第二出气口。4.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：所述第一测温接口分设有高温接口及低温接口，所述第二测温接口为高温接口，所述第三测温接口为低温接口。5.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：在所述发热筒的上端设置有一上保温层，所述上保温层设置有通孔。6.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：所述炉体外壳设置为圆筒形石英管，所述保温层为硬质石墨碳毡，所述发热筒及所述晶片支架均为石墨制备。7.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：所述炉体在与所述第一腔室门及第二腔室门的连接端处分别设有密封法兰盘，所述法兰盘内设置有水冷装置；所述第一腔室门、第二腔室门及法兰盘均由不锈钢材料制成。8.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：所述第一腔室门、所述第二腔室门与所述炉体盖合之间、以及所述第三腔室门和所述下腔室盖合之间均设有耐高温的密封件，所述密封件为“o”型橡胶圈。9.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：所述加热器为射频感应加热线圈，所述射频感应加热线圈以螺旋状环绕在所述炉体外壳的外侧。10.根据权利要求1所述的一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，其特征在于：所述晶片支架适配6英寸的碳化硅晶片，所述晶片支架的碳化硅晶片容量为50片。

技术总结
本申请涉及一种垂直式结构碳化硅高温退火炉装置，包括沿垂直上下设置的上腔室及下腔室，所述上腔室内设置一炉体，所述上腔室在炉体的两端分别设有第一腔室门及第二腔室门；在所述炉体外侧环设一加热器，并在所述炉体内在相对所述加热器处设置一两端开口的发热筒，所述炉体内侧在发热筒处环设一保温层；所述第二腔室门在其朝内的一面上竖直向上依次固定有石英支撑座、石墨隔热片和晶片支架；在所述上腔室内设置有驱动所述第二腔室门开启及关闭的升降装置，所述第二腔室门关闭时所述晶片支架置于所述发热筒内部；所述第二腔室门开启时所述晶片支架置于所述下腔室内；本高温退火炉装置具有退火温度高、降温速度快和不易污染等优点。优点。优点。


技术研发人员：张明昆 江长福 王恭时 周贤权
受保护的技术使用者：厦门紫硅半导体科技有限公司
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/19