專利名稱：豎直式離子注入碳化硅高溫退火裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高溫退火裝置，特別涉及一種基于銅螺旋管射頻加熱的豎直式離子注入碳化硅(SiC)高溫退火裝置。
背景技術：
以SiC為代表的第三代寬帶隙半導體具有禁帶寬(Si的3倍)、熱導率高(Si的3.3倍)、擊穿場強高(Si的10倍)、飽和電子漂移速率高(Si的2.5倍)、工作溫度高(400～600℃)、鍵合能高以及極好的物理及化學穩定性等許多優良特性，在高溫、大功率、抗輻照的器件應用方面有著得天獨厚的潛力和優勢。SiC主要用于高溫、大功率器件的制作，為了減少器件對功率的損耗，就必須減少串聯電阻和方塊電阻，即需要有重摻雜層材料。考慮到雜質原子在SiC中的擴散系數很小，在1800℃以下的溫度范圍內雜質的擴散是可以忽略的，雖然用熱擴散方法實現摻雜方法在Si技術中經常使用，但是在SiC的摻雜中這一技術已不可行，因此，離子注入已成為SiC電子器件制作工藝中實現重摻雜的一種重要手段。一旦雜質原子被注入到SiC中后，有兩種可能性，一是雜質原子占據晶格中的間隙位置，形成間隙原子，另一種可能性是駐留在SiC的晶格位置上，因此，離子注入后要做的工作就是將雜質原子從間隙位置轉移到替代位置，并使其電激活，這一激活是通過在惰性氣體中(如Ar氣等)高溫退火來完成的。為了完全消除晶格損傷，注入后的SiC需要經過高溫退火過程。因此，注入后進行高溫退火有兩個目的，即激活雜質和完全消除晶格損傷。退火溫度最高要達到1700℃，具體的退火條件依賴于所注入的雜質原子，雜質的激活既依賴于雜質原子，也依賴于SiC晶型(如6H-SiC和4H-SiC等)。常用的Si退火裝置已不能滿足SiC退火的要求。
實用新型內容本實用新型的目的是設計一種基于銅螺旋管射頻加熱的豎直式離子注入碳化硅高溫退火裝置，利用該裝置不但能夠實現SiC的n-型雜質離子的退火激活(退火溫度通常為1500℃左右)，而且也能夠實現SiC的p-型雜質離子的退火激活(退火溫度通常為1700℃左右)，以滿足各種高溫、大功率、高頻SiC器件的制作。
為達到上述目的，本實用新型的技術解決方案是提供了一種離子注入碳化硅高溫退火裝置，由退火室、法蘭盤、退火室進樣門、放氣閥門、抽氣口、支撐架、觀察窗、感應加熱線圈和感應加熱體組成；其中，石英管退火室豎直設置，上下兩端由法蘭盤封閉，法蘭盤上固設有支架，支架將退火室豎直固置；石英管退火室和法蘭盤之間采用“O”型密封圈密封；上端法蘭盤上設有退火室的進樣門，進樣門中心有一個小孔，與保護氣體的儲罐出口相通，進樣門與法蘭盤之間用“O”型密封圈密封連接；下端法蘭盤中心設有一豎直的管道，管道的下端是觀察窗，管道的前側水平設有充氣閥門，后側水平設有抽氣口；石英管退火室的外周圓表面中部，繞設有感應加熱線圈，退火室的內腔中，與感應加熱線圈相對的位置設有感應加熱體，感應加熱體與退火室下端法蘭盤之間有一支撐架。
所述的高溫退火裝置，其所述法蘭盤、退火室進樣門、豎直的管道、放氣閥門、抽氣口是由不銹鋼材料制成，“O”型密封圈為橡膠圈，感應加熱線圈為銅螺旋管感應加熱線圈。
所述的高溫退火裝置，其所述感應加熱體，包括石英舟、保溫層和感應加熱器，石英舟套置于退火室的內腔中，保溫層將感應加熱器包裹于其中，并套置于石英舟內。
所述的高溫退火裝置，其所述法蘭盤，中間有一個圓環狀水槽，在水槽的兩端沿法蘭盤的徑向方向引出兩個水嘴。
所述的高溫退火裝置，其所述石英舟，由鉤圈、連接臂、石英舟體和多孔底組成，多孔底將石英舟體的一端封住，石英舟體的另一端開口邊緣固連有連接臂，連接臂的外端固接一鉤圈；其外徑略小于石英管退火室的內徑，中間空隙小于1毫米。
所述的高溫退火裝置，其所述保溫層，包括保溫層體和其一側的蓋，其中，保溫層體一端封閉，另一端為開口，該開口與蓋相適配，保溫層體的外側中心有一凹槽是一個測溫窗口，采用高溫儀測溫；保溫層體的內壁與感應加熱器外周面相適配；保溫層體的外周面與石英舟體的內壁相適配，保溫層體可順暢的放入石英舟體內。
所述的高溫退火裝置，其所述感應加熱器，中間有一通孔，其表面和通孔內壁覆有一層碳化硅(SiC)涂層，或其表面和通孔內壁固接一形狀相同的碳化硅(SiC)管；其外周面與保溫層體的內壁相適配，感應加熱器可順暢的放入保溫層體內。
所述的高溫退火裝置，其所述支撐架，為“T”型，由階梯軸桿、小石英管和石英圓盤或“十字”型石英架組成；石英圓盤上設有復數個小孔；其中，小石英管上端位于石英圓盤的圓心，且垂直固接成一體，下端的內徑與階梯軸桿的上凸臺的直徑相當，與階梯軸桿的上凸臺間隙配合；階梯軸桿垂直設置，其下端固接在下端法蘭盤內壁的中心位置。
所述的高溫退火裝置，其所述退火室為圓筒形，感應加熱器，為圓柱體，石英舟和保溫層體，為圓桶形；感應加熱器由高純石墨制造而成，保溫層為石墨氈，階梯軸桿為不銹鋼制作。
所述的高溫退火裝置，其所述中間的通孔，為矩形通孔。
實現本實用新型所采取的技術措施有以下幾個方面一是采用螺旋管加熱的豎直石英管結構；二是采用一圓桶形石英舟，增強樣品交接的簡易性；三是采用石墨感應加熱器的保溫措施，以增強加熱效率，提高工作溫度；四是退火時的氣體壓力可調，其調節范圍在10-3托到760托內，以達到真空、低壓和常壓退火工藝要求。
本實用新型是為離子注入SiC的退火激活而設計的高溫退火裝置，退火室內均采用耐高溫材料，該裝置也適用于其它半導體的退火激活工藝，如氮化鎵(GaN)等。
本實用新型的特點是簡易、靈活、多用、壓力調節范圍寬、易于控制，有較高的退火溫度，最高可達到2000℃。本實用新型加熱快速、溫度高，很適合高溫快速退火，最大的優點是可在低壓下退火，這是常規退火系統所不具備的。
圖1是本實用新型豎直式離子注入碳化硅(SiC)高溫退火裝置示意圖；圖2是本實用新型感應加熱體結構配置示意圖；圖3是感應加熱體的石英舟結構示意圖；圖4是感應加熱體的石墨氈絕熱材料保溫層結構示意圖；其中(a)是剖面圖；(b)和(c)分別是圓桶形石墨氈保溫層體822和石墨氈蓋821的右視示意圖；圖5是感應加熱體的石墨感應加熱器的結構示意圖；其中(a)是感應加熱器83的剖面圖；(b)是感應加熱器83的右視示意圖；圖6是本實用新型固定感應加熱體位置的支撐架結構示意圖。
具體實施方式
圖1給出的豎直式離子注入碳化硅(SiC)高溫退火裝置示意圖。該退火裝置是一超高真空系統，由不銹鋼法蘭盤和石英管腔室制成。
如圖1所示，該裝置由石英管退火室1、水冷不銹鋼法蘭盤2、退火室進樣門3、放氣閥門4、抽氣口5、支撐架6、觀察窗9、銅螺旋管感應加熱線圈7和感應加熱體8組成。其中，圓筒形石英管退火室1豎直設置，上下兩端由水冷不銹鋼法蘭盤2、2a封閉，不銹鋼法蘭盤2、2a上固設有支架10，支架10將退火室1豎直固置于壁面或地面。石英管退火室1和水冷不銹鋼法蘭盤2、2a之間采用“O”型橡膠圈密封。水冷法蘭盤2、2a用不銹鋼制成，中間有一個圓環狀水槽，在水槽的兩端沿法蘭盤的徑向方向引出兩個水嘴，目的是在水槽內裝灌冷卻水以冷卻“O”型橡膠圈。
上端水冷法蘭盤2上設有退火室1的進樣門3，進樣門3由不銹鋼材料制成，中心有一個小孔11，與保護氣體的儲罐出口相通，是退火時保護氣體的入口，進樣門3與水冷法蘭盤2之間用“O”型橡膠圈密封連接。
下端水冷法蘭盤2a中心設有一豎直的管道12，管道12的下端是觀察窗9，管道12的前側水平設有充氣閥門4，后側水平設有抽氣口5。
石英管退火室1的外周圓表面中部，繞設有銅螺旋管感應加熱線圈7，退火室1的內腔中，與銅螺旋管感應加熱線圈7相對的位置設有感應加熱體8。感應加熱體8與退火室1下端法蘭盤2a之間有一支撐架6。退火室1內的真空度達到10-4～10-3Pa。采用銅螺旋管感應加熱方式。
如圖2所示，是本實用新型感應加熱體8結構配置示意圖。石英管退火室1內放置的感應加熱體8的最外層是一個圓桶形石英舟81，石英舟81內裝有保溫層82，保溫層82包裹著感應加熱器83，感應加熱器83中心有一豎直的通孔84。
如圖3所示，是感應加熱體8的石英舟81結構示意圖。圓桶形石英舟81由鉤圈86、連接臂87、圓桶形石英舟體81a和多孔底81b組成，多孔底81b將石英舟體81a的一端封住，石英舟體81a的另一端開口固連有連接臂87，連接臂87的外端固接一鉤圈86。鉤圈86是用來傳遞退火樣品用的。圓桶形石英舟體81a，其外徑略小于石英管退火室1的內徑，中間空隙小于1毫米。退火時需要保護氣體，如氬氣(Ar)等，因此石英舟81多孔底81b上的小孔用來通氣。
石墨氈是絕熱保溫材料，它位于石墨感應加熱器83的周圍構成石墨氈保溫層82，以減小熱量損失，增強加熱效率。石墨氈保溫層82的結構如圖4所示，圖4(a)是剖面圖，其中包括圓桶形石墨氈保溫層體822和其一側的石墨氈蓋821，圖4(b)和(c)分別是圓桶形石墨氈保溫層體822和石墨氈蓋821的右視示意圖。其中，圓桶形石墨氈保溫層體822的開口與石墨氈蓋821相適配，保溫層體822的上側中心有一凹槽85是一個測溫窗口，采用高溫儀測溫。保溫層體822的外周圓與圓桶形石英舟體81a的內圓壁相適配，石墨氈保溫層體822可順暢的放入石英舟體81a內。
石墨感應加熱器83的結構如圖5所示，石墨感應加熱器83為一空心圓柱體，由高純石墨制造而成，其外周圓與圓桶形石墨氈保溫層體822的內圓壁相適配，石墨感應加熱器83可順暢的放入石墨氈保溫層體822內。
圖5(a)是感應加熱器83的剖面圖，圖5(b)是感應加熱器83的右視示意圖。圓柱體83右視呈現圓形，其中間是一個矩形通孔84，考慮到石墨的結構特性，需要對內外表面進行處理，即在內外表面覆蓋一層厚度約1毫米的碳化硅(SiC)涂層831，或在矩形通孔84內表面套設一適配的碳化硅(SiC)管831，管壁厚度約1毫米。待退火的離子注入碳化硅(SiC)樣品13就放置在矩形通孔84內。
為了固定感應加熱體8在退火室1內的位置，在豎直式退火室1的下端法蘭盤2a上安裝一個“T”型支撐架6，其結構如圖6所示。“T”型支撐架6由三部分組成，不銹鋼階梯軸桿63，小石英管62和石英圓盤61或“十字”型架，石英圓盤61上有小孔64。其中小石英管62上端位于石英圓盤61的圓心，且焊接成一體，小石英管62下端的內徑與階梯軸桿63的上凸臺的直徑相當，可套于階梯軸桿63的上凸臺，形成間隙配合。階梯軸桿63垂直設置，其下端焊接在下端法蘭盤2a內壁的中心位置。
本實用新型的工藝流程是(1)在進行離子注入碳化硅(SiC)樣品13退火之前，清洗待退火樣品13；(2)打開退火室1的進樣門3，用石英操作桿將退火室1內的石英舟81拉出；(3)取下石墨氈蓋821，將待退火樣品13放置在石墨感應加熱器83的矩形孔84內，裝上石墨氈蓋821，用石英操作桿將石英舟81放入退火室1內的石英支撐架6上，關閉進樣門3，由抽氣口5對退火系統抽真空；(4)加熱前，通過進樣門3上的進氣小孔11通入合適的退火保護氣體，如氬氣(Ar)，根據待退火樣品13的退火條件，如退火溫度、退火壓力、和退火時間等，對樣品13進行退火處理；(5)退火工作結束后，可先在氬氣(Ar)氣氛下降溫，到一定溫度后，在真空下降溫。
(6)打開充氣閥門4，用保護氣體如氮氣(N)將退火室1增壓至常壓(一個大氣壓)，用(2)-(3)步將樣品13取出。
(7)當不使用退火室1時，可以由抽氣口5對其抽至真空，并使其維持在真空狀態。
權利要求1.一種豎直式離子注入碳化硅高溫退火裝置，由退火室、法蘭盤、退火室進樣門、放氣閥門、抽氣口、支撐架、觀察窗、感應加熱線圈和感應加熱體組成；其特征在于其中，石英管退火室豎直設置，上下兩端由法蘭盤封閉，法蘭盤上固設有支架，支架將退火室豎直固置；石英管退火室和法蘭盤之間采用“O”型密封圈密封；上端法蘭盤上設有退火室的進樣門，進樣門中心有一個小孔，與保護氣體的儲罐出口相通，進樣門與法蘭盤之間用“O”型密封圈密封連接；下端法蘭盤中心設有一豎直的管道，管道的下端是觀察窗，管道的前側水平設有充氣閥門，后側水平設有抽氣口；石英管退火室的外周圓表面中部，繞設有感應加熱線圈，退火室的內腔中，與感應加熱線圈相對的位置設有感應加熱體，感應加熱體與退火室下端法蘭盤之間有一支撐架。
2.如權利要求1所述的高溫退火裝置，其特征是所述法蘭盤、退火室進樣門、豎直的管道、放氣閥門、抽氣口是由不銹鋼材料制成，“O”型密封圈為橡膠圈，感應加熱線圈為銅螺旋管感應加熱線圈。
3.如權利要求1所述的高溫退火裝置，其特征是所述感應加熱體，包括石英舟、保溫層和感應加熱器，石英舟套置于退火室的內腔中，保溫層將感應加熱器包裹于其中，并套置于石英舟內。
4.如權利要求1所述的高溫退火裝置，其特征是所述法蘭盤，中間有一個圓環狀水槽，在水槽的兩端沿法蘭盤的徑向方向引出兩個水嘴。
5.如權利要求3所述的高溫退火裝置，其特征是所述石英舟，由鉤圈、連接臂、石英舟體和多孔底組成，多孔底將石英舟體的一端封住，石英舟體的另一端開口邊緣固連有連接臂，連接臂的外端固接一鉤圈；其外徑略小于石英管退火室的內徑，中間空隙小于1毫米。
6.如權利要求3所述的高溫退火裝置，其特征是所述保溫層，包括保溫層體和其一側的蓋，其中，保溫層體一端封閉，另一端為開口，該開口與蓋相適配，保溫層體的上側中心有一凹槽是一個測溫窗口；保溫層體的內壁與感應加熱器外周面相適配；保溫層體的外周面與石英舟體的內壁相適配，保溫層體可順暢的放入石英舟體內。
7.如權利要求3所述的高溫退火裝置，其特征是所述感應加熱器，中間有一通孔，其表面和通孔內壁覆有一層碳化硅(SiC)涂層，或其表面和通孔內壁固接一形狀相同的碳化硅(SiC)管；其外周面與保溫層體的內壁相適配，感應加熱器可順暢的放入保溫層體內。
8.如權利要求1所述的高溫退火裝置，其特征是所述支撐架，為“T”型，由階梯軸桿、小石英管和石英圓盤或“十字”型石英架組成；石英圓盤上設有復數個小孔；其中，小石英管上端位于石英圓盤的圓心，且垂直固接成一體，下端的內徑與階梯軸桿的上凸臺的直徑相當，與階梯軸桿的上凸臺間隙配合；階梯軸桿垂直設置，其下端固接在下端法蘭盤內壁的中心位置。
9.如權利要求1所述的高溫退火裝置，其特征是所述退火室為圓筒形。
10.如權利要求3所述的高溫退火裝置，其特征是所述感應加熱器，為圓柱體，石英舟和保溫層體，為圓桶形；感應加熱器由高純石墨制造而成，保溫層為石墨氈。
11.如權利要求8所述的高溫退火裝置，其特征是所述階梯軸桿，為不銹鋼制作。
12.如權利要求7所述的高溫退火裝置，其特征是所述中間的通孔，為矩形通孔。
專利摘要本實用新型是一種豎直式離子注入碳化硅高溫退火裝置。該裝置的石英管退火室豎直設置，兩端由水冷法蘭盤封閉；法蘭盤上端有退火室的進樣門，進樣門中心有一個小孔，是退火時保護氣體的入口，進樣門與法蘭盤之間用密封圈密封連接；法蘭盤下端中心設有一豎直的管道，管道的外端是觀察窗，管道的前側水平設有放氣閥門，后側水平設有抽氣口；退火室的外周圓表面中部，繞設有感應加熱線圈，退火室的內腔中，與感應加熱線圈相對的位置設有感應加熱體，感應加熱體與下端法蘭盤之間有支撐架。本實用新型可滿足各種高溫、大功率、高頻碳化硅器件的制作，也適用于其它半導體的退火激活工藝，其靈活、壓力調節范圍寬、易于控制，有較高的退火溫度。
文檔編號C30B31/00GK2743375SQ20042009286
公開日2005年11月30日 申請日期2004年9月22日 優先權日2004年9月22日
發明者孫國勝, 王雷, 趙萬順 申請人:中國科學院半導體研究所