CN101615573A - 真空加热设备 - Google Patents

Abstract

一种真空加热设备。防止由于真空加热设备中的辐射加热导致的O型圈的劣化，从而允许以良好的退火特性对基板进行热处理。真空加热设备(1)包括：真空室(2)，其由具有开口部(9)并且被接合在一起的凸缘(11，12)构成；涡轮分子泵(17)，其用于从真空室(2)排出气体；以及加热器基座(3)，其用于对载置于真空室(2)中的基板(5)进行加热。由O型圈(10)密封凸缘(11，12)的接合面。此外，在凸缘(11，12)的接合面上，在加热器基座(3)和O型圈(10)之间形成结合台阶(13)，由此防止来自加热器基座(3)的热辐射通过凸缘(11，12)的接合面到达O型圈(10)。

Description

真空加热设备

技术领域

本发明涉及一种真空加热设备，更特别地，涉及一种使通过加速电压而从细丝(filament)发出的热电子与加热器碰撞来产生热的电子冲击(碰撞)加热装置。

背景技术

半导体制造技术通常需要对半导体基板进行快速加热的处理。特别地，如碳化硅(SiC)等宽带隙半导体的活化退火需要大约2000℃的高温。

作为真空加热设备的例子，已经提出了使通过施加在细丝和真空室之间的加速电压而从细丝发出的热电子与加热器碰撞来产生热的电子冲击加热装置(日本特许第2912613号公报、特许第2912616号公报、特许第2912913号公报)。

在真空加热设备中，使用具有高导热率和低辐射率的铝制真空室。

然而，铝制真空室具有用于接合构成真空室的构件的软凸缘部，从而难以使用金属垫圈，所以氟橡胶或树脂的O型密封圈被用于真空密封。此外，如上所述，用于使离子注入杂质的碳化硅(SiC)基板电活化的活化退火处理需要大约2000℃的非常高的温度。

具体地，与利用来自在传统的硅(Si)器件中使用的大约1000℃的加热器的热辐射的退火处理相比，到真空室的热辐射量显著增加。

如上所述，对于在2000℃的非常高的温度区域如通常那样简单地保持O型圈的结构，由于O型圈的劣化，热处理过程中的辐射加热降低了排气(exhaust)特性，并且也降低了退火特性。

具体地，组装真空加热设备，释放用于加热的气体，然后，在2000℃下对例如在500℃下以2.0×10¹⁸/cm³的浓度注入铝的碳化硅(SiC)外延基板的样品进行退火10分钟。

在这种情况下，退火过程中的真空室的最大压力是3.6×10^-4Pa，当用原子力显微镜(AFM)测量退火后的样品表面的表面平坦性时，获得RMS(均方根)值为0.6nm的非常良好的平坦性。

然而，当在2000℃下对样品进行退火10分钟至1000次时，然后在2000℃下对同样的样品进行退火10分钟，退火过程中的真空室的最大压力是7.6×10^-3Pa，真空度降低。当用原子力显微镜(AFM)测量退火后的样品表面的表面平坦性时，存在RMS值为3.5nm的粗糙表面。

此外，当测量真空室的最终压力时，确认压力是4.3×10^-4Pa并且真空特性减少了大约2位数。具体地，如两个平行的密封面彼此对置的传统的O型密封圈那样，由氟橡胶或树脂制成的被放置和保持在设置于密封面之间的槽中的O型圈直接接收来自被加热到大约2000℃的加热部件的辐射。

从而，O型圈在短时间内劣化而释放气体，由此降低了真空室的真空特性。这也降低了退火过程中的基板表面的平坦性。

本发明的目的是防止由于真空加热设备中的辐射加热而导致的O型圈的劣化，并且使得以良好的退火特性对基板进行热处理。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种真空加热设备，其包括：真空室，其由具有开口部并且被接合在一起的如凸缘等构件构成；排气部件，其用于从真空室排出气体；以及加热部件，其被配置于构件的开口部中并且对载置于真空室中的基板进行加热，其中，由O型圈密封所述构件，并且在所述构件的接合面上，在加热部件和O型圈之间形成结合台阶。

根据本发明，真空加热设备具有在位于O型圈的内周侧的接合面上包括台阶的结构，由此防止了来自加热器的加热辐射到达O型圈并且防止了真空特性的降低。可以稳定地使用加热器温度为2000℃的非常高的温度区域，对于利用单晶碳化硅基板的装置，可以实现退火过程中的良好的表面平坦性。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的电子碰撞型真空加热设备。

图2是图1的真空加热设备中的真空室的放大图。

图3是本发明的第一实施例中的真空室的凸缘之间的接合部的放大剖视图。

图4是本发明的第二实施例中的真空室的凸缘之间的接合部的放大剖视图。

图5是本发明的第三实施例中的真空室的凸缘之间的接合部的放大剖视图。

具体实施方式

现在，将参照附图说明实施本发明的优选实施例。

第一实施例

图1示出了根据本发明的一个实施例的电子碰撞型真空加热设备。

如图1所示，该实施例的真空加热设备1包括真空室2、用于对载置在真空室2中的基板5进行加热的加热器基座3、以及用于从真空室2排出气体的作为排气部件的涡轮分子泵17。在该实施例中，真空室2由铝制成。

加热器基座3包括未示出的加热部件。

例如，碳加热器基座3可包括作为加热部件的钨丝(未示出)。

这里，电子碰撞加热型加热部件被示例为：通过施加到细丝和加热器基座3之间的加速电压使从热细丝(未示出)加热和发出的热电子加速并且使该热电子与碳加热器基座3碰撞，从而对加热器基座3进行加热。

当通过上述方法达到非常高的温度时，由涡轮分子泵4将气体从基板5的处理侧的真空室2排出至高真空，以排出由加热器基座3的碳或细丝的高熔点金属等产生的气体并且防止真空室2的污染。此外，由涡轮分子泵17将气体从基板5的热处理侧的真空室2排出至高真空。经受热处理的基板5被载置于热接收器板(未示出)等，该热接收器板被安装到面对加热器基座3的基板保持件18。当基板5被输送或冷却时，使基板保持件18向下移动。当对基板5进行热处理时，使基板保持件18向上移动，以使得基板5和加热器基座3彼此靠近成其间具有例如3mm的距离，从而允许高效的热处理。

图2是图1的真空加热设备1中的真空室2的上部的放大图。

如图2所示，真空室2由例如具有开口部并且被接合在一起的多个凸缘11和12的环状构件构成，并且真空室2包括上部6、中间部7和下部8。O型圈(未示出)被保持在构件(凸缘)之间，用于密封构成真空室2的构件(凸缘)的接合面。由于加热器基座3和真空室2之间的空间的热分离等，使用O型圈(未示出)，以通过凸缘11和12的接合来形成真空密封部。

如上所述，真空室2由具有高导热率和低辐射率的铝制成。构成真空室2的构件的被接合在一起的凸缘11和12也是软的，从而难以使用金属垫圈，所以例如氟橡胶被用作密封材料。

氟橡胶具有高至大约150℃至200℃的耐热性，并且真空室2的上侧部分被凸缘11和12分成上部6和下部7，以阻挡来自加热器基座3的下部的热辐射并且增加氟橡胶的密封材料的冷却效果。

对真空室2的一个凸缘11进行密封面加工，另一个相面对的凸缘12设置有O型圈用的槽，O型圈(未示出)被保持在两个凸缘表面之间，并且由外侧的大气压部分的螺钉(未示出)紧固O型圈，以形成真空密封部。O型圈(未示出)由例如氟橡胶制成。

图3是该实施例中的真空室2的凸缘11和12之间的接合部的放大剖视图。用相同的附图标记表示与图1或图2中的构件相同的构件。

通过具有开口部9的两个凸缘11和12将构成真空室2的上部6和中间部7接合在一起，并且例如碳加热器基座3被置于开口部9中作为加热部件。在具有埋设O型圈10的槽的一个凸缘12上的加热部件侧、即在加热器基座3和O型圈10之间形成一个结合台阶13。

在凸缘11上的靠近加热器基座3的一侧加工另一结合台阶13。结合台阶彼此嵌设。

由例如氟橡胶制成的O型圈10被保持在凸缘11和12之间，并且由未示出的螺栓紧固O型圈10，以提供真空密封，同时，靠近作为加热部件的加热器基座3的一侧的凸缘表面沿上下方向彼此结合。

从而，来自加热器基座3的热辐射不能通过凸缘11和12的接合面到达O型圈10，由此，保护了O型圈10。

此外，对真空室2的内表面进行镜面加工以使该表面具有0.15的辐射率。

评价使用该实施例的真空室2的基板的退火特性。为了进行评价，使用如下所述处理的4H单晶碳化硅(SiC)基板作为试验基板。

具体地，通过化学气相沉积(CVD)在试验基板上形成具有10μm的厚度的n型外延层，在氧化炉中，在氧气(O₂)气氛、900℃下对试验基板进行牺牲氧化30分钟，从而具有10nm的膜厚。然后，对试验基板进行氢氟酸处理以露出清洁表面，在氧化炉中、在同样的条件下形成具有10nm的膜厚的离子注入时的保护氧化膜。

此外，使用离子注入设备将试验基板加热到500℃，并且在500℃下以2.0×10¹⁸/cm³的浓度、以六个阶段的注入能量将作为杂质的铝注入到试验基板中形成为盒形状。具体地，六个阶段的能量是40、100、200、350、500和700keV。

然后，由氢氟酸去除离子注入保护膜，然后，在2.3kV的加速电压和2000℃下对试验基板进行退火10分钟。此时，退火过程中的真空室2的最大压力是3.4×10^-4Pa，与传统设备的初始值基本上相同。进行排气24小时，然后测量最终真空度，获得压力为1.5×10^-6Pa的非常良好的真空。

接着，为了评价退火后的试验基板的表面平坦性，用原子力显微镜(AFM)在轻敲模式(tapping mode)下在4微米×4微米的测量范围内测量表面平坦性。从而，确认获得RMS值为0.6nm的非常良好的平坦性。

通过牺牲氧化和干法蚀刻将试验基板的表面去除40nm，然后通过剥离法(lift-off)形成铝电极，并且通过CV测量算出活化率。从而，确认获得百分之百的活化率，进行了充分的活化。

此外，为了确认O型圈的耐热性，在2000℃下对试验基板进行退火10分钟连续达1000次，然后，在2000℃下对同样的试验基板进行退火10分钟。

此时，退火过程中的真空室2的最大压力是3.5×10^-4Pa并且与初始值基本上相同，并且未确认出真空度的降低。此外，在活化退火之后，获得RMS值为0.6nm的非常良好的平坦性。此外，加热器基座3被冷却，进行排气24小时，并且测量最终真空度。然后，确认获得压力为1.7×10^-6Pa的非常良好的真空。

第二实施例

图4是本发明的第二实施例中的真空室2的凸缘11和12之间的接合部的放大剖视图。

靠近碳加热器基座3地形成两个铝制凸缘11和12。对位于比O型圈10靠近加热器基座3的一侧、即比凸缘11和12的接合面中的台阶13靠近加热部件的一侧的内表面14和15进行精加工，以使该内表面具有辐射率为0.3以上的表面粗糙度。在该实施例中，辐射率是0.35。

具体地，在该实施例中，在凸缘11和12的接合面中，在加热器基座3和O型圈10之间具有台阶13的接合面14和15的辐射率比接合面的其它部分的辐射率高。这使得将被凸缘的内表面14和15吸收的从加热器基座3发出的热辐射进一步减少到达O型圈的热辐射量。

可以通过涂布碳喷涂层至50μm的厚度，或者在台阶状的接合面14和15中的至少一个处涂布陶瓷涂层至40μm的厚度，来获得相同的优点。

第三实施例

图5是本发明的第三实施例中的真空室2的凸缘11和12之间的接合部的放大剖视图。

在该实施例中，通过在凸缘11和12的靠近加热器基座3的内周侧的接合面附近进行焊接而形成防护板16。这使得从加热器基座3发出的热辐射被防护板16阻挡，由此防止热辐射直接到达O型圈10。

凸缘11和12、开口部9、加热器基座3等是圆筒形状的，在图3、图4和图5的例子中，台阶13、O型圈10、防护板16等被配置成围绕加热器基座3的外周。在上述实施例中，说明了上部6和中间部7之间的接合，但是，也可以利用图3、图4和图5中的接合方法将中间部7和下部8的凸缘接合在一起。

本发明可以特别适用于允许在高于2000℃的温度下进行退火的真空加热设备。以使通过加速电压而从细丝发出的热电子与加热器碰撞来产生热的电子冲击加热装置的应用为例进行了说明，但是，本发明也可适用于高频感应加热型、红外加热型、热阻抗加热型以及其它这种设备。本发明不限于此。

形成在各凸缘中的台阶数量不限于一个，而是可以根据加热部件和O型圈之间的接合面来形成任意数量的台阶。

Claims (6)

1.一种真空加热设备，其包括：

真空室，其由在接合部被接合在一起的具有开口的第一和第二构件构成；

排气部件，其用于从所述真空室排出气体；以及

加热部件，其被配置于所述开口中，用于对载置于所述真空室中的基板进行加热，

其中，由O型圈密封所述第一和第二构件的接合部，并且

在所述第一和第二构件的接合面上，在所述加热部件和所述O型圈之间形成结合台阶。

2.根据权利要求1所述的真空加热设备，其特征在于，所述接合面的位于所述O型圈的内侧的部分的表面粗糙度比所述接合面的其它部分的表面粗糙度大。

3.根据权利要求2所述的真空加热设备，其特征在于，所述O型圈的内侧的接合面的辐射率为0.3以上。

4.根据权利要求1所述的真空加热设备，其特征在于，在所述构件的面对所述加热部件的内周侧设置防护板。

5.根据权利要求1所述的真空加热设备，其特征在于，所述加热部件是使通过施加到细丝和所述真空室之间的加速电压而从所述细丝发出的热电子与加热器碰撞以产生热的电子碰撞加热型加热部件。

6.一种真空加热设备，其包括：

真空室，其由在接合部被接合在一起的具有开口的第一和第二构件构成；

排气部件，其用于从所述真空室排出气体；以及

加热部件，其被配置于所述开口中，用于对载置于所述真空室中的基板进行加热，

其中，由O型圈密封所述第一和第二构件的接合面，并且

所述接合面被构造成防止来自所述加热部件的热辐射通过所述接合面到达所述O型圈。

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