CN101896996A - 用于sic晶片退火的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
在用于在高温区域中使碳化硅(SiC)晶片退火的方法中，可能出现第一硅原子层从SiC层的晶体结构中剥离的问题，从而损坏平滑的SiC表面，或者出现“阶梯聚束”的问题，即，晶体结构可能在在晶体内偏移。可以通过用于使SiC晶片退火的方法避免这些问题，该方法包括以下步骤：将多个SiC晶片引入退火炉的加工室中，在加工室中产生真空，同时将SiC晶片加热至1600-2000℃的加工温度，在预定时间内在恒定的加工温度下，将加工室的气氛中的Si分压增大至超过SiC晶片中结合的硅的蒸汽压的值。
Description
发明领域
本发明涉及用于SiC晶片退火的方法和设备。
技术背景
在碳化硅晶片(SiC晶片)以及硅圆盘中注入杂质(如Al、P、B)之后从而在SiC晶体结构中掺入杂质以使其具有导电性之后，必须对其进行退火，也称为复原(heal)或回火(temper)。因在晶体结构中注入杂质而产生的损坏只能在这种退火过程中部分得到“复原”。这种过程通常发生在用于单独的SiC晶片或同时用于多个SiC晶片的退火炉的加工室中在1600-2000℃的温度下按照高温过程中。
在这些温度下出现问题：第一硅原子层可能会从碳化硅层(SiC)的晶体结构中剥离，由此损坏平滑的SiC表面，或日出现“阶梯聚束(step bunching)”，即晶体结构可能在晶片内偏移。
要减轻这些问题，可以将硅烷引入加工室中，使得硅分压增大。通常使用硅烷和惰性气体的混合物，其中使用氩作为惰性气体。
但是，硅烷(SiH4)是危险性的，原因在于它倾向于自发燃烧，因此操作上很困难也很麻烦。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供用于SiC晶片退火的方法和设备，该方法和设备能够在加工室中以低运行成本产生足够的Si分压。
通过以下方法实现了这个目的，其中将多个SiC晶片引入退火炉的加工室中，在加工室中产生真空并同时将SiC晶片加热至1600-2000℃的加工温度，并且在预定时间内在恒定的加工温度下将加工室气氛中的Si分压增大至超过Si晶片中结合的硅的蒸汽压的值。
为此，可以将气体或蒸汽形式的纯硅或者载气与气体或蒸汽形式的硅的混合物引入加工室中。载气可以是氩、氦或H2。
为了恒定的加工温度，在超过1600℃的温度下将气体或蒸汽形式的硅或者载气与气体或蒸汽形式的硅的混合物引入加工室中。
在本发明的一种具体实施方式中，通过从SiC表面蒸发硅产生气体或蒸汽形式的硅。所述SiC表面可以是SiC晶片或其碎片的表面或者是熔融硅的表面。
在超过1400℃的温度下进行蒸发。
本发明的目的还通过用于SiC晶片退火的设备得到实现，该设备的特征在于，至少将蒸汽或气体形式的硅源与用于接受至少一个晶片的加工室连接，用于增大Si分压。
蒸汽或气体形式的硅源是蒸发器，可以向蒸发器输送载气从而在熔融硅之上产生气流，其中该蒸发器经由导管与加工室连接，或者设置在加工室之内。
在本发明的一种实施方式中，蒸发器是由石墨、碳化硅制造的盒子，或者由硅涂覆的石墨或碳化钽、陶瓷、蓝宝石或钼制得。
蒸发器中蒸汽或气体形式的硅的来源是蒸发器中的硅晶片或硅碎片或熔融硅。
蒸发器设置在加工室下方的退火炉中，在退火炉中温度为1450-1700℃的区域中。因此蒸发器不需要自己的加热装置。
在本发明的另一种变化形式中，蒸发器设置在加工室中在晶片的下方。
可以使用稀有气体如氩或氦或H2作为载气。这里要求气氛中不含氧。
蒸发器中的温度为1450-1700℃，加工室中的温度为1600-1900℃。
根据本发明，将Si晶片或Si与载气的混合物从蒸发器(鼓泡器)引入加工室中。
附图简要描述
以下将按照实施方式更详细地描述本发明。在各附图中：
图1显示用于SiC晶片退火的本发明装置的代表性示意图，该装置具有位于加工室下方的蒸发器；和
图2显示代表性的蒸发器的放大图，其设置在加工室的低端。
发明详述
蒸发器4包括位于退火炉1的加工室2下方的盒子，位于高温区域(最高2000℃)下方，在炉中对SiC晶片3进行回火。蒸发器4包含石墨、硅石墨或者由SiC涂覆的石墨。蒸发器可以由碳化钽、蓝宝石、陶瓷或钼之类的材料制造。在所述蒸发器中有硅晶片3.1，用作Si蒸汽来源，或者所述蒸发器中有硅碎片，优选后者。
蒸发器中要求的温度为1400-1600℃，至少高于硅的熔融温度(1414℃)。在加工室2下方，在绝热装置7下方和绝热层8上方达到这种温度(图1)。因此，由蒸发器中的SiC晶片3(图1)产生液体硅11(图2)。可以将载气引导(鼓泡)在这种熔融硅中或从其上通过。还可以在熔融硅的表面之上引导载气5.1。可以使用Ar、H2、He等作为载气5.1。
从气源经由导管5输送载气5.1时，以及在随后引导载气5.1通过熔融硅的过程中，蒸发的硅被夹杂进来，然后可以经由输送管6(图1)将气体混合物如Ar-Si引导至加工室2中的SiC晶片3，在其中产生所要求的硅分压，这防止了硅从待退火的SiC晶片3蒸发。导管5和输送管6可以由SiC、陶瓷、蓝宝石、钼或石墨制造。
关键的是，简单地通过输送载气的速度和体积以完全安全的方式就可以通过本发明在加工室2中建立起要求的Si分压。
相对应的图1显示控温炉1，其具有壁1.1，上部高温区域最高为2000℃，其中将待退火的晶片3设置在加工室2中。加工室2下方是蒸发器4，其温度范围超过1400℃，在其表面有熔融的Si晶片3.1或者熔融的Si碎片11(图2)。提供连接至载气源的导管5来供应载气，提供输送管6将载气和Si的混合物供应至加工室2。
为了实现不同的温度水平，在高温区域和蒸发器4之间提供一个绝热装置7(C隔板层)，并且在蒸发器4的下方还提供一个绝热装置，该装置由多个绝热层8和一个石英隔板9组成。这样能够在退火炉1的底布区域10中保持大约150℃的恒定温度。
由图2可以看出，包括蒸发器4在内的高温区域被加热器12包围。不同于图1，蒸发器4设置在图2的加工室2的下部，使得蒸发的载气-/硅-蒸汽-混合物能够直接经由蒸发器4的盖子14中的开口13到达加工室2中的晶片3。仍然经由导管5输送所要求的载气。应该理解，退火炉1内的温度由加热装置12产生，该加热装置包围着加工室2和蒸发器4。
按照本发明方法，将SiC晶片3.1的层叠物装入到退火炉1的加工室2中，在加工室内加热至1600-2000℃的加工温度，同时产生真空，同时，在恒定加工温度下在预定时间内，将加工室2的气氛中的Si分压增大至超过SiC晶片3.1中结合的硅的蒸汽压的值。
可以将气体或蒸汽形式的纯硅或者载气与气体或蒸汽形式的硅的混合物引入加工室2中。使用氩气、氦气或H2作为载气。
沿熔融碎片11(超过1414℃)引导载气，由此携带上蒸汽形式的硅到达加工室(如图1、2中的箭头所示)。
通过将蒸发器4设置在加工室2中(图2)或者在加工室下方(图1)，以及通过载气的速度及其体积，可以调节加工室中的硅分压。
为了确保恒定的加工温度，在超过1600℃的温度下将气体或蒸汽形式的硅或者载气与气体或蒸汽形式的硅的混合物引入加工室2中。
附图标记列表
1 退火炉
1.1 壁
2 加工室
3 待退火的晶片
3.1 SiC晶片
4 蒸发器
5 导管
6 输送管
7 绝热装置
8 绝热层
9 石英隔板
10 底部区域
11 液化的Si碎片
12 加热器
13 开口
14 盖子
Claims (22)
1.一种用于在高温区域中使SiC晶片退火的方法，其特征在于：
-将多个SiC晶片(3)引入退火炉(1)的加工室(2)中，并且在加工室(2)中产生真空，
-同时将SiC晶片(3)加热至1600-1900℃的加工温度，和
-在预定时间内在恒定加工温度下，将加工室(2)的气氛中的Si分压增大至超过SiC晶片中结合的硅的蒸汽压的值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将气体或蒸汽形式的硅引入加工室(2)中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将载气与气体或蒸汽形式的硅的混合物引入加工室(2)中。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，使用氩气或氦气作为载气。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用H2作为载气。
6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在至少1450℃的温度下，将所述气体或蒸汽形式的硅或者载气与气体或蒸汽形式的硅的混合物引入加工室(2)中。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，通过从SiC表面蒸发硅，产生所述气体或蒸汽形式的硅。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，从SiC晶片(3.1)的表面、从其碎片、和/或从熔融硅(11)蒸发硅。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，蒸发在超过1400℃的温度下进行。
10.一种用于在退火炉的加工室中在高温区域中使SiC晶片退火的设备，其特征在于，将用于接受至少一个晶片(3)的加工室(2)与至少蒸汽或气体形式的硅的源连接，增大硅分压。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，用于蒸汽或气体形式的硅的源是蒸发器(4)，可以向该蒸发器输送载气，从而在熔融硅之上产生气流，蒸发器(4)经由导管(5)与加工室(2)连接，或者蒸发器(4)设置在加工室(2)中。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，蒸发器(4)是一个盒子，由石墨、碳化硅或硅涂覆的石墨或碳化钽、陶瓷、蓝宝石或钼组成。
13.如权利要求10-12中任一项所述的设备，其特征在于，蒸汽或气体形式的硅的来源是蒸发器(4)中的硅晶片(3.1)或硅碎片(11)或熔融硅。
14.如权利要求10-12中任一项所述的设备，其特征在于，蒸发器(4)设置在退火炉(1)内的加工室(2)的下方。
15.如权利要求10-12中任一项所述的设备，其特征在于，蒸发器(4)设置在加工室(2)中的晶片(3)的下方。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，蒸发器(4)设置在退火炉(1)的1450-1700℃温度范围内。
17.如权利要求10-16中任一项所述的设备，其特征在于，稀有气体如氩气或氦气用作载气。
18.如权利要求10-16中任一项所述的设备，其特征在于，H2用作载气。
19.如权利要求10-18中任一项所述的设备，其特征在于，蒸发器中的温度为1450-1600℃。
20.如权利要求10所述的设备，其特征在于，加工室中的温度为1600-1900℃。
21.SiC晶片、硅圆盘或其碎片在实施如权利要求1-9中任一项所述的方法中的应用。
22.SiC晶片、硅圆盘或其碎片在如权利要求10-20中任一项所述的设备中的应用。
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