CN101984153A - 一种降低碳化硅晶体应力的退火工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明主要应用于碳化硅晶体生长结束后再处理领域，具体来说是通过密封性良好、温度梯度小(晶体处温度梯度1-20℃/cm)的退火炉，在压力1万帕以上的惰性气体下用10-50小时升到退火温度，退火温度在2100-2500℃，恒温10-40小时后再用10-50小时降温。通过上述二次退火降低晶体与坩埚盖之间以及碳化硅晶体内部应力，从而降低后续加工过程中碳化硅晶体破损率，提高碳化硅晶体产率。
Description
技术领域
本发明主要应用于碳化硅晶体生长结束后再处理领域，具体来说是通过二次退火工艺降低晶体与坩埚盖之间以及晶体内部应力来降低后续加工过程中晶体破损率，从而提高晶体产率。
背景技术
随着第一代硅半导体及第二代砷化镓半导体材料发展的成熟，其器件应用也趋于极限。现代科技越来越多的领域需要高频率、高功率、耐高温、化学稳定性好且可以在强辐射环境中工作的材料，因此第三代半导体(即宽禁带半导体，禁带宽度大于2.2eV)受到了人们的极大关注，这些材料包括II-VI、III-V、碳化硅和金刚石等等，其中技术最为成熟的就是碳化硅。碳化硅为间接带隙半导体，其带隙宽、热导率高(比铜的还高)、击穿电场高、化学稳定性高和抗强辐射等优越性能。与前两代半导体材料相比较，碳化硅性能有着很明显的优势。
目前生长碳化硅晶体最有效的方法是物理气相传输法(journal of crystal growth43(1978)209-212)，典型的生长室结构如图1所示。坩埚由上部的盖和下部的埚组成，上部的盖用于粘籽晶，通常称之为籽晶托，下部的埚用于装碳化硅原料。坩埚侧壁及上下是耐高温的保温材料，保温材料通常是石墨毡。保温层侧壁是石英套水冷装置，由于保温层辐射热量较大，要求水流速度较大。水冷装置外是感应线圈加热器。
在碳化硅晶体生长过程中，通常需要晶体生长界面呈微凸状，这是为了扩大单晶尺寸、提高晶体质量和减少晶体缺陷等。由于生长界面微凸，导致晶体中心区域生长速度要比边缘区域生长速度大，也就是中心区域轴向温度梯度要大于边缘区域轴向温 度梯度，结果就造成与籽晶平行的同一平面的晶体生长速度和生长时间不同，进而造成晶体内部产生应力，并且晶体生长界面越凸，晶体内部的应力越大。在晶体生长过程中，经常通过调整保温层结构，来改变晶体生长区域的径向和轴向温度梯度，从而保证晶体的生长界面外形。
由于在晶体生长过程中生长界面需呈微凸状，在生长结束后直接退火，即晶体第一次原位退火时，由于生长室内有较大的轴向和径向温度梯度，因此第一次原位退火虽然能在一定程度上降低晶体内部的应力，但不能完全避免晶体在后续加工过程中出现开裂的现象。所以，对经过一次退火后的在坩埚盖内的晶体或者取出的晶体进行第二次退火，可进一步降低晶体内部应力，进而彻底消除从坩埚盖内取晶体及晶体后续加工过程造成晶体开裂的问题。
发明内容
针对目前出现的从坩埚盖取碳化硅晶体以及晶体后续加工过程中，特别是晶体磨平面和滚外圆时，由于机械作用造成晶体开裂这种严重问题，本发明主要通过二次退火(晶体生长结束后在炉中原位退火过程为第一次退火)降低碳化硅晶体与坩埚盖之间及碳化硅晶体内部的应力，从而消除从坩埚盖中取晶体及晶体后续加工过程造成晶体开裂的问题，提高碳化硅晶体产率。
为了实现上述目的，本发明主要是通过专用小温度梯度退火炉(在退火温度下，碳化硅晶体处温度梯度为1-20℃/cm，优选1-5℃/cm，而在晶体生长时碳化硅晶体处温度梯度为10-30℃/cm)，在1万Pa以上的惰性气体下用10-50小时升到退火温度，退火温度在2100-2500℃，恒温10-40小时后再用10-50小时降温。其中，退火炉是石墨加热炉或中频感应线圈加热炉，退火炉的密封性良好，12小时漏气不超过10帕。
进一步地，退火炉保温性能良好，高温区即晶体退火处温度梯度小于20℃/cm，优选小于5℃/cm。
进一步地，可以退火各种尺寸的碳化硅晶体，包括2英寸、3英寸、4英寸、6英寸乃至8英寸晶体。
进一步地，可退火各种晶型的碳化硅晶体，包括4H-SiC晶体、15R-SiC晶体和/或6H-SiC晶体。
进一步地，退火的碳化硅晶体可以为导电型晶体，也可以是半绝缘型晶体。
进一步地，退火的碳化硅晶体可以是在坩埚盖内尚未取出的晶体，也可以是取出后的晶体。
进一步地，退火过程需要10-50小时缓慢升温到退火温度。
进一步地，退火温度基本达到晶体生长时温度2100℃-2500℃。
进一步地，达到退火温度后恒温10-40小时。
进一步地，退火降温要求缓慢，10-50小时降温。
进一步地，由于退火温度高，为防止退火过程中碳化硅晶体表面石墨化严重，在碳化硅晶体四周加碳化硅原料。导电型碳化硅晶体四周加导电型碳化硅原料，半绝缘型碳化硅晶体四周加高纯碳化硅原料。
进一步地，退火炉内的惰性气体可以氦气或氩气，退火时压力为1万Pa以上。
本发明是通过高温二次退火减少碳化硅晶体与坩埚盖之间以及晶体内部在生长过程中所产生的应力，退火温度高有利于晶体应力的释放。同时为了防止高温下晶体的石墨化，本发明工艺还特意加大退火炉内惰性气体压力和在晶体四周添加碳化硅原料。为了保证晶体安全，升温速度要尽可能地慢，最好用40小时升温到退火温度。降温过程也要慢，避免晶体再次产生应力，最好能将降温时间拉长到40小时。通过实施这种工艺，能够很大程度上降低晶体与坩埚盖之间以及晶体内部在生长过程中所产生的应力，从而消除从坩埚盖内取晶体过程及晶体后续加工过程造成晶体开裂的问题，进而提高碳化硅晶体的产率。
附图说明
图1是物理气相传输法生长碳化硅晶体的生长室结构示意图；
其中，1、感应线圈；2、石英管水冷装置；3、石墨毡保温层；4、生长的碳化硅晶体；5、碳化硅气相物质；6、石墨坩埚和坩埚盖；7、碳化硅原料。
图2是用石墨加热的碳化硅退火炉结构示意图；
其中，8、水冷装置；9、石墨毡保温层；10、碳化硅晶体；11、石墨加热体；12、石墨坩埚和坩埚盖；13、碳化硅原料
具体实施方式
以下参照附图，对用于降低生长结束后碳化硅晶体与坩埚盖之间以及碳化硅晶体 内部应力的退火工艺作详细说明。图1是目前生长碳化硅晶体普遍使用的感应线圈加热的晶体生长室结构示意图。其中石墨坩埚及坩埚盖都是用三高石墨加工而成；坩埚侧面及上下的保温层都是用耐高温石墨毡加工做成，并且保温层的厚度以及结构会直接影响到晶体生长温场；整个保温层都被密封在装有水冷的石英管套筒内，且保温层与水冷石英管之间有足够宽的距离，以免保温层对石英管内壁辐射热太大而损坏石英套筒；石英套筒外侧则是感应线圈加热装置。根据对温度梯度的不同要求，改造保温层以及坩埚结构后可使用感应线圈加热炉进行退火。
图2是用石墨加热炉退火晶体的典型结构示意图。其中坩埚和坩埚盖也是用三高石墨加工而成；待退火的晶体置于坩埚中部，边缘添加碳化硅原料(退火导电晶体，就用导电碳化硅原料；若退火半绝缘晶体，则改用高纯原料)；坩埚外侧是石墨加热体，加热体与坩埚之间留一定的空隙；石墨发热体外侧保温层，通常用石墨毡制作成特定结构的退火保温层，保温层与石墨发热体之间要有一定的距离，避免加热过程电流短路；最外层水冷装置，同感应加热炉一样，水冷装置与保温层之间也需要一定的间距，以免保温层辐射热太大损坏水冷装置。
在晶体外形太凸或是第一次退火时间过短的情况下，就需要晶体连同坩埚盖一起退火，否则在取晶体的过程中很容易造成晶体开裂。由于温度梯度是晶体生长最为直接的驱动力，且梯度的大小对生长速度的影响很明显，晶体必须在一定的温度梯度下生长，通常是20℃/cm左右，而生长完后进行的第一次原位退火的温度梯度与生长的温度梯度一样，所以第一次原位退火时温度梯度偏大。因此仅靠加长第一次退火时间，是不能很好的降低晶体内部的应力，不能完全消除后续加工过程中出现晶胚开裂的问题。
由于第二次退火温度接近晶体生长温度，碳化硅气相蒸气压力较大，很容易造成晶体表面石墨化。为了减少或防止晶体表面石墨化，本工艺采取了两条措施：一是在退火的晶体四周添加碳化硅原料，所加的碳化硅原料与晶体性能相匹配，即退火半绝缘晶体加高纯原料，而退火导电晶体，采用导电原料；二是提高退火炉的压力，在退火过程中，炉内充惰性气体(氦气或氩气)至1万帕以上。退火过程中坩埚置于退火炉高温处，然后根据要求的退火温度梯度(小于20℃/cm)，改变保温层的结构和厚度。
退火过程的升温速度、退火温度和降温速度直接决定了二次退火的效果。但升温 速度和降温速度太慢或是退火温度太高会加大退火工艺成本，因此选择一个合适的升降温速度和退火温度是二次退火的关键问题。
实施例一
将待退火的2英寸6H半绝缘碳化硅晶体连同坩埚盖直接放入退火坩埚内，然后在其四周加入适量的高纯碳化硅原料，置于密封性良好的石墨加热退火炉中，该炉12小时漏气不超过10帕。设计坩埚外部的保温层，使坩埚处在退火温度时温度梯度在15-20℃/cm。装完炉后，抽气到5帕后再充氩气到1万帕。开启电源，以200℃/h速度用10小时由100℃升温到2100℃，恒温10小时后，再以200℃/h速度用10小时由2100℃降温到100℃后再直接关掉电源。
实施例二
将待退火的3英寸4H导电碳化硅晶体置于退火坩埚内，然后在其四周加入适量的导电碳化硅原料，再放入密封性良好的感应线圈加热退火炉中，该炉12小时漏气不超过10帕。设计坩埚外部的保温层，使坩埚处在退火温度时温度梯度在10-15℃/cm。装完炉后，抽气到5帕后再充氩气到2万帕。开启电源，以100℃/h速度用20小时由100℃升温到2100℃，恒温20小时后，再以100℃/h速度用20小时由2100℃降温到100℃后再直接关掉电源。
实施例三
将待退火4英寸4H导电碳化硅晶体置于退火坩埚内，然后在其四周加入适量的导电碳化硅原料，再放入密封性良好的感应线圈加热退火炉中，该炉12小时漏气不超过10帕。设计坩埚外部的保温层，使坩埚处在退火温度时温度梯度在5-10℃/cm。装完炉后，抽气到5帕后再充氩气到4万帕。开启电源，以50℃/h速度用40小时由100℃升温到2100℃，恒温30小时后，再以50℃/h速度用40小时由2100℃降温到100℃后再直接关掉电源。
实施例四
将待退火的2英寸15R导电碳化硅晶体从坩埚盖取出后置于退火坩埚内，然后在其四周加入适量的导电碳化硅原料，再放入密封性良好的感应线圈加热退火炉中，该炉12小时漏气不超过10帕。设计坩埚外部的保温层，使坩埚处在退火温度时温度梯度在10-15℃/cm。装完炉后，抽气到5帕后再充氩气到2万帕。开启电源，以200℃/h速度用12小时由100℃升温到2500℃，恒温20小时后，再以200℃/h速度用12 小时由2500℃降温到100℃后再直接关掉电源。
实施例五
将待退火的6英寸6H导电碳化硅晶体连同坩埚盖直接放入退火坩埚内，然后在其四周加入适量的导电碳化硅原料，置于密封性良好的石墨加热退火炉中，该炉12小时漏气不超过10帕。设计坩埚外部的保温层，使坩埚处在退火温度时温度梯度在1-5℃/cm。装完炉后，抽气到5帕后再充氩气到6万帕。开启电源，以40℃/h速度用50小时由300℃升温到2300℃，恒温40小时后，再以40℃/h速度用50小时由2300℃降温到300℃后再直接关掉电源。
应该指出，上述的具体实施方式只是对本发明进行详细说明，它不应是对本发明的限制。对于本领域的技术人员而言，在不偏离权利要求的宗旨和范围时，可以有多种形式和细节的变化。
Claims (9)
1.一种用于生长结束后降低碳化硅晶体与坩埚盖之间以及碳化硅晶体内部应力的退火工艺，包括选用密封性良好的、高温区温度梯度小的退火炉，在惰性气体保护下，通过缓慢升温、高温恒温、再缓慢降温，达到减少碳化硅晶体与坩埚盖之间以及碳化硅晶体内部应力，进而消除碳化硅晶体开裂的问题，提高晶体产率，其特征在于：经10-50小时缓慢升温到退火温度，退火温度达到碳化硅晶体生长时的温度2100℃-2500℃，达到退火温度后高温恒温时间为10-40小时，缓慢降温时间为10-50小时。
2.如权利要求1所述的退火工艺，其中退火炉是石墨加热炉或感应线圈加热炉，退火炉12小时漏气不超过10Pa。
3.如权利要求1所述的退火工艺，退火炉高温区即晶体退火处温度梯度小于20℃/cm，优选小于5℃/cm。
4.如权利要求1所述的退火工艺，其中碳化硅晶体的尺寸为2-8英寸。
5.如权利要求1所述的退火工艺，其中碳化硅晶体为4H-SiC、15R-SiC和/或6H-SiC晶型。
6.如权利要求1所述的退火工艺，其中碳化硅晶体包括导电型碳化硅晶体和半绝缘型碳化硅晶体。
7.如权利要求1所述的退火工艺，其中碳化硅晶体包括从坩埚盖内取出前的碳化硅晶体和从坩埚盖内取出后的碳化硅晶体。
8.如权利要求1所述的退火工艺，为防止退火过程中碳化硅晶体表面石墨化严重，在碳化硅晶体四周加碳化硅原料，导电型碳化硅晶体四周加导电型碳化硅原料，半绝缘型碳化硅晶体四周加高纯碳化硅原料。
9.如权利要求1所述的退火工艺，退火炉内的惰性气体是氩气或氦气，退火时气体压力为1万Pa以上。
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