CN102637593B - 一种对外延片进行快速退火合金的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对外延片进行快速退火合金的方法及设备，涉及半导体外延片的退火合金工艺及其设备，用于解决现有技术存在的效率低、产品质量差的问题，本发明的技术方案。包括以下步骤：使导热板与加热板处于分离状态，将外延片放置在导热板上；使加热板的温度达到预设的温度，使导热板和加热板发生相向运动，并相接触，进行热交换；当达到工艺所需的温度和时间后，使导热板与加热板分离，导热板降温；当外延片降到所需温度后，将其取下。本发明可以实现外延片的快速降温，提高效率，并提高外延片的质量。本发明的方法和设备适合于半导体外延片的退火、合金等工艺。

Description

一种对外延片进行快速退火合金的方法及设备

技术领域

本发明涉及半导体外延片的退火合金工艺及其设备。特别是涉及对发光半导体外延片快速退火的方法及其设备。本发明的方法和设备适合于半导体外延片的退火、合金等工艺。

背景技术

在半导体器件制造中对外延片进行合金退火是必不可少的工艺步骤，对外延片进行快速退火和合金，有利于提高器件的光电性能和可靠性。尤其是在铟镓铝氮垂直结构或倒装焊芯片制造中，一般要用金属银作为p型欧姆接触金属，对其进行合金退火，如果退火时间太长，容易使银发生球聚，从而使器件的出光效率降低。一般的退火方法要么通过气体传热给外延片实现外延片的加热，要么将片子放在加热盘上，让加热盘对外延片进行加热。当用气体对外延片进行加热时，由于气体的热容量很小，因而需要在较长时间内，才能使整个外延片获得均匀的高温，这会导致部分区域合金退火时间过长，使得外延片上器件性能的均匀性变差。如果将外延片放置在加热盘上加热，会受加热盘本身热容量的影响加热盘需要经过较长时间才能实现升温和降温，使得加温时间变长，从而外延片需耐受更长时间高温，这会导致金属层发生球聚等性能退化。若在加热器保持高温状态下摆放样品退火合金，尽管可以实现段时间升降温，但这样操作非常困难，尤其是需要在保护气体或真空环境下退火或合金更是无法实现操作。所以，一般的退火合金方法，很难实现快速的升温和降温，尤其是在真空状态或气体保护状态。

因而，发明一种简易可行的快速退火合金的方法和设备显得非常重要，既能提高生产效率，又能提高半导体器件的性能。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种对外延片进行快速退火合金的方法，用以解决现有技术存在的效率低、退火合金后产品质量劣化的问题。

本发明所要解决的第二个技术问题是：为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种对外延片进行快速退火合金的设备，用以解决现有技术存在的效率低、退火合金后产品质量劣化的问题。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提出的对外延片进行快速退火合金的方法包括以下步骤：

使导热板与加热板处于分离状态，将外延片放置在导热板上；

使加热板的温度达到预设的温度，使导热板和加热板发生相向运动，并相接触，进行热交换；

当达到工艺所需的温度和时间后，使导热板与加热板分离，导热板降温；

当外延片降到所需温度后，将其取下。

优选地：所述导热板和加热板至少一个发生垂直运动或水平运动，使它们发生相向运动，并相接触。导热板和加热板之间的运动还可以是非垂直和水平的斜向运动。

优选地，使所述加热板的温度达到预设的温度的加热方式为：热阻加热、红外线加热或流体介质加热。

优选地，所述导热板冷却的方式包括：自然冷却、气体冷却或液体媒介冷却。

优选地，所述导热板，其材质是：石墨、石英或陶瓷的无机非金属材料；或者是铜、银、铝、铁、金、铂、钨、钼、钒或锆的单质金属材料；或者是耐热钢、铸铁或不锈钢的合金材料；或者是多层金属材料构成的复合材料；或者是非金属材料构成的多层材料；或者是金属材料和非金属材料构成的相间的叠层复合材料。

优选地：所述导热板的内部包括空心结构，空心结构包括冷却介质的进口和出口。

优选地：所述导热表面有包覆材料，包覆材料为有碳化硅、碳化硼、氮化硅或氧化硅。

优选地：所述导热板与加热板接触贴合前，加热板要求加热到180℃以上。

优选地：所述导热板与加热板实现分离后，仅冷却导热板，加热板不进行冷却。

优选地：将其所述导热板冷却后，取出样品，再放上新的样品对其退火合金；或者也将导热板先冷却到某个温度，然后使导热板与加热板再次贴合与分离，实现多次循环加热冷却。

优选地：所述加热板和导热板在真空腔体环境下，或者在一个被气体保护的腔体环境下。

优选地，所述导热板冷却的方式：水、硅油或真空泵油的液体冷却介质；或者是氮气、氧气、空气、二氧化碳、氦气或氩气的气体冷却介质；或者是液体和气体介质交替冷却。

优选地：所述加热板的热容量不小于导热板的热容量。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的一种对外延片进行快速退火合金的设备包括用于放置外延片的导热板和用于给导热板加热的加热板，所述导热板和加热板分离设置，在导热板和加热板至少一个机构上设有使它们接触贴合的移动装置。

优选地：在所述导热板上安装有冷却装置。

优选地：所述导热板的内部包括空心结构，空心结构包括冷却介质的进口和出口。

优选地：所述加热板包括介质加热装置设在加热板内的空心结构，空心结构包括介质的进口和出口；或者在加热板内设置热阻加热器；或者在加热板内或加热板附近设置红外线加热装置；或者上述加热装置的组合。

优选地：所述导热板的材质是：石墨、石英或陶瓷的无机非金属材料；或者是铜、银、铝、铁、金、铂、钨、钼、钒或锆的单质金属材料；或者是耐热钢、铸铁或不锈钢的合金材料；或者是多层金属材料构成的复合材料；或者是非金属材料构成的多层材料；或者是金属材料和非金属材料构成的相间的叠层复合材料。

优选地：所述导热表面有包覆材料，包覆材料为有碳化硅、碳化硼、氮化硅或氧化硅。

优选地：所述加热板和导热板设在真空腔体内，或者设在混有保护气体的腔体内。

本发明可以实现外延片的快速降温，提高效率，并提高外延片的质量。本发明的方法和设备适合于半导体外延片的退火、合金、时效等工艺。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明第二个实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种对外延片进行快速退火合金的方法，包括以下步骤：使导热板与加热板处于分离状态，将外延片放置在导热板上；使加热板的温度达到预设的温度，使导热板和加热板发生相向运动，并相接触，进行热交换；当达到工艺所需的温度和时间后，使导热板与加热板分离，导热板降温；当外延片降到所需温度后，将其取下。为了实施上述工艺，本发明提出一种对外延片进行快速退火合金的设备，包括用于放置外延片的导热板和用于给导热板加热的加热板，导热板和加热板分离设置，在导热板和加热板至少一个机构上设有使它们接触贴合的移动装置。

本发明实现快速退火或合金的方法是：将外延片摆放在一个导热板上，然后将导热板放置在已经加热的加热板上，使加热板的热量传递给导热板；在保持温度一定时间后，将导热板与加热板分离，并对导热板进行冷却，从而实现外延片的快速退火或合金。

本发明的快速退火合金的实现过程如下：1)打开退火合金炉的腔体，在导热板上摆放外延片。导热板不加热，并且导热板与加热板是分离的；2)对加热板进行加热，加热温度高于或等于合金所需的温度，具体高出多少温度由导热板和加热板的热容量差异决定。加热板升高到设定温度后，使其温度保持在所需的温度；3)合金时使导热板与加热板贴合，加热板将热量传导给导热板，导热板再将热量传导给外延片，经过一定时间后，导热板升到所需的温度并保持工艺所需的时间；4)导热板保持工艺所需的温度和时间后，将导热板与加热板分离，这时加热板继续加热，导热板开始冷却，冷却可以是气冷或液体冷却也可以是自然冷却；5)降到工艺许可的温度后，将外延片从导热板上取下，换上新的外延片，重复上面步骤，开始下一轮外延片的退火合金操作。

本发明快速退火设备的实现方案是：导热板和加热板至少有一个是可以垂直运动或水平运动的，从而实现加热板与导热板的分离与贴合；加热板设置加热器，导热板设置气冷或液体媒介冷却，从而使导热板上的外延片实现快速升温和降温。

加热板的加热方式可以是：热阻加热、红外线加热或流体介质加热；加热板和导热板的冷却方式可以是：自然冷却、气体冷却或液体媒介冷却。加热板和导热板的材质可以是：石墨、石英、陶瓷等无机非金属材料；也可以是铜、银、铝、铁、金、铂、钨、钼、钒、锆等单质金属材料；也可以是耐热钢、铸铁或不锈钢等合金材料；也可以是多层金属材料构成的复合材料，也可以是非金属材料构成的多层材料，也可以是金属材料和非金属材料构成的相间的叠层复合材料。导热板总的热容量不得大于加热板的热容量，其内部可以是空心的，也可以是空心和实心相间的结构；若为空心结构，除冷却介质的进口和出口外，其余部位可以是密封的也可以是不密封。导热板的表面可以有碳化硅、碳化硼、氮化硅、氧化硅等常见的包覆材料，也可以不做包覆材料。导热板和加热板，至少有一个是可以移动的，它能实现导热板和加热板的分离与贴合；其贴合与分离方式，可以是上下运动实现分离与贴合，也可以是水平运动实现贴合与分离。加热板和导热板可以安装在一个能抽真空的腔体里面，也可以安装在一个被气体保护的腔体环境下。导热板的冷却介质可以是水、硅油、真空泵油等液体冷却介质；也可以是氮气、氧气、空气、二氧化碳、氦气、氩气等气体冷却介质；也可以是液体和气体介质交替冷却。也可以是这样的加热方式：将已经被加热到高温的液体介质用泵灌入加热板，从而实现对加热板的加热；也可以是在加热板内设置热阻加热器；也可以在加热板内或加热板附近设置红外线加热装置；也可以是几种加热方式的组合。还可以是这样的加热及冷却方式：当导热板需要加热时，用耐高温泵将已经加热到高温的液体介质灌入设有空腔的导热板；当需要对导热板冷却时，用泵将低温的冷却介质灌入导热板，从而实现导热板的快速冷却。

本发明所保护的具体内容不仅仅限于以下所描述的各种实施形态，对以下实施形态所做的任何显而易见的修改或各种实施形态关键要素的重新组合都是受本发明所保护的，本发明的保护范围与权利要求书所限定的最大范围保持一致。

本发明的实施方式适合于外延片的快速合金退火，快速升降温实现的途径是加热板保持高温，使导热板与加热板贴合实现快速升温，导热板与加热板分离同时对导热板冷却实现降温；或者导热板需要升温时则在导热板中通入被加热的液体介质，导热板需要冷却时则在导热板中通入被冷却的介质。

具体实施方式一

图1是本发明实现外延片快速退火合金的第一种实施例的示意图，图中101为外延片，102为导热板，103为运动支架，104为加热板。该实施例的导热板与加热板的贴合与分离是通过垂直运动实现的，导热板为实心结构。在本例中，导热板为移动体，其由运动支架带动。

当导热板与加热板处于分离状态时，将外延片101放置在导热板102上；当加热板104的温度升高到一定值时，运动支架103下降，当运动支架103下降到一定程度后则导热板102落在加热板104上，此时导热板102与加热板104贴合，从而加热板104将热量迅速传递给导热板102，导热板102将热量传导给外延片101；当达到工艺所需的温度和时间后，运动支架103升起，当运动支架103升起到一定高度后，则导热板102与加热板104分离，此时导热板102开始降温；当外延片101降到所需温度后将其取下，放上新的外延片，重复上述步骤，开始下一轮外延片的合金退火。

加热板104的加热方式可以是热阻加热，也可以是红外线加热，也可以是电磁波感应加热，也可以是电子束、粒子束加热等常见的加热方式中的一种或几种加热方式的组合，但要求加热板104具有一定的热容量，其热容量不小于导热板102的热容量，这样当导热板102与加热板104贴合后，加热板自身的温度不会降低太多，从而有利于快速升温。当导热板102与加热板104分离后，为了使导热板降温速度加快，可以对导热板吹气冷却。

具体实施方式二

图2是本发明实现外延片快速退火合金的第二种实施例的示意图。该实施例的导热板与加热板的贴合与分离是通过垂直运动实现的，导热板设置空实相间的中空结构,当导热板与加热板贴合升温时，中空结构中没有冷却介质，当导热板与加热板分离时，为了实现快速冷却，可以在中空结构中通入流动介质，以加快冷却速度。图中201为加热板，202为导热板，203为导热板冷却介质的进口，204为导热板冷却介质的出口，205为实现导热板与加热板分离与贴合的运动支架，206为外延片。

在对外延片进行快速退火合金时，将外延片206放置在导热板202上，当加热板201升高到工艺所需的温度后，运动支架205下降，当运动支架205下降到一定程度后，导热板202与加热板201实现贴合，此时加热板201将热量传导给导热板202，导热板202将热量传导给外延片206，由于加热板201的热容量大于导热板202的热容量，所以导热板201的升温速度较快，当保持工艺所需的温度和时间后，运动支架205升起，导热板202与加热板201分离，同时向导热板通入冷却介质，进口203和出口204分别是冷却介质的进口和出口。通过上述方法和步骤能实现外延片的快速升温和降温。

另外，除了上述退火合金工艺需要外，其它的各种对外延片进行升温降温处理的工艺都可以使用本发明技术，例如时效前后的升温降温和恒温。

Claims (14)

1.一种对外延片进行快速退火合金的方法，包括以下步骤：

使导热板与加热板处于分离状态，将外延片放置在导热板上；

使加热板的温度达到预设的温度，使导热板和加热板发生相向运动，并相接触，进行热交换；

当达到工艺所需的温度和时间后，使导热板与加热板分离，导热板降温；

当外延片降到所需温度后，将其取下；

所述导热板和加热板至少一个发生垂直运动或水平运动，使它们发生相向运动，并相接触，且加热板的热容量不小于导热板的热容量。

2.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于使所述加热板的温度达到预设的温度的加热方式为：热阻加热、红外线加热或流体介质加热。

3.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于所述导热板冷却的方式包括：自然冷却、气体冷却或液体媒介冷却。

4.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于所述导热板，其材质是：石墨、石英或陶瓷的无机非金属材料；或者是铜、银、铝、铁、金、铂、钨、钼、钒或锆的单质金属材料；或者是耐热钢、铸铁或不锈钢的合金材料；或者是多层金属材料构成的复合材料；或者是非金属材料构成的多层材料；或者是金属材料和非金属材料构成的相间的叠层复合材料。

5.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于：所述导热板的内部包括空心结构，空心结构包括冷却介质的进口和出口。

6.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于：所述导热板表面有包覆材料，包覆材料为有碳化硅、碳化硼、氮化硅或氧化硅。

7.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于：所述导热板与加热板接触贴合前，加热板要求加热到180℃以上。

8.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于：所述导热板与加热板实现分离后，仅冷却导热板，加热板不进行冷却。

9.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于：将所述导热板冷却后，取出样品，再放上新的样品对其退火合金；或者也将导热板先冷却到某个温度，然后使导热板与加热板再次贴合与分离，实现多次循环加热冷却。

10.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于：所述加热板和导热板在真空腔体环境下，或者在一个被气体保护的腔体环境下。

11.根据权利要求1所述的对外延片进行快速退火合金的方法，其特征在于所述导热板冷却的方式：水、硅油或真空泵油的液体冷却介质；或者是氮气、氧气、空气、二氧化碳、氦气或氩气的气体冷却介质；或者是液体和气体介质交替冷却。

12.一种对外延片进行快速退火合金的设备，包括用于放置外延片的导热板和用于给导热板加热的加热板，其特征在于：所述导热板和加热板分离设置，在导热板和加热板至少一个机构上设有使它们接触贴合的移动装置；

所述导热板的内部包括空心结构，空心结构包括冷却介质的进口和出口，且加热板的热容量不小于导热板的热容量。

13.根据权利要求12所述的对外延片进行快速退火合金的设备，其特征在于：所述加热板包括介质加热装置设在加热板内的空心结构，空心结构包括介质的进口和出口；或者在加热板内设置热阻加热器；或者在加热板内或加热板附近设置红外线加热装置；或者上述加热装置的组合。

14.根据权利要求12所述的对外延片进行快速退火合金的设备，其特征在于：所述导热板的材质是：石墨、石英或陶瓷的无机非金属材料；或者是铜、银、铝、铁、金、铂、钨、钼、钒或锆的单质金属材料；或者是耐热钢、铸铁或不锈钢的合金材料；或者是多层金属材料构成的复合材料；或者是非金属材料构成的多层材料；或者是金属材料和非金属材料构成的相间的叠层复合材料；或者

所述导热板表面有包覆材料，包覆材料为有碳化硅、碳化硼、氮化硅或氧化硅；或者

所述加热板和导热板设在真空腔体内，或者设在混有保护气体的腔体内。