CN102691109A - 一种垂直式碳化硅高温氧化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其包括：双层石英管嵌套结构，其包括外层石英管及镶嵌于外层石英管中的内层石英管，其中，该内、外层石英管之间形成一环形空腔，双层石英管嵌套结构两端分别通过一密封结构固定装配，令内、外层石英管之间相互隔绝；射频加热组件，其包括保温件、加热件及加热驱动件，其中，加热件与内层石英管之间形成一间隙；密封结构中设置有数个与环形空腔相连通气孔；内层石英管两端紧密安装有一进气端部件及出气端部件，该进气端部件及出气端部件分别设有与所述内层石英管的内腔连通的第二进气口及第二出气口。本发明具有简易、灵活、多用、压力调节范围宽、易于控制、有较高氧化温度等诸多优点。
Description
技术领域：
本发明涉及高温氧化技术领域，特指一种垂直式碳化硅高温氧化装置，该装置不但能够实现碳化硅材料的干氧或湿氧氧化，而且还能够在真空或其它气氛下进行原位退火，以满足碳化硅功率器件的制备要求。
背景技术：
碳化硅（SiC）是一种重要的宽带隙半导体材料，在高温、高频和大功率器件等领域有着巨大的应用潜力。和传统的硅（Si）材料相比，SiC拥有明显的优势，比如，其禁带宽度是Si的3倍，饱和电子漂移速率是Si的2.5倍，击穿电场是Si的10倍。除了以上优点外，SiC还是众多化合物半导体中唯一一种可以自身形成氧化物（SiO2）的化合物半导体，而SiO2本身又是半导体器件制备工艺中最常用的绝缘介质材料，因而SiC材料可以与传统的Si器件制备工艺相兼容。SiC功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）便是体现上述SiC优越性能的典型器件。传统的Si基MOSFET由于其在较高电压下有着很大的导通电阻，往往无法在大功率领域使用。
因而，人们不得不使用Si基绝缘栅门极晶体管（IGBT）来作为耐高压器件。相比之下，SiC由于有着更高的击穿电场，相同耐压下其漂移层的厚度要比Si材料薄很多，因此SiC MOSFET的导通电阻要远远小于SiMOSFET。另外，SiC MOSFET是一种单极性器件，其功率损失要明显低于现在广泛使用的SiIGBT。目前，国际上已经将600V和1200V SiC MOSFET商品化，并且随着其商品化程度不断提高SiC MOSFET有望在未来代替现有的Si IGBT而成为高温大功率器件领域的首选。
由于SiC MOSFET的栅电极的制备需要对SiC表面进行氧化处理，并且器件性能的可靠性与氧化层及SiC的界面有着密切的关系，因此SiC的氧化工艺对于该器件的制备是至关重要的。然而，与Si材料700-800℃左右的氧化温度相比，SiC通常需要在1300℃左右氧化数小时才能获得所需的氧化层厚度，且为了减少SiO2与SiC界面的缺陷密度，氧化工艺完成后往往还需要在一氧化二氮（N2O）氛围中进行原位退火。显然，现有的氧化装置已无法满足的SiC材料的氧化工艺要求。因此，如何设计一种满足SiC氧化工艺要求的高温氧化装置已成为一个亟待解决的课题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种垂直式碳化硅高温氧化装置，该装置不但能够实现SiC材料的干氧或湿氧氧化，而且还能够在真空或其它气氛下进行原位退火，以满足SiC功率器件的制备要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该氧化装置包括：双层石英管嵌套结构，该双层石英管嵌套结构包括：一垂直放置的外层石英管及内嵌于外层石英管中的内层石英管，其中，该内、外层石英管之间形成一环形空腔，双层石英管嵌套结构两端分别通过一密封结构固定装配，令内、外层石英管之间相互隔绝；射频加热组件，该射频加热组件包括：贴合固定于外层石英管内壁的保温件、贴合固定于保温件上的加热件及包覆于外层石英管外表面的加热驱动件，其中，加热件与内层石英管之间形成一间隙；所述的密封结构中设置有数个与所述环形空腔相连通的气孔；内层石英管两端以可拆装的方式紧密安装有一进气端部件及出气端部件，该进气端部件及出气端部件分别设有与所述内层石英管的内腔连通的第二进气口及第二出气口。
进一步而言，上述技术方案中，所述的密封结构包括：固定安装于所述双层石英管嵌套结构两端的法兰盘和密封压环；所述的法兰盘上开设有通孔，该通孔包括与内层石英管配合的第一安装位以及与外层石英管配合的第二安装位，该第一安装位及第二安装位在法兰盘上下端面处形成有用于安装密封件的倒角。
进一步而言，上述技术方案中，所述的密封压环紧密固定于法兰盘底部，且所述的外层石英管镶嵌于法兰盘的第二安装位中，所述的密封压环与法兰盘上第二安装位端口的倒角处设置有第一密封圈，令外层石英管的端口密封安装于法兰盘中。
进一步而言，上述技术方案中，所述的进气端部件包括：一主体以及成型于主体下端的底板，该主体上成型设有贯通其内腔的通孔和所述的第二进气口，该主体上紧密安装有一可密封其通孔的盘盖，其之间并通过第三密封圈密封。
进一步而言，上述技术方案中，所述进气端部件通过底板稳固安装于所述的法兰盘上，且其内腔与所述的内层石英管的内腔相连通；该底板与法兰盘上第一安装位端口的倒角处设置有第二密封圈，令内层石英管的端口密封安装于法兰盘中。
进一步而言，上述技术方案中，所述的密封结构中与环形空腔相连通的气孔设置于法兰盘上，并且位于上方的密封结构中的法兰盘上设置的气孔构成用于气体进入的第一进气口；位于下方密封结构中的法兰盘上设置的气孔构成用于气体排出的第一出气口。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第一进气口和第一出气口均由法兰盘侧面连通至所述的第二安装位处，以与所述的环形腔体连通。
进一步而言，上述技术方案中，所述的保温件为碳毡保温层；所述的加热件为筒状石墨感应加热体；所述的加热驱动件为感应加热线圈。
进一步而言，上述技术方案中，所述法兰盘和密封压环均设有水冷结构。
进一步而言，上述技术方案中，所述的进气端部件及出气端部件均设有水冷结构。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
1、本发明采用双石英管结构和射频感应加热，使得该装置具有加热效率高，升温速率高、温度易于控制等优点，且能实现高达1500℃的氧化温度，以充分满足SiC氧化需求。
2、本发明中双石英管结构和射频感应加热的结构设计突破了以往氧化设备单一使用目的的局限性，不但可进行常压高温氧化，也可以在低压下氧化，还可以选择通入其它气体进行氧化后原位退火，达到了一种设备多种用途的目的。
3、本发明采用双石英管结构，并通过密封结构隔离密封，解决了内层石英管中的氧气进入到外层石英管中的问题，从而在使用过程中不会因氧气的进入而射频加热组件燃烧，确保了实验过程中的安全性。
4、本发明排出的气体可以进行统一的收集，环境洁净，不产生污染。
5、本发明将石墨感应加热体、碳毡等部件与氧气或其它易燃气体隔离，突破了射频加热方式无法在氧气氛围下进行加热的限制，大大提高了本发明操作的安全性。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中密封结构的结构示意图；
图3是本发明中位于双层石英管嵌套结构顶部的法兰盘的剖视图；
图4是本发明中法兰盘的主视图；
图5是本发明中法兰盘的后视图；
图6是本发明中位于双层石英管嵌套结构底部的法兰盘的剖视图；
图7是本发明中进气端部件的剖视图；
图8是本发明中出气端部件的剖视图；
图9是本发明中出气端部件的主视图；
附图标记说明：
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
见图1、2所示，一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其包括：双层石英管嵌套结构1、密封结构2、射频加热组件3。其中，所述的双层石英管嵌套结构1包括：一垂直放置的外层石英管11及内嵌于外层石英管11中的内层石英管12，该内、外层石英管12、11之间形成一环形空腔10。双层石英管嵌套结构1两端分别通过一密封结构2固定装配，确保内、外层石英管12、11相互隔绝。所述的内层石英管12中的内腔用于放置需要氧化的产品。
所述的射频加热组件3包括：贴合固定于外层石英管11内壁的保温件31、贴合固定于保温件31上的加热件32及包覆于外层石英管11外表面的加热驱动件33，其中，加热件32与内层石英管12之间形成一间隙30。
所述的密封结构2中设置有数个与所述环形空腔10相连通的气孔，其中位于双层石英管嵌套结构1上方的密封结构2的气孔作为第一进气口201。位于双层石英管嵌套结构1下方的密封结构2的气孔作为第一出气孔202。通过第一进气口201向所述的环形空前10内充气，该气体由第一出气口202排出。
在内层石英管12两端以可拆装的方式分别紧密安装有进气端部件4及出气端部件5，该进气端部件4及出气端部件5分别设有与所述内层石英管12的内腔连通的第二进气口40及第二出气口50。
所述的保温件31为碳毡保温层；所述的加热件32为筒状石墨感应加热体；所述的加热驱动件33为感应加热线圈。本发明将石墨感应加热体、碳毡等部件设置在密闭的环形空腔10内部，这样就将其与氧气或其它易燃气体隔离，突破了射频加热方式无法在氧气氛围下进行加热的限制，大大提高了本发明操作的安全性。
结合图3-6所示，所述的密封结构2包括：固定安装于所述双层石英管嵌套结构1端口的法兰盘21和密封压环22；所述的法兰盘21上开设有通孔，该通孔包括与内层石英管12配合的第一安装位211以及与外层石英管11配合的第二安装位212。该第一安装位211及第二安装位212在法兰盘21上下端面处形成有用于安装密封件的倒角213、214。
所述的法兰盘21上下两端分别设有多个用于稳固装配的螺孔215。法兰盘21上设有所述的第一进气口201、第一出气口202连通至所述的第二安装位212，以令第一进气口201、第一出气口202与所述的环形空腔10连通。
所述的密封压环22紧密固定于法兰盘21底部，且所述的外层石英管11镶嵌于法兰盘21的第二安装位212中，所述的密封压环22与法兰盘21上第二安装位212端口的倒角213处设置有第一密封圈61，令外层石英管11的端口密封安装于法兰盘21中。
所述的密封压环22上设有多个用于稳固装配的螺孔221，该螺孔221与法兰盘21中的螺孔215相匹配，所述的密封压环22通过螺钉7穿过主体51上的螺孔221及法兰盘21中的螺孔215，令密封压环22固定于密封结构2上。
结合图7所示，所述的进气端部件4包括：一圆形主体41以及成型于主体41下端的底板42，该主体41顶面上成型设有贯通其内腔的通孔43，以及开设与主体41侧面的第二进气口40。所述主体41上紧密安装有一可密封其通孔43的盘盖44，其之间并通过第三密封圈63密封。所述进气端部件4的底板42上设有多个用于稳固装配的螺孔421，该螺孔421与法兰盘21上端的螺孔215相匹配。
进气端部件4装配时，通过底板42稳固安装于所述的法兰盘21上，且其内腔与所述的内层石英管12的内腔相连通；所述的进气端部件4通过螺钉7穿过底板42上的螺孔421及法兰盘21上端的螺孔215，令进气端部件4固定于密封结构2上。所述的该底板42与法兰盘21上第一安装位211端口的倒角213处设置有第二密封圈62，令内层石英管12的端口密封安装于法兰盘21中。
参见图8、9所示，所述的出气端部件5包括一主体51以及成型于主体51下端的底板52，该主体51上成型设有贯通其内腔的第二出气口50，该第二出气口50设置于主体51的底部。所述的底板52上设有多个用于稳固装配的螺孔521，该螺孔521与法兰盘21中的螺孔215相匹配，所述的出气端部件5通过螺钉穿过底板52上的螺孔521及法兰盘21中的螺孔215，以致将出气端部件5固定于密封结构2上。该出气端部件5的装配方式与进气端部件4装配方式一致，使内层石英管12的端口密封安装于法兰盘21中。
本发明使用时，将盘盖44打开，将需要氧化的产品（SiC晶片）放置于双层石英管嵌套结构1中内层石英管12的内腔内；法兰盘21上的第一进气口201导入保护气体，吹扫作为保温件31的碳毡保温层和作为加热件32的筒状石墨感应加热体，排出外层石英管11与内层石英管12形成的环形空腔10内的空气；从进气端部件4的第二进气口40导入氧气，并启动射频加热组件3，使其加热到设定的温度，其中本发明排出的气体通过第一出气口202和第二出气口50进行统一的收集，环境洁净，不产生污染。待氧化工艺完成后，关闭加热电源，等待其冷却。
当本发明冷却后，截止流入发明中的氧化气体和保护气体，取出SiC晶片，氧化工艺结束；另外，如需要进行原位退火，可通入退火工艺所需气体，进行原位退火处理。
另外，在所述的法兰盘21和密封压环22上可设有水冷结构，该水冷结构包括一个圆环状水槽，于水槽的两端其径向方向有出水口。所述的进气端部件4及出气端部件5均可设有水冷结构，该水冷结构包括一个圆环状水槽，于水槽的两端其径向方向有出水口。通过水冷方式对其进行冷却、散热。
当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (10)
1.一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：该氧化装置包括：
双层石英管嵌套结构，该双层石英管嵌套结构包括：一垂直放置的外层石英管及内嵌于外层石英管中的内层石英管，其中，该内、外层石英管之间形成一环形空腔，双层石英管嵌套结构两端分别通过一密封结构固定装配，令内、外层石英管之间相互隔绝；
射频加热组件，该射频加热组件包括：贴合固定于外层石英管内壁的保温件、贴合固定于保温件上的加热件及包覆于外层石英管外表面的加热驱动件，其中，加热件与内层石英管之间形成一间隙；
所述的密封结构中设置有数个与所述环形空腔相连通的气孔；内层石英管两端以可拆装的方式紧密安装有一进气端部件及出气端部件，该进气端部件及出气端部件分别设有与所述内层石英管的内腔连通的第二进气口及第二出气口。
2.根据权利要求1所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述的密封结构包括：固定安装于所述双层石英管嵌套结构两端的法兰盘和密封压环；所述的法兰盘上开设有通孔，该通孔包括与内层石英管配合的第一安装位以及与外层石英管配合的第二安装位，该第一安装位及第二安装位在法兰盘上下端面处形成有用于安装密封件的倒角。
3.根据权利要求2所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述的密封压环紧密固定于法兰盘底部，且所述的外层石英管镶嵌于法兰盘的第二安装位中，所述的密封压环与法兰盘上第二安装位端口的倒角处设置有第一密封圈，令外层石英管的端口密封安装于法兰盘中。
4.根据权利要求1所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述的进气端部件包括：一主体以及成型于主体下端的底板，该主体上成型设有贯通其内腔的通孔和所述的第二进气口，该主体上紧密安装有一可密封其通孔的盘盖，其之间并通过第三密封圈密封。
5.根据权利要求4所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述进气端部件通过底板稳固安装于所述的法兰盘上，且其内腔与所述的内层石英管的内腔相连通；该底板与法兰盘上第一安装位端口的倒角处设置有第二密封圈，令内层石英管的端口密封安装于法兰盘中。
6.根据权利要求2所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述的密封结构中与环形空腔相连通的气孔设置于法兰盘上，并且位于上方的密封结构中的法兰盘上设置的气孔构成用于气体进入的第一进气口；位于下方密封结构中的法兰盘上设置的气孔构成用于气体排出的第一出气口。
7.根据权利要求6所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述的第一进气口和第一出气口均由法兰盘侧面连通至所述的第二安装位处，以与所述的环形腔体连通。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述的保温件为碳毡保温层；所述的加热件为筒状石墨感应加热体；所述的加热驱动件为感应加热线圈。
9.根据权利要求2或3所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述法兰盘和密封压环均设有水冷结构。
10.根据权利要求4或5所述的一种垂直式碳化硅高温氧化装置，其特征在于：所述的进气端部件及出气端部件均设有水冷结构。
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