CN104498901B - 一种碳化硅单晶片的镀膜方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅单晶片的镀膜方法：1）将碳化硅晶片置于真空度为10‑2Pa的石墨处理腔内；2）向石墨处腔内充入60000Pa惰性气体；3）通过感应线圈对石墨处理腔进行耦合加热,经过预定时间后缓慢降低石墨处理腔内的压力至1000Pa‑3000Pa；4）维持石墨处理腔内的压力，向腔内充入惰性气体和甲烷气体，甲烷气体裂解后在碳化硅晶片表面形成碳膜。在籽晶表面沉积一层碳膜，在镀膜后的籽晶能够有效的克服上述单晶生长前期存在的缺点，根据PECVD方法的原理，方便地控制单晶片镀膜层的厚度，同时批量的进行籽晶镀膜，而无需进行大的设备改造，即可获得优异的单晶生长籽晶源。可以很大程度的提高单晶生长的前期质量。本发明还公开了实现上述镀膜方法的镀膜装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅单晶片的镀膜方法和装置。
背景技术
以SiC及GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。与Si及GaAs相比，SiC具有宽禁带(2.2～3.3eV,Si的2～3倍)、高热导率(Si的3～3.3倍)、高击穿场强(4×106V/cm,Si的10倍)、高饱和电子漂移速率(2.5×107cm/s,Si的2.5倍)、化学稳定,高硬度抗磨损，以及高键合能等优点。所以SiC特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。SiC器件可用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、空天飞行器、海洋勘探、地震预报、石油钻井、机械加工以及汽车电子化等重要领域。此外，六方SiC与GaN晶格和热膨胀相匹配，目前是制造高亮度GaN发光和激光二极管的理想衬底材料。
目前原则上用气相法生长SiC晶体的籽晶采用粘接的方法，粘接的籽晶在重压下进行高温烧结的技术，此技术得到的籽晶进行生长给晶体生长的过程带来不可预料的结果:
一，由于籽晶与背面石墨层属于两种不同的材料，此两种材料的热膨胀系数相差较大，这样造成生长的晶体应力较大，从而造成生长的晶锭容易出现裂纹，以及出炉时容易开裂。
二、由于粘接的胶痕不均匀，晶体生长前期存在局部的温场差异，致使籽晶接种出现多型的现象。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种碳化硅单晶片的镀膜方法，在籽晶表面沉积一层碳膜，在镀膜后的籽晶能够有效的克服上述单晶生长前期存在的缺点，根据PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)方法的原理，方便地控制单晶片镀膜层的厚度，同时批量的进行籽晶镀膜，而无需进行大的设备改造，即可获得优异的单晶生长籽晶源。可以很大程度的提高单晶生长的前期质量。本发明的目的之二在于提供了实现上述镀膜方法的镀膜装置。
为实现上述目的，本发明一种碳化硅单晶片的镀膜方法，该方法包括如下步骤：
步骤1)将碳化硅晶片置于真空度为10-2Pa的石墨处理腔内；
步骤2)向所述石墨处腔内充入60000Pa惰性气体；
步骤3)通过感应线圈对石墨处理腔进行耦合加热,经过预定时间后缓慢降低石墨处理腔内的压力至1000Pa-3000Pa；
步骤4)维持石墨处理腔内的压力，向腔内充入惰性气体和甲烷气体，甲烷气体裂解后在碳化硅晶片表面形成碳膜。
进一步，通过控制所述步骤3)和步骤4)中所述石墨处理腔内的压力来控制所述碳膜的厚度，压力越大碳膜层越薄，压力越小碳膜层越厚。
进一步，对从所述石墨处理腔内排出的气体进行燃烧处理。
进一步，所述步骤3)中的预定时间为30分钟。
进一步，所述惰性气体为氩气。
一种实现上述方法的碳化硅单晶片的镀膜装置，该装置包括炉体，所述炉体外侧设置有感应线圈，炉体内设置有石墨处理腔，碳化硅晶片置于所述石墨处理腔内，炉体上设置有连接石墨处理腔的进气口和抽气口，所述进气口和所述抽气口上设置有阀门，所述阀门闭合时石墨处理腔内气密封。
进一步，所述石墨处理腔的腔壁外侧包覆有保温隔热材料。
进一步，所述保温隔热材料外侧设置有水冷夹层，所述水冷夹层由双层石英管构成，在该石英管的内层和外层之间通有冷却水。
进一步，与所述抽气口连接有机械泵，在所述机械泵的出口端设置有点火器。
本发明的碳化硅单晶片的镀膜方法和装置是将石墨处理腔置于双层水冷的石英管内，仅在石墨处理腔与内层石英管之间加必要的保温材料，而无需很大的真空室。水冷夹层用来通冷却水冷石英管内壁的石墨处理腔。通过抽气口可以进行抽气和排气，通过阀门的开度以达到维持石墨处理腔的压力。石墨处理腔处于处理装置中心，周围的绝热材料用于保温，外层是感应线圈。感应线圈中的电流可以通过绝热材料直接在石墨处理腔上耦合出感应电流，从而达到将处理室加热到晶片镀膜所需的1100-1900℃的温度。该方法和装置的特点是可以方便通过调整进气流量的配比，压力的大小，镀膜时间的长短，改变处理腔内晶片镀膜层厚度目的；同时由于石英管空间的减少，使得石墨处理腔内的热交换效率大大提高，感应线圈的尺寸可以设计得较大，而石墨处理腔尺寸在加大范围内变化，两者仍然可以有好的耦合，从而无需进行大的设备改造，即可批量的进行晶片镀膜。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
如图1所示为一种碳化硅单晶片的镀膜装置，该装置包括炉体，炉体外侧设置有感应线圈5，炉体包括上法兰2、双层石英管4和下法兰3，双层石英管4的夹层3内通有冷却水，双层石英管4内设置有石墨处理腔13，石墨处理腔13与石英管4之间填充有保温隔热材料14，石墨处理腔13内设置有石墨支架12，碳化硅晶片6设置在石墨支架12上，上法兰2上设置有进气口1，进气口1与石墨处理腔13连接，进气口1上设置有阀门15，下法兰11连接有抽气口7，抽气口7与石墨处理腔13连接，抽气口7上设置有阀门8，阀门15和8闭合时石墨处理腔13内气密封，调节阀门15和8的开度可以控制石墨处理腔13内的真空度，与抽气口7连接有机械泵9，在机械泵9的出口端设置有点火器10，用于燃烧由石墨处理腔13内排出的气体。
实施例1
双层石英管内层石英管内径为184毫米，高度为510毫米，感应线圈内径240毫米，高度386毫米，石墨处理腔内径130毫米，高度190毫米。在石墨腔内放一石墨支架，需要的晶片放于支架上，在石墨腔的顶部放一个带孔的石墨盖，石墨盖上和石墨腔的周围使用保温材料石墨碳毡包裹。然后对处理室进行抽气，使其真空度达到10－2Pa后，充入60000Pa的高纯Ar。开启中频电源，控制输出功率8Kw，等待15分钟后，开启机械泵，在30分钟内将处理室的压力降至1000Pa，维持此压力不变，充高纯Ar和甲烷(CH4)，打开点火器进行尾气燃烧处理，处理1h。结果表明晶片膜厚约710nm。
实施例2
双层石英管内层石英管内径为184毫米，高度为510毫米，感应线圈内径240毫米，高度386毫米，石墨处理腔内径130毫米，高度190毫米。在石墨腔内放一石墨支架，需要的晶片放于支架上，在石墨腔的顶部放一个带孔的石墨盖，石墨盖上和石墨腔的周围使用保温材料石墨碳毡包裹。然后对处理室进行抽气，使其真空度达到10－2Pa后，充入60000Pa的高纯Ar。开启中频电源，控制输出功率8Kw，等待15分钟后，开启机械泵，在30分钟内将处理室的压力降至1500Pa，维持此压力不变，充高纯Ar和甲烷(CH4)，打开点火器进行尾气燃烧处理，处理1h。结果表明晶片膜厚626nm。
实施例3
双层石英管内层石英管内径为184毫米，高度为510毫米，感应线圈内径240毫米，高度386毫米，石墨处理腔内径130毫米，高度190毫米。在石墨腔内放一石墨支架，需要的晶片放于支架上，在石墨腔的顶部放一个带孔的石墨盖，石墨盖上和石墨腔的周围使用保温材料石墨碳毡包裹。然后对处理室进行抽气，使其真空度达到10－2Pa后，充入60000Pa的高纯Ar。开启中频电源，控制输出功率8Kw，等待15分钟后，开启机械泵，在30分钟内将处理室的压力降至2000Pa，维持此压力不变，充高纯Ar和甲烷(CH4)，打开点火器进行尾气燃烧处理，处理1h。结果表明晶片膜厚594nm。
实施例4
双层石英管内层石英管内径为184毫米，高度为510毫米，感应线圈内径240毫米，高度386毫米，石墨处理腔内径130毫米，高度190毫米。在石墨腔内放一石墨支架，需要的晶片放于支架上，在石墨腔的顶部放一个带孔的石墨盖，石墨盖上和石墨腔的周围使用保温材料石墨碳毡包裹。然后对处理室进行抽气，使其真空度达到10－2Pa后，充入60000Pa的高纯Ar。开启中频电源，控制输出功率8Kw，等待15分钟后，开启机械泵，在30分钟内将处理室的压力降至2500Pa，维持此压力不变，充高纯Ar和甲烷(CH4)，打开点火器进行尾气燃烧处理，处理1h。结果表明晶片膜厚480nm。
实施例5
双层石英管内层石英管内径为184毫米，高度为510毫米，感应线圈内径240毫米，高度386毫米，石墨处理腔内径130毫米，高度190毫米。在石墨腔内放一石墨支架，需要的晶片放于支架上，在石墨腔的顶部放一个带孔的石墨盖，石墨盖上和石墨腔的周围使用保温材料石墨碳毡包裹。然后对处理室进行抽气，使其真空度达到10－2Pa后，充入60000Pa的高纯Ar。开启中频电源，控制输出功率8Kw，等待15分钟后，开启机械泵，在30分钟内将处理室的压力降至3000Pa，维持此压力不变，充高纯Ar和甲烷(CH4)，打开点火器进行尾气燃烧处理，处理1h。结果表明晶片膜厚390nm。
Claims (5)
1.一种碳化硅单晶片的镀膜方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1）将碳化硅晶片置于真空度为10-2Pa的石墨处理腔内；
步骤2）向所述石墨处腔内充入60000Pa惰性气体；
步骤3）通过感应线圈对石墨处理腔进行耦合加热,经过预定时间后缓慢降低石墨处理腔内的压力至1000Pa-3000Pa；
步骤4）维持石墨处理腔内的压力，向腔内充入惰性气体和甲烷气体，甲烷气体裂解后在碳化硅晶片表面形成碳膜。
2.如权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于，通过控制所述步骤3）和步骤4）中所述石墨处理腔内的压力来控制所述碳膜的厚度，压力越大碳膜层越薄，压力越小碳膜层越厚。
3.如权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于，对从所述石墨处理腔内排出的气体进行燃烧处理。
4.如权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于，所述步骤3）中的预定时间为30分钟。
5.如权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
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