CN109825882A - 一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，包括保温罩、上加热板、中加热板和下加热板，保温罩内侧底部安置有固定台，且固定台下方搭架上安置有下加热板，固定台上方安装有坩埚托，坩埚托上方安置有坩埚，坩埚顶部安置有籽晶槽，籽晶槽两侧边缘的托架卡在第二凹槽内，籽晶槽外侧安置有中加热板，且中加热板上方有上加热板。退火方法利用上中下三个加热板来保证退火过程中温场的均衡，并且，上加热板和中加热板均设置为左右分离式结构，上/中加热板俯视均呈“()”的两部分，上加热板中间大孔用于引晶装置的放入。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体相关技术领域，具体为一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置及方法。
背景技术
碳化硅作为碳和硅唯一稳定的化合物，热导率约为硅的4.4倍，临界击穿电场约为硅的8倍，电子的饱和漂移速度为硅的2倍。碳化硅的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料，可用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器及汽车马达等领域的极端环境中。目前生长碳化硅废料晶体的方法包括物理气相传输法和化学气相传输法。
一般碳化硅电阻法生长晶体的加热手段是两侧设有两个平板电加热板，虽然容易操作和维护，但是在退火时缺点明显，在退火降温时容易导致温场不均匀，尤其是在1000℃以下时，以及圆柱形晶体没有加热板相对的侧面部分，在1000℃以下时再降温，这里的温场保持恒定更加困难。在退火后的晶体处理步骤中，经常出现在不是加热板正对位置的晶体部位，出现不良现象，偏析等，在后续加工中，这些部位也容易崩坏，通过偏光等手段检查，是这些部位在退火中产生应力的原因。
因此，需要一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置及方法，以使得退火过程中温场极其均衡，并且不影响之前的引晶过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置及方法，以使得退火过程中温场极其均衡，并且不影响引晶过程。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，包括保温罩、上加热板、中加热板、碳化硅晶体、籽晶槽、坩埚、坩埚托、下加热板、固定台、凸块、第一凹槽、托架和第二凹槽，其特征在于：所述保温罩内侧底部安置有固定台，且固定台下方搭架上安置有下加热板，所述固定台上方安装有坩埚托，且坩埚托内部底面上设置有第一凹槽，所述第一凹槽内卡有坩埚底部的凸块，所述坩埚托上方安置有坩埚，所述坩埚顶部安置有籽晶槽，且坩埚顶部两侧边缘设置有第二凹槽，所述籽晶槽两侧边缘的托架卡在第二凹槽内，所述籽晶槽内安放有碳化硅晶体，所述籽晶槽外侧安置有中加热板，且中加热板上方安置有上加热板。
所述上加热板和中加热板均设置为左右分离式结构，且上加热板俯视呈“”形的两个扇形；上加热板俯视呈“”形的两个圆台外壳形。
所述上加热板、中加热板和下加热板是整块的中空钨合金板，或者是按规律排列的空心钨合金加热管的阵列，二者中任意一种组成。
所述籽晶槽和坩埚的材质设置为耐高温的陶瓷。
所述坩埚托材质设置为耐高温且韧性强的陶瓷。
所述下加热板俯视呈“+”形结构。
所述固定台设置为四条腿凳子形，且固定台下方设置有空槽，前后左右设置有供“+”形的下加热板四面伸出的开口。
所述凸块和第一凹槽均设置有配套的两组，且凸块的横截面设置为正五角星形。
一种碳化硅电阻法生长晶体的退火方法，其依据一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置以进行，其特征在于，包括以下步骤：1)晶体生长步骤：装设好下加热板，在所述籽晶槽内放置籽晶，装设好上加热板、中加热板，将上加热板、中加热板和下加热板加热至在500-800℃之间的某恒定温度下，打开保温罩的上盖，从上加热板的上方开口处垂直向下伸入引晶装置，封闭保温罩，使引晶装置接触籽晶，将上加热板、中加热板和下加热板加热至1500-1800℃之间的某恒定温度下，开始引晶过程；2)退火准备步骤：引晶结束后，保持上加热板、中加热板和下加热板加热温度恒定，脱离并撤出引晶装置，关闭保温罩的上盖，将上加热板、中加热板和下加热板以不少于1h的时间降温至1500℃；3)退火步骤：将样品从1500℃开始退火，上加热板、中加热板和下加热板统一地以50-60℃/h的速率降温，降温至50°以下；4)晶体拆出步骤：打开保温罩的所有开口，停止加热，自然冷却整个装置至室温，拆出晶体，设为晶体A；5)晶体检测与比较步骤：将上加热板、中加热板，将上加热板换成左右分立的两个矩形平行加热板，其他条件完全相同，重复步骤1-4，得到晶体B；将晶体A和B进行从圆柱侧面入射的拉曼光谱检测，根据入射的角度不同得到各至少5-10组谱图的谱图A组和谱图B组，将谱图A组和谱图B组进行对比，检测退火方法的有效度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该碳化硅电阻法生长晶体的退火装置及方法利用上中下三个加热板来保证退火过程中温场的均衡，并且，上加热板和中加热板均设置为左右分离式结构，且上加热板和中加热板俯视均呈“()”形的两个扇形，中间大孔状用于引晶之用，还能兼顾加热，这样的加热装置设计性强，充分地将晶体包裹，退火时温场更加均匀，每个方位都照顾到了。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明上加热板俯视结构示意图；
图3为本发明下加热板俯视结构示意图；
图4为本发明坩埚托和坩埚之间连接结构示意图；
图5为本发明籽晶槽和坩埚之间连接俯视结构示意图。
图中：1、保温罩，2、上加热板，3、中加热板，4、碳化硅晶体，5、籽晶槽，6、坩埚，7、坩埚托，8、下加热板，9、固定台，10、凸块，11、第一凹槽，12、托架，13、第二凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，包括保温罩1、上加热板2、中加热板3、碳化硅晶体4、籽晶槽5、坩埚6、坩埚托7、下加热板8、固定台9、凸块10、第一凹槽11、托架12和第二凹槽13，其特征在于：所述保温罩1内侧底部安置有固定台9，且固定台9下方搭架上安置有下加热板8，所述固定台9上方安装有坩埚托7，且坩埚托7内部底面上设置有第一凹槽11，所述第一凹槽11内卡有坩埚6底部的凸块10，所述坩埚托7上方安置有坩埚6，所述坩埚6顶部安置有籽晶槽5，且坩埚6顶部两侧边缘设置有第二凹槽13，所述籽晶槽5两侧边缘的托架12卡在第二凹槽13内，所述籽晶槽5内安放有碳化硅晶体4，所述籽晶槽5外侧安置有中加热板3，且中加热板3上方安置有上加热板2。
所述上加热板2和中加热板3均设置为左右分离式结构，且上加热板2俯视呈“”形的两个扇形；上加热板2俯视呈“”形的两个圆台外壳形。
所述上加热板2、中加热板3和下加热板8是整块的中空钨合金板，或者是按规律排列的空心钨合金加热管的阵列，二者中任意一种组成。
所述籽晶槽5和坩埚6的材质设置为耐高温的陶瓷。
所述坩埚托7材质设置为耐高温且韧性强的陶瓷。
所述下加热板8俯视呈“+”形结构。
所述固定台9设置为四条腿凳子形，且固定台9下方设置有空槽，前后左右设置有供“+”形的下加热板四面伸出的开口。
所述凸块10和第一凹槽11均设置有配套的两组，且凸块10的横截面设置为正五角星形。
一种碳化硅电阻法生长晶体的退火方法，其依据一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置以进行，其特征在于，包括以下步骤：1)晶体生长步骤：装设好下加热板8，在所述籽晶槽5内放置籽晶，装设好上加热板2、中加热板3，将上加热板2、中加热板3和下加热板8加热至在500-800℃之间的某恒定温度下，打开保温罩1的上盖，从上加热板2的上方开口处垂直向下伸入引晶装置，封闭保温罩1，使引晶装置接触籽晶，将上加热板2、中加热板3和下加热板8加热至1500-1800℃之间的某恒定温度下，开始引晶过程；2)退火准备步骤：引晶结束后，保持上加热板2、中加热板3和下加热板8加热温度恒定，脱离并撤出引晶装置，关闭保温罩1的上盖，将上加热板2、中加热板3和下加热板8以不少于1h的时间降温至1500℃；3)退火步骤：将样品从1500℃开始退火，上加热板2、中加热板3和下加热板8统一地以50-60℃/h的速率降温，降温至50°以下；4)晶体拆出步骤：打开保温罩1的所有开口，停止加热，自然冷却整个装置至室温，拆出晶体，设为晶体A；5)晶体检测与比较步骤：将上加热板2、中加热板3，将上加热板2换成左右分立的两个矩形平行加热板，其他条件完全相同，重复步骤1-4，得到晶体B；将晶体A和B进行从圆柱侧面入射的拉曼光谱检测，根据入射的角度不同得到各至少5-10组谱图的谱图A组和谱图B组，将谱图A组和谱图B组进行对比，检测退火方法的有效度。有效度还可以用X射线双晶衍射进行测定，然后比较谱图A组和谱图B组的双晶衍射数据，比较均衡退火的有效性。还可用表面反射红外光谱，用ATR反射的光谱来分析均衡退火对晶体表面的光谱性能产生的影响。
实施例2
一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置及方法，包括保温罩1、上加热板2、中加热板3、碳化硅晶体4、籽晶槽5、坩埚6、坩埚托7、下加热板8、固定台9、凸块10、第一凹槽11、托架12和第二凹槽13，保温罩1内侧底部安置有固定台9，且固定台9下方搭架上安置有下加热板8，固定台9上方安装有坩埚托7，且坩埚托7内部底面上设置有第一凹槽11，第一凹槽11内卡有坩埚6底部的凸块10，坩埚托7上方安置有坩埚6，坩埚6顶部安置有籽晶槽5，且坩埚6顶部两侧边缘设置有第二凹槽13，籽晶槽5两侧边缘的托架12卡在第二凹槽13内，籽晶槽5内安放有碳化硅晶体4，籽晶槽5外侧安置有中加热板3，且中加热板3上方安置有上加热板2；
上加热板2和中加热板3均设置为左右分离式结构，且上加热板2和中加热板3俯视均呈“()”形的两个扇形，中间大孔状用于引晶之用，这样还能兼顾加热；上加热板2、中加热板3和下加热板8是整块的中空钨合金板，或者是按规律排列的空心钨合金加热管的阵列，二者中任意一种组成；籽晶槽5和坩埚6的材质设置为耐高温的陶瓷；坩埚托7材质设置为耐高温且韧性强的陶瓷；下加热板8俯视呈“+”形结构；固定台9设置为四条腿凳子形，且固定台9下方设置有空槽，前后左右设置有供“+”形的下加热板四面伸出的开口；凸块10和第一凹槽11均设置有配套的两组，且凸块10的横截面设置为正五角星形。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，包括保温罩(1)、上加热板(2)、中加热板(3)、碳化硅晶体(4)、籽晶槽(5)、坩埚(6)、坩埚托(7)、下加热板(8)、固定台(9)、凸块(10)、第一凹槽(11)、托架(12)和第二凹槽(13)，其特征在于：所述保温罩(1)内侧底部安置有固定台(9)，且固定台(9)下方搭架上安置有下加热板(8)，所述固定台(9)上方安装有坩埚托(7)，且坩埚托(7)内部底面上设置有第一凹槽(11)，所述第一凹槽(11)内卡有坩埚(6)底部的凸块(10)，所述坩埚托(7)上方安置有坩埚(6)，所述坩埚(6)顶部安置有籽晶槽(5)，且坩埚(6)顶部两侧边缘设置有第二凹槽(13)，所述籽晶槽(5)两侧边缘的托架(12)卡在第二凹槽(13)内，所述籽晶槽(5)内安放有碳化硅晶体(4)，所述籽晶槽(5)外侧安置有中加热板(3)，且中加热板(3)上方安置有上加热板(2)；
所述上加热板(2)和中加热板(3)均设置为左右分离式结构，且上加热板(2)俯视呈“()”形的两个扇形；上加热板(2)俯视呈“()”形的两个圆台外壳形。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，其特征在于：所述上加热板(2)、中加热板(3)和下加热板(8)是整块的中空钨合金板，或者是按规律排列的空心钨合金加热管的阵列，二者中任意一种组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，其特征在于：所述籽晶槽(5)和坩埚(6)的材质设置为耐高温的陶瓷。
4.根据权利要求3所述的一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，其特征在于：所述坩埚托(7)材质设置为耐高温且韧性强的陶瓷。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，其特征在于：所述下加热板(8)俯视呈“+”形结构。
6.根据权利要求5所述的一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，其特征在于：所述固定台(9)设置为四条腿凳子形，且固定台(9)下方设置有空槽，前后左右设置有供“+”形的下加热板四面伸出的开口。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置，其特征在于：所述凸块(10)和第一凹槽(11)均设置有配套的两组，且凸块(10)的横截面设置为正五角星形。
8.一种碳化硅电阻法生长晶体的退火方法，其依据权利要求7所述的一种碳化硅电阻法生长晶体的退火装置以进行，其特征在于，包括以下步骤：
1)晶体生长步骤：装设好下加热板(8)，在所述籽晶槽(5)内放置籽晶，装设好上加热板(2)、中加热板(3)，将上加热板(2)、中加热板(3)和下加热板(8)加热至在500-800℃之间的某恒定温度下，打开保温罩(1)的上盖，从上加热板(2)的上方开口处垂直向下伸入引晶装置，封闭保温罩(1)，使引晶装置接触籽晶，将上加热板(2)、中加热板(3)和下加热板(8)加热至1500-1800℃之间的某恒定温度下，开始引晶过程；
2)退火准备步骤：引晶结束后，保持上加热板(2)、中加热板(3)和下加热板(8)加热温度恒定，脱离并撤出引晶装置，关闭保温罩(1)的上盖，将上加热板(2)、中加热板(3)和下加热板(8)以不少于1h的时间降温至1500℃；
3)退火步骤：将样品从1500℃开始退火，上加热板(2)、中加热板(3)和下加热板(8)统一地以50-60℃/h的速率降温，降温至50°以下；
4)晶体拆出步骤：打开保温罩(1)的所有开口，停止加热，自然冷却整个装置至室温，拆出晶体，设为晶体A；
5)晶体检测与比较：将上加热板(2)、中加热板(3)，将上加热板(2)换成左右分立的两个矩形平行加热板，其他条件完全相同，重复步骤(1)-(4)，得到晶体B；将晶体A和B进行从圆柱侧面入射的拉曼光谱检测，根据入射的角度不同得到各至少5-10组谱图的谱图A组和谱图B组，将谱图A组和谱图B组进行对比，检测退火方法的有效度。
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