CN110331439A - 一种用于碳化硅外延的加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳化硅外延生长技术领域，具体是涉及一种用于碳化硅外延的加热装置。包括外延生长反应腔和绕设于外延生长反应腔外的电磁感应线圈；电磁感应线圈包括多个线圈匝，电磁感应线圈的匝间距自线圈端部向线圈中部逐渐递增。本发明改进了线圈结构，在保证加热速度的同时，提高了温度场的均匀性，从而改善了碳化硅外延的品质；本发明中的线圈呈中空型，内部通入冷却水，石英防护罩内外层间隙中也可以通入冷却水，用于整个电磁感应线圈的冷却，保证了加热线圈在持续高温下的运行可靠性，增强了使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅外延生长技术领域，具体是涉及一种用于碳化硅外延的加热装置。
背景技术
随着5G移动通讯技术、新能源汽车、高速轨道交通、移动互联、可见光通讯、高压智能电网等市场的巨大拉动下，全球对于碳化硅和氮化镓为代表的具有带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强等特征的宽禁带半导体材料(第三代半导体材料)的关注度日益提高，对于高质量晶片的需求也越来越高。一些高压双极性器件，需晶片外延膜厚度超过50μm,一些高压、大电流、高可靠性SiC电子器件的不断发展对SiC外延薄膜提出了更多苛刻的要求。
碳化硅外延是在表面生长一层或数层碳化硅薄膜，目前主流的方法是通过化学气相沉积的方法进行同质外延生长，工艺在1600℃左右的超高温度下进行，同时对于温度场的均匀性也有很大的要求。目前主要的加热方式有红外加热、电阻丝外壁加热、射频加热、电磁感应加热。红外加热利用定向好、快速等优点，但一般用于温度比较低的加热环境，当温度提高时红外加热比较慢；电阻丝加热是通电后自身发热再传导到反应区，其热效率比较低，能量利用率最高只有50％左右，当腔体比较大时，温度上升慢，温度场也难以保证均匀，径向温度分布不均匀；对于射频加热的装置，想要快速加热反应区，必须使用较高频率的射频能量，频率将达到1到10MHz，但是高频具有集肤效应，会造成大量能量进入不了加热座的内部，从而加热能力下降，因此需要精确而复杂的射频线圈设计。对于电阻丝和红外加热的内外双加热多温区加热器，设计更为复杂且加热装置体积大。发明专利CN 10415285 A公开的一种均匀性可调的电磁感应加热装置，其电磁感应线圈下部焊接的调节螺套以及机械调节机构在1600℃高温下的可靠性会有影响，只依靠于线圈内部冷却，加热线圈在高温下的寿命会降低，对于多片式外延炉的大面积反应腔体其温度场均匀性较为难调。
发明内容
本发明的一种用于碳化硅外延的电磁感应加热装置，首要目的是提高温度场的均匀性，其次是提高电磁感应加热装置的使用寿命和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：
提供一种用于碳化硅外延设备的加热装置，包括外延生长反应腔和绕设于外延生长反应腔外的电磁感应线圈；电磁感应线圈包括多个线圈匝，电磁感应线圈的匝间距自线圈端部向线圈中部逐渐递增。
作为一种改进，电磁感应线圈与电源柜相连，电源柜输出频率为3kHz至8kHz。
作为一种改进，外延生长反应腔内部设有保温石墨罩，保温石墨罩为筒状结构，前后两端设有端盖。
作为一种改进，保温石墨罩内设有加热石墨罩；加热石墨罩包括加热石墨罩上部分和加热石墨罩下部分，呈中空半圆柱型或中空方型，两端为开放结构，加热石墨罩上部分和加热石墨罩下部分对称设置，且存在间隙；上下两部分之间的间隙为25mm到40mm，优选的从28mm到35mm之间选择。上下两部分加热石墨罩呈中空半圆柱型或中空方型，为了与和石英防护罩相匹配，优选的选择中空半圆柱型，两端为开放结构，外延反应时向里面冲入惰性气体，防止加热石墨罩在高温下发生反应。
加热石墨罩上部分和加热石墨罩下部分两端对应的保温石墨罩端盖上开有惰性气体进出口，两部分间的间隙对应的保温石墨罩端盖上开有反应气体进出口。
作为一种改进，电磁感应线圈两侧匝与匝之间的距离相对小于中间匝与匝之间的距离。中间匝与匝之间的距离为20mm到25mm，优选的选择22mm，两侧匝与匝之间的距离每匝递减为3mm到5mm，优选的选择4mm。
作为一种改进，电磁感应线圈为方形或圆形。优选的选择方形线圈，中间为中空，线圈优选尺寸为20mm×15mm，线圈中部通冷却水，优选的选用超纯水，总体来提高线圈的使用寿命。
根据毕奥-萨伐尔定律，感应线圈内部任意一点磁场的强度为
其中，B为磁场强度，I是源电流，L是积分路径，dl是源电流的微小线元素，为电流元指向待求场点的单位向量，μ0为真空磁导率为4π×10-7Tm/A，对于无限长的感应线圈中线的磁场强度B＝μ0nI，对于半无限长的感应线圈一端的磁场强度为因此对于有限长的螺旋感应线圈，其磁场强度在中部区域近似均匀，但是快到两侧端口处变化较大，端口处的磁场强度约为中部的一半。因此在加热石墨罩中部的温度场较为均匀，但是在靠近两个端口处温度相对较低。
作为一种改进，电源柜输出频率为3kHz至8kHz。为了防止集肤效应，优选的选择中频4到6kHz。
作为一种改进，保温石墨罩、加热石墨罩表面均涂覆有碳化硅或耐高温陶瓷。石墨防护罩和加热石墨罩选超高纯石墨。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
本发明中的电磁感应加热属于中频感应电流加热，无表面效应、邻近效应和环装效应，则加热效率高，可以快速升温；因为电磁感应线圈可以做大直径，因此也适用于多片式反应炉的大面积反应腔体的快速加热；本发明改进了线圈结构，在保证加热速度的同时，提高了温度场的均匀性，从而改善了碳化硅外延的品质；本发明中的线圈呈中空型，内部通入冷却水，石英防护罩内外层间隙中也可以通入冷却水，用于整个电磁感应线圈的冷却，保证了加热线圈在持续高温下的运行可靠性，增强了使用寿命。
附图说明
图1为本发明电磁感应加热装置的结构示意图；
图2为电磁感应线圈的空间螺旋结构示意图；
图3为石英防护罩的结构示意图；
图4为保温石墨罩、加热石墨罩的结构示意图。
图5为保温石墨罩、加热石墨罩的侧面结构示意图。
附图标记为：1-电磁感应线圈；2-电源柜；3-外延生长反应腔；4-石英防护罩；5-保温石墨罩；6-加热石墨罩；61-加热石墨罩上部分；62-加热石墨罩下部分；63-加热石墨罩支撑板；11a-感应线圈进水口；11b-感应线圈出水口；41-石英罩内筒；42-石英罩外筒；4a-石英罩进水口；4b-石英罩出水口；51-保温罩外壁；52-保温罩端面；6a-惰性气体入口；6b-惰性气体的出口；6c-反应气体进口；6d-反应气体出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。在阅读了本发明之后，其他技术人员对本发明的各种等价形式的修改均属于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种用于碳化硅外延的电磁感应加热装置，包括水平放置的筒状的外延生长反应腔3；外延生长反应腔3外部套设有石英防护罩4，石英防护罩4外部均匀绕设有电磁感应线圈1，电磁感应线圈1与电源柜2相连。电源柜2输出频率为3kHz至8kHz。为了防止集肤效应，优选的选择中频4到6kHz。
外延生长反应腔3内设有保温石墨罩5，保温石墨罩5内部设有加热石墨罩6，用于放置外延反应的晶圆片。且与外延生长反应腔3间存在间隙。电磁感应线圈1内部是中空的，中空内部通冷却水。电磁感应线圈1是单匝或是多匝的。
如图2所示的单匝电磁感应线圈1，电磁感应线圈1下方有一个进水口11a和一个出水口11b，中空的线圈通过冷却水冷却，线圈中间匝与匝之间的距离优选的为22mm，线圈两端匝与匝之间的距离按照每匝减去4mm间隙来递减，具体的匝数根据加热的腔体面积来确定。多匝感应线圈，多匝感应线圈匝与匝之间的距离要小于单匝感应线圈，距离优选的为16到18mm，优选的线圈两端的匝与匝之间的距离按照每匝减去3mm间隙来递减。
如图3所示，石英防护罩4具有内筒41和外筒42，内外筒之间具有间隙，优选的从3mm至5mm之间选择，内外桶的间隙中插入进水管4a和出水管4b，为了保证良好的冷却性能，进出水管数量各自选择为3至5个。
如图4所示，保温石墨罩5包括圆筒式的外壁51和两侧开孔的端面52，如图5所示，加热石墨罩6包括上部分61和下部分62，上下两部分之间的间隙为25mm到40mm，优选的从28mm到35mm之间选择。上下两部分加热石墨罩61、62呈中空半圆柱型或中空方型，为了与和石英防护罩4相匹配，优选的选择中空半圆柱型，两端为开放结构，外延反应时向里面冲入惰性气体，防止加热石墨罩在高温下发生反应。两部分中间由两个支撑板63支撑，孔6a为加热石墨罩6的惰性气体入口6b，用于保护石墨罩不发生反应，孔6b为惰性气体的出口6a，孔6c为外延反应用气体的进口6c，孔6d为外延反应气体的出口6d，同时也用于晶圆片的搬运。
本发明的具体实施方法为：将外延生长反应腔3放在电磁感应线圈1中，外延生长反应腔3包括石英防护罩4、保温石墨罩5和加热石墨罩6。电源柜2的最大使用功率为45kw，输出频率为4-6kHz。将冷却水通入到电磁感应线圈1和石英防护罩4内外筒的间隙中用于冷却，提高了感应线圈的寿命。将保温石墨罩5表面包覆碳化硅涂层，加热石墨罩6通入惰性气体，保证加热石墨罩6在高温下不发生反应，提高了加热装置的可靠性。反应时，首先将电源柜功率提高到20kw，温度加热到900℃，期间通入反应气体，然后将功率提高到45kw，温度加热到1600℃，进行外延反应，反应结束后，继续通入冷却水进行冷却，既保证了线圈不受高温损坏，也对反应腔体降温提供了帮助，温度降低后取出晶圆片。
最后需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于碳化硅外延设备的加热装置，包括外延生长反应腔和绕设于外延生长反应腔外的电磁感应线圈；其特征在于，所述电磁感应线圈包括多个线圈匝，所述电磁感应线圈的匝间距自线圈端部向线圈中部逐渐递增。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述电磁感应线圈为方形或圆形。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述电磁感应线圈与电源柜相连，电源柜输出频率为3kHz至8kHz。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述外延生长反应腔内部设有保温石墨罩，保温石墨罩为筒状结构，前后两端设有端盖。
5.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述保温石墨罩内设有加热石墨罩；所述加热石墨罩包括加热石墨罩上部分和加热石墨罩下部分，呈中空半圆柱型或中空方型，两端为开放结构，加热石墨罩上部分和加热石墨罩下部分对称设置，且存在间隙；加热石墨罩上部分和加热石墨罩下部分两端对应的所述保温石墨罩端盖上开有惰性气体进出口，两部分间的间隙对应的保温石墨罩端盖上开有反应气体进出口。
6.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述外延生长反应腔外部套设有石英防护罩，电磁感应线圈绕设在石英防护罩外，石英防护罩包括石英罩内筒壁和石英罩外筒壁，石英罩内筒壁和石英罩外筒壁之间通冷却水；电磁感应线圈内部是中空的，中空内部通冷却水。
7.根据权利要求5所述的加热装置，其特征在于，所述保温石墨罩、加热石墨罩表面均涂覆有碳化硅或耐高温陶瓷。
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