CN110863247A - 一种碳化硅晶体二次退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳化硅晶体再处理方法领域，公开了一种碳化硅晶体二次退火方法。所述方法包括：将碳化硅晶体(6)放入石墨坩埚(4)后，在碳化硅晶体(6)周围填充碳化硅粉末原料(5)，之后将石墨坩埚(4)放入石墨毡缠制得到的保温筒(3)中，得到保温热场，再将保温热场放入退火设备中进行抽真空，之后通入惰性气体或氮气，在惰性气体或氮气保护氛围下，对退火设备进行升温，调整线圈(1)与石墨坩埚(4)的相对位置，使得上测温仪(8)和下测温仪(7)的温差绝对值小于30℃，优选为小于20℃，进一步优选为小于5℃，对退火设备进行降温，降至室温后，取出碳化硅晶体(6)。采用本发明所述的方法，使得碳化硅晶体在二次退火过程中始终处于相对均匀的热场中，进而可以降低碳化硅晶体的应力。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体再处理方法领域，具体涉及一种碳化硅晶体二次退火方法。
背景技术
碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、饱和电子漂移速率高和击穿场强高等性质，在高温、高频、高压领域有广阔的应用前景。目前，主要采用物理气相传输(PVT)法进行碳化硅单晶生长，为保证单晶尺寸及边缘质量，通常需要生长界面呈微凸形状，晶体中心温度低于晶体边缘温度。
由于碳化硅晶体在生长过程处于不均匀热场中，使得碳化硅晶体内部各部分之间相互约束，因不能自由膨胀收缩而产生应力，而应力的存在导致碳化硅晶体在加工过程中容易开裂。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的碳化硅晶体在生长过程处于不均匀热场中，导致生长得到的碳化硅晶体有较大应力的问题，提供了一种碳化硅晶体二次退火方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种碳化硅晶体二次退火方法。所述方法包括以下步骤：
(A)将石墨毡缠制得到保温筒，其中，所述保温筒包括上下两个测温孔；
(B)将碳化硅晶体放置于石墨坩埚中，并在碳化硅晶体周围填充碳化硅粉末原料；
(C)将步骤(B)中装有碳化硅晶体和碳化硅粉末原料的石墨坩埚放入步骤(A)所述保温筒中，得到保温热场；
(D)将步骤(C)所述保温热场放入退火设备中进行抽真空，之后通入惰性气体或氮气；
(E)在惰性气体或氮气保护氛围下，对退火设备进行升温，调整线圈与石墨坩埚的相对位置，使得上测温仪和下测温仪的温差绝对值小于30℃，优选为小于20℃，进一步优选为小于5℃；
(F)对退火设备进行降温，降至室温后，取出碳化硅晶体。
优选的，在步骤(A)中，所述测温孔直径为5-50mm。
优选的，在步骤(B)中，所述碳化硅粉末原料的粒径为100-3000um。
优选的，在步骤(D)中，抽真空之后，退火设备中压力小于10Pa。
优选的，在步骤(D)中，充入惰性气体后，退火设备中压力为50000-70000pa。
优选的，在步骤(D)中，所述惰性气体为Ar或He。
优选的，在步骤(E)中，当所述上测温仪的温度达到700℃以上时，根据上测温仪和下测温仪的温差调整线圈与石墨坩埚的相对位置。
优选的，在步骤(E)中，当所述上测温仪的温度达到1500℃以上时，根据可编程逻辑控制器调整线圈与石墨坩埚的相对位置。
优选的，在步骤(F)中，退火设备降温速率为50-200℃/h。
优选的，在步骤(F)中，退火设备降温时间为5-30h。
在本发明中，通过上测温仪和下测温仪的温差以及可编程逻辑控制器(PLC)来调整线圈与石墨坩埚的相对位置，可降低石墨坩埚顶部和底部的温差，使得碳化硅晶体在二次退火过程中始终处于相对均匀的热场中，因此可以降低碳化硅晶的应力。
附图说明
图1是本发明所述的方法所采用的碳化硅晶体二次退火系统示意图。
附图标记说明
1线圈 2水冷石英管
3保温筒 4石墨坩埚
5碳化硅粉末原料 6碳化硅晶体
7下测温仪 8上测温仪
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
图1是本发明所述的方法所采用的碳化硅晶体二次退火系统示意图。其中，所述线圈1为可移动的电磁感应线圈，处于水冷石英管2的外侧，通过电磁感应来控制石墨坩埚4的温度，进而可对碳化硅晶体6进行二次退火升温以及降温。水冷石英管2的内侧为石墨毡缠制得到的保温筒3，保温筒3可以对内侧石墨坩埚4进行保温，以免热量散失。所述保温筒3包括上下两个测温孔，以便于上测温仪8和下测温仪7对石墨坩埚4的顶部和底部温度进行测量，调整线圈1与石墨坩埚4的相对位置，可控制石墨坩埚4顶部与底部的温差。为了防止碳化硅晶体6在二次退火过程中石墨化，因此在碳化硅晶体6的周围填充了碳化硅粉末原料5，且保温筒3以及石墨坩埚4都被密封在由水冷石英管2形成的密闭套筒内，以便隔绝空气，提供无氧环境，保证碳化硅晶体6在二次退火过程中结构的稳定性。
为了降低碳化硅晶体应力，本发明提供了一种碳化硅晶体二次退火方法，所述方法包括以下步骤：
(A)将石墨毡缠制得到保温筒3，其中，所述保温筒3包括上下两个测温孔；
(B)将碳化硅晶体6放置于石墨坩埚4中，并在碳化硅晶体6周围填充碳化硅粉末原料5；
(C)将步骤(B)中装有碳化硅晶体6和碳化硅粉末原料5的石墨坩埚4放入步骤(A)所述保温筒3中，得到保温热场；
(D)将步骤(C)所述保温热场放入退火设备中进行抽真空，之后通入惰性气体或氮气；
(E)在惰性气体或氮气保护氛围下，对退火设备进行升温，调整线圈1与石墨坩埚4的相对位置，使得上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于30℃，优选为小于20℃，进一步优选为小于5℃；
(F)对退火设备进行降温，降至室温后，取出碳化硅晶体6。
根据本发明所述的方法，所述上测温仪8和下测温仪7分别检测的是石墨坩埚4顶部和底部的温度。
根据本发明所述的方法，在步骤(A)中，所述测温孔直径没有特别要求，为了保证石墨坩埚4顶部以及底部有较小的温差以及便于上测温仪8和下测温仪7分别对石墨坩埚4的顶部和底部温度进行测量，在优选的实施方式中，所述测温孔直径为5-50mm，具体的，例如可以为5mm、10mm、20mm、30mm、40mm或50mm，进一步优选为10mm。
根据本发明所述的方法，在步骤(B)中，所述碳化硅粉末原料5的粒径没有特别要求，在优选的实施方式中，所述碳化硅粉末原料5的粒径为100-3000um，具体的，例如可以为100um、300um、500um、1000um、1500um、2000um、2500um或3000um，进一步优选为500um。碳化硅粉末原料5可防止碳化硅晶体6在二次退火过程中石墨化。
根据本发明所述的方法，在步骤(D)中，抽真空之后，对退火设备中压力没有特别要求，为了使碳化硅晶体6在二次退火过程中处于无氧环境，在优选的实施方式中，抽真空之后，退火设备中压力小于10Pa。在本发明中，所述压力均指的是绝对压力。
根据本发明所述的方法，在步骤(D)中，充入惰性气体或氮气后，对退火设备中压力没有特别要求，为了防止碳化硅晶体6在二次退火过程中石墨化，在优选的实施方式中，充入惰性气体或氮气后，退火设备中压力为50000-70000pa，具体的，例如可以为50000pa、55000pa、60000pa或70000pa。
根据本发明所述的方法，在步骤(D)中，所述惰性气体可以为本领域的常规选择，具体的，例如可以为Ar或He，
根据本发明所述的方法，在步骤(E)中，在优选的实施方式中，当所述上测温仪8的温度达到700℃以上时，进一步优选为1000℃以上时，根据上测温仪8和下测温仪7的温差调整线圈1与石墨坩埚4的相对位置。当石墨坩埚4顶部温度大于其底部温度时，线圈1相对石墨坩埚4向下移动，反之则向上运动，直至石墨坩埚4顶部和底部温差绝对值小于30℃，进一步优选为小于20℃，最优选为小于5℃，停止运动，
根据本发明所述的方法，在步骤(E)中，在优选的实施方式中，当所述上测温仪8的温度达到1500℃以上时，根据可编程逻辑控制器(PLC)调整线圈1与石墨坩埚4的相对位置。
根据本发明所述的方法，当上测温仪8的温度达到2000-2200℃后，停止升温，退火设备开始降温。
根据本发明所述的方法，在步骤(F)中，对于退火设备降温速率没有特别要求，为了保证晶体的质量，在优选的实施方式中，退火设备降温速率为50-200℃/h，具体的，例如可以为50℃/h、100℃/h、105℃/h、150℃/h或200℃/h。
根据本发明所述的方法，在步骤(F)中，对于退火设备降温时间没有特别要求，为了保证晶体的质量，在优选的实施方式中，退火设备降温时间为5-30h，具体的，例如可以为5h、10h、15h、20h、22h、25h或30h。
在本发明中，根据强光灯下肉眼观察法，观察碳化硅晶体6在二次退火后的开裂概率，以判断碳化硅晶体6应力大小。其中，开裂概率越大，碳化硅晶体6应力越大，反之则小；碳化硅晶体6开裂概率＝碳化硅晶体6二次退火后开裂块数/碳化硅晶体6二次退火总块数×100％。
在本发明中，通过上测温仪8和下测温仪7的温差以及PLC来调整线圈1与石墨坩埚4的相对位置，可降低石墨坩埚4顶部和底部的温差，使得碳化硅晶体6在二次退火过程中始终处于相对均匀的热场中，而碳化硅晶体6内原子的热振动又使得碳化硅晶体6在相对均匀的热场中达到一个新的平衡状态。由于晶体各处温度基本相同，晶体膨胀收缩时不受内部之间的相互约束，因此可以降低碳化硅晶体6的应力。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明并不局限于此。
实施例1
使用石墨毡缠制得到保温筒3，保温筒3有上下两个测温孔，测温孔直径为10mm；将需要退火的5块碳化硅晶体6放置于石墨坩埚4中，并在碳化硅晶体6周围填充直径为500um的碳化硅粉末原料5；将石墨坩埚4放入保温筒3后再一同放入退火设备中进行抽真空，压力抽至6Pa后停止抽气并冲入Ar，充至压力为50000Pa时，退火设备开始升温；当上测温仪8的温度为800℃时，根据上测温仪8和下测温仪7的温差对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于5℃为止；温度继续升高至1500℃后，通过PLC对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于5℃为止；当温度达到2200℃后，退火设备开始降温。其中，退火设备降温速率为105℃/h，退火设备降温时间为22h，降至室温后取出碳化硅晶体6，强光灯下肉眼观察，5块碳化硅晶体6均未开裂。
实施例2
使用石墨毡缠制得到保温筒3，保温筒3有上下两个测温孔，测温孔直径为20mm；将需要退火的5块碳化硅晶体6放置于石墨坩埚4中，并在碳化硅晶体6周围填充直径为300um的碳化硅粉末原料5；将石墨坩埚4放入保温筒3后再一同放入退火设备中进行抽真空，压力抽至8Pa后停止抽气并冲入Ar，充至压力为70000Pa时，退火设备开始升温；当上测温仪8的温度为1000℃时，根据上测温仪8和下测温仪7的温差对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于20℃为止；温度继续升高至1500℃后，通过PLC对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于20℃为止；当温度达到2000℃后，退火设备开始降温。其中，退火设备降温速率为100℃/h，退火设备降温时间为20h，降至室温后取出碳化硅晶体6，强光灯下肉眼观察，5块碳化硅晶体6均未开裂。
实施例3
使用石墨毡缠制得到保温筒3，保温筒3有上下两个测温孔，测温孔直径为30mm；将需要退火的5块碳化硅晶体6放置于石墨坩埚4中，并在碳化硅晶体6周围填充直径为1000um的碳化硅粉末原料5；将石墨坩埚4放入保温筒3后再一同放入退火设备中进行抽真空，压力抽至7Pa后停止抽气并冲入氮气，充至压力为60000Pa时，退火设备开始升温；当上测温仪8的温度为900℃时，根据上测温仪8和下测温仪7的温差对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于10℃为止；温度继续升高至1500℃后，通过PLC对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于10℃为止；当温度达到2100℃后，退火设备开始降温。其中，退火设备降温速率为150℃/h，退火设备降温时间为15h，降至室温后取出碳化硅晶体6，强光灯下肉眼观察，1块碳化硅晶体6开裂。统计三次实验，共退火15块碳化硅晶体6，1块开裂，开裂概率为6.7％。
对比例1
使用石墨毡缠制得到保温筒3，保温筒3有上下两个测温孔，测温孔直径为10mm；将需要退火的碳化硅晶体6放置于石墨坩埚4中，并在碳化硅晶体6周围填充直径为500um的碳化硅粉末原料5；将石墨坩埚4放入保温筒3后再一同放入退火设备中进行抽真空，压力抽至6Pa后停止抽气并冲入Ar，充至压力为50000Pa时，退火设备开始升温，当温度达到2200℃后，退火设备开始降温。其中，退火设备降温速率为105℃/h，退火设备降温时间为22h。降至室温后取出碳化硅晶体6，强光灯下肉眼观察，1块碳化硅晶体6开裂。统计三次实验，共退火15块碳化硅晶体6，2块开裂，开裂概率为13％。
对比例2
使用石墨毡缠制得到保温筒3，保温筒3有上下两个测温孔，测温孔直径为60mm；将需要退火的5块碳化硅晶体6放置于石墨坩埚4中，并在碳化硅晶体6周围填充直径为50um的碳化硅粉末原料5；将石墨坩埚4放入保温筒3后再一同放入退火设备中进行抽真空，压力抽至11Pa后停止抽气并冲入Ar，充至压力为40000Pa时，退火设备开始升温；当上测温仪8的温度为800℃时，根据上测温仪8和下测温仪7的温差对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于50℃为止；温度继续升高至1500℃后，通过PLC对线圈1与石墨坩埚4的相对位置进行调整，直至上测温仪8和下测温仪7的温差绝对值小于50℃为止；当温度达到2200℃后，退火设备开始降温。其中，退火设备降温速率为210℃/h，退火设备降温时间为12h。降至室温后取出碳化硅晶体6，强光灯下肉眼观察，1块碳化硅晶体6开裂。统计三次实验，共退火15块碳化硅晶体6，3块开裂，开裂概率为20％。
由实施例1-3和对比例1-2结果可知，采用本发明所述的方法，降低了石墨坩埚顶部和底部的温差，使得碳化硅晶体在二次退火过程中始终处于相对均匀的热场中，进而可以降低碳化硅晶的应力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的方法构思范围内，可以对本发明的方法方案进行多种简单变型，包括各个方法特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳化硅晶体二次退火方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(A)将石墨毡缠制得到保温筒(3)，其中，所述保温筒(3)包括上下两个测温孔；
(B)将碳化硅晶体(6)放置于石墨坩埚(4)中，并在碳化硅晶体(6)周围填充碳化硅粉末原料(5)；
(C)将步骤(B)中装有碳化硅晶体(6)和碳化硅粉末原料(5)的石墨坩埚(4)放入步骤(A)所述保温筒(3)中，得到保温热场；
(D)将步骤(C)所述保温热场放入退火设备中进行抽真空，之后通入惰性气体或氮气；
(E)在惰性气体或氮气保护氛围下，对退火设备进行升温，调整线圈(1)与石墨坩埚(4)的相对位置，使得上测温仪(8)和下测温仪(7)的温差绝对值小于30℃，优选为小于20℃，进一步优选为小于5℃；
(F)对退火设备进行降温，降至室温后，取出碳化硅晶体(6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(A)中，所述测温孔直径为5-50mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(B)中，所述碳化硅粉末原料(5)的粒径为100-3000um。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(D)中，抽真空之后，退火设备中压力小于10Pa。
5.根据权利要1所述的方法，其特征在于，在步骤(D)中，充入惰性气体或氮气后，退火设备中压力为50000-70000pa。
6.根据权利要1或5所述的方法，其特征在于，在步骤(D)中，所述惰性气体为Ar或He。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(E)中，当所述上测温仪(8)的温度达到700℃以上时，根据上测温仪(8)和下测温仪(7)的温差调整线圈(1)与石墨坩埚(4)的相对位置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(E)中，当所述上测温仪(8)的温度达到1500℃以上时，根据可编程逻辑控制器调整线圈(1)与石墨坩埚(4)的相对位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(F)中，退火设备降温速率为50-200℃/h。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(F)中，退火设备降温时间为5-30h。
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