CN111074348A - 一种降低晶体内部应力的退火处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低晶体内部应力的退火处理方法，包括以下步骤：(1)准备阶段：将需要退火处理的晶体放置于坩埚中，对坩埚进行抽真空和通入惰性气体；(2)加热阶段，利用加热装置对所述坩埚进行加热，加热过程中，分别控制加热装置中同心设于坩埚上方的多个第一加热环的加热温度，使坩埚形成径向的温度梯度。本发明通过控制加热装置的多个第一加热环的加热温度，使坩埚形成径向的温度梯度，可获得与晶体生长时不同或相反的径向温度梯度，可显著降低晶体的径向应力，且通过控制坩埚下方的第二加热环和坩埚侧面的第三加热环的加热温度，实现了坩埚的轴向温度梯度，可获得与晶体生长时不同或相反的轴向温度梯度，能实现残余热应力的基本消除。

Description

一种降低晶体内部应力的退火处理方法及装置

技术领域

本发明涉及一种降低晶体内部应力的退火处理方法及装置，属于晶体生长结束后退火处理的技术领域。

背景技术

碳化硅是继硅、砷化镓之后的第三代宽禁带半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。高质量晶体是半导体和信息产业发展的基石，它的制备水平制约了下游器件的制备与性能。尽管近几年物理气象传输法(PVT)生长碳化硅晶体取得了长足的进步，但是对于大尺寸的单晶碳化硅来讲，残余应力过大是一个亟待解决的问题，特别是针对≥6英寸的碳化硅单晶，应力太大会造成以下后果：晶锭开裂、晶片开裂、裂纹崩边、面型很大。

CN107557872A公开了一种大尺寸碳化硅晶体原位热处理方法，在生长结束后向生长室充压避免晶体烧蚀，之后通过改变热场，即锁定功率、提升线圈、封堵测温孔来实现恒温处理，最后进行定速降温，待炉内温度降至室温结束晶体的原位热处理，该方法能大幅降低晶体内应力，提高了后续晶片加工成品率；且避免了后续热处理对效率以及电阻率的影响，缩短单锭制备周期1天以上。但该方法是在长晶炉内对晶体进行原位退火处理，这样会降低长晶炉内的产能，也不涉及通过控制坩埚内的径向和轴向温度来降低晶体的内部应力。

CN204417642U公开了一种用于制备碳化硅晶体的加热装置，该装置在坩埚上方增设顶部加热器，通过顶部加热器主动调节晶体上方温度，使得晶体内径向和轴线温度梯度与晶体生长过程相比大幅度缩小或翻转，进而使得冷却后晶体内部的残余热应力大幅度降低，晶体不会因内应力过高而碎裂。顶部加热器的数量为1个或2个，设置适宜的顶部加热器的功率使得晶体中心温度高于边缘温度，或使晶体顶部温度大于下方温度，但晶体的径向温度梯度不能变化也不能消除，不能实现温度梯度的智能控制，晶体内部的应力也不能完全消除，且该装置用于晶体的原位退火，会降低长晶炉的产能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种降低晶体内部应力的退火处理方法及装置，该方法和装置通过控制坩埚中的径向和轴向温度梯度，来降低晶体的内部应力。

本申请采用的技术方案如下：

本发明提供了一种降低晶体内部应力的退火处理方法，所述方法包括以下步骤：

(1)准备阶段：将需要退火处理的晶体放置于坩埚中，对坩埚进行抽真空和通入惰性气体；

(2)加热阶段，利用加热装置对所述坩埚进行加热，加热过程中，分别控制加热装置中同心设于坩埚上方的多个第一加热环的加热温度，使坩埚形成径向的温度梯度。

进一步的，加热过程中，还分别控制加热装置中同心设于坩埚下方的多个第二加热环的加热温度，使沿轴向坩埚的上方与坩埚的下方形成温度差；

优选的，温度差为10～100℃；更优选的，温度差为40～70℃；更优选的，温度差为55℃。

进一步的，坩埚的径向温度梯度为5～50℃，优选20～30℃，更优选25℃。

进一步的，加热过程中，还分别控制坩埚侧面的多个第三加热环的加热温度，使坩埚形成轴向的温度梯度；

优选的，轴向的温度梯度为10～100℃；优选40～70℃；更优选55℃。

进一步的，利用加热装置对所述坩埚进行加热，使得坩埚温度为1700～2300℃，保温后分别控制加热装置中第一加热环、第二加热环和第三加热环的加热温度对坩埚部分区域继续加热。

进一步的，所述方法还包括在加热之后对坩埚进行降温和将坩埚压力恢复为大气压的步骤；

优选的，将坩埚部分区域均降温至同一温度后，以该温度为起点缓慢降至室温。

本发明还提供了一种降低晶体内部应力的退火处理装置，该装置包括坩埚和对所述坩埚进行加热的加热装置，所述加热装置包括分布于坩埚上方的多个第一加热环，所述第一加热环以坩埚中心的上方为圆心同心设置。

进一步的，所述加热装置还包括分布于坩埚下方的多个第二加热环，第二加热环以坩埚中心的下方为圆心同心设置，且多个第一加热环和多个第二加热环为对称设置。

进一步的，所述加热装置还包括设置于坩埚侧面的多个第三加热环，多个第三加热环为轴向同心设置；

优选的，所述第一加热环、第二加热环和第三加热环的加热温度分别由温度控制装置控制，所述第一加热环、第二加热环和第三加热环对应坩埚区域的温度分别由温度测量装置测得。

优选的，所述第一加热环、第二加热环和第三加热环的材质均为石墨；

优选的，所述第一加热环和/或第二加热环的数量为3～6个，更优选为4～5个；

优选的，相邻两个第一加热环或第二加热环的间距相等；

优选的，第三加热环坩埚数量为2～4个，优选为2个。

进一步的，所述坩埚为石墨坩埚，石墨坩埚包括坩埚体和盖于坩埚体上方的坩埚盖，所述坩埚体连通有真空系统；

优选的，所述坩埚体内底部中心设置有上下可调节的底座，底座上用于放置需要退火的晶体。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过控制坩埚上方的多个第一加热环的加热温度，使坩埚上方形成径向的温度梯度，可获得与晶体生长时不同或相反的径向温度梯度，可显著降低晶体的径向应力。

(2)本发明还通过控制坩埚下方的多个第二加热环和坩埚侧面的第三加热环的加热温度，实现了坩埚的轴向温度梯度，可获得与晶体生长时不同或相反的轴向温度梯度，能实现残余热应力的基本消除，能完美解决晶锭开裂、晶片开裂、裂纹崩边、晶体面型很大的问题。

(3)本发明使用单独的坩埚进行退火处理，相对于使用长晶炉的原位退火，不会降低长晶炉的产能。

(4)本发明装置通过独立设置的加热环，能实现对坩埚不同部分区域的加热，可实现坩埚中径向温度梯度根据不同情况变化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明退火处理装置的剖面示意图；

图2为本发明退火处理装置在一实施例中的剖面示意图；

图3为本发明加热装置的俯视图；

图4为本发明加热装置剖面示意图；

图5为本发明退火处理装置的结构示意图；

图6为本发明实施例样品1的高分辨XRD图；

其中，1、坩埚；2、第一加热环；3、第二加热环；4、第三加热环；5、温度控制装置；6、温度测量装置；7、晶体。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如无特别说明，本发明实施例中的原料和试剂均通过商业途径购买。

本发明的晶体退火处理装置可用于碳化硅晶体的退火处理，但不限于碳化硅晶体的退火处理，本发明以碳化硅晶体为例进行说明该退火处理装置的结构和使用方法。

实施例1：本发明用于碳化硅晶体退火处理的装置，其具体结构如下：

如图1～3所示，本发明的晶体退火处理的装置包括坩埚1以及对所述坩埚1进行加热的加热装置，所述加热装置包括分布于坩埚1上方的多个第一加热环2、分布于坩埚下方的多个第二加热环3，和设置于坩埚侧面的多个第三加热环4；其中所述多个第一加热环2以坩埚1中心的上方为圆心同心设置，多个第二加热环3以坩埚1中心的下方为圆心同心设置，且第一加热环2与第二加热环3为对称设置。

本发明利用第一加热环2对坩埚1顶部进行加热，可实现坩埚1径向的温度梯度，可获得与晶体生长不同或相反的径向温度梯度，显著降低晶体的径向应力。本发明还利用第二加热环3，实现坩埚1上方的温度与坩埚1下方的温度差，且利用坩埚1侧面的第三加热环4，实现坩埚1轴向的温度梯度，可获得与晶体生长不同或相反的轴向温度梯度，可显著降低晶体的轴向应力。由于每个加热环为独立设置，可分别控制不同加热环的温度，实现对坩埚1部分区域的温度控制。晶体生长过程中，生长表面的温度比籽晶面的温度高，同一平面上晶体中心的温度比晶体边缘的小，因此，可根据晶体生长的温度梯度，控制坩埚内的退火温度与生长温度梯度不同或相反，可使得晶体退火时处于一个与生长不同或完全相反的径向和轴向温度梯度，在晶体生长阶段产生的内部应力在退火阶段通过反向的温度梯度得以消除。

在一个具体实施例中，所述多个第一加热环2以坩埚1中心的上方为圆心同心设置，多个第二加热环3以坩埚1中心的下方为圆心同心设置，且第一加热环2与第二加热环3为对称设置；多个第三加热环4为轴向同心设置。将第一加热环2、第二加热环3、第三加热环4均匀分布于坩埚的四周，使得加热的温度场处于一个较稳定的状态，有利于实现晶体生长应力的基本消除。

在一个具体实施例中，如图5所示，所述多个第一加热环2、多个第二加热环3和第三加热环3的加热温度分别由温度控制装置控制，所述第一加热环2、第二加热环3和第三加热环4对应坩埚区域的温度分别由温度测量装置测得。

在优选实施例中，所述第一加热环2和/或第二加热环3的数量为3～6个，更优选为4～5个。由于第一加热环2和第二加热环3为上下对称分布，第一加热环2和第二加热环3的数量相同。第一加热环2为一组同心设置的圆环结构，位于圆环中心的加热环可以近似为实心圆结构，由于要实现径向的温度梯度的变化和控制，加热环的数量不能太少。如图1、3中所示，第一加热环2和/或第二加热环3的数量为4个。所述第三加热环4的数量为2～4个，由于坩埚的高度比较低，只要其内部可放置需要退火的晶体即可。所以第三加热环4的数量不需要设置的太多。如图中所示，第三加热环4的数量为2个，2个第三加热环4的温度可以设置为相同或不同，可将靠下设置的第三加热环的温度略高于靠上设置的第三加热环的温度，第三加热环4设置的温度位于第一加热环2和第二加热环3设置的温度中间值，形成坩埚1轴向上从下向上温度降低的趋势。为了实现更加均匀的加热温度梯度，将相邻第一加热环2或第二加热环3的间距设置为相等，多个第三加热环在坩埚轴向均匀分布，例如将两个第三加热环分别设置在坩埚高度的1/3和2/3处。

本发明中，每个加热环温度分别温度控制装置5调节，控制不同坩埚部分区域的加热温度，加热后的温度通过温度测量装置6得到。温度控制装置5和温度测量装置6可集成设置在一起，温度测量装置6与温度控制装置5电连接，温度测量装置6与温度控制装置5由总的控制器控制，能够实现温度的智能控制；温度测量装置6包括设置于坩埚1部分区域上的高温计，用于测量坩埚部分区域的温度。

在一个具体实施例中，所述第一加热环2、第二加热环3和第三加热环4的材质均为石墨。石墨加热环的稳定性好，导热性高，能确保被加热的坩埚内部处于一个比较稳定的温度场。

在一个具体实施例中，所述坩埚1为石墨坩埚，石墨坩埚包括坩埚体和盖于坩埚体上方的坩埚盖，所述坩埚体底部中心设置有上下可调节的底座，底座上用于放置需要退火的晶体；所述坩埚体连通有真空系统。优选的，坩埚1的高度小于其直径。

本发明的坩埚1在使用时，通过将需要退火的晶体从坩埚体上方放入坩埚体的底座上，调节底座可将需要退火的晶体位于坩埚的大致中心位置，使得需要退火的晶体处于坩埚内部温度场的中心位置，更有利于晶体内部应力的消除。由于坩埚只用于对晶体退火，与原位退火处理的坩埚还需要用于晶体生长不同，本发明坩埚1的高度只要适用于晶体的厚度即可，因此，设置的坩埚1的高度小于其直径。

本发明的坩埚体内底部中心设置有上下可调节的底座，用于底座的调节结构可以为本领域常规使用的调节结构，在一个示例中，底座可连接调节结构，调节结构包括支撑杆、滚珠丝杆、丝杆螺母和电机，支撑杆一端与底座固接，另一端穿过坩埚底部中心与丝杆螺母连接；滚珠丝杆与丝杆螺母螺纹配合，电机通过联轴器带动滚珠丝杆转动。

本发明的坩埚体连通有真空系统，真空系统用于对坩埚内部抽真空或者通气将坩埚内部恢复至一个大气压。所述真空系统可以为本领域常规使用的真空系统，在一个示例中，真空系统包括真空泵、真空规和放气阀，真空泵、真空规和放气阀分别通过管路与坩埚内部连接。真空泵用于对坩埚内部抽真空，真空规用于检测坩埚内部的真空情况，放气阀用于通气以将坩埚内部恢复至一个大气压。

在一个优选实施例中，所述装置还包括保温层7，保温层7设置于第一加热器、第二加热器和第三加热器的外围。具体示例中，保温层7为石墨毡，将第一加热器、第二加热器和第三加热器设置于保温层7的内侧，使得第一加热器、第二加热器和第三加热器只用于对坩埚1内部加热，使得第一加热器、第二加热器和第三加热器加热的热量不对外扩散，可实现坩埚内温度的精确控制。

实施例2：晶体的退火处理方法

根据本申请的实施方式，一种使用实施例1所述的装置进行晶体退火处理的方法包括：

(1)准备阶段：把需要退火的晶体(6寸)放进坩埚1，抽真空和通入惰性气体(Ar气)，使得坩埚1内压力控制在200～900mbar，Ar气流量控制在50～500ml/min；

(2)加热阶段：如图4所示，同时控制所有加热环(第一加热环A1、A2、A3、A4，第二加热环B1、B2、B3、B4，第三加热环S1、S2)开始同步加热，加热到T1(1700～2300℃)，保温1～10h；

在晶体生长过程中，生长表面的温度比籽晶面的温度高，同一平面上晶体中心的温度比晶体边缘的小。因此在这一阶段，我们以上一步的温度T1为起点，控制所有第一加热环2、第二加热环3的加热功率，可上下一起控制，使位于中心处A1、B1加热环的温度最高，到边缘均匀降低，但保持上下方对应部位区域的加热温度一样(A1与B1温度相同，A2与B2温度相同，A3与B3温度相同，A4与B4温度相同)，控制径向温度梯度X，其中X为5～50℃，即控制A4与B4的温度为T1，A3比A4高X，A2比A3高X，A1比A2高X，B3比B4高X，B2比B3高X，B1比B2高X；

在此基础上，控制沿轴向坩埚下方的第二加热环的加热温度比坩埚上方的温度高Y，其中Y为10～100℃。即在A4的温度为T1时，控制B4比A4高Y，B3比A3高Y，B2比A2高Y，B1比A1高Y。控制坩埚侧面第三加热环的温度，使第三加热环的加热温度在A4与B4之间，即在A4的温度为T1时，S1的温度为T1+1/3Y，S2的温度为T1+2/3Y；

然后保持住此时的温度(和晶体生长时完全相反的温度梯度)1～10h；

(3)降温和通气阶段：控制所有温度高于T1处的加热环的功率，使这部分区域降温，降温过程使坩埚所有位置的温度均为T1，然后所有区域一起以T1为起点以50～250℃/h速度降到室温；通Ar气直到炉腔内气压于外界持平，取出退火晶体。

具体的实施条件如表1所示：

表1本发明实施例样品的退火工艺参数

此外，设置2个对比例，对比例1中没有设置坩埚上方的第二加热环和坩埚下方的第三加热环，其余参数设置与样品1相同，退火后得到对比样品1。对比例2中将第二加热环和第三加热环的数量为两个，两个第二加热环和两个第三加热环的温度差均为10℃，其余参数设置与样品1相同，退火后得到对比样品2。

对样品1～6及对比样品1～2的所有样品的晶体质量进行检测。其中晶体四个点的厚度分别在长晶结束后用游标卡尺测量得到，结晶质量用高分辨XRD测量得出，样品1的高分辨XRD图像见图6，所有样品的测试结果见表2。

表2所有样品的晶体质量的检测结果

如表2的结果所示，本发明实施例退火处理后晶片的几何参数比较理想，翘曲度(Warp)的变化范围在16～19μm、弯曲度(Bow)变化范围在10～14μm、总厚度变化(TTV)的变化范围在4～5μm，远小于行业的标准，且得到的晶片无任何崩边和开裂。相较于实施例1，对比例1没有设置坩埚上方和坩埚下方的加热环，对比例2设置的加热环数量过少，均不能形成径向和轴向温度梯度的变化，得到的晶片的Warp、Bow和TTV数值较大，晶片有崩边和开裂，质量太差。由此说明，本发明通过设置位于坩埚上方和坩埚下方的多个加热环，形成径向和轴向温度梯度的变化，能基本消除降低晶体内的应力，显著提高了晶体的质量。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低晶体内部应力的退火处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)准备阶段：将需要退火处理的晶体放置于坩埚中，对坩埚进行抽真空和通入惰性气体；

(2)加热阶段，利用加热装置对所述坩埚进行加热，加热过程中，分别控制加热装置中同心设于坩埚上方的多个第一加热环的加热温度，使坩埚形成径向的温度梯度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加热过程中，还分别控制加热装置中同心设于坩埚下方的多个第二加热环的加热温度，使沿轴向坩埚的上方与坩埚的下方形成温度差；

优选的，温度差为10～100℃；更优选的，温度差为40～70℃；更优选的，温度差为55℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，坩埚的径向温度梯度为5～50℃，优选的，坩埚的径向温度梯度为20～30℃，更优选的，坩埚的径向温度梯度为25℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加热过程中，还分别控制坩埚侧面的多个第三加热环的加热温度，使坩埚形成轴向的温度梯度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用加热装置对所述坩埚进行加热，使得坩埚温度为1700～2300℃，保温后分别控制加热装置中第一加热环、第二加热环和第三加热环的加热温度对坩埚部分区域继续加热。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在加热之后对坩埚进行降温和将坩埚压力恢复为大气压的步骤；

优选的，将坩埚部分区域均降温至同一温度后，以该温度为起点缓慢降至室温。

7.一种降低晶体内部应力的退火处理装置，其特征在于，该装置包括坩埚和对所述坩埚进行加热的加热装置，所述加热装置包括分布于坩埚上方的多个第一加热环，所述第一加热环以坩埚中心的上方为圆心同心设置。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述加热装置还包括分布于坩埚下方的多个第二加热环，第二加热环以坩埚中心的下方为圆心同心设置，且多个第一加热环和多个第二加热环为对称设置。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述加热装置还包括设置于坩埚侧面的第三加热环；

优选的，所述第一加热环、第二加热环和第三加热环的加热温度分别由温度控制装置控制，所述第一加热环、第二加热环和第三加热环对应坩埚区域的温度分别由温度测量装置测得；

优选的，所述第一加热环、第二加热环和第三加热环的材质均为石墨；

优选的，所述第一加热环和/或第二加热环的数量为3～6个，更优选为4～5个；

优选的，相邻两个第一加热环或第二加热环的间距相等；

优选的，第三加热环坩埚数量为2～4个，更优选为2个。

10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述坩埚为石墨坩埚，石墨坩埚包括坩埚体和盖于坩埚体上方的坩埚盖，所述坩埚体连通有真空系统；

优选的，所述坩埚体内底部中心设置有上下可调节的底座，底座上用于放置需要退火的晶体。

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