CN217733352U - 一种碳化硅籽晶真空粘接的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳化硅籽晶真空粘接的设备，涉及半导体技术领域，包括移载机构、真空粘接机构和真空热压机构，真空粘接机构包括真空室，以及设置于真空室内的上升降组件和升降定位组件，真空室内为真空环境，上升降组件位于升降定位组件上方，移载机构能够将真空旋涂后的籽晶移动至升降定位组件，上升降组件用于带动籽晶托垂直下压升降定位组件上的籽晶，且移载机构还能够带动相互接触的籽晶托和籽晶移动至真空热压机构，通过真空热压机构对籽晶托和籽晶真空热压。该碳化硅籽晶真空粘接的设备能够保证粘接过程中的稳定、可控和无气泡。

Description

一种碳化硅籽晶真空粘接的设备

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体是涉及一种碳化硅籽晶真空粘接的设备。

背景技术

目前碳化硅的制备方法主要为物理气相传输法(PVT)、液相外延法(LPE)、高温化学气相沉积(HTCVD)等，其中最成熟、最常用的方法为PVT，利用PVT制备碳化硅工艺过程包括籽晶处理、热场处理、粉料处理、长晶参数调整等等，籽晶粘接是最为关键的一步，籽晶与石墨坩埚的粘接牢固性直接影响到了气相传输的稳定型，从而影响碳化硅的生长质量。在籽晶粘接过程中，由于胶水种类的不同、人工操作的不稳定性、外部环境的差异、粘接工艺的选择都会造成籽晶与籽晶托之间存在气隙，这些气隙在高温下就会变成“热空腔缺陷”，籽晶背向升华，引发六方空洞、微管等缺陷。因此，如何消除籽晶粘接存在的问题，获得高质量的碳化硅晶锭，是目前亟需解决的问题。

中国专利CN114561695A公布了一种籽晶和籽晶托的粘接装置以及粘接方法，通过设置n个不同的施压单元，依次向籽晶施压，通过该技术方案，减少了籽晶与籽晶托之间的微空腔缺陷，但是胶水本身含有的气泡以及按压过程中产生的气泡仍避免不了。

中国专利CN114395803A公布了一种减少碳化硅籽晶背向升华的粘接结构与粘接方法，通过在籽晶边缘设置环形保护层，使籽晶与坩埚内壁不留空隙，能够有效减少碳化硅籽晶边缘烧蚀和晶体中空洞缺陷的出现。

目前公布的专利中，籽晶与籽晶托粘接过程都是在大气中操作的，自动化程度低，容易产生气泡等缺陷，同时产品稳定性差，良率低，不适合大规模工业生产中使用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种碳化硅籽晶真空粘接的设备，以解决上述现有技术存在的问题，能够保证粘接过程中的稳定、可控和无气泡。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供了一种碳化硅籽晶真空粘接的设备，包括移载机构、真空粘接机构和真空热压机构，所述真空粘接机构包括真空室，以及设置于所述真空室内的上升降组件和升降定位组件，所述真空室内为真空环境，所述上升降组件位于所述升降定位组件上方，所述移载机构能够将真空旋涂后的籽晶移动至所述升降定位组件，所述上升降组件用于带动籽晶托垂直下压所述升降定位组件上的籽晶，且所述移载机构还能够带动相互接触的籽晶托和籽晶移动至所述真空热压机构，通过所述真空热压机构对籽晶托和籽晶真空热压。

优选地，所述真空室的上端通过上盖封闭，所述真空室的下端通过下盖封闭。

优选地，所述上升降组件包括上传动元件、上密封元件和粘接压头，所述上传动元件安装于所述上盖上，且所述上传动元件与所述粘接压头的上端连接，所述粘接压头能够在所述上传动元件的带动下升降，所述粘接压头的下端穿过所述上盖的中部并伸入所述真空室内，所述上密封元件安装于所述上盖上对应所述粘接压头的位置，且所述上密封元件用于对所述粘接压头外周与所述上盖之间密封，且所述粘接压头的下端用于与籽晶托能够拆卸连接。

优选地，所述升降定位组件包括定位平台、周向限位平台、升降轴、下密封元件和下传动元件，所述下传动元件安装于所述下盖的下端，且所述下传动元件与所述升降轴的下端连接，所述升降轴的上端与所述定位平台连接，所述周向限位平台安装于所述下盖上端并围绕所述定位平台周向设置，所述下密封元件安装于所述下盖上对应所述升降轴的位置，且所述下密封元件用于对所述升降轴外周与所述下盖之间密封，所述下传动元件用于带动所述升降轴升降，并使所述升降轴带动所述定位平台相较于所述周向限位平台升降，所述定位平台上用于放置籽晶。

优选地，所述真空粘接机构还包括第一抽真空系统，所述第一抽真空系统用于对所述真空室内抽真空。

优选地，所述真空热压机构包括热压密封元件、热压压头、炉体，以及位于所述炉体内的加热元件和支座，所述热压压头安装于所述炉体的上端，且所述热压压头的下端伸入所述炉体内并用于连接接触有籽晶的籽晶托，所述热压密封元件安装于所述炉体上端对应所述热压压头的位置，且所述热压密封元件用于对所述热压压头外周与所述炉体之间密封，所述支座安装于所述炉体内，且所述加热元件安装于所述支座的上端，所述加热元件上端用于放置接触有籽晶托的籽晶，并用于配合所述热压压头对籽晶和籽晶托热压。

优选地，所述炉体内还设有保温层，所述保温层用于对所述炉体内保温。

优选地，所述真空热压机构还包括第二抽真空系统，所述第二抽真空系统用于对所述炉体内抽真空。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型提供的碳化硅籽晶真空粘接的设备，真空粘接机构包括真空室，以及设置于真空室内的上升降组件和升降定位组件，真空室内为真空环境，进而通过真空室内的真空环境对籽晶上涂覆的胶水中的气泡进行消除，上升降组件位于升降定位组件上方，移载机构能够将真空旋涂后的籽晶移动至升降定位组件，上升降组件用于带动籽晶托垂直下压升降定位组件上的籽晶，以在真空环境下保证籽晶托和籽晶之间为垂直接触，避免籽晶与籽晶托之间存在气隙，影响碳化硅晶锭的质量，同时，相较于现有的人工操作，不仅提高自动化程度，还避免了人为操作误差的不可控性，移载机构还能够带动相互接触的籽晶托和籽晶移动至真空热压机构，通过真空热压机构对籽晶托和籽晶真空热压，最终实现稳定粘接，形成碳化硅晶锭。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例一提供的碳化硅籽晶真空粘接的设备中真空粘接机构的结构示意图；

图2是实施例一提供的碳化硅籽晶真空粘接的设备中真空热压机构的结构示意图；

图3是实施例二提供的碳化硅籽晶真空粘接的方法流程图；

图中：100-真空粘接机构，200-真空热压机构，300-移载机构，1-第一抽真空系统，2-上盖，3-真空室，4-下盖，5-上传动元件，6-上密封元件，7-粘接压头，8-籽晶托，9-缓冲层，10-籽晶，11-定位平台，12-周向限位平台，13-升降轴，14-下密封元件，15-下传动元件，16-第二抽真空系统，17-炉体，18-热压密封元件，19-热压压头，20-加热元件，21-支座，22-保温层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种碳化硅籽晶真空粘接的设备，以解决现有的碳化硅籽晶粘接可控性差、容易产生气泡，影响产品质量的技术问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图2所示，本实施例提供一种碳化硅籽晶真空粘接的设备，包括移载机构300、真空粘接机构100和真空热压机构200，真空粘接机构100包括真空室3，以及设置于真空室3内的上升降组件和升降定位组件，真空室3内为真空环境，进而通过真空室3内的真空环境对籽晶10上涂覆的胶水中的气泡进行消除，上升降组件位于升降定位组件上方，移载机构300能够将真空旋涂后的籽晶10移动至升降定位组件，上升降组件用于带动籽晶托8垂直下压升降定位组件上的籽晶10，以在真空环境下保证籽晶托8和籽晶10之间为垂直接触，避免籽晶10与籽晶托8之间存在气隙，影响碳化硅晶锭的质量，同时，相较于现有的人工操作，不仅提高自动化程度，还避免了人为操作误差的不可控性，移载机构300还能够带动相互接触的籽晶托8和籽晶10移动至真空热压机构200，通过真空热压机构200对籽晶托8和籽晶10真空热压，最终实现稳定粘接，形成碳化硅晶锭。

具体地，真空室3的上端通过上盖2封闭，真空室3的下端通过下盖4封闭，进而能够在需要对籽晶10及籽晶托8转移时，将真空室3打开，便于移载机构300操作，同时，在真空粘接过程中，将真空室3封闭，以便于形成真空环境。

上升降组件包括上传动元件5、上密封元件6和粘接压头7，上传动元件5安装于上盖2上，且上传动元件5与粘接压头7的上端连接，粘接压头7能够在上传动元件5的带动下升降，进而实现带动籽晶托8向靠近籽晶10的方向移动至与籽晶10接触，优选的，在籽晶托8的下端设有缓冲层9，缓冲层9材料为石墨纸、碳化钽、碳化铌中的一种或几种，避免对籽晶10造成损伤，粘接压头7的下端穿过上盖2的中部并伸入真空室3内，上密封元件6安装于上盖2上对应粘接压头7的位置，且上密封元件6用于对粘接压头7外周与上盖2之间密封，便于真空环境的形成，粘接压头7的下端用于与籽晶托8能够拆卸连接，优选为通过螺纹或法兰连接，便于安装与拆卸。上传动元件5的具体结构可以选用丝杠传动、齿轮齿条传动、直线电机驱动等，只要能够实现粘接压头7的升降即可。

升降定位组件包括定位平台11、周向限位平台12、升降轴13、下密封元件14和下传动元件15，下传动元件15安装于下盖4的下端，且下传动元件15与升降轴13的下端连接，升降轴13的上端与定位平台11连接，进而能够实现通过下传动元件15带动升降轴13和定位平台11升降，以便于对籽晶10进行限位，以及便于籽晶10与籽晶托8的稳定接触，周向限位平台12安装于下盖4上端并围绕定位平台11周向设置，通过周向限位平台12对籽晶10进行周向限位，避免籽晶10发生偏移，影响粘接质量，下密封元件14安装于下盖4上对应升降轴13的位置，且下密封元件14用于对升降轴13外周与下盖4之间密封，以便于形成真空环境，下传动元件15用于带动升降轴13升降，并使升降轴13带动定位平台11相较于周向限位平台12升降，定位平台11上用于放置籽晶10，在将籽晶10放入定位平台11后，先通过下传动元件15带动定位平台11下降至定位平台11上端面低于周向限位平台12上端面，以防止籽晶10在抽真空过程中发生横向位移，在与籽晶托8粘接时，通过下传动元件15带动定位平台11上升至籽晶10高于周向限位平台12上端面，保证籽晶托8下压时与籽晶10接触，不会与周向限位平台12发生干涉。下传动元件15的具体结构可以选用丝杠传动、齿轮齿条传动、直线电机驱动等，只要能够实现粘接压头7的升降即可。

真空粘接机构100还包括第一抽真空系统1，第一抽真空系统1用于对真空室3内抽真空。

真空热压机构200包括热压密封元件18、热压压头19、炉体17，以及位于炉体17内的加热元件20和支座21，热压压头19安装于炉体17的上端，且热压压头19的下端伸入炉体17内并用于连接接触有籽晶10的籽晶托8，以便于对籽晶10和籽晶托8进行热压，热压密封元件18安装于炉体17上端对应热压压头19的位置，且热压密封元件18用于对热压压头19外周与炉体17之间密封，以便于形成真空环境，支座21安装于炉体17内，且加热元件20安装于支座21的上端，加热元件20上端用于放置接触有籽晶托8的籽晶10，并用于配合热压压头19对籽晶10和籽晶托8热压，以形成碳化硅晶锭。对于上密封元件6、下密封元件14以及热压密封元件18的具体结构，可以选用密封圈、轴套或法兰等。

炉体17内还设有保温层22，保温层22用于对炉体17内保温，减少热量损失。

真空热压机构200还包括第二抽真空系统16，第二抽真空系统16用于对炉体17内抽真空。

对于移载机构300的具体结构，可以是输送带、吸盘或机器人末端执行机构等，在本实施例中优选为机器人末端执行机构，能够实现拿取与转运。

实施例二

如图3所示，本实施例提供了一种碳化硅籽晶真空粘接的方法，使用实施例一中的碳化硅籽晶真空粘接的设备，包括以下步骤：

S1：对籽晶10进行真空旋涂、固化、碳化，得到带有玻璃碳涂层的籽晶10；对带有玻璃碳涂层的籽晶10进行真空旋涂胶水，以便于后序与籽晶托8粘接，真空旋涂的胶水为改性酚醛树脂、聚酰亚胺、环氧树脂、光刻胶、糖醇中的一种或几种；

S2：使用移载机构300将带有胶水的籽晶10移至升降定位组件处，并通过升降定位组件对籽晶10定位，以便于籽晶10与籽晶托8对准；

S3：将真空室3闭合，并对真空室3内抽真空，进而提供真空环境，且保证粘接时真空室3内压力为10^-2pa～10^-1pa；

S4：通过上升降组件带动籽晶托8垂直向下移动，并使籽晶托8与籽晶10相互接触，以在真空环境下保证籽晶托8和籽晶10之间为垂直接触，避免籽晶10与籽晶托8之间存在气隙，减少微管、六方空洞缺陷的生成，提高碳化硅晶锭的质量，进而提高良品率，降低生产成本；

S5：将真空室3内压力卸载为0，使用移载机构300将接触在一起的籽晶10与籽晶托8移动至真空热压机构200进行真空热压，最终形成碳化硅晶锭。

作为具体的应用实施例

当生产导电型碳化硅时：

步骤一，取一片质量较好的碳化硅衬底作为碳化硅生长用的籽晶10，清洗籽晶10，对籽晶10进行真空旋涂，旋涂的胶水选择酚醛树脂+糖醇，酚醛树脂与糖醇质量比为1～1.5：1，旋涂工艺参数：转速为2500rpm～3500rpm，时间为30s～180s；经固化和碳化后形成玻璃碳涂层，玻璃碳涂层厚度为1um～30um，固化温度为100℃～200℃，碳化温度为600℃～2200℃，碳化时真空度为1*10^-4pa～1*10^-3pa。

步骤二，将碳化后籽晶10真空旋涂胶水，旋涂工艺参数：转速为2500rpm～3500rpm，时间为30s～180s；旋涂后利用移载机构300将籽晶10移动至定位平台11，并通过周向限位平台12对籽晶10周向定位；同时将带有缓冲层9的籽晶托8与粘接压头7连接，连接方式为螺纹连接，缓冲层9材料为石墨纸、碳化钽、碳化铌中的一种或几种；

步骤三，通过下传动元件15将定位平台11降至固定位置；

步骤四，将真空室3密封，启动第一抽真空系统1，并保证真空室3内部压力控制在10^-2pa～10^-1pa；通过下传动元件15将籽晶10升至与周向限位平台12水平；

步骤五，通过上传动元件5带动籽晶托8向下运动，使籽晶10与籽晶托8相互接触；

步骤六，卸载真空室3中压力，使真空室3压力为1atm，通过移载机构300将籽晶10与籽晶托8移至真空热压机构200中，将炉体17闭合，对炉体17内抽真空，保证真空度在1*10^-4pa～1*10^-3pa；

步骤七，炉体17内加热采用阶梯式加热，升温速率为1℃/min～5℃/min，最大升温为800℃～1600℃。

步骤八，经真空热压后，从炉体17中取出粘接好的籽晶10进行长晶实验，

步骤九，长晶采用物理气相传输法进行实验，载气为氩氮混合气，长晶温度为2000℃～2400℃，长晶时间为120h，长晶压力为8mbar～30mbar。

利用实施例一和实施例二制备的4H碳化硅晶片微管密度可达到0.2/cm²，无多型、六方空洞缺陷，碳包裹物≤0.05％，电阻率为0.02Ω·cm。

当生产半绝缘型碳化硅时：

步骤一，取一片质量较好的碳化硅衬底作为碳化硅生长用的籽晶10，清洗籽晶10，对籽晶10进行真空旋涂，旋涂的胶水选择酚醛树脂+糖醇，酚醛树脂与糖醇质量比为1～1.5：1，旋涂工艺参数：转速为2500rpm～3500rpm，时间为30s～180s；经固化和碳化后形成玻璃碳涂层，玻璃碳涂层厚度为1um～30um，固化温度为100℃～200℃，碳化温度为600℃～2200℃，碳化时真空度为1*10^-4pa～1*10^-3pa。

步骤二，将碳化后籽晶10真空旋涂胶水，旋涂工艺参数：转速为2500rpm～3500rpm，时间为30s～180s；旋涂后利用移载机构300将籽晶10移动至定位平台11，通过周向限位平台12对籽晶10周向定位；同时将带有缓冲层9的籽晶托8与粘接压头7连接，连接方式为螺纹连接，缓冲层9材料为石墨纸、碳化钽、碳化铌中的一种或几种；

步骤三，通过下传动元件15将定位平台11降至固定位置；

步骤四，将真空室3密封，启动第一抽真空系统1，并使真空室3内部压力控制在10^{- 2}pa～10^-1pa；通过下传动元件15将籽晶10升至与周向限位平台12水平；

步骤五，通过上传动元件5带动籽晶托8向下运动，使籽晶10与籽晶托8相互接触；

步骤六，卸载真空室3中压力，使真空室3压力为1atm，通过移载机构300将籽晶10与籽晶托8移至真空热压机构200中，将炉体17闭合，对炉体17内抽真空，保证真空度在1*10^-4pa～1*10^-3pa；

步骤七，炉体17内加热采用阶梯式加热，升温速率为1℃/min～5℃/min，最大升温为800℃～1600℃；

步骤八，经真空热压后，从炉体17中取出粘接好的籽晶10进行长晶实验；

步骤九，长晶采用物理气相传输法进行实验，载气为氩氢混合气，长晶温度为2000℃～2400℃，长晶时间为120h，长晶压力为8mbar～30mbar。

利用实施例一和实施例二制备的4H碳化硅晶片微管密度可达到0.2/cm²，无多型、六方空洞缺陷，碳包裹物≤0.05％，电阻率为8.29x10¹⁰Ω·cm。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：包括移载机构、真空粘接机构和真空热压机构，所述真空粘接机构包括真空室，以及设置于所述真空室内的上升降组件和升降定位组件，所述真空室内为真空环境，所述上升降组件位于所述升降定位组件上方，所述移载机构能够将真空旋涂后的籽晶移动至所述升降定位组件，所述上升降组件用于带动籽晶托垂直下压所述升降定位组件上的籽晶，且所述移载机构还能够带动相互接触的籽晶托和籽晶移动至所述真空热压机构，通过所述真空热压机构对籽晶托和籽晶真空热压。

2.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：所述真空室的上端通过上盖封闭，所述真空室的下端通过下盖封闭。

3.根据权利要求2所述的碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：所述上升降组件包括上传动元件、上密封元件和粘接压头，所述上传动元件安装于所述上盖上，且所述上传动元件与所述粘接压头的上端连接，所述粘接压头能够在所述上传动元件的带动下升降，所述粘接压头的下端穿过所述上盖的中部并伸入所述真空室内，所述上密封元件安装于所述上盖上对应所述粘接压头的位置，且所述上密封元件用于对所述粘接压头外周与所述上盖之间密封，且所述粘接压头的下端用于与籽晶托能够拆卸连接。

4.根据权利要求2所述的碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：所述升降定位组件包括定位平台、周向限位平台、升降轴、下密封元件和下传动元件，所述下传动元件安装于所述下盖的下端，且所述下传动元件与所述升降轴的下端连接，所述升降轴的上端与所述定位平台连接，所述周向限位平台安装于所述下盖上端并围绕所述定位平台周向设置，所述下密封元件安装于所述下盖上对应所述升降轴的位置，且所述下密封元件用于对所述升降轴外周与所述下盖之间密封，所述下传动元件用于带动所述升降轴升降，并使所述升降轴带动所述定位平台相较于所述周向限位平台升降，所述定位平台上用于放置籽晶。

5.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：所述真空粘接机构还包括第一抽真空系统，所述第一抽真空系统用于对所述真空室内抽真空。

6.根据权利要求1所述的碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：所述真空热压机构包括热压密封元件、热压压头、炉体，以及位于所述炉体内的加热元件和支座，所述热压压头安装于所述炉体的上端，且所述热压压头的下端伸入所述炉体内并用于连接接触有籽晶的籽晶托，所述热压密封元件安装于所述炉体上端对应所述热压压头的位置，且所述热压密封元件用于对所述热压压头外周与所述炉体之间密封，所述支座安装于所述炉体内，且所述加热元件安装于所述支座的上端，所述加热元件上端用于放置接触有籽晶托的籽晶，并用于配合所述热压压头对籽晶和籽晶托热压。

7.根据权利要求6所述的碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：所述炉体内还设有保温层，所述保温层用于对所述炉体内保温。

8.根据权利要求6所述的碳化硅籽晶真空粘接的设备，其特征在于：所述真空热压机构还包括第二抽真空系统，所述第二抽真空系统用于对所述炉体内抽真空。

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