CN219218223U - 一种快速退火设备 - Google Patents

Abstract

一种快速退火设备，其可适用于碳化硅晶圆的回火处理。包含变频微波功率源系统、共振腔加热系统及测控系统。变频微波功率源系统使用固态功率放大器并具有在热处理过程中快速频率扫描的灵活性。共振腔加热系统的共振腔的晶圆承载基除固定碳化硅晶圆外，可吸收部分微波产生热量并均匀地传导到碳化硅晶圆上，且同时允许大部分微波穿透以加热碳化硅晶圆，还能防止碳化硅晶圆边缘发生过热现象。为提高能量使用效率及提供足够的微波能量均匀区域，采用TM₀₁₀的共振腔结构，可对4寸至8寸碳化硅晶圆进行退火处理。本实用新型的快速退火设备借由对硬件的改进以克服现有技术由硬件所导致的问题，为整个设备提供了进一步的灵活性、稳定性和可靠性。

Description

一种快速退火设备

技术领域

本实用新型是有关于一种半导体设备，特别是有关于一种快速退火设备。

背景技术

碳化硅(SiC)具有宽带隙、高击穿电场、高热导率和出色的化学惰性使成为制造高温、高功率和高频器件的重要半导体材料。而离子注入是制造SiC半导体元件不可少的技术。同时退火(annealing)是离子注入后去除晶格损伤和活化注入离子的必要步骤。对于碳化硅而言，需要在大于1,500℃的温度下进行离子注入后退火，才达到制程效果。

传统退火通常在电阻加热或低频感应加热的陶瓷炉中进行。然而陶瓷炉的加热/冷却速率慢(20℃/min)，这使得在超过1,500℃以上的温度下进行碳化硅退火变得困难。因为如果碳化硅在超过1,400℃的温度下长时间暴露时，基板表面上组成物质会升华和再沉积(通常称为阶梯群聚(step bunching))，造成碳化硅晶圆表面粗糙度增加，这限制了最大退火温度。这种对退火温度的限制可能导致无法充分活化注入离子，从而造成较高的接触和沟道区电阻。同时过大的表面粗糙度会对碳化硅元件的性能产生负面影响，其中之一是反型层迁移率(inversion layer mobility)的下降，导致碳化硅MOSFET具有较高的导通电阻。最近，虽然已有几种封盖技术(capping technology)提出以抑制上述的问题。然而，这些技术仍有其最高温度限制并且需要复杂的处理步骤。此外，碳化硅长时间暴露在高温下会导致形成富碳表面并最终形成石墨表面。传统退火的另一个不良影响是注入的硼离子发生外扩散和内扩散。

传统退火除上述的问题外，在运作上亦有其缺点，第一个问题在于热效率。炉体的散热以辐射为主，辐射量与温度的四次方成正比增加。所以，如果要加热的区域很宽，则加热所需的能量效率显著降低。对于电阻加热炉，通常采用双管结构，以避免加热器污染。因此，要加热的区域变得更宽。另外，由于双管的存在使得被加热材料远离热源，所以需要将加热器设定为高于被加热材料的温度，这也成为大大降低效率的因素。因此，加热系统的热容量变得非常大，升温或降温都需要很长时间。上述即为降低生产量的因素，及加剧被加热材料的表面粗糙度的因素。

传统退火第二个问题与加热炉的材料的浪费有关。由于能够承受1,500℃以上温度并被用作加热炉的材料是有限的，所以需要高熔点的高纯度材料。传统能够用于碳化硅退火炉的材料是石墨及碳化硅烧结体。然而，这些材料昂贵，如果炉体很大，则更换需要相当大的成本。同时温度越高，炉体的使用寿命越短，更换成本远高于一般硅晶圆退火的工艺。

因此为避免传统退火技术因加热速度过慢而导致碳化硅晶圆的表面劣化的问题，快速退火技术的发展成为关键。虽然卤素灯和激光的技术可以达到快速热处理，但仍存在一些问题，例如最高可达到的退火温度、表面熔化、残留缺陷密度大以及植入物的重新分布。相对的，微波加热则成为有效的碳化硅快速退火的方法。

碳化硅能有效的吸收微波能量(300MHz-300GHz)，运用适当设计的退火系统，微波可以提供碳化硅晶圆非常快的加热和冷却速率以及对退火时间的良好控制。微波具有选择性加热的特点，因为微波仅被半导体晶圆吸收，而不会被周围环境吸收，退火加热速率非常快。同时在快速退火过程中，碳化硅晶圆周围的环境的温度的提升有限，当微波源关闭后碳化硅晶圆冷却速率可以很高。在与传统退火技术比较，利用微波进行碳化硅退火，结果显示加热速率可以超过600℃/s，温度可高达2,000℃。在1,850℃下进行35秒的微波退火产生的表面粗糙度为2nm；相较之下使用传统退火技术在1,500℃下，进行15分钟表面粗糙度则为6nm。同时在薄层电阻及注入元素再分布的深度方面，微波退火都显示较优异的表现(SIDDARTH G.SUNDARESAN,etc；Journal of ELECTRONIC MATERIALS,Vol.36,No.4,2007)。

共振腔耦合是微波加热过程中使用最广泛的方法。微波加热炉通常以工作在固定频率的单模共振腔或多模共振腔的形式构造。单模共振腔可以产生比多模共振腔高很多的电磁场强度，因此更适用于快速加热过程。使用单模共振腔可实现高达10℃/秒-100℃/秒的加热速率，而多模共振腔中的加热速率相对较低。但现有技术中当加热速率进一步提升到远高于100℃/秒的水平时，存在一些技术障碍。首先，当被加热的物质的物理特性在热处理过程中随温度改变而变化时，共振腔的共振频率会产生变化。如果使用传统固定频率的射频/微波源会导致与共振腔之间的不匹配。如此输入电磁波的反射会大幅增加，严重影响加热效率，故需进行调谐、监测和控制以补偿共振腔的共振频率改变。其次，即使共振腔的共振频率可以用机械自动化调谐的，但是它对变化的反应较慢，将导致加热速率减慢。由此可知，现有技术的问题皆由硬件所导致。

实用新型内容

为了克服上述现有技术由硬件所导致的问题本实用新型公开了一种使用变频微波源和共振腔加热的设备，该设备可达到碳化硅晶圆的退火制程加热速度快及加热温度高的需求。

本实用新型中使用变频固态电子元件代替固定频率磁控管作为微波功率源。可变频率功率源允许选择最佳工作微波频率，并具有在热处理过程中扫描频率的灵活性，以补偿由待退火材料因温度变化引起的共振频率改变，以实现最佳能量效率。与现有商用系统中使用的行波管(TWT)变频源相比，本实用新型所采用的固态微波功率源在制造上更便宜、体积更小，不需要高电压系统且更易于电子控制。换言之，本实用新型借由对硬件的改进以克服上述现有技术由硬件所导致的问题。

本实用新型在测控系统中引入公知的方向耦合器及功率计以监测前进波及反射波，并且加上红外线高温计且和电脑连接用于依赖公知软件监测、调谐和控制整个微波加热过程。为整个设备提供了进一步的灵活性、稳定性和可靠性。本实用新型虽然涉及公知软件与程序(方法)，但是不涉及公知软件与程序的改进，属于实用新型的保护客体。

详言之，本实用新型提出一种快速退火设备包含变频微波功率源系统、共振腔加热系统及测控系统。其中，变频微波功率源系统利用一固态变频微波功率源提供具有一第一频率的一微波。共振腔加热系统包含具有一晶圆承载基座及一天线的一共振腔，其中一待退火材料放置在该晶圆承载基座的一容室中，该变频微波功率源系统所提供的该微波经由该天线输入至该共振腔中，并于该共振腔中激发一共振模式，以便对该待退火材料进行一退火处理，该晶圆承载基座吸收一部分的该微波而产生一热量以传导加热该待退火材料，且该晶圆承载基座允许另一部分的该微波穿透直接加热该晶圆承载基座的该容室中的该待退火材料。测控系统监测该共振腔及该变频微波功率源系统并控制该变频微波功率源系统将该微波的频率由该第一频率调整为第二频率。

其中，该变频微波功率源系统包含该固态变频微波功率源及一阻抗匹配器，该阻抗匹配器连接该天线，其中该固态变频微波功率源包含一微波信号产生器以及一固态功率放大器，该微波信号产生器产生一低功率的微波信号，送入该固态功率放大器产生高功率的该微波。

其中，该固态变频微波功率源与该阻抗匹配器组成一调频快速匹配机制以快速减少该微波的反射，其中该阻抗匹配器具有一固定阻抗，该固态变频微波功率源依据该测控系统的一调整指令进入一扫频模式，借以选择该第二频率取代该第一频率。

其中，该晶圆承载基座旋转式设于该共振腔中，借以增加该待退火材料的退火均匀性。

其中，该晶圆承载基座包含一底座及一上盖，且该待退火材料放置于该底座及该上盖所构成的该容室中。

其中，该阻抗匹配器在未进行高功率的退火制程前，该阻抗匹配器的阻抗元件己调整使得反射微波很小，达到匹配条件。当进行高功率的退火制程时，该待退火材料的物理特性因温度升高而改变，进而改变微波共振腔的共振频率致微波反射量提高。此时测控系统送出调整指令到该固态变频微波功率源调整为快速扫频模式，以得到最小反射的操作频率，达到与共振腔加热系统的阻抗匹配。

其中，该共振腔加热系统的该共振腔包含由一上圆盘、一中空圆柱及一下圆盘所组成的一腔体，其中该上圆盘与该下圆盘分别设于该中空圆柱的两侧。该共振腔加热系统亦包括该晶圆承载基座。

其中，该共振腔的该天线由一金属球连接一金属棒所组成，该金属棒设于该上圆盘上且连接该变频微波功率源系统的该阻抗匹配器，借以使得该微波经由该天线输入至该共振腔中。

其中，该上圆盘与该下圆盘分别为抛物线圆盘。

其中，该上圆盘与该下圆盘的内侧表面分别涂覆有一红外线反射层。

其中，该晶圆承载基座位于该微波共振腔中央且为微波能量最强的区域。

其中，该共振腔的该晶圆承载基座由一微波吸收材料构成，且允许超过50％的该微波穿透以加热该待退火材料。

其中，该微波吸收材料为孔隙率介于20％至30％之间的多孔性部分烧结的碳化硅，或是石墨。

其中，该微波的该第一频率为433.05-434.79MHz或902-928MHz的范围，较佳为434MHz，该扫频模式的扫频范围为±10MHz，该共振腔为单一TM₀₁₀共振模式的结构，该共振腔的空腔的品质因素(Q)超过6,000。

其中，该待退火材料为碳化硅。

其中，该待退火材料为碳化硅晶圆。

其中，该测控系统包含一方向耦合器、一功率计、一光学测温装置及一气压控制系统，其中该气压控制系统监测及控制该共振腔的一气压值，该方向耦合器检测该变频微波功率源系统所提供的该微波的一前进信号及来自该共振腔加热系统的一反射信号，该功率计依据该前进信号及该反射信号获得一功率变化。

其中，该气压控制系统包含一压力检测单元设于该共振腔上，用以监测该共振腔的该气压值，且该气压控制系统更包含一排气单元及一气体输入单元分别连接该共振腔，借以使得该共振腔的该气压值保持于一预定气压。

其中，该测控系统更包含一监视器即时显示该测控系统的监测结果。

承上所述，本实用新型的快速退火设备具有以下优点及特色：

(1)借由对硬件的改进，使434MHz微波共振腔进行碳化硅晶圆的快速退火反应，采用单一共振TM₀₁₀模式可以提供足够的电磁场均匀区域用以处理4寸至8寸的晶圆。圆柱形共振腔包含上下由抛物曲线所构成的内表面，如此可以解决碳化硅晶圆在高温时产生大量辐射损失的问题，以达到加温超过摄氏1,500度至摄氏2,000度的要求。

(2)共振腔的晶圆承载基除固定碳化硅晶圆外，可吸收部分微波产生热量并均匀地传导到碳化硅晶圆上，防止碳化硅晶圆由于内部热应力导致破裂。且同时允许大部分微波穿透以加热碳化硅晶圆，还能防止碳化硅晶圆边缘发生过热现象。

(3)借由对硬件的改进，使用变频固态电子元件代替传统固定频率磁控管作为微波功率源，具有在热处理过程中扫描频率的灵活性，可允许选择最佳工作微波频率，以补偿由待退火材料因温度变化引起的微波共振腔的共振频率改变，可以满足快速退火的要求。本实用新型的快速退火设备借由对硬件的改进及依赖习知软件与程序以克服上述现有技术由硬件所导致的问题。

(4)借由对硬件的改进及依赖习知软件与程序，为整个设备提供了进一步的灵活性、稳定性和可靠性。本实用新型虽然涉及习知软件与程序，但是不涉及习知软件与程序的改进，属于实用新型的保护客体。

在此为使钧审对本实用新型的技术特征及所能达到的技术功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明如后。

附图说明

图1为本实用新型的快速退火设备的示意图。

图2为本实用新型的快速退火设备的电路方块示意图。

附图标记说明：

10：变频微波功率源系统 36c：下圆盘

12：固态变频微波功率源 37：红外线反射层

14：微波信号产生器 38：气压控制系统

16：固态功率放大器 40：排气单元

18：阻抗匹配器 41：压力控制单元

30：共振腔加热系统 42：气体输入单元

32：晶圆承载基座 46：压力检测单元

32a：底座 50：测控系统

32b：上盖 52：方向耦合器

33：容室 54：功率计

34：天线 56：电脑

34a：金属棒 58：光学测温装置

34b：金属球 60：监视器

35：转轴 100：快速退火设备

36：共振腔 200：待退火材料

36a：上圆盘 36b：中空圆柱

具体实施方式

为利了解本创作的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，在此将本创作配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本创作实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图的比例与配置关解读、局限本创作于实际实施上的权利范围。此外，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。

另外，在全篇说明书与申请专利范围所使用的用词，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本创作的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本创作的描述上额外的引导。

关于本文中如使用“第一”、“第二”、“第三”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本创作，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已。

其次，在本文中如使用用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，其均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本实用新型公开一种使用微波的快速退火设备，其能够将待退火材料快速且选择性地加热到非常高的温度，可达到碳化硅晶圆的退火制程加热速度快及加热温度高的需求。本实用新型的快速退火设备可分为三个主要部分：(1)变频微波功率源系统、(2)共振腔加热系统以及(3)测控系统(即，监测及控制系统)。微波由固态变频微波功率源产生，并通过阻抗匹配器耦合到共振腔加热系统，对标的物(即待退火材料)进行加热。其中，测控系统则依赖公知软件与程序用于微波加热过程的调谐、监测和控制。

请参阅图1及图2，图1为本实用新型的快速退火设备的结构示意图，图2为本实用新型的快速退火设备的电路方块示意图。本实用新型的快速退火设备100包含：变频微波功率源系统10、共振腔加热系统30以及测控系统50。本实用新型的变频微波功率源系统10利用固态变频微波功率源12提供具有第一频率的微波。本实用新型所使用的微波频率(即第一频率)以434MHz为例，但不限于此。

共振腔加热系统30包含具有晶圆承载基座32及天线34的共振腔36，其中待退火材料200放置在共振腔36的晶圆承载基座32的容室33中。变频微波功率源系统10所提供的微波经由共振腔加热系统30的天线34引入至共振腔36中并于共振腔36中激发一共振模式，以便对待退火材料200进行退火处理。上述的待退火材料200例如为碳化硅，且例如为碳化硅晶圆。惟，本实用新型虽以待退火材料为碳化硅材料举例说明，且虽特别举例为碳化硅晶圆，然而本实用新型并不限于此，任何可进行退火处理的材料，无论其是否需要快速加热，均可适用于本实用新型中。

测控系统50监测共振腔36及变频微波功率源系统10并采用习知软件与程序(方法)进行参数调整及控制变频微波功率源系统10将微波的频率由第一频率调整为第二频率。续言之，测控系统50侦测变频微波功率源系统10所提供的微波的一前进信号及来自共振腔加热系统30的一反射信号，借以采用习知软件依据前进信号及反射信号的变化即时对应地产生一调整指令，使得变频微波功率源系统10依据此调整指令进入扫频模式以找到最低微波反射的最佳工作微波频率并即时选择此最低微波反射的最佳工作微波频率作为第二频率取代原本的第一频率，借以补偿待退火材料200所产生的共振频率改变，达到反射波最小的情况。

详言之，本实用新型采用习知软件与程序且借由对硬件的改进以克服上述现有技术由硬件所导致的问题，在本实用新型的快速退火设备100中，变频微波功率源系统10包含固态变频微波功率源12及阻抗匹配器(Match Box)18，阻抗匹配器18连接上述的天线34(即耦合天线)，其中固态变频微波功率源12包含微波信号产生器(Signal Generator)14以及固态功率放大器(Solid State Power Amplifier；SSPA)16。微波信号产生器14用以产生一低功率的微波信号，固态功率放大器16则放大此低功率的微波信号而产生高功率的微波，其中变频微波功率源系统10借由阻抗匹配器18进行阻抗匹配以减少微波的反射，提高能量使用效率及维护微波功率源的安全。本实用新型属于工业应用，其可用的频率属于ISM频段(Industrial Scientific Medical Band)。依据国际电联无线电规则规定属于微波范围有：433.05-434.79MHz、902-928MHz、2400-2483.5MHz…等等。因为微波频率越高则共振腔尺寸越小，同时能量均匀区也变小。本实用新型的目标在于能处理8英寸的晶圆，故采用TM₀₁₀单模共振，其共振腔直径为约500mm的设计。在此尺寸下，频率高于2400MHz的微波将较难提供足够均匀性的退火处理区域，且很容易激发其他共振模式，不但丧失单模操作的优点，且微波能量分布也较不容易维持所需要的均匀性。故本实用新型使用的微波中心频率以约433.05-434.79MHz或902-928MHz范围为佳，较佳为434MHz。扫频模式的扫频范围约为±10MHz，亦即扫频范围例如为原本的微波的第一频率增减10MHz，其中此扫频范围仅为举例，可依据实际需求增加或减少扫频范围的数值。本实用新型适用的输出功率则可依制程需求而改变，并无局限于特别范围。

惟，本实用新型适用的微波频率(即第一频率)不限于上述范围，例如本实用新型亦可使用约2400-2483.5MHz的微波频率，甚至使用不属于国际电联无线电规则规定的频率，例如需要申请使用许可的500MHz或其他频率。惟其共振腔设计及可处理晶圆尺寸将较佳为对应改变，且由于具有通常知识者依据本实用新型前揭内容当知如何对其进行改变，故不另赘述。

阻抗匹配对于实现快速加热至关重要，待退火材料200因温度上升引起物理特性变化会改变共振腔的共振频率引起微波反射降低加热效能，必须能快速响应减少微波反射维持原有加热效率。本实用新型采用固态变频微波功率源12与阻抗匹配器18所组成的调频快速匹配(fast matching)机制以达到上述要求。即，先进行量测并记录制程中共振腔36的共振频率及阻抗变化，以及对应达成阻抗匹配时电容(C)及电感(L)的范围，即可在此范围中选择适当的数值，将电容(C)及电感(L)的阻抗固定而不做改变。在退火制程中，当共振腔36的共振频率及阻抗变化时，本实用新型可采用习知软件与程序改变固态变频微波功率源12的操作频率，配合上述固定式阻抗匹配电路即可达到快速匹配的反应。亦即，阻抗匹配器18具有固定阻抗，固态变频微波功率源12依据测控系统50根据微波反射所产生的调整指令将微波信号进行扫频模式，借由找到最佳的微波频率以达成降低微波反射的目标。换言之，阻抗匹配器18在未进行高功率的退火制程前，阻抗匹配器18的阻抗元件己调整使得反射微波很小，达到匹配条件。当进行高功率的退火制程时，待退火材料200的物理特性因温度升高而改变，进而改变共振腔36的共振频率致微波反射量提高。此时测控系统50送出调整指令到固态变频微波功率源12调整为快速扫频模式，以得到最小反射的操作频率，达到与共振腔加热系统30的阻抗匹配。由于具有通常知识者依据本实用新型揭示内容及习知软件与程序应当可清楚得知如何监测负载阻抗变化范围并如何采用对应的固定匹配电路，故不另赘述。

本实用新型借由对硬件的改进以克服上述现有技术由硬件所导致的问题，在本实用新型的快速退火设备100的共振腔加热系统30中，共振腔加热系统30的共振腔36包含由上圆盘36a、中空圆柱36b及下圆盘36c所组成的腔体，其由不锈钢组成。上圆盘36a与下圆盘36c例如为抛物线圆盘，以便将高温碳化硅晶圆所辐射出来的红外线有效反射至待退火材料200上。上圆盘36a与下圆盘36c分别设于中空圆柱36b的两侧。共振腔36的天线34例如由直径约为20mm的金属球34b连接直径约为10mm的金属棒34a所组成，金属棒34a设于上圆盘36a的顶部中央上且连接变频微波功率源系统10的阻抗匹配器18，借以经由天线34将微波引入共振腔36中，并且在共振腔36中激发上述的共振模式。其中，为了置入或取出待退火材料200，共振腔36的上圆盘36a及下圆盘36c的一者例如为可拆卸式连接中空圆柱36b，以便从上方或从下方移出或放置待退火材料200。惟，本实用新型不限于此，在另一可行设计中，本实用新型亦可改为中空圆柱36b增设取出口，以便从侧边移出或放置待退火材料200。换言之，本实用新型虽示例如上，惟任何可用以移出或放置待退火材料200的技术手段，皆属于本实用新型请求保护的范围。

其中，为提高能量使用效率及适当的微波能量均匀区域，本实用新型较佳为采用434MHz微波源以产生微波，共振腔36较佳为能产生单一TM₀₁₀共振模式的结构，共振腔36的空腔的品质因素(Q)超过6,000，因此微波强度很高。以待退火材料200为碳化硅晶圆为例，共振腔36的直径约为500mm，可对多种尺寸(4寸、6寸及8寸)碳化硅晶圆进行退火处理。碳化硅晶圆被放置在共振腔36中央的晶圆承载基座32内，且位于微波强度最高的区域。其中，晶圆承载基座32例如为旋转式设于共振腔36中，借以增加退火待退火材料200的受热的均匀性，其中晶圆承载基座32例如设于转轴35上，且此转轴35例如借由马达(未绘示)的驱动而转动。惟，应当可以理解的是，本实用新型的晶圆承载基座32可借由任何已知的技术手段而旋转，故不限于上述举例。而且，本实用新型虽以直径500mm的共振腔36为例，但不限于此，本实用新型的共振腔36亦可视实际需求而选用其他合适直径长度。

碳化硅晶圆在极高温度状态下，辐射散热占主导地位(和温度4次方成正比)。同时因为晶圆是平面的结构，辐射面积大，因此必须大幅降低辐射损失提高加热效率才能达到加热温度。在本实施例中，共振腔36的上下面采用光学抛光的抛物线结构(上圆盘36a及下圆盘36c)，并分别涂覆红外线反射层37提高红外线的反射率成为反射镜以实现辐射损失的最小化。其中，上述的红外线反射层37例如为金等高反射率材质。此外，共振腔36的中空圆柱36b的内部表面也可以选择性涂覆或不涂覆红外线反射层37。待加热的碳化硅晶圆位于共振腔36内，且较佳为放置在由合适的微波吸收材料制成的晶圆承载基座32内。晶圆承载基座32较佳为设置于共振腔36的中央位置，此中央位置为微波能量最大的区域。

晶圆承载基座32的功能除固定碳化硅晶圆(即，待退火材料200)外，还可以将其吸收微波产生的热量均匀地分布到碳化硅晶圆上，防止碳化硅晶圆由于内部热应力导致破裂。举例而言，共振腔36的晶圆承载基座32包含底座32a及上盖32b，其中上盖32b例如可拆卸式覆盖于底座32a上，借以围绕出容室33，待退火材料200可卸式定位于底座32a及上盖32b所围绕出的容室33中。此外，本实用新型的晶圆承载基座32的底座32a及/或容室33不限于特定的形状。举例而言，若待退火材料200为晶圆，晶圆承载基座32的底座32a及/或容室33的投影形状则可例如为圆形。此外，上盖32b虽较佳为完全覆盖底座32a的容室33，借以完全覆盖容室33中的待退火材料200，惟本实用新型不限于此，亦即上盖32b亦可为部分覆盖底座32a的容室33，且暴露出其余部分的待退火材料200的表面。

在本实用新型中，共振腔36的晶圆承载基座32例如为吸收一部分的微波而产生热量以传导加热待退火材料200，且晶圆承载基座32同时允许另一部分的微波穿透直接和放置在晶圆承载基座32的容室33中的碳化硅晶圆进行加热反应。其中，共振腔36的晶圆承载基座32较佳为由微波吸收材料构成，且其较佳为可允许超过50％的微波穿透以加热碳化硅晶圆。孔隙率为20％至30％的多孔性、烧结而成的碳化硅是一种合适的晶圆承载基座材料，主要因为434MHz微波虽然会被碳化硅吸收但微波穿透深度可以超过20mm，对于烧结制造的多孔性碳化硅穿透深度更大，可以达到上述晶圆承载基座32的功能，同时它可以多次加热和冷却而不会破裂，使用寿命长。另外亦可使用石墨做为晶圆承载基座32的材料。

此外，碳化硅晶圆的厚度很薄，如果直接暴露在微波中，其边缘很容易产生高电场强度的分布，会造成过热甚至尖端放电。因此晶圆承载基座32较佳为包覆待退火的碳化硅晶圆的边缘，借以防止碳化硅晶圆边缘过热的现象。

在本实用新型中，测控系统50更包含气压控制系统38设于共振腔加热系统30上，其用以采用习知软件与程序监测及控制共振腔36的压力及输入气体流量，使得共振腔36的气压值例如保持于一预定气压，其中此预定气压约介于0.1个大气压到10个大气压，视制程而设定。气压控制系统38包含压力检测单元46设于共振腔36上，用以监测共振腔36的气压值，压力检测单元46例如为真空计(Vacuum gauge)。气压控制系统38更例如包含排气单元40、压力控制单元41及气体输入单元42，其中排气单元40及气体输入单元42分别连接共振腔36。压力控制单元41一种控制器，用以接收压力检测单元46所监测的气压值，借以控制排气单元40及/或气体输入单元42的运作，使得共振腔36的气压值保持于上述的预定气压。

详言之，在本实施例中，氮气或氩气等气体经由气体输入单元42按照设定的供气流量输入共振腔36中，并经由共振腔36的排气口连接排气单元40排出。在将上述的气体经由气体输入单元42输入共振腔36的前，可先将共振腔36以排气单元40抽真空，然后再经由气体输入单元42将氮气或氩气等气体输入共振腔36中，直到共振腔36达到上述的预定气压，借此能够使共振腔36内达到所设定的纯气体气氛。其中，气体输入单元42例如为上述气体的气体源，且此气体源例如以第一控制阀(未标号)连接此共振腔36。排气单元40例如为真空泵，且此真空泵例如以第二控制阀(未标号)连接此共振腔36。

本实用新型除了可将氮气或氩气等气体以上述的供气流量经由气体输入单元42输入共振腔36中，还可与排气单元40结合，由排气单元40以一排气流量将共振腔36中的气体排出，上述的排气流量对应于供气流量，借以使得共振腔36的气压值保持于上述的预定气压。惟，应当可以理解的是，上述虽举出维持气压值的技术手段，然而本实用新型不限于此，任何技术手段只要能够使得共振腔36的气压值保持于上述的预定气压，均可适用于本实用新型。举例而言，本实用新型亦可例如省略压力控制单元41，而例如直接借由后面将提及的电脑56接收压力检测单元46所监测的气压值并采用习知软件控制气体输入单元42的供气流量以及排气单元40的排气流量。

在本实用新型的快速退火设备100中，测控系统50更包含方向耦合器(Directional Coupler)52及功率计(Power Meter)54，方向耦合器52用于采用习知软件与程序检测输入和反射的微波信号，检测到的信号再送到功率计54，用于采用习知软件与程序监测微波与共振腔36及待退火材料200的耦合。详言之，方向耦合器52设于固态功率放大器16及阻抗匹配器18之间，用于检测输入和反射的微波信号，亦即方向耦合器52可用以检测变频微波功率源系统10所提供的微波的前进信号及来自共振腔加热系统30的反射信号。然后，方向耦合器52再将这些检测到的信号再送到功率计54，用于即时监测微波与共振腔36及待退火材料200的耦合变化(如功率变化)。借此电脑56可接收此功率变化数据并采用习知软件与程序依据上述的功率变化而即时对应地产生一调整指令，以便控制变频微波功率源系统10的运作。换言之，本实用新型借由对硬件的改进以克服现有技术由硬件所导致的问题，本实用新型的电脑56系采用习知软件与程序(方法)进行参数的调整及控制，并未对计算器软件或程序本身进行改进。

其中，测控系统50更包含光学测温装置(Optical Pyrometer)58用以采用习知软件与程序即时监测待退火材料200的一温度值，光学测温装置58例如为红外线高温计。而且，电脑56更电性连接此光学测温装置58，借以采用习知软件与程序依据光学测温装置58所监测的温度值连同上述的功率变化而对应地产生调整指令以控制微波输入的能量，达成所需的加热或冷却温度控制。其中，本实用新型使用黑体辐射源测得的碳化硅材料发射率(Emissivity)为0.74，并且将此发射率值输入到光学测温装置58中，可用于本实用新型所揭示技术中的所有温度测量。此外，测控系统50更例如包含一监视器60电性连接电脑56，借以即时显示测控系统50的各个组件的监测结果，例如所有微波和温度数据可采用习知软件与程序输入电脑记录及处理并立即显示在监视器60上。

综上所述，本实用新型的快速退火设备具有以下优点及特色：

(1)借由对硬件的改进，使434MHZ微波共振腔进行碳化硅晶圆的快速退火反应，采用单一共振TM₀₁₀模式可以提供足够的电磁场均匀区域用以处理4寸至8寸的晶圆。圆柱形共振腔包含上下由抛物曲线所构成的内表面，如此可以解决碳化硅晶圆在高温时产生大量辐射损失的问题，以达到加温超过摄氏1,500度至摄氏2,000度的要求。

(2)共振腔的晶圆承载基除固定碳化硅晶圆外，可吸收部分微波产生热量并均匀地传导到碳化硅晶圆上，防止碳化硅晶圆由于内部热应力导致破裂。且同时允许大部分微波穿透以加热碳化硅晶圆，还能防止碳化硅晶圆边缘发生过热现象。

(3)借由对硬件的改进，使用变频固态微波源代替传统固定频率磁控管作为微波功率源，具有在热处理过程中扫描频率的灵活性，可允许选择最佳工作微波频率，以补偿由待退火材料因温度变化引起的微波共振腔的共振频率改变，可以满足快速退火的要求。

(4)借由对硬件的改进及依赖习知软件与程序，为整个设备提供了进一步的灵活性、稳定性和可靠性。本实用新型虽然涉及习知软件与程序，但是不涉及习知软件与程序的改进，属于实用新型的保护客体。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本实用新型的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求书中。

Claims (13)

1.一种快速退火设备，其特征在于，包含：

一变频微波功率源系统，其利用一固态变频微波功率源提供具有一第一频率的一微波；

一共振腔加热系统，其包含具有一晶圆承载基座及一天线的一共振腔，其中一待退火材料放置在该晶圆承载基座的一容室中，该变频微波功率源系统所提供的该微波经由该天线输入至该共振腔中，并于该共振腔中激发一共振模式，以便对该待退火材料进行一退火处理，该晶圆承载基座吸收一部分的该微波而产生一热量以传导加热该待退火材料，且该晶圆承载基座允许另一部分的该微波穿透直接加热该晶圆承载基座的该容室中的该待退火材料；以及

一测控系统，其监测该共振腔及该变频微波功率源系统并控制该变频微波功率源系统将该微波的频率由该第一频率调整为第二频率。

2.如权利要求1所述的快速退火设备，其特征在于，该变频微波功率源系统包含该固态变频微波功率源及一阻抗匹配器，该阻抗匹配器连接该天线，其中该固态变频微波功率源包含一微波信号产生器以及一固态功率放大器，该微波信号产生器产生一低功率的微波信号，送入该固态功率放大器产生高功率的该微波。

3.如权利要求1所述的快速退火设备，其特征在于，该晶圆承载基座旋转式设于该共振腔中，借以增加该待退火材料的退火均匀性。

4.如权利要求1所述的快速退火设备，其特征在于，该晶圆承载基座包含一底座及一上盖，且该待退火材料放置于该底座及该上盖所构成的该容室中。

5.如权利要求1所述的快速退火设备，其特征在于，该共振腔加热系统的该共振腔包含由一上圆盘、一中空圆柱及一下圆盘所组成的一腔体，其中该上圆盘与该下圆盘分别设于该中空圆柱的两侧。

6.如权利要求5所述的快速退火设备，其特征在于，该共振腔的该天线由一金属球连接一金属棒所组成，该金属棒设于该上圆盘上且连接该变频微波功率源系统的一阻抗匹配器，借以使得该微波经由该天线输入至该共振腔中。

7.如权利要求6所述的快速退火设备，其特征在于，该上圆盘与该下圆盘分别为抛物线圆盘。

8.如权利要求6所述的快速退火设备，其特征在于，该上圆盘与该下圆盘的内侧表面分别涂覆有一红外线反射层。

9.如权利要求1所述的快速退火设备，其特征在于，该共振腔的该晶圆承载基座由一微波吸收材料构成，且允许超过50％的该微波穿透以加热该待退火材料。

10.如权利要求9所述的快速退火设备，其特征在于，该微波吸收材料为孔隙率介于20％至30％之间的多孔性烧结碳化硅，或是石墨。

11.如权利要求1所述的快速退火设备，其特征在于，该待退火材料为碳化硅。

12.如权利要求1所述的快速退火设备，其特征在于，该测控系统包含一方向耦合器、一功率计、一光学测温装置、一气压控制系统及一监视器，其中该气压控制系统监测及控制该共振腔的一气压值，该方向耦合器检测该变频微波功率源系统所提供的该微波的一前进信号及来自该共振腔加热系统的一反射信号，该功率计依据该前进信号及该反射信号获得一功率变化，该监视器即时显示该测控系统的监测结果。

13.如权利要求12所述的快速退火设备，其特征在于，该气压控制系统包含一压力检测单元设于该共振腔上，用以监测该共振腔的该气压值，且该气压控制系统更包含一排气单元及一气体输入单元分别连接该共振腔，借以使得该共振腔的该气压值保持于一预定气压。

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