CN220224442U - 一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备 - Google Patents

一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备 Download PDF

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黄昌财
祝明
李博文
蒋浩然
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Abstract

本实用新型公开了一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,包括支撑架和安装在支撑架上的外壳,外壳为空心结构,其内部具有水冷真空腔体;外壳围合形成密封容纳腔,密封容纳腔的上部设置有加热机构,密封容纳腔与真空装置连接;外壳的底部开设有装料口,装料口处安装有装料法兰;外壳的顶部安装有进气空心杆,进气空心杆的中轴线位置处具有进气通道;外壳的顶部安装有用于支撑进气空心杆的磁流体密封件;进气空心杆的上部连接有用于驱动其转动的旋转装置,进气空心杆的下部安装有搅拌叶片。利用该设备可以实现在高温场均匀性的气氛中对碳化硅进行热退火,可最大程度地降低碳化硅晶体内部应力,避免晶体加工过程中出现碎裂问题。

Description

一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备
技术领域
本实用新型涉及半导体晶体制备领域,具体涉及一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,可用于制备第三代半导体SiC晶体。
背景技术
相比于第一代半导体(Si)和第二代半导体(GaAs、GaP、InP),第三代半导体SiC具有更宽的电子能隙、更高的导热率、更大的电子饱和漂移速率等特性,适合制作高频大功率微波器件,其在光电子和微电子领域具有重要的广泛的应用市场。物理气相输运(physicalvapor transport,PVT)法是生长商用SiC晶体的主流方法。PVT法生长SiC晶体大致分为分解、气相传输和气相沉积三个主要过程:1)第一阶段,高纯SiC在超过2000℃由固态直接分解为Si,Si2C、SiC2气态物质(分解出的固态C在坩埚内);2)第二阶段,Si,Si2C、SiC2依靠温度梯度源源不断地挥发上升至温度相对较低的石墨坩埚盖处;3)第三阶段,Si,Si2C、SiC2在石墨坩埚盖的籽晶上凝结成SiC晶体。
在PVT生长SiC晶体过程中,①人为构筑的温度梯度本身会在SiC晶体中产生热应力;②在籽晶扩大的过程中,由于石墨与SiC热膨胀系数不同,也会导致晶体内应力增大;此外,③晶体生长结束后的降温过程中,也会在SiC晶体中产生热应力。应力过大本身就会导致晶体开裂,在SiC衬底切割、抛光过程中更容易导致晶片破碎,降低加工成品率。高温退火是降低SiC晶体微观应力,提高晶片成品率的较为有效方法。
中国专利(授权号:CN102534805A)公开了SiC晶体原位退火方法,其在生长室上方设置的保温层可在晶体生长结束后尽量保证炉膛内温场均匀,并缓慢降温至室温。该方法可减小晶体生长结束后的降温过程中由于温度梯度较大产生的热应力(③),对结晶过程中产生的应力(①、②)降低效果很小。
中国专利(授权号:CN110284199B)公开了一种晶体原位碳化退火方法,在生长炉下部感应线圈,用于调整温场;在生长坩埚上方设备可上下移动的硅源,用于补偿硅挥发。在晶体生长结束,硅源下降至生长室,同时调节出合适的温场和降温速率,对SiC晶体进行原位退火。该方法是在硅气氛条件下对晶锭进行原位超高温碳化热蚀退火,不仅可以消除晶锭生长时在四周棱角处形成的高热应力聚集区,进而避免其开裂;而且,可以抑制晶锭中硅原子的溢出,抑制Si空位缺陷的形成。但是,该方法很难降低生长过程中温度梯度导致的热应力以及扩晶过程产生的应力,其原位退火也装置增加了生长炉的复杂性。
针对原位退火的不足,中国专利(公布号:CN113564719A,CN110863247A)公开了SiC晶体二次退火方法及装置,尝试通过退火坩埚保温设计提高坩埚内的温场均匀性,在二次退火过程中降低SiC晶体的应力。但是,该类专利均采用中频电源加热,由于趋肤效应和退火坩埚外的保温层隔热,很容易导致轴向温度梯度较大,无法达到均匀温场退火的效果。
综上所述,现有的SiC原位退火方案,增加了晶体生长设备的复杂性,仅能减小晶体生长结束后的降温过程中产生的热应力,很难降低生长过程中温度梯度导致的热应力以及扩晶过程产生的应力;现有的SiC二次退火方案,坩埚内轴向温度梯度较大,很难消除晶体内部应力。
发明内容
针对现有技术的不足,本实用新型的目的是提供一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,通过利用该设备可以实现高温场均匀性气氛热退火,可最大程度地降低晶体内部应力,避免晶体加工过程中出现碎裂问题。
为实现上述目的,本实用新型采用的技术方案为:
一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,包括支撑架和安装在支撑架上的外壳,外壳为空心结构,其内部具有水冷真空腔体,外壳具有与水冷真空腔体连通的进水口和出水口;外壳围合形成密封容纳腔,密封容纳腔的上部设置有加热机构,密封容纳腔与真空装置连接,通过真空装置能够对密封容纳腔内进行抽真空;外壳的底部开设有装料口,装料口处安装有装料法兰,装料法兰上放置有石墨台,石墨台用于放置待退火处理的碳化硅晶体;外壳的顶部安装有进气空心杆,进气空心杆的中轴线位置处具有进气通道,进气空心杆的出气口伸入密封容纳腔;外壳的顶部安装有用于支撑进气空心杆的磁流体密封件,进气空心杆与磁流体密封件转动配合;进气空心杆的上部连接有用于驱动其转动的旋转装置;进气空心杆的下部安装有搅拌叶片,优选的,所述搅拌叶片为钽金属叶片、铱金属叶片或热解石墨叶片,这些材质的叶片具有耐高温、耐石墨腐蚀性质,可延长设备的使用寿命;
作为优选的技术方案,旋转装置包括旋转电机,旋转电机的输出轴通过第一同步带轮组与进气空心杆连接,旋转电机通过第一同步带轮组带动空心杆同步转动,从而带动安装在进气空心杆下部的搅拌叶片转动,在搅拌叶片转动的过程中形成强对流,进一步增加腔体内温场均匀性。进一步优选的,第一同步带轮组包括主动轮、从动轮以及连接主动轮和从动轮的同步带;主动轮安装在旋转电机的输出轴上,从动轮安装在进气空心杆的上部。
作为优选的技术方案,加热机构包括安装在密封容纳腔上部的石墨发热体以及用于将石墨发热体与外部电源连接的真空电极。进一步的,加热机构还包括红外测温仪和温控仪表,外壳设有红外线探测孔,红外测温仪通过红外线探测孔能够测量设备内部的温度。通过设置红外测温仪和温控仪表可以实时监测密封容纳腔内的温度,实现加热控制功能。
作为优选的技术方案,石墨发热体的外周侧围合形成有石墨毡保温层,石墨毡保温层用于提高设备内部温场的均匀性。
作为优选的技术方案,碳化硅晶体退火设备还包括用于驱动装料法兰进行升降运动的升降装置;升降装置包括升降电机、第二同步带轮组、丝杠、连接块和导轨;第二同步带轮组的结构与第一同步带轮组的结构相同;升降电机安装在支撑架上,连接块安装在装料法兰的底部,连接块套设在丝杠上并与丝杠螺纹连接;连接块与导轨滑动配合;丝杠和导轨沿竖直方向平行设置,升降电机通过第二同步带轮组与丝杠连接,并能够驱动丝杠转动。通过升降装置便于对装料法兰的位置进行控制,当需要将碳化硅晶体放入装料法兰上时,通过升降电机工作带动丝杠旋转,从而使连接块相对丝杠向下移动,即可同步使装料法兰下移。装料完成后,控制升降电机反向转动,即可使装料法兰上移,上移至合适位置时,将装料法兰与外壳连接在一起即可。
上述旋转电机、升降电机均为常规的电机结构,磁流体密封件、石墨发热体、丝杠、同步带轮组等均为市购产品,均为本领域常规使用的机构,其具体的工作原理在此不作累述。
本实用新型提供的碳化硅晶体退火设备的作用原理为:
通过设置进气空心杆,从而能够在退火过程中通过进气空心杆向密封容纳腔内输入含有SiH4或Si2H6等硅烷的气体,该气体可补偿Si成分,避免碳化硅晶体在退火过程中因Si成分挥发会造成缺陷和应力集中。同时,将装料口设置在底部,方便在上部安装加热机构,可以提高腔体内部轴向温场的均匀性;此外,通过设置旋转装置和搅拌叶片,能够在腔体内形成强对流,进一步增加腔体内温场均匀性。
本实用新型的有益效果为:
相比于现有的SiC退火设备,本实用新型提供的碳化硅晶体退火设备,可最大程度地降低晶体内部应力;同时可通过补偿Si成分挥发来降低其造成的缺陷和应力,利用本实用新型提供设备可获得性能优异的产品,具有极好的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型提供的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备的剖视图;
附图标记:1-支撑架,2-外壳,3-水冷真空腔体,4-真空装置,5-石墨发热体,6-真空电极,7-红外测温仪,8-温控仪表,9-红外线探测孔,10-石墨毡保温层,11-装料法兰,12-石墨台,13-碳化硅晶体,14-进气空心杆,15-磁流体密封件,16-旋转电机,17-第一同步带轮组,18-搅拌叶片,19-升降电机,20-第二同步带轮组,21-丝杠,22-连接块,23-导轨。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作更进一步的说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
需要说明的是本实用新型中“固设”、“固定连接”、“安装”、“架设”等均表示相互连接的两部件之间是固定在一起,一般是通过焊接、螺钉或胶粘等方式固定在一起。“活动安装”是指两部件连接在一起并能相对运动。
在本实用新型中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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,或一体连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。术语“转动配合”、“滑动配合”是指两部件连接在一起并能相对运动。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实用新型中的具体含义。
需要理解的是,术语“上”、“下”、“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实用新型和简化描述,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,因此不能理解为本实用新型的限制。本实用新型中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序,仅仅是用于名称的区分。
参考图1,一种高温场均匀性的碳化硅晶体13退火设备,包括支撑架1和安装在支撑架1上的外壳2,外壳2为空心结构,其内部具有水冷真空腔体3,外壳2具有与水冷真空腔体3连通的进水口和出水口(图未视),外壳2由耐高温的材料制成,水冷真空腔体3的作用是通过向其内通入冷却水,可以降低外壳2外壁的温度,防止因外壳2温度过高,导致对工作人员产生安全隐患;外壳2围合形成密封容纳腔,密封容纳腔的上部设置有加热机构,密封容纳腔与真空装置4连接,通过真空装置4能够对密封容纳腔内进行抽真空;加热机构包括安装在密封容纳腔上部的石墨发热体5以及用于将石墨发热体5与外部电源连接的真空电极6。进一步的,加热机构还包括红外测温仪7和温控仪表8,外壳2设有红外线探测孔9,红外测温仪7通过红外线探测孔9能够测量设备内部的温度。为了提高设备内部温场的均匀性,石墨发热体5的外周侧围合形成有石墨毡保温层10。外壳2的底部开设有装料口,装料口处安装有装料法兰11,装料法兰11上放置有石墨台12,石墨台12用于放置待退火处理的碳化硅晶体13;外壳2的顶部安装有进气空心杆14,进气空心杆的中轴线位置处具有进气通道,进气空心杆14的出气口伸入密封容纳腔;外壳2的顶部安装有用于支撑进气空心杆14的磁流体密封件15,进气空心杆14与磁流体密封件15转动配合;进气空心杆14的上部连接有用于驱动其转动的旋转装置。进一步的,旋转装置包括旋转电机16,旋转电机16的输出轴通过第一同步带轮组17与进气空心杆14连接,旋转电机16通过第一同步带轮组17带动空心杆同步转动。更进一步,第一同步带轮组17包括主动轮、从动轮以及连接主动轮和从动轮的同步带;主动轮安装在旋转电机16的输出轴上,所述从动轮安装在进气空心杆14的上部。进气空心杆14的下部安装有搅拌叶片18,优选的,搅拌叶片18为钽金属叶片、铱金属叶片或热解石墨叶片。
在另一个实施方式中,碳化硅晶体13退火设备还包括用于驱动装料法兰11进行升降运动的升降装置;升降装置包括升降电机19、第二同步带轮组20、丝杠21、连接块22和导轨23;第二同步带轮组20的结构与第一同步带轮组17的结构相同,包括主动轮、从动轮和同步带等组件;升降电机19安装在支撑架1上,连接块22安装在装料法兰11的底部,连接块22套设在丝杠21上并与丝杠21螺纹连接;连接块22与导轨23滑动配合;丝杠21和导轨23沿竖直方向平行设置,升降电机19通过第二同步带轮组20与丝杠21连接,并能够驱动丝杠21转动。通过升降装置便于对装料法兰11的位置进行控制,当需要将碳化硅晶体13放入装料法兰11上时,通过升降电机19工作带动丝杠21旋转,从而使连接块22相对丝杠21向下移动,即可同步使装料法兰11下移。装料完成后,控制升降电机19反向转动,即可使装料法兰11上移,上移至合适位置时,最后将装料法兰11与外壳2连接在一起即可。
利用该设备进行碳化硅晶体退火处理,包括以下步骤:
步骤一:打开装料法兰,并通过升降装置将装料法兰下降至装料工位,将待退火的碳化硅晶体放在石墨台上;
步骤二:将装料法兰上升,并安装好,对设备进行抽真空;
步骤三:待腔内真空度抽至5×10-4Pa时,接通电源,使腔体内温度以5℃/min速率由室温升至1200℃,恒温5小时,去除表面杂质;
步骤四:通过进气空心杆的进气通道往腔体内冲入SiH4和Ar的混合气体(SiH4比例为2%),压强恒定在1×104Pa,并开启旋转装置带动搅拌叶片转动;
步骤五:以2℃/min速率由1200℃升温至2100℃,恒温40小时后,以1℃/min速率降温至室温;
步骤六:打开装料法兰,取出碳化硅晶体。
显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:包括支撑架和安装在支撑架上的外壳,所述外壳为空心结构,其内部具有水冷真空腔体;所述外壳围合形成密封容纳腔,所述密封容纳腔的上部设置有加热机构,所述密封容纳腔与真空装置连接;所述外壳的底部开设有装料口,所述装料口处安装有装料法兰,所述装料法兰上放置有石墨台;所述外壳的顶部安装有进气空心杆,所述进气空心杆的中轴线位置处具有进气通道,所述进气空心杆的出气口伸入密封容纳腔,所述外壳的顶部安装有用于支撑进气空心杆的磁流体密封件,所述进气空心杆与磁流体密封件转动配合;所述进气空心杆的下部安装有搅拌叶片,所述进气空心杆的上部连接有用于驱动其转动的旋转装置。
2.根据权利要求1所述的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:所述旋转装置包括旋转电机,所述旋转电机的输出轴通过第一同步带轮组与进气空心杆连接,所述旋转电机通过第一同步带轮组带动空心杆同步转动。
3.根据权利要求2所述的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:所述第一同步带轮组包括主动轮、从动轮以及连接主动轮和从动轮的同步带;所述主动轮安装在旋转电机的输出轴上,所述从动轮安装在进气空心杆的上部。
4.根据权利要求1所述的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:所述加热机构包括安装在密封容纳腔上部的石墨发热体以及用于将石墨发热体与外部电源连接的真空电极。
5.根据权利要求4所述的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:所述加热机构还包括红外测温仪和温控仪表,所述外壳设有红外线探测孔,所述红外测温仪通过红外线探测孔能够测量设备内部的温度。
6.根据权利要求4或5所述的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:所述石墨发热体的外周侧围合形成有石墨毡保温层。
7.根据权利要求6所述的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:所述碳化硅晶体退火设备还包括用于驱动装料法兰进行升降运动的升降装置;所述升降装置包括升降电机、第二同步带轮组、丝杠、连接块和导轨;所述升降电机安装在支撑架上,所述连接块安装在装料法兰的底部,所述连接块套设在丝杠上并与丝杠螺纹连接;所述连接块与导轨滑动配合;所述丝杠和导轨沿竖直方向平行设置,所述升降电机通过第二同步带轮组与丝杠连接,并能够驱动丝杠转动。
8.根据权利要求6所述的高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备,其特征在于:所述搅拌叶片为钽金属叶片、铱金属叶片或热解石墨叶片。
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