JP3237557U - High speed annealing device - Google Patents

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Abstract

【課題】炭化ケイ素ウェーハの焼戻し処理に適用することが可能な高速焼鈍装置を提供する。【解決手段】高速焼鈍装置は、周波数変換マイクロ波パワー源システムと、共振チャンバー加熱システムと、検知制御システムと、を備える。周波数変換マイクロ波パワー源システムは、ソリッドステートパワーアンプを使用し、熱処理時に、周波数を高速に周波数掃引する柔軟性を有して、焼鈍すべき材料の温度の変化による負荷効果によって共振周波数が変化することを補償する。エネルギーの使用効率の向上と、マイクロ波のエネルギーが均一な領域を充分に提供することのために、TM010の共振チャンバーの構成を採用して、4インチから8インチの炭化ケイ素ウェーハに対して焼鈍処理を行うことができる。検知制御システムは、ソフトウェアとハードウェアを結合して、インスタントフィードバックを有する自動システムを構成して、装置全体の柔軟性、安定性、及び信頼性が更に向上する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-speed annealing device applicable to a tempering process of a silicon carbide wafer. A high-speed bleaching apparatus includes a frequency conversion microwave power source system, a resonance chamber heating system, and a detection control system. The frequency conversion microwave power source system uses a solid state power amplifier, has the flexibility to sweep the frequency at high speed during heat treatment, and the resonance frequency changes due to the load effect due to the change in the temperature of the material to be ablated. Compensate to do. In order to improve energy utilization efficiency and provide sufficient microwave energy uniform region, TM010 resonance chamber configuration is adopted and tempered for 4 inch to 8 inch silicon carbide wafers. Processing can be performed. The detection and control system combines software and hardware to form an automated system with instant feedback, further improving the flexibility, stability, and reliability of the entire device. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本考案は、半導体装置に関し、特に、高速焼鈍装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a high-speed annealing device.

炭化ケイ素(SiC)は、ワイドバンドギャップ、高破壊電界、高熱伝導率、及び優れた化学的不活性を有するため、高温、ハイパワー波、及び高周波デバイスの製造に重要な半導体材料になる。なお、イオン注入は、SiC半導体素子を製造する不可欠な技術である。そして焼鈍(annealing)は、イオンを注入した後、格子損傷の除去、及び注入されたイオンの活性化の必要なステップである。炭化ケイ素の場合には、1,500 °Cよりも高い温度で、イオンを注入した後の焼鈍を行うことが必要である。 Silicon carbide (SiC) has a wide bandgap, high breaking electric field, high thermal conductivity, and excellent chemical inertness, making it an important semiconductor material for the manufacture of high temperature, high power waves, and high frequency devices. Ion implantation is an indispensable technique for manufacturing SiC semiconductor devices. Annealing is a necessary step after injecting the ions, removing lattice damage and activating the injected ions. In the case of silicon carbide, it is necessary to perform annealing after injecting ions at a temperature higher than 1,500 ° C.

従来の焼鈍は、抵抗加熱または低周波誘導加熱のセラミック炉で行うことが一般的である。しかし、セラミック炉の加熱/冷却速度は遅い(20 °C/min)ため、1,500 °Cを超える温度で、炭化ケイ素に対して焼鈍を行うことが難しい。炭化ケイ素が1,400 °Cを超える温度で長時間に暴露したと、基板表面での構成物質の昇華と再堆積(一般的にステップバンチング(step bunching)と称し)が発生して、炭化ケイ素ウェーハの表面粗さが増加する。これは、最大焼鈍温度を制限する。このような焼鈍温度に対する制限により、注入されたイオンを十分に活性化することができなくなって、その結果、接触領域とチャネル領域との抵抗が高くなる。同時に、表面粗さが大きすぎると、炭化ケイ素素子の性能に悪影響が与えられ、そのうちの一つは、逆転層の移動性(inversion layer mobility)が降下して、炭化ケイ素のMOSFETの導通抵抗がより高くなる。最近、上記の問題を抑制するための幾つかのキャッピング技術(capping technology)が提案された。しかし、これらの技術によれば、依然として最高温度に制限があり、そして複雑な処理ステップが必要である。一方、高温で炭化ケイ素が長時間に暴露したと、炭素の豊富な表面が形成され、最終的には黒鉛表面が形成される。従来の焼鈍の別の不良な影響は、注入されたホウ素イオンが外拡散および内拡散を発生する。 Conventional annealing is generally performed in a ceramic furnace with resistance heating or low frequency induction heating. However, since the heating / cooling rate of the ceramic furnace is slow (20 ° C / min), it is difficult to anneal the silicon carbide at a temperature exceeding 1,500 ° C. When silicon carbide is exposed for a long time at a temperature exceeding 1,400 ° C, sublimation and redeposition of constituents (generally called step bunching) occur on the surface of the substrate, resulting in silicon carbide. The surface roughness of the wafer increases. This limits the maximum annealing temperature. Such limitations on the annealing temperature make it impossible to sufficiently activate the injected ions, resulting in higher resistance between the contact region and the channel region. At the same time, if the surface roughness is too large, the performance of the silicon carbide element is adversely affected, and one of them is that the mobility of the inversion layer is lowered and the conduction resistance of the silicon carbide MOSFET is reduced. Will be higher. Recently, several capping techniques have been proposed to suppress the above problems. However, these techniques still limit the maximum temperature and require complex processing steps. On the other hand, when silicon carbide is exposed to high temperature for a long time, a carbon-rich surface is formed, and finally a graphite surface is formed. Another bad effect of conventional annealing is that the injected boron ions cause outward and inward diffusion.

従来の焼鈍は、上記の問題に加えて、操作上の欠点もある。第1の問題は熱効率にある。炉本体の主な放熱は放射であり、放射量は温度の4乗に比例して増加する。このため、加熱の領域を広くすると、加熱に必要なエネルギー効率が著しく降下する。抵抗加熱炉の場合には、二管構造を採用することが一般的であり、加熱器を汚染することを回避することができる。このため、加熱しようとする領域がもっと広くなる。一方、二管構造を採用するため、被加熱材料が熱源から離れる。このため、加熱器の温度が被加熱材料の温度よりも高いように設定することが必要であるが、そうすると、効率が大幅に降下する要因になる。このため、加熱システムの熱容量が非常に大きくなって、温度の上昇または降下の時間が長くなる。これにより、生産量が減少し、被加熱材料の表面粗さが増加する。 In addition to the above problems, conventional annealing also has operational drawbacks. The first problem is thermal efficiency. The main heat dissipation of the furnace body is radiation, and the amount of radiation increases in proportion to the fourth power of temperature. For this reason, widening the heating area significantly reduces the energy efficiency required for heating. In the case of a resistance heating furnace, it is common to adopt a two-tube structure, and it is possible to avoid contaminating the heater. For this reason, the area to be heated becomes wider. On the other hand, since the two-tube structure is adopted, the material to be heated is separated from the heat source. Therefore, it is necessary to set the temperature of the heater to be higher than the temperature of the material to be heated, which causes a significant decrease in efficiency. For this reason, the heat capacity of the heating system becomes very large, and the time for increasing or decreasing the temperature becomes long. As a result, the production amount decreases and the surface roughness of the material to be heated increases.

従来の焼鈍の第2の問題は、加熱炉の材料の無駄に関する。加熱炉に使用する1,500℃以上の温度を耐えることができる材料は、高融点で高純度の材料が必要である。従来、炭化ケイ素の焼鈍炉に使用可能な材料は、黒鉛および炭化ケイ素の焼結体である。しかし、このような材料は高価なため、炉本体が大きい場合には、交換にはかなりの費用がかかる。そして温度が高いほど、炉本体の寿命が短いため、交換コストは、一般的なシリコンウェーハを焼鈍する技術よりも遥かに高い。 The second problem of conventional annealing concerns the waste of materials in the heating furnace. A material having a high melting point and high purity is required as a material used in a heating furnace that can withstand a temperature of 1,500 ° C. or higher. Conventionally, the materials that can be used in the silicon carbide annealing furnace are graphite and silicon carbide sintered bodies. However, since such materials are expensive, replacement is quite expensive if the furnace body is large. And the higher the temperature, the shorter the life of the furnace body, so the replacement cost is much higher than the technique of annealing a general silicon wafer.

従来の焼鈍技術の加熱速度が遅すぎて、炭化ケイ素ウェーハの表面が劣化するという問題を解決するために、高速焼鈍技術の開発が必要となる。ハロゲンランプやレーザーの技術で高速熱処理が可能であるが、まだまだ問題がある。例えば、達成可能な最高の焼鈍温度、表面溶融、高い残留欠陥密度、及びインプラントの再分布などの問題がある。それに対して、マイクロ波による加熱は、炭化ケイ素の高速焼鈍の有効な方法となる。 In order to solve the problem that the heating rate of the conventional annealing technique is too slow and the surface of the silicon carbide wafer is deteriorated, it is necessary to develop a high-speed annealing technique. High-speed heat treatment is possible with halogen lamp and laser technologies, but there are still problems. For example, there are problems such as the highest achievable annealing temperature, surface melting, high residual defect density, and implant redistribution. On the other hand, microwave heating is an effective method for high-speed annealing of silicon carbide.

炭化ケイ素は、マイクロ波のエネルギー(300MHz~300GHz)を有効に吸収することができる。適当に設計された焼鈍システムを利用して、マイクロ波により、炭化ケイ素ウェーハを高速に加熱および冷却することができ、そして焼鈍時間を良く制御することもできる。マイクロ波は、選択的に加熱できる特点を有する。これは、マイクロ波が半導体ウェーハに吸収され、周囲の環境に吸収されないためである。このため、焼鈍の加熱速度は極めて速い。そして、高速焼鈍の過程中に、炭化ケイ素ウェーハの周囲の環境の温度上昇は限られるため、マイクロ波源をオフしたと、炭化ケイ素ウェーハの冷却速度は極めて速い。従来の焼鈍技術に比べると、マイクロ波により炭化ケイ素の焼鈍を行う場合には、結果として、加熱速度が600 °C/sを超え、温度が2,000 °Cに達する。1,850 °Cで35秒間のマイクロ波により焼鈍を行ったと、その表面粗さは2nmである。これに比べると、従来の焼鈍技術により、1,500 °Cで15分間に焼鈍を行ったと、表面粗さは6nmである。そして、薄層抵抗および注入元素再分布の深さの面では、マイクロ波による焼鈍が優れた結果を見せる(SIDDARTH G. SUNDARESAN, etc;Journal of ELECTRONIC MATERIALS,Vol.36,No.4,2007)。 Silicon carbide can effectively absorb microwave energy (300 MHz to 300 GHz). A well-designed annealing system can be utilized to heat and cool silicon carbide wafers at high speeds with microwaves, and the annealing time can also be well controlled. Microwaves have the characteristic that they can be selectively heated. This is because the microwave is absorbed by the semiconductor wafer and not by the surrounding environment. Therefore, the heating rate of annealing is extremely high. Since the temperature rise of the environment around the silicon carbide wafer is limited during the high-speed annealing process, the cooling rate of the silicon carbide wafer is extremely high when the microwave source is turned off. Compared with the conventional annealing technique, when the silicon carbide is annealed by microwave, the heating rate exceeds 600 ° C / s and the temperature reaches 2,000 ° C as a result. When annealed with microwaves at 1,850 ° C for 35 seconds, the surface roughness is 2 nm. Compared to this, when annealing was performed at 1500 ° C for 15 minutes by the conventional annealing technique, the surface roughness was 6 nm. And, in terms of thin layer resistance and depth of injection element redistribute, annealing by microwave shows excellent results (SIDDARTH G. SUNDARESAN, etc; Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol.36, No.4, 2007). ..

共振チャンバーカップリングは、マイクロ波による加熱の過程中に、よく使用される方法である。マイクロ波加熱炉は、固定周波数の単一モード共振チャンバー、又はマルチモード共振チャンバーの構成で稼働することが一般的である。単一モード共振チャンバーで生成する電磁界の強度は、マルチモード共振チャンバーよりも高いため、高速加熱に適用することができる。単一モード共振チャンバーにより、10°C/秒~100°C/秒のような速い加熱速度を実現することができるが、マルチモード共振チャンバーによる加熱速度はより遅い。しかし、従来技術によれば、加熱速度が更に100℃/秒よりも遥かに速くすると、幾つかの技術的なハードルがある。まず、熱処理の過程中に、加熱される物質の物理的特性が温度の変化に従って変化すると、共振チャンバーの共振周波数は変化する。固定周波数のRF/マイクロ波源を使用すると、共振チャンバーとの不一致が発生する。そうすると、入力電磁波の反射は大幅に増加して、加熱効率に悪影響を与える。次に、共振チャンバーの共振周波数を機械的に調整することはできるが、変化に対する応答時間が遅くなり、加熱速度が遅くなる。 Resonant chamber coupling is a commonly used method during the process of microwave heating. The microwave heating furnace generally operates in the configuration of a fixed frequency single mode resonant chamber or a multimode resonant chamber. Since the strength of the electromagnetic field generated in the single-mode resonant chamber is higher than that in the multimode resonant chamber, it can be applied to high-speed heating. Higher heating rates, such as 10 ° C / sec to 100 ° C / sec, can be achieved with the single-mode resonant chamber, but slower with the multi-mode resonant chamber. However, according to the prior art, there are some technical hurdles when the heating rate is further much higher than 100 ° C./sec. First, during the process of heat treatment, when the physical properties of the substance to be heated change according to the change in temperature, the resonance frequency of the resonance chamber changes. The use of fixed frequency RF / microwave sources causes a mismatch with the resonant chamber. Then, the reflection of the input electromagnetic wave is greatly increased, which adversely affects the heating efficiency. Second, the resonant frequency of the resonant chamber can be mechanically adjusted, but the response time to change is slowed down and the heating rate is slowed down.

本考案の主な目的は、炭化ケイ素ウェーハの焼戻し処理に適用することが可能な高速焼鈍装置を提供することにある。 A main object of the present invention is to provide a high-speed annealing device that can be applied to a tempering process of a silicon carbide wafer.

上記の従来技術の欠点を克服するために、本考案は、周波数変換マイクロ波源を使用して、高速で選択的に加熱する技術および装置を提案し、前記技術および装置によれば、炭化ケイ素ウェーハの焼鈍プロセスの加熱速度を速くすることができ、加熱温度を上げることもできる。 In order to overcome the above-mentioned drawbacks of the prior art, the present invention proposes a technique and an apparatus for selectively heating at high speed using a frequency conversion microwave source, and according to the technique and the apparatus, a silicon carbide wafer. The heating rate of the annealing process can be increased, and the heating temperature can also be increased.

本考案では、固定周波数マグネトロンの代わりに、周波数変換ソリッドステート電子素子を使用して、マイクロ波パワー源とする。周波数可変パワー源は、最高工作マイクロ波周波数の選択を許可し、そして熱処理の過程中に、掃引周波数が柔軟性を有し、焼鈍すべき材料の温度の変化による共振周波数の変化を補償して、最高のエネルギー効率を実現する。従来の営業用システムに使用される行進波管(TWT)周波数変換源に比べて、本考案で採用するソリッドステートマイクロ波パワー源は、製造コストが降下し、体積が小さくなり、高電圧システムを必要せず、電子的制御が容易になる。 In the present invention, instead of the fixed frequency magnetron, a frequency conversion solid-state electronic element is used as a microwave power source. The frequency variable power source allows the selection of the highest working microwave frequency, and during the heat treatment process, the sweep frequency is flexible and compensates for the change in resonance frequency due to changes in the temperature of the material to be annealed. , Achieve the highest energy efficiency. Compared to the traveling wave tube (TWT) frequency conversion source used in conventional commercial systems, the solid-state microwave power source used in the present invention has lower manufacturing cost, smaller volume, and higher voltage system. It is not necessary and electronic control is facilitated.

本考案に係る検知制御システムは、方向カプラー及び動力計を利用して、前進波および反射波を検知し、そしてコンピューターに接続されている赤外線高温計により、マイクロ波による加熱の全部の過程の検知、調整および制御を行う。高速熱処理は、極めて短い時間で完成することが必要なため、手動での調整および制御が難しい。このため、本考案に係る検知制御システムは、ハードウェア及びソフトウェアと結合して、即時にフィードバックする機能を有する自動化システムを構成する。これにより、装置全体の柔軟性、安定性および信頼性が向上する。 The detection control system according to the present invention detects forward waves and reflected waves by using a directional coupler and a power meter, and detects the entire process of heating by microwaves by an infrared thermometer connected to a computer. , Adjust and control. High-speed heat treatment needs to be completed in a very short time, which makes manual adjustment and control difficult. Therefore, the detection control system according to the present invention constitutes an automated system having a function of immediately feeding back by combining with hardware and software. This improves the flexibility, stability and reliability of the entire device.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、ソリッドステートの周波数変換マイクロ波パワー源を利用して、第1の周波数を有するマイクロ波を提供する周波数変換マイクロ波パワー源システムと、ウェーハ受け台座およびアンテナを有する共振チャンバーを備える共振チャンバー加熱システムと、検知制御システムと、を備え、共振チャンバー加熱システムの共振チャンバーは、上円盤、中空円筒及び下円盤から構成されるチャンバーを備え、上円盤と下円盤は、それぞれ、中空円筒の両側に設けられており、焼鈍すべき材料は、ウェーハ受け台座に置かれており、周波数変換マイクロ波パワー源システムからのマイクロ波は、アンテナを経由して共振チャンバーに入力されて、共振チャンバーにおいて、共振モードを励起することにより、焼鈍すべき材料に対して焼鈍処理を行い、検知制御システムは、周波数変換マイクロ波パワー源システムからのマイクロ波の前進信号、及び共振チャンバー加熱システムからの反射信号を検出することにより、前進信号及び反射信号によって、パワー変化を取得し、且つ焼鈍すべき材料の温度値を検知することにより、温度値及びパワー変化に応じて調整命令を生成し、周波数変換マイクロ波パワー源システムは、調整命令によって周波数掃引モードを行い、且つ最低マイクロ波反射での好適な工作マイクロ波周波数を即時に選択して、第1の周波数を取り換えて、焼鈍すべき材料の温度の変化による共振チャンバーの共振周波数の変化を補償することを特徴とする。 According to the high-speed bleaching apparatus according to the present invention, a frequency-converted microwave power source system that uses a solid-state frequency-converted microwave power source to provide a microwave having a first frequency, and a wafer pedestal and an antenna are provided. It is equipped with a resonance chamber heating system having a resonance chamber and a detection control system, and the resonance chamber of the resonance chamber heating system is provided with a chamber composed of an upper disk, a hollow cylinder and a lower disk, and the upper disk and the lower disk are , Each of which is provided on both sides of the hollow cylinder, the material to be annealed is placed on the wafer pedestal, and the microwave from the frequency conversion microwave power source system is input to the resonance chamber via the antenna. Then, in the resonance chamber, the material to be annealed is subjected to the annealing process by exciting the resonance mode, and the detection control system is the forward signal of the microwave from the frequency conversion microwave power source system and the resonance chamber. By detecting the reflected signal from the heating system, the power change is acquired by the forward signal and the reflected signal, and by detecting the temperature value of the material to be ablated, the adjustment command is given according to the temperature value and the power change. The generated and frequency-converted microwave power source system performs frequency sweep mode with tuning instructions, and immediately selects a suitable working microwave frequency with the lowest microwave reflection, replaces the first frequency and burns. It is characterized by compensating for a change in the resonance frequency of the resonance chamber due to a change in the temperature of the material to be used.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、周波数変換マイクロ波パワー源システムは、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源と、インピーダンスマッチャーと、を備え、インピーダンスマッチャーはアンテナと連接し、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源は、マイクロ波信号生成器と、ソリッドステートパワーアンプと、を備え、マイクロ波信号生成器は、ローパワーのマイクロ波信号を生成して、ソリッドステートパワーアンプに送ってハイパワーのマイクロ波を生成することを特徴とする。 According to the high-speed bleaching apparatus according to the present invention, the frequency conversion microwave power source system includes a solid state frequency conversion microwave power source and an impedance matcher, and the impedance matcher is connected to an antenna to form a solid state frequency conversion microwave. The power source includes a microwave signal generator and a solid state power amplifier, and the microwave signal generator generates a low power microwave signal and sends it to the solid state power amplifier to send a high power microwave. It is characterized by generating.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源と、インピーダンスマッチャーと、から構成されるFM高速マッチングメカニズムにより、マイクロ波の反射を高速に減少し、インピーダンスマッチャーは、固定のインピーダンスを有し、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源は、検知制御システムの調整命令によって、周波数掃引モードに入ることにより、最低マイクロ波反射での好適な最高工作マイクロ波周波数を選択して、マイクロ波の第2の周波数として、焼鈍すべき材料の温度の変化による共振チャンバーの共振周波数の変化を補償することを特徴とする。 According to the high-speed annealing device according to the present invention, the FM high-speed matching mechanism composed of the solid-state frequency conversion microwave power source and the impedance matcher reduces the microwave reflection at high speed, and the impedance matcher is fixed. Having impedance, the solid state frequency conversion microwave power source selects the best working microwave frequency suitable for the lowest microwave reflection by entering the frequency sweep mode by the tuning command of the detection control system, micro. The second frequency of the wave is characterized by compensating for a change in the resonance frequency of the resonance chamber due to a change in the temperature of the material to be ablated.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、検知制御システムは、更に、気圧制御システムを備え、気圧制御システムは、共振チャンバーの気圧値の検知および制御を行うためのものであり、気圧制御システムは、共振チャンバーに設けられている圧力検出ユニットを備え、圧力検出ユニットは、共振チャンバーの気圧値を検知するためのものであり、気圧制御システムは、更に、共振チャンバーとそれぞれ連接する、排気ユニットと、ガス入力ユニットと、を備え、これにより、共振チャンバーの気圧値を予定の気圧に保持することを特徴とする。 According to the high-speed incineration device according to the present invention, the detection control system further includes a pressure control system, the pressure control system is for detecting and controlling the pressure value of the resonance chamber, and the pressure control system is a pressure control system. A pressure detection unit provided in the resonance chamber is provided, the pressure detection unit is for detecting the pressure value of the resonance chamber, and the pressure control system further includes an exhaust unit and an exhaust unit which are connected to the resonance chamber, respectively. It is provided with a gas input unit, which is characterized in that the atmospheric pressure value of the resonance chamber is maintained at a planned atmospheric pressure.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、検知制御システムは、方向カプラーと、動力計と、光学温度測定装置と、コンピューターと、を備え、方向カプラーは、周波数変換マイクロ波パワー源システムからのマイクロ波の前進信号、及び共振チャンバー加熱システムからの反射信号を検出し、動力計は、前進信号および反射信号によって、パワー変化を取得し、コンピューターは、温度値およびパワー変化に応じて調整命令を生成し、且つ検知制御システムは、更に、コンピューターと電気的に接続するモニターを備え、モニターにより、検知制御システムの検知結果が即時に表示されることを特徴とする。 According to the high speed annealing device according to the present invention, the detection control system includes a directional coupler, a power meter, an optical temperature measuring device, and a computer, and the directional coupler is a microwave from a frequency conversion microwave power source system. The forward signal and the reflected signal from the resonance chamber heating system are detected, the power meter acquires the power change by the forward signal and the reflected signal, and the computer generates the adjustment command according to the temperature value and the power change. Further, the detection control system further includes a monitor that is electrically connected to the computer, and the monitor displays the detection result of the detection control system immediately.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、インピーダンスマッチャーは、ハイパワーの焼鈍プロセスを行う前に、インピーダンス素子が調整されて反射マイクロ波が極めて小さく、マッチ条件を満足する。ハイパワーの焼鈍プロセスを行っているときに、焼鈍すべき材料の物理的特性は、温度の上昇により変化して、マイクロ波共振チャンバーの共振周波数を変化して、マイクロ波の反射量が増加する。このとき、検知制御システムは、調整命令をソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源に送って、高速周波数掃引モードに調整して、最小反射の動作周波数を取得し、共振チャンバー加熱システムのインピーダンスと整合することを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the impedance matcher satisfies the matching condition because the impedance element is adjusted and the reflected microwave is extremely small before the high-power annealing process is performed. During a high-power annealing process, the physical properties of the material to be annealed change with increasing temperature, changing the resonant frequency of the microwave resonant chamber and increasing the amount of microwave reflection. .. At this time, the detection control system sends an adjustment command to the solid state frequency conversion microwave power source to adjust to the high speed frequency sweep mode to obtain the minimum reflection operating frequency and match it with the impedance of the resonant chamber heating system. It is characterized by that.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、共振チャンバーのアンテナは、金属ボールと、金属ボールと連接する金属棒とから構成され、金属棒は、上円盤に設けられており、周波数変換マイクロ波パワー源システムのインピーダンスマッチャーと連接することにより、マイクロ波は、アンテナを経由して共振チャンバーに入力されることを特徴とする。 According to the high-speed annealing device according to the present invention, the antenna of the resonance chamber is composed of a metal ball and a metal rod connected to the metal ball, and the metal rod is provided on the upper disk and is a frequency conversion microwave power source. By connecting with the impedance matcher of the system, the microwave is input to the resonance chamber via the antenna.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、上円盤と下円盤とは、それぞれ、放物線円盤であることを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the upper disk and the lower disk are characterized by being parabolic disks, respectively.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、上円盤と下円盤との内側の面には、赤外線反射層がそれぞれ塗布されていることを特徴とする。 According to the high-speed annealing device according to the present invention, the inner surfaces of the upper disk and the lower disk are each coated with an infrared reflective layer.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、ウェーハ受け台座は、共振チャンバーの中央に位置し、中央は、マイクロ波のエネルギーが最も強い領域であることを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the wafer pedestal is located in the center of the resonance chamber, and the center is the region where the microwave energy is the strongest.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、ウェーハ受け台座は、共振チャンバーに回転可能に設けられていることにより、焼鈍すべき材料の焼鈍の均一性を増加することを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the wafer pedestal is rotatably provided in the resonance chamber, so that the uniformity of annealing of the material to be annealed is increased.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、ウェーハ受け台座は、ベースと、上蓋と、を備え、焼鈍すべき材料は、ベース及び上蓋から構成されるチャンバーに置かれることを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the wafer pedestal is provided with a base and an upper lid, and the material to be annealed is placed in a chamber composed of the base and the upper lid.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、ウェーハ受け台座は、マイクロ波の一部を吸収して熱エネルギーを生成することにより、焼鈍すべき材料に伝導して加熱し、ウェーハ受け台座は、マイクロ波の他の部分が貫通することを許可することにより、ウェーハ受け台座のチャンバーにおける焼鈍すべき材料を直接に加熱することを特徴とする。 According to the high-speed annealing device according to the present invention, the wafer pedestal pedestal absorbs a part of microwaves to generate heat energy, thereby conducting heat to the material to be annealed, and the wafer pedestal pedestal is microwaved. It is characterized by directly heating the material to be annealed in the chamber of the wafer cradle by allowing other parts to penetrate.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、共振チャンバーのウェーハ受け台座は、マイクロ波吸収材料で構成され、50%を超えるマイクロ波が焼鈍すべき材料を貫通することを許可することにより、焼鈍すべき材料を加熱することを特徴とする。 According to the high speed annealing apparatus according to the present invention, the wafer pedestal of the resonance chamber is composed of a microwave absorbing material and should be annealed by allowing more than 50% of microwaves to penetrate the material to be annealed. It is characterized by heating the material.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、マイクロ波吸収材料は、気孔率が20%~30%の範囲に入る、多孔性焼結炭化ケイ素、又は多孔性黒鉛であることを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the microwave absorbing material is characterized by being porous sintered silicon carbide or porous graphite having a porosity in the range of 20% to 30%.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、マイクロ波の第1の周波数は、433.05~434.79MHz、又は902~928MHzの範囲に入り、周波数掃引モードの周波数掃引範囲は±10MHzであり、共振チャンバーは単一TM010共振モードの構成であり、共振チャンバーの空いたチャンバーの品質係数(Q)は6,000を超えることを特徴とする。 According to the high-speed bleaching apparatus according to the present invention, the first frequency of the microwave is in the range of 433.05 to 434.79 MHz or 902 to 928 MHz, the frequency sweep range of the frequency sweep mode is ± 10 MHz, and resonance occurs. The chamber is configured in a single TM 010 resonance mode and is characterized in that the quality coefficient (Q) of the vacant chamber of the resonance chamber exceeds 6,000.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、マイクロ波の第1の周波数は434MHzであり、共振チャンバーの直径は500mmであることを特徴とする。 According to the high-speed annealing device according to the present invention, the first frequency of the microwave is 434 MHz, and the diameter of the resonance chamber is 500 mm.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、マイクロ波の第1の周波数は500MHzであることを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the first frequency of the microwave is 500 MHz.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、焼鈍すべき材料は炭化ケイ素であることを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the material to be annealed is silicon carbide.

本考案に係る高速焼鈍装置によると、焼鈍すべき材料は、炭化ケイ素ウェーハであることを特徴とする。 According to the high-speed annealing apparatus according to the present invention, the material to be annealed is a silicon carbide wafer.

本考案に係る高速焼鈍装置によれば、次のような効果がある。
(1)434MHzのマイクロ波共振チャンバーにより、炭化ケイ素ウェーハに対して高速焼鈍を行う場合には、単一共振TM010モードを採用すると、電磁界が均一で充分な領域を取得して、4インチから8インチのウェーハを処理することができる。円筒形共振チャンバーは、上下が放物線で構成される内面を備える。これにより、炭化ケイ素ウェーハの高温での大量の放射ロスが発生するという問題を解決することができ、1,500℃度~2,000度℃までに加熱することができる。
(2)固定周波数マグネトロンの代わりに、周波数変換ソリッドステート電子素子を使用して、マイクロ波パワー源とする。これにより、熱処理の過程中に、掃引周波数が柔軟性を有し、最高工作マイクロ波周波数の選択が許可され、焼鈍すべき材料の温度の変化によるマイクロ波共振チャンバーの共振周波数の変化を補償することができる。同時に、これはインピーダンスマッチャーと高速マッチモードを構成して、高速焼鈍の要求に満足することができる。
(3)共振チャンバーのウェーハ受け台座は、炭化ケイ素ウェーハを固定する他、マイクロ波による熱エネルギーの一部を吸収して、炭化ケイ素ウェーハに均一に伝導することができ、炭化ケイ素ウェーハの内部熱応力による破裂を防止することができる。同時に、殆どのマイクロ波が炭化ケイ素ウェーハを貫通することを許可ことにより加熱すると共に、炭化ケイ素ウェーハのエッジの過熱を防止することができる。
(4)検知制御システムは、ソフトウェアおよびハードウェアと結合して、即時にフィードバック可能な自動化システムを構成することにより、装置全体は、柔軟性、安定性および信頼性が向上する。
According to the high-speed annealing device according to the present invention, there are the following effects.
(1) When high-speed annealing is performed on a silicon carbide wafer using a 434 MHz microwave resonance chamber, if the single resonance TM 010 mode is adopted, the electromagnetic field is uniform and a sufficient region is acquired, and 4 inches. Can process 8 inch wafers. The cylindrical resonant chamber has an inner surface composed of parabolas at the top and bottom. As a result, it is possible to solve the problem that a large amount of radiation loss occurs at a high temperature of the silicon carbide wafer, and it is possible to heat the silicon carbide to a temperature of 1,500 ° C to 2,000 ° C.
(2) Instead of a fixed frequency magnetron, a frequency conversion solid-state electronic element is used as a microwave power source. This allows the sweep frequency to be flexible during the heat treatment process, allowing the selection of the highest working microwave frequency and compensating for changes in the resonance frequency of the microwave resonance chamber due to changes in the temperature of the material to be tempered. be able to. At the same time, it can configure an impedance matcher and a fast match mode to meet the demands of fast annealing.
(3) The wafer pedestal of the resonance chamber can fix the silicon carbide wafer, absorb a part of the heat energy generated by the microwave, and uniformly conduct the heat to the silicon carbide wafer, and the internal heat of the silicon carbide wafer can be obtained. It is possible to prevent bursting due to stress. At the same time, it is possible to heat by allowing most microwaves to penetrate the silicon carbide wafer and prevent overheating of the edges of the silicon carbide wafer.
(4) The detection control system is combined with software and hardware to form an automated system capable of providing immediate feedback, so that the flexibility, stability and reliability of the entire device are improved.

本考案に係る高速焼鈍装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the high-speed annealing apparatus which concerns on this invention. 本考案に係る高速焼鈍装置の回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit of the high-speed annealing apparatus which concerns on this invention.

以下、本考案の実施の形態を図面に基づいて説明する。本考案の実施の形態の図面における各部材の比率は、説明を容易に理解するために示され、実際の比率ではない。また、図に示すアセンブリの寸法の比率は、各部品とその構造を説明するためのものであり、もちろん、本考案はこれに限定されない。一方、理解を便利にするために、下記の実施の形態における同じ部品については、同じ符号を付して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The proportions of each member in the drawings of embodiments of the present invention are shown for easy understanding of the description and are not actual proportions. Further, the ratio of the dimensions of the assembly shown in the figure is for explaining each part and its structure, and of course, the present invention is not limited to this. On the other hand, for convenience of understanding, the same parts in the following embodiments will be described with the same reference numerals.

さらに、明細書全体および実用新案登録請求の範囲で使用される用語は、特に明記しない限り、通常、この分野、本明細書に開示される内容、および特別な内容で使用される各用語の通常の意味を有する。本考案を説明するために使用されるいくつかの用語は、当業者に本考案の説明に関する追加のガイダンスを提供するために、本明細書の以下または他の場所で説明される。 In addition, terms used throughout the specification and in the utility model claims are commonly used in this field, as disclosed herein, and as used in any particular context, unless otherwise stated. Has the meaning of. Some terms used to describe the invention are described below or elsewhere herein to provide those skilled in the art with additional guidance regarding the description of the invention.

この記事での「第1」、「第2」、「第3」、「第4」などの使用については、順序や順次を具体的に示すものではなく、本考案を制限するためにも使用されていない。これは、同じ専門用語で説明するコンポーネントまたは操作を区別するだけために使用される。 The use of "1st", "2nd", "3rd", "4th", etc. in this article does not specifically indicate the order or sequence, but is also used to limit the present invention. It has not been. It is used only to distinguish between the components or operations described in the same terminology.

次に、この記事で「含む」、「備える」、「有する」、「含有する」などの用語が使用されている場合、それらはすべてオープンな用語である。つまり、これらは、含むがこれに限定されないことを意味する。
Second, when terms such as "contain", "prepare", "have", and "contain" are used in this article, they are all open terms. This means that they include, but are not limited to.

本考案は、マイクロ波を使用する高速焼鈍装置を提案し、焼鈍すべき材料を極めて高い温度に高速で選択的に加熱することができ、炭化ケイ素ウェーハの焼鈍プロセスの高速加熱および高温加熱の要求に満足することができる。本考案に係る高速焼鈍装置は、三つの主な部分に分けられる。これらは、周波数変換マイクロ波パワー源システム、共振チャンバー加熱システム、及び検知制御システム(すなわち、検知および制御システム)である。マイクロ波は、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源から生成されて、インピーダンスマッチャーを通過して、共振チャンバー加熱システムと結合して、標的物(すなわち、焼鈍すべき材料)に対して加熱を行う。検知制御システムは、マイクロ波による加熱の過程の調整、検知および制御を行う。 The present invention proposes a high-speed annealing device using microwaves, which can selectively heat the material to be annealed to an extremely high temperature at high speed, and requires high-speed heating and high-temperature heating in the annealing process of silicon carbide wafers. Can be satisfied with. The high-speed annealing device according to the present invention can be divided into three main parts. These are frequency conversion microwave power source systems, resonant chamber heating systems, and detection and control systems (ie, detection and control systems). The microwave is generated from a solid-state frequency-converted microwave power source, passes through an impedance matcher, and couples with a resonant chamber heating system to heat the target (ie, the material to be ablated). The detection control system regulates, detects and controls the process of heating by microwaves.

図1及び図2を参照する。図1は本考案に係る高速焼鈍装置の構成を示す模式図であり、図2は本考案に係る高速焼鈍装置の回路のブロック図である。本考案に係る高速焼鈍装置100は、周波数変換マイクロ波パワー源システム10と、共振チャンバー加熱システム30と、検知制御システム50と、を備える。本考案に係る周波数変換マイクロ波パワー源システム10は、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源12を利用して、第1の周波数を有するマイクロ波を提供する。本考案で使用されるマイクロ波周波数(すなわち、第1の周波数)は、434MHzを例にしたが、これに限定されない。 See FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the high-speed annealing device according to the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of a circuit of the high-speed annealing device according to the present invention. The high-speed annealing device 100 according to the present invention includes a frequency conversion microwave power source system 10, a resonance chamber heating system 30, and a detection control system 50. The frequency conversion microwave power source system 10 according to the present invention utilizes the solid state frequency conversion microwave power source 12 to provide microwaves having a first frequency. The microwave frequency (that is, the first frequency) used in the present invention is, but is not limited to, 434 MHz as an example.

共振チャンバー加熱システム30は、ウェーハ受け台座32及びアンテナ34を有する共振チャンバー36を備える。焼鈍すべき材料200は、共振チャンバー36のウェーハ受け台座32のチャンバー33に置かれる。周波数変換マイクロ波パワー源システム10からのマイクロ波は、共振チャンバー加熱システム30のアンテナ34を経由して、共振チャンバー36に入って、共振チャンバー36において、共振モードを励起して、焼鈍すべき材料200に対して焼鈍処理を行う。上記の焼鈍すべき材料200は、例えば炭化ケイ素であり、且つ例えば炭化ケイ素ウェーハである。しかし、本考案では、焼鈍すべき材料が炭化ケイ素材料を例にして説明し、特に、炭化ケイ素ウェーハを例にしたが、本考案はこれに限定されない。焼鈍処理を行うことが可能な材料であれば、高速加熱を行うことが必要かどうかにも係わらず、全てが本考案に適用することができる。 The resonance chamber heating system 30 includes a resonance chamber 36 having a wafer pedestal 32 and an antenna 34. The material 200 to be annealed is placed in the chamber 33 of the wafer pedestal 32 of the resonant chamber 36. Frequency-converted microwaves Microwaves from the power source system 10 enter the resonant chamber 36 via the antenna 34 of the resonant chamber heating system 30 to excite the resonant mode in the resonant chamber 36 and be ablated. 200 is annealed. The material 200 to be annealed is, for example, silicon carbide and, for example, a silicon carbide wafer. However, in the present invention, the material to be annealed is described by taking a silicon carbide material as an example, and in particular, a silicon carbide wafer is taken as an example, but the present invention is not limited to this. Any material that can be annealed can be applied to the present invention, regardless of whether high speed heating is required.

検知制御システム50は、周波数変換マイクロ波パワー源システム10からのマイクロ波の前進信号、及び共振チャンバー加熱システム30からの反射信号を検出することにより、前進信号および反射信号の変化に応じて、調整命令を即時に生成する。周波数変換マイクロ波パワー源システム10は、この調整命令によって周波数掃引モードに入って、最低マイクロ波反射である最高工作マイクロ波周波数を見つかって、この最低マイクロ波反射である最高工作マイクロ波周波数を即時に選択して、第2の周波数として、本来の第1の周波数を取り替わることにより、焼鈍すべき材料200からの共振周波数の変化を補償して、反射波を最小にする。 The detection control system 50 adjusts according to the change of the forward signal and the reflected signal by detecting the forward signal of the microwave from the frequency conversion microwave power source system 10 and the reflected signal from the resonance chamber heating system 30. Generate instructions immediately. The frequency conversion microwave power source system 10 enters the frequency sweep mode by this adjustment command, finds the highest working microwave frequency which is the lowest microwave reflection, and immediately sets the highest working microwave frequency which is the lowest microwave reflection. By replacing the original first frequency as the second frequency, the change in the resonance frequency from the material 200 to be annealed is compensated and the reflected wave is minimized.

詳細的には、本考案に係る高速焼鈍装置100において、周波数変換マイクロ波パワー源システム10は、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源12と、インピーダンスマッチャー(Match Box)18と、を備える。インピーダンスマッチャー18は、上記のアンテナ34(すなわち、カップリングアンテナ)と連接する。ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源12は、マイクロ波信号生成器(Signal Generator)14と、ソリッドステートパワーアンプ(Solid State Power Amplifier;SSPA)16と、を備える。マイクロ波信号生成器14は、ローパワーのマイクロ波信号を生成するためのものである。ソリッドステートパワーアンプ16は、このローパワーのマイクロ波信号を拡大して、ハイパワーのマイクロ波を生成する。周波数変換マイクロ波パワー源システム10は、インピーダンスマッチャー18によってインピーダンス整合を行うことにより、マイクロ波の反射を減少し、エネルギーの使用効率を増加し、マイクロ波パワー源の安全を確保する。本考案は、産業用途に属し、使用可能な周波数がISM周波数帯域(Industrial Scientific Medical Band)に属する。ITU無線規則によると、マイクロ波の範囲に属するのは、433.05~434.79MHz、902~928MHz、2400~2483.5MHz…などである。マイクロ波の周波数が高いほど、共振チャンバーの寸法が小さく、そしてエネルギー均一区が小さくなる。本考案の目標は、8インチのウェーハを処理することが可能であることにあるため、TM010単一モード共振を採用する。共振チャンバーの設計は、直径が約500mmである。この寸法では、周波数が2400MHzよりも高いマイクロ波が、均一な焼鈍処理領域を十分に提供することが困難であり、且つその他の共振モードを励起しやすい。このため、単一モード操作の利点が喪失し、且つマイクロ波のエネルギー分布の均一性を維持しにくい。このため、本考案で使用されるマイクロ波の中心周波数は、約433.05~434.79MHz又は902~928MHzの範囲に入ることが好ましく、434MHzであることが更に好ましい。周波数掃引モードの周波数掃引範囲は約±10MHzである。すなわち、周波数掃引範囲は、例えば、本来のマイクロ波の第1の周波数を10MHzに増減する。この周波数掃引範囲は、例だけであり、もちろん、実際の必要によって、周波数掃引範囲の数値を増減することができる。本考案に適用される出力パワーは、プロセスの必要によって変更することができ、特別の範囲に限定されない。 Specifically, in the high-speed annealing apparatus 100 according to the present invention, the frequency conversion microwave power source system 10 includes a solid state frequency conversion microwave power source 12 and an impedance matcher (Match Box) 18. The impedance matcher 18 is connected to the above-mentioned antenna 34 (that is, a coupling antenna). The solid-state frequency conversion microwave power source 12 includes a microwave signal generator (Signal Generator) 14 and a solid-state power amplifier (SPLA) 16. The microwave signal generator 14 is for generating a low power microwave signal. The solid-state power amplifier 16 expands this low-power microwave signal to generate high-power microwaves. The frequency conversion microwave power source system 10 reduces the reflection of microwaves, increases the efficiency of energy use, and ensures the safety of the microwave power source by performing impedance matching by the impedance matcher 18. The present invention belongs to industrial use, and the usable frequency belongs to the ISM frequency band (Industrial Scientific Medical Band). According to the ITU Radio Regulations, the microwave range includes 433.05 to 434.79 MHz, 902 to 928 MHz, 2400 to 2483.5 MHz, and the like. The higher the microwave frequency, the smaller the dimensions of the resonant chamber and the smaller the energy uniform section. Since the goal of the present invention is to be able to process 8-inch wafers, TM 010 single-mode resonance is adopted. The design of the resonant chamber is about 500 mm in diameter. At this dimension, microwaves with frequencies above 2400 MHz are difficult to adequately provide a uniform annealing region and are prone to excite other resonant modes. Therefore, the advantage of the single mode operation is lost, and it is difficult to maintain the uniformity of the microwave energy distribution. Therefore, the center frequency of the microwave used in the present invention is preferably in the range of about 433.05 to 434.79 MHz or 902 to 928 MHz, more preferably 434 MHz. The frequency sweep range in the frequency sweep mode is about ± 10 MHz. That is, the frequency sweep range increases or decreases the first frequency of the original microwave to 10 MHz, for example. This frequency sweep range is an example only, and of course, the numerical value of the frequency sweep range can be increased or decreased according to the actual need. The output power applied to the present invention can be changed according to the needs of the process and is not limited to a special range.

しかし、本考案に適用されるマイクロ波の周波数(すなわち、第1の周波数)は、上記の範囲に限定されず、例えば、本考案は、約2400~2483.5 MHzのマイクロ波周波数を使用することもでき、更に、ITU無線規則の規定に属しない周波数を使用してもよい。例えば、使用許可を申請することが必要な500MHz、又はその他の周波数を使用する。ただし、共振チャンバーの設計や加工可能サイズは、それに応じて変更することが好ましく、一般の知識を有する者は、本考案に開示する内容に応じて変更方法を知るはずなため、詳細な説明を省略した。 However, the microwave frequency applied to the present invention (ie, the first frequency) is not limited to the above range, for example, the present invention uses a microwave frequency of about 2400 to 2483.5 MHz. Further, frequencies that do not belong to the provisions of the ITU radio regulations may be used. For example, use 500 MHz, or any other frequency for which you need to apply for a license. However, it is preferable to change the design and processable size of the resonance chamber accordingly, and a person with general knowledge should know how to change the resonance chamber according to the contents disclosed in the present invention. Omitted.

インピーダンス整合は、高速加熱を実現することに対して、極めて重要である。焼鈍すべき材料200は、温度の上昇により、物理的特性が変化して、共振チャンバーの共振周波数を変化して、マイクロ波の反射が減少して加熱性能が降下する。このため、高速に応答してマイクロ波の反射を減少して、本来の加熱効率を維持することが必要である。本考案で採用されるソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源12とインピーダンスマッチャー18から構成されるFM高速マッチング(fast matching)メカニズムを利用すると、上記の要求を達成することができる。すなわち、まず、プロセスにおける共振チャンバー36の共振周波数およびインピーダンスの変化を測定して記録し、そしてインピーダンス整合を達成したときのキャパシタンス(C)及びインダクタンス(L)の範囲に対応すると、この範囲内に適当の数値を選択して、キャパシタンス(C)及びインダクタンス(L)のインピーダンスを固定して変更しない。焼鈍プロセスにおいて、共振チャンバー36の共振周波数およびインピーダンスが変化すると、本考案では、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源12の動作周波数を変更して、上記の固定式インピーダンス整合回路に合わせると、高速マッチの応答を達成することができる。すなわち、インピーダンスマッチャー18は、固定インピーダンスを有し、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源12は、検知制御システム50がマイクロ波の反射によって生成した調整命令により、マイクロ波信号に対して周波数掃引モードを行う。最高のマイクロ波周波数を見つかることにより、マイクロ波の反射を降下する目標を達成する。換言すると、インピーダンスマッチャー18は、ハイパワーの焼鈍プロセスを行う前に、インピーダンスマッチャー18のインピーダンス素子が調整されて、反射されるマイクロ波が極めて小さく、マッチ条件を達成することができる。ハイパワーの焼鈍プロセスを行っているときに、焼鈍すべき材料200の物理的特性は、温度の上昇により変化して、共振チャンバー36の共振周波数が変化されて、マイクロ波の反射量が増加する。このとき、検知制御システム50は、調整命令を送り出して、ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源12を高速周波数掃引モードに調整して、最小の反射を得ることが可能な動作周波数を取得して、共振チャンバー加熱システム30とのインピーダンス整合を達成する。普通の知識を持っている人は、本考案で開示した内容によって、負荷インピーダンス変化範囲の検知方法、及びそれに対応する固定マッチ回路の採用を明確に知っているので、説明を省略した。 Impedance matching is extremely important for achieving high speed heating. As the temperature of the material 200 to be annealed changes, the physical characteristics change, the resonance frequency of the resonance chamber changes, the reflection of microwaves decreases, and the heating performance deteriorates. Therefore, it is necessary to respond at high speed to reduce the reflection of microwaves and maintain the original heating efficiency. The above requirement can be achieved by utilizing the FM fast matching mechanism composed of the solid-state frequency conversion microwave power source 12 and the impedance matcher 18 adopted in the present invention. That is, first, the change in the resonance frequency and the impedance of the resonance chamber 36 in the process is measured and recorded, and if it corresponds to the range of the capacitance (C) and the inductance (L) when the impedance matching is achieved, it is within this range. Select an appropriate value to fix the impedance of the capacitance (C) and the inductance (L) and do not change it. When the resonance frequency and impedance of the resonance chamber 36 change in the annealing process, in the present invention, when the operating frequency of the solid state frequency conversion microwave power source 12 is changed to match the fixed impedance matching circuit described above, a high-speed match is performed. Response can be achieved. That is, the impedance matcher 18 has a fixed impedance, and the solid state frequency conversion microwave power source 12 sets the frequency sweep mode for the microwave signal by the adjustment command generated by the detection control system 50 by the reflection of the microwave. conduct. By finding the highest microwave frequency, we achieve our goal of lowering microwave reflections. In other words, the impedance matcher 18 can achieve the matching condition by adjusting the impedance element of the impedance matcher 18 before performing the high power annealing process so that the reflected microwaves are extremely small. During the high power annealing process, the physical properties of the material 200 to be annealed change with increasing temperature, changing the resonant frequency of the resonant chamber 36 and increasing the amount of microwave reflection. .. At this time, the detection control system 50 sends an adjustment command to adjust the solid state frequency conversion microwave power source 12 to the high-speed frequency sweep mode to acquire an operating frequency capable of obtaining the minimum reflection. Achieves impedance matching with the resonant chamber heating system 30. Since a person having ordinary knowledge clearly knows the detection method of the load impedance change range and the adoption of the fixed match circuit corresponding to the detection method by the contents disclosed in the present invention, the explanation is omitted.

本考案に係る高速焼鈍装置100の共振チャンバー加熱システム30において、共振チャンバー加熱システム30の共振チャンバー36は、上円盤36a、中空円筒36b及び下円盤36cから構成されるチャンバーを備える。前記チャンバーはステンレスで構成される。上円盤36aと下円盤36cとは、例えば放物線円盤である。これにより、高温な炭化ケイ素ウェーハから放射された赤外線を焼鈍すべき材料200へ有効に反射することができる。上円盤36aと下円盤36cとは、それぞれ、中空円筒36bの両側に設けられている。共振チャンバー36のアンテナ34は、例えば、直径が約20mmである金属ボール34bと、金属ボール34bと連接する直径が約10mmである金属棒34aと、から構成される。金属棒34aは、上円盤36aの頂部の中央に連接されており、且つ周波数変換マイクロ波パワー源システム10のインピーダンスマッチャー18と連接する。これにより、アンテナ34を経由して、マイクロ波を共振チャンバー36に導入すると共に、共振チャンバー36で上記の共振モードを励起する。焼鈍すべき材料200の出し入れを行うために、共振チャンバー36の上円盤36a及び下円盤36cのうちの一つは、例えば、中空円筒36bに脱着可能に連接されている。これにより、上方または下方から、焼鈍すべき材料200の出し入れを行うことができる。ただし、本考案はこれに限定されない。もちろん、本考案は、中空円筒36bに取出口を増設することにより、側辺から焼鈍すべき材料200の出し入れを行ってもよい。換言すると、本考案は、これに限定されず、焼鈍すべき材料200の出し入れを行うことが可能な技術的手段であれば、全てが本願の請求範囲に属する。 In the resonance chamber heating system 30 of the high-speed annealing device 100 according to the present invention, the resonance chamber 36 of the resonance chamber heating system 30 includes a chamber composed of an upper disk 36a, a hollow cylinder 36b, and a lower disk 36c. The chamber is made of stainless steel. The upper disk 36a and the lower disk 36c are, for example, parabolic disks. As a result, the infrared rays emitted from the high-temperature silicon carbide wafer can be effectively reflected to the material 200 to be annealed. The upper disk 36a and the lower disk 36c are provided on both sides of the hollow cylinder 36b, respectively. The antenna 34 of the resonance chamber 36 is composed of, for example, a metal ball 34b having a diameter of about 20 mm and a metal rod 34a having a diameter of about 10 mm in contact with the metal ball 34b. The metal rod 34a is connected to the center of the top of the upper disk 36a and is connected to the impedance matcher 18 of the frequency conversion microwave power source system 10. As a result, the microwave is introduced into the resonance chamber 36 via the antenna 34, and the resonance mode is excited in the resonance chamber 36. One of the upper disk 36a and the lower disk 36c of the resonance chamber 36 is detachably connected to, for example, a hollow cylinder 36b in order to move the material 200 to be annealed in and out. As a result, the material 200 to be annealed can be taken in and out from above or below. However, the present invention is not limited to this. Of course, in the present invention, the material 200 to be annealed may be taken in and out from the side surface by adding an outlet to the hollow cylinder 36b. In other words, the present invention is not limited to this, and any technical means capable of loading and unloading the material 200 to be annealed belongs to the claims of the present application.

エネルギーの使用効率、及び適当なマイクロ波エネルギー均一領域を増加するために、本考案は、434MHzのマイクロ波源を採用してマイクロ波を生成することが好ましい。共振チャンバー36は、単一TM010共振モードを発生可能な構成であることが好ましい。共振チャンバー36の空いたチャンバーの品質係数(Q)は6,000を超えるため、マイクロ波の強度は極めて高い。焼鈍すべき材料200は炭化ケイ素ウェーハを例にし、共振チャンバー36は、直径が約500mmであり、多種の寸法(4インチ、6インチ及び8インチ)の炭化ケイ素ウェーハに対して焼鈍処理を行うことができる。炭化ケイ素ウェーハは、共振チャンバー36の中央にあるウェーハ受け台座32内に置かれ、且つマイクロ波の強度が最も高い領域に位置する。ウェーハ受け台座32が、例えば、共振チャンバー36に回転可能に設けられており、これにより、焼鈍すべき材料200を焼鈍するときの加熱の均一性を増加する。ウェーハ受け台座32は、例えばシャフト35に設けられており、且つシャフト35は、例えばモータ(図示せず)に駆動されて回転する。ただし、本考案に係るウェーハ受け台座32は、これに限定されず、何れかの周知の技術的手段により回転してもよい。そして、本考案は、直径が500mmである共振チャンバー36を例にしたが、これに限定されない。すなわち、本考案に係る共振チャンバー36は、実際の必要を見て、他の適当の直径や長度を採用してもよい。 In order to increase energy utilization efficiency and suitable microwave energy uniform region, the present invention preferably employs a 434 MHz microwave source to generate microwaves. The resonance chamber 36 is preferably configured to be capable of generating a single TM 010 resonance mode. Since the quality coefficient (Q) of the vacant chamber of the resonance chamber 36 exceeds 6,000, the intensity of the microwave is extremely high. The material 200 to be annealed is an example of a silicon carbide wafer, and the resonance chamber 36 has a diameter of about 500 mm and is annealed on silicon carbide wafers having various sizes (4 inches, 6 inches and 8 inches). Can be done. The silicon carbide wafer is placed in the wafer pedestal 32 in the center of the resonance chamber 36, and is located in the region where the microwave intensity is the highest. The wafer pedestal 32 is rotatably provided, for example, in the resonant chamber 36, thereby increasing the heating uniformity when annealing the material 200 to be annealed. The wafer pedestal 32 is provided on, for example, a shaft 35, and the shaft 35 is driven by, for example, a motor (not shown) to rotate. However, the wafer pedestal 32 according to the present invention is not limited to this, and may be rotated by any well-known technical means. The present invention exemplifies, but is not limited to, the resonance chamber 36 having a diameter of 500 mm. That is, the resonance chamber 36 according to the present invention may adopt another appropriate diameter or length in view of the actual need.

炭化ケイ素ウェーハは、極めて高い温度の状態で、放射放熱が支配的である(温度の4乗に比例する)。同時に、ウェーハは平面構造なため、放射面積が大きく、これにより、加熱効率を向上させ、加熱温度に到達するためには、放射損失を大幅に減らす必要があります。本実施例では、共振チャンバー36の上下面が、光学研磨された放物線の構成(上円盤36a及び下円盤36c)を採用し、赤外線反射層37がそれぞれ塗布されていることにより、赤外線の反射率が増加する反射鏡となって、放射ロスの最小化を実現する。上記の赤外線反射層37は、例えば金属であり高反射率を有する材料を採用する。一方、共振チャンバー36の中空円筒36bの内面に、赤外線反射層37を塗布してもいいし、塗布しなくてもよい。加熱待機の炭化ケイ素ウェーハは、共振チャンバー36内に位置し、且つ適正なマイクロ波吸収材料で作製されたウェーハ受け台座32内に置かれることが好ましい。ウェーハ受け台座32は、共振チャンバー36の中央に位置することが好ましい。共振チャンバー36の中央は、マイクロ波のエネルギーが最も多い領域である。 Silicon carbide wafers are dominated by radiant heat dissipation (proportional to the fourth power of temperature) at extremely high temperatures. At the same time, due to the planar structure of the wafer, the radiation area is large, which requires a significant reduction in radiation loss in order to improve heating efficiency and reach the heating temperature. In this embodiment, the upper and lower surfaces of the resonance chamber 36 adopt an optically polished parabolic structure (upper disk 36a and lower disk 36c), and the infrared reflective layer 37 is coated on the upper and lower surfaces of the resonance chamber 36, whereby the reflectance of infrared rays is reflected. Becomes an increasing reflector and minimizes radiation loss. For the infrared reflective layer 37, for example, a material that is metal and has a high reflectance is adopted. On the other hand, the infrared reflective layer 37 may or may not be applied to the inner surface of the hollow cylinder 36b of the resonance chamber 36. The silicon carbide wafer waiting for heating is preferably located in the resonance chamber 36 and in the wafer pedestal 32 made of a suitable microwave absorbing material. The wafer pedestal 32 is preferably located in the center of the resonance chamber 36. The center of the resonance chamber 36 is the region where the microwave energy is the highest.

ウェーハ受け台座32の機能は、炭化ケイ素ウェーハ(すなわち、焼鈍すべき材料200)を固定する他、マイクロ波を吸収して生成する熱エネルギーを炭化ケイ素ウェーハに均一に分布することができ、炭化ケイ素ウェーハの内部の熱応力による破裂を防止することができる。例えば、共振チャンバー36のウェーハ受け台座32は、ベース32aと、上蓋32bと、を備える。上蓋32bは、例えば、ベース32aを脱着可能にカバーすることにより、チャンバー33を形成する。焼鈍すべき材料200は、ベース32a及び上蓋32bで構成されるチャンバー33に脱着可能に位置決められている。一方、本考案に係るウェーハ受け台座32のベース32a及び/又はチャンバー33は、特定の形状に限定されない。例えば、焼鈍すべき材料200がウェーハである場合には、ウェーハ受け台座32のベース32a及び/又はチャンバー33の投影形状は、例えば円形を呈する。一方、上蓋32bはベース32aのチャンバー33をことにより、チャンバー33における焼鈍すべき材料200を完全にカバーすることが好ましいが、本考案はこれに限定されない。すなわち、上蓋32bは、ベース32aのチャンバー33の一部をカバーし、且つ残り部分の焼鈍すべき材料200の表面が露出してもよい。 The function of the wafer pedestal 32 is to fix the silicon carbide wafer (that is, the material 200 to be annealed) and to uniformly distribute the heat energy generated by absorbing microwaves to the silicon carbide wafer. It is possible to prevent bursting due to thermal stress inside the wafer. For example, the wafer pedestal 32 of the resonance chamber 36 includes a base 32a and an upper lid 32b. The top lid 32b forms the chamber 33, for example, by detachably covering the base 32a. The material 200 to be annealed is detachably positioned in the chamber 33 composed of the base 32a and the top lid 32b. On the other hand, the base 32a and / or the chamber 33 of the wafer pedestal 32 according to the present invention is not limited to a specific shape. For example, when the material 200 to be annealed is a wafer, the projected shape of the base 32a and / or the chamber 33 of the wafer pedestal 32 exhibits, for example, a circular shape. On the other hand, it is preferable that the upper lid 32b completely covers the material 200 to be annealed in the chamber 33 by the chamber 33 of the base 32a, but the present invention is not limited to this. That is, the upper lid 32b may cover a part of the chamber 33 of the base 32a and the remaining part of the surface of the material 200 to be annealed may be exposed.

本考案では、共振チャンバー36のウェーハ受け台座32は、例えばマイクロ波の一部を吸収して熱エネルギーを生成して、焼鈍すべき材料200に伝導して加熱し、且つウェーハ受け台座32は、マイクロ波の残り部分を貫通することを許可ことにより、ウェーハ受け台座32のチャンバー33に置かれた炭化ケイ素ウェーハが直接に加熱して反応される。共振チャンバー36のウェーハ受け台座32は、マイクロ波吸収材料で構成されることが好ましく、50%を超えるマイクロ波が貫通することを許可することが好ましく、炭化ケイ素ウェーハを加熱する。焼結された気孔率が20%~30%である炭化ケイ素は、ウェーハ受け台座の好適な材料であり、これは、434MHzのマイクロ波が炭化ケイ素吸収されるが、マイクロ波の貫通深さは20mmを超えるため、焼結により作製された多孔性の炭化ケイ素に対して、貫通深さはもっと深く、上記のウェーハ受け台座32の機能を達成することができ、そして多数回の加熱および冷却を行っても破裂せず、寿命は長い。一方、ウェーハ受け台座32は黒鉛を採用してもよい。 In the present invention, the wafer pedestal 32 of the resonance chamber 36 absorbs, for example, a part of microwaves to generate heat energy, conducts heat to the material 200 to be ablated, and the wafer pedestal 32 is heated. By allowing the rest of the microwave to penetrate, the silicon carbide wafer placed in the chamber 33 of the wafer pedestal 32 is directly heated and reacted. The wafer pedestal 32 of the resonance chamber 36 is preferably made of a microwave absorbing material, preferably allowing more than 50% of microwaves to penetrate, heating the silicon carbide wafer. Silicon carbide, which has a sintered porosity of 20% to 30%, is a suitable material for wafer cradle, which absorbs silicon carbide at 434 MHz but has a penetration depth of microwaves. Since it exceeds 20 mm, the penetration depth is deeper than that of the porous silicon carbide produced by sintering, the function of the wafer pedestal 32 described above can be achieved, and multiple heating and cooling are performed. It does not burst even if it goes, and it has a long life. On the other hand, graphite may be used for the wafer pedestal 32.

また、炭化ケイ素ウェーハの厚さは極めて薄いため、マイクロ波に直接に暴露すると、そのエッジは、高電界強度の分布が生成しやすく、過熱になり、更に、先端放電が発生する。このため、ウェーハ受け台座32は、焼鈍待機の炭化ケイ素ウェーハのエッジをカバーすることが好ましい。これにより、炭化ケイ素ウェーハのエッジの過熱を防止することができる。 Further, since the thickness of the silicon carbide wafer is extremely thin, when it is directly exposed to microwaves, the edge thereof tends to generate a distribution of high electric field strength, becomes overheated, and further causes tip discharge. Therefore, it is preferable that the wafer pedestal 32 covers the edge of the silicon carbide wafer waiting for annealing. This makes it possible to prevent the edge of the silicon carbide wafer from overheating.

本考案では、検知制御システム50は、更に、共振チャンバー加熱システム30に設けられている気圧制御システム38を備える。気圧制御システム38は、共振チャンバー36の圧力および入力ガス流量の検知及び制御を行って、共振チャンバー36の気圧値を、例えば予定の気圧に保持する。この予定の気圧は、約0.1atm~10atmであり、プロセスを見て設定される。気圧制御システム38は、共振チャンバー36に設けられている圧力検出ユニット46を備える。圧力検出ユニット46は、共振チャンバー36の気圧値を検知するためのものであり、例えば真空計(Vacuum gauge)である。気圧制御システム38は、更に、例えば、排気ユニット40と、圧力制御ユニット41と、ガス入力ユニット42と、を備える。排気ユニット40及びガス入力ユニット42は、それぞれ、共振チャンバー36と連接する。圧力制御ユニット41は、コントローラーであり、圧力検出ユニット46に検出された気圧値を受信することにより、排気ユニット40及び/又はガス入力ユニット42の動作を制御して、共振チャンバー36の気圧値を、上記の予定の気圧に保持する。 In the present invention, the detection control system 50 further includes a barometric pressure control system 38 provided in the resonance chamber heating system 30. The air pressure control system 38 detects and controls the pressure of the resonance chamber 36 and the input gas flow rate, and holds the air pressure value of the resonance chamber 36 at, for example, a planned air pressure. The planned air pressure is about 0.1 atm to 10 atm and is set by looking at the process. The barometric pressure control system 38 includes a pressure detection unit 46 provided in the resonance chamber 36. The pressure detection unit 46 is for detecting the atmospheric pressure value of the resonance chamber 36, and is, for example, a vacuum gauge. The barometric pressure control system 38 further includes, for example, an exhaust unit 40, a pressure control unit 41, and a gas input unit 42. The exhaust unit 40 and the gas input unit 42 are connected to the resonance chamber 36, respectively. The pressure control unit 41 is a controller, and by receiving the air pressure value detected by the pressure detection unit 46, the operation of the exhaust unit 40 and / or the gas input unit 42 is controlled, and the air pressure value of the resonance chamber 36 is obtained. , Keep at the above planned pressure.

詳細的には、本実施例では、窒素やアルゴンなどのガスは、ガス入力ユニット42を経由して、設定された流量で共振チャンバー36に流入して、共振チャンバー36の排気ユニット40と連接する排気口を経由して排出される。上記のガスがガス入力ユニット42を経由して共振チャンバー36に流入する前に、まず、排気ユニット40により共振チャンバー36のエア抜きを行って、共振チャンバー36が上記の予定の気圧になるまで、ガス入力ユニット42を経由して、窒素やアルゴンなどのガスを共振チャンバー36に流入する。これにより、共振チャンバー36内は、設定された純ガス雰囲気を実現する。ガス入力ユニット42は、例えば上記ガスのガス源であり、このガス源は、例えば、第1の制御閥(符号なし)を介して共振チャンバー36と連接する。排気ユニット40は、例えば真空ポンプであり、この真空ポンプは、例えば、第2の制御閥(符号なし)を介して共振チャンバー36と連接する。 Specifically, in this embodiment, a gas such as nitrogen or argon flows into the resonance chamber 36 at a set flow rate via the gas input unit 42 and is connected to the exhaust unit 40 of the resonance chamber 36. It is discharged via the exhaust port. Before the above gas flows into the resonance chamber 36 via the gas input unit 42, first, the exhaust unit 40 bleeds the air in the resonance chamber 36 until the resonance chamber 36 reaches the above-mentioned planned pressure. A gas such as nitrogen or argon flows into the resonance chamber 36 via the gas input unit 42. As a result, the set pure gas atmosphere is realized in the resonance chamber 36. The gas input unit 42 is, for example, a gas source for the above gas, and the gas source is connected to the resonance chamber 36, for example, via a first control element (unsigned). The exhaust unit 40 is, for example, a vacuum pump, which is connected to the resonance chamber 36, for example, via a second control valve (unsigned).

本考案では、窒素やアルゴンなどのガスを、上記の供給流量で、ガス入力ユニット42を経由して共振チャンバー36に流入すると共に、排気ユニット40と結合して、排気ユニット40から、ある排気流量で、共振チャンバー36におけるガスを排出する。上記の排気流量は供給流量に対応することにより、共振チャンバー36の気圧値を、上記の予定の気圧に保持する。ただし、本考案は、上記に挙げられた、気圧値を維持する技術的手段に限定されず、共振チャンバー36の気圧値を上記の予定の気圧に保持することができる全ての技術的手段は、本考案に適用することができる。本考案は、例えば、圧力制御ユニット41を省略して、下記のコンピューター56により、圧力検出ユニット46に検出された気圧値を受信して、ガス入力ユニット42の供給流量、及び排気ユニット40の排気流量を制御してもよい。 In the present invention, a gas such as nitrogen or argon flows into the resonance chamber 36 via the gas input unit 42 at the above supply flow rate, and is combined with the exhaust unit 40 to form a certain exhaust flow rate from the exhaust unit 40. Then, the gas in the resonance chamber 36 is discharged. The above exhaust flow rate corresponds to the supply flow rate, so that the atmospheric pressure value of the resonance chamber 36 is maintained at the above-mentioned planned atmospheric pressure. However, the present invention is not limited to the above-mentioned technical means for maintaining the atmospheric pressure value, and all the technical means capable of maintaining the atmospheric pressure value of the resonance chamber 36 at the above-mentioned planned atmospheric pressure are used. It can be applied to the present invention. In the present invention, for example, the pressure control unit 41 is omitted, and the pressure value detected by the pressure detection unit 46 is received by the following computer 56, the supply flow rate of the gas input unit 42, and the exhaust of the exhaust unit 40. The flow rate may be controlled.

本考案に係る高速焼鈍装置100において、検知制御システム50は、更に、方向カプラー(Directional Coupler)52と、動力計(Power Meter)54と、を備える。方向カプラー52は、入力および反射のマイクロ波信号を検出して、検出された信号を動力計54に送って、マイクロ波の共振チャンバー36及び焼鈍すべき材料200とのカップリングを検知するためのものである。詳細的には、方向カプラー52は、ソリッドステートパワーアンプ16とインピーダンスマッチャー18との間に設けられており、入力および反射のマイクロ波信号を検出する。すなわち、方向カプラー52は、周波数変換マイクロ波パワー源システム10からのマイクロ波の前進信号、及び共振チャンバー加熱システム30からの反射信号を検出するためのものである。次に、方向カプラー52は、検出された信号を動力計54に送って、マイクロ波の共振チャンバー36及び焼鈍すべき材料200とのカップリングの変化(例えばパワー変化)を即時に検出するためのものである。これにより、コンピューター56は、このパワー変化のデータを受信して、上記のパワー変化のデータによって、調整命令を即時に生成して、周波数変換マイクロ波パワー源システム10の動作を制御する。 In the high-speed annealing device 100 according to the present invention, the detection control system 50 further includes a direction coupler 52 and a power meter 54. The directional coupler 52 detects the input and reflected microwave signals and sends the detected signals to the power meter 54 to detect the coupling between the microwave resonance chamber 36 and the material 200 to be tempered. It is a thing. Specifically, the directional coupler 52 is provided between the solid state power amplifier 16 and the impedance matcher 18 to detect input and reflected microwave signals. That is, the directional coupler 52 is for detecting the forward signal of the microwave from the frequency conversion microwave power source system 10 and the reflected signal from the resonance chamber heating system 30. Next, the directional coupler 52 sends the detected signal to the power meter 54 to immediately detect a change in coupling (for example, a power change) between the microwave resonance chamber 36 and the material 200 to be annealed. It is a thing. As a result, the computer 56 receives the power change data and immediately generates an adjustment instruction based on the power change data to control the operation of the frequency conversion microwave power source system 10.

検知制御システム50は、更に、光学温度測定装置(Optical Pyrometer)58を備える。光学温度測定装置58は、焼鈍すべき材料200の温度値を即時に検出するためのものであり、例えば赤外線高温温度計である。そしてコンピューター56は、更に、光学温度測定装置58に電気的に接続されていることにより、光学温度測定装置58に検知された温度値と上記のパワー変化とによって、調整命令を生成して、マイクロ波の入力のエネルギーを制御する。これにより、必要の加熱温度や冷却温度に達するように制御することができる。本考案では、黒体放射源を使用して検知された炭化ケイ素材料の放射率(Emissivity)は0.74であり、この放射率値を光学温度測定装置58に入力すると、本考案に開示した技術の全ての温度を測定することができる。一方、検知制御システム50は、更に、例えば、コンピューター56に電気的に接続されているモニター60を備える。モニター60により、検知制御システム50の各コンポーネントの検知結果を即時に表示することができ、例えば、全てのマイクロ波と温度とのデータは、コンピューターに入力されて記録および処理を行って、モニター60に立即に表示することができる。 The detection control system 50 further includes an optical temperature measuring device (Optical Pyrometer) 58. The optical temperature measuring device 58 is for immediately detecting the temperature value of the material 200 to be annealed, and is, for example, an infrared high temperature thermometer. Further, the computer 56 is electrically connected to the optical temperature measuring device 58, so that an adjustment command is generated by the temperature value detected by the optical temperature measuring device 58 and the power change described above, and the micro is generated. Controls the energy of the wave input. Thereby, it is possible to control to reach the required heating temperature and cooling temperature. In the present invention, the emissivity of the silicon carbide material detected using the black body radiation source is 0.74, and when this emissivity value is input to the optical temperature measuring device 58, it is disclosed in the present invention. All temperatures of the technology can be measured. On the other hand, the detection control system 50 further includes, for example, a monitor 60 electrically connected to the computer 56. The monitor 60 can instantly display the detection results of each component of the detection control system 50, for example, all microwave and temperature data are input to a computer for recording and processing to monitor 60. It can be displayed immediately.

本考案に係る高速焼鈍装置によれば、次のような効果がある。
(1)434MHzのマイクロ波共振チャンバーにより、炭化ケイ素ウェーハに対して高速焼鈍を行う場合には、単一共振TM010モードを採用すると、電磁界が均一で充分な領域を取得して、4インチから8インチのウェーハを処理することができる。円筒形共振チャンバーは、上下が放物線で構成される内面を備える。これにより、炭化ケイ素ウェーハの高温での大量の放射ロスが発生するという問題を解決することができ、1,500℃度~2,000度℃までに加熱することができる。
(2)固定周波数マグネトロンの代わりに、周波数変換ソリッドステート電子素子を使用して、マイクロ波パワー源とする。これにより、熱処理の過程中に、掃引周波数が柔軟性を有し、最高工作マイクロ波周波数の選択が許可され、焼鈍すべき材料の温度の変化によるマイクロ波共振チャンバーの共振周波数の変化を補償することができる。同時に、これはインピーダンスマッチャーと高速マッチモードを構成して、高速焼鈍の要求に満足することができる。
(3)共振チャンバーのウェーハ受け台座は、炭化ケイ素ウェーハを固定する他、マイクロ波による熱エネルギーの一部を吸収して、炭化ケイ素ウェーハに均一に伝導することができ、炭化ケイ素ウェーハの内部熱応力による破裂を防止することができる。同時に、殆どのマイクロ波が炭化ケイ素ウェーハを貫通することを許可することにより加熱すると共に、炭化ケイ素ウェーハのエッジの過熱を防止することができる。
(4)検知制御システムは、ソフトウェアおよびハードウェアと結合して、即時にフィードバック可能な自動化システムを構成することにより、装置全体は、柔軟性、安定性および信頼性が向上する。
According to the high-speed annealing device according to the present invention, there are the following effects.
(1) When high-speed annealing is performed on a silicon carbide wafer using a 434 MHz microwave resonance chamber, if the single resonance TM 010 mode is adopted, the electromagnetic field is uniform and a sufficient region is acquired, and 4 inches. Can process 8 inch wafers. The cylindrical resonant chamber has an inner surface composed of parabolas at the top and bottom. As a result, it is possible to solve the problem that a large amount of radiation loss occurs at a high temperature of the silicon carbide wafer, and it is possible to heat the silicon carbide to a temperature of 1,500 ° C to 2,000 ° C.
(2) Instead of a fixed frequency magnetron, a frequency conversion solid-state electronic element is used as a microwave power source. This allows the sweep frequency to be flexible during the heat treatment process, allowing the selection of the highest working microwave frequency and compensating for changes in the resonance frequency of the microwave resonance chamber due to changes in the temperature of the material to be tempered. be able to. At the same time, it can configure an impedance matcher and a fast match mode to meet the demands of fast annealing.
(3) The wafer pedestal of the resonance chamber can fix the silicon carbide wafer, absorb a part of the heat energy generated by the microwave, and uniformly conduct the heat to the silicon carbide wafer, and the internal heat of the silicon carbide wafer can be obtained. It is possible to prevent bursting due to stress. At the same time, it is possible to heat by allowing most microwaves to penetrate the silicon carbide wafer and prevent overheating of the edges of the silicon carbide wafer.
(4) The detection control system is combined with software and hardware to form an automated system capable of providing immediate feedback, so that the flexibility, stability and reliability of the entire device are improved.

10 周波数変換マイクロ波パワー源システム
12 ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源
14 マイクロ波信号生成器
16 ソリッドステートパワーアンプ
18 インピーダンスマッチャー
30 共振チャンバー加熱システム
32 ウェーハ受け台座
32a ベース
32b 上蓋
33 チャンバー
34 アンテナ
34a 金属棒
34b 金属ボール
35 シャフト
36 共振チャンバー
36a 上円盤
36b 中空円筒
36c 下円盤
37 赤外線反射層
38 気圧制御システム
40 排気ユニット
41 圧力制御ユニット
42 ガス入力ユニット
46 圧力検出ユニット
50 検知制御システム
52 方向カプラー
54 動力計
56 コンピューター
58 光学温度測定装置
60 モニター
100 高速焼鈍装置
200 焼鈍すべき材料
10 Frequency conversion microwave power source system 12 Solid state frequency conversion microwave power source 14 Microwave signal generator 16 Solid state power amplifier 18 Impedance matcher 30 Resonance chamber heating system 32 Wafer cradle heating system 32 Wafer pedestal 32a Base 32b Top lid 33 Chamber 34 Antenna 34a Metal Rod 34b Metal ball 35 Shaft 36 Resonance chamber 36a Upper disk 36b Hollow cylinder 36c Lower disk 37 Infrared reflective layer 38 Pressure control system 40 Exhaust unit 41 Pressure control unit 42 Gas input unit 46 Pressure detection unit 50 Detection control system 52 Directional coupler 54 Power Total 56 Computer 58 Optical temperature measuring device 60 Monitor 100 High-speed ablation device 200 Material to be ablated

Claims (19)

ソリッドステートの周波数変換マイクロ波パワー源を利用して、第1の周波数を有するマイクロ波を提供する周波数変換マイクロ波パワー源システムと、
ウェーハ受け台座およびアンテナを有する共振チャンバーを備える共振チャンバー加熱システムと、
検知制御システムと、
を備え、
前記共振チャンバー加熱システムの前記共振チャンバーは、上円盤、中空円筒及び下円盤から構成されるチャンバーを備え、
前記上円盤と前記下円盤は、それぞれ、前記中空円筒の両側に設けられており、
焼鈍すべき材料は、前記ウェーハ受け台座に置かれており、前記周波数変換マイクロ波パワー源システムからの前記マイクロ波は、前記アンテナを経由して前記共振チャンバーに入力されて、前記共振チャンバーにおいて、共振モードを励起することにより、前記焼鈍すべき材料に対して焼鈍処理を行い、
前記検知制御システムは、前記周波数変換マイクロ波パワー源システムからの前記マイクロ波の前進信号、及び前記共振チャンバー加熱システムからの反射信号を検出することにより、前記前進信号及び前記反射信号によって、パワー変化を取得し、且つ前記焼鈍すべき材料の温度値を検知することにより、前記温度値及び前記パワー変化に応じて調整命令を生成し、
前記周波数変換マイクロ波パワー源システムは、前記調整命令によって周波数掃引モードを行い、且つ最低マイクロ波反射での好適な工作マイクロ波周波数を即時に選択して、前記第1の周波数を取り換えて、前記焼鈍すべき材料の温度の変化による前記共振チャンバーの共振周波数の変化を補償することを特徴とする、
高速焼鈍装置。
A frequency-converted microwave power source system that utilizes a solid-state frequency-converted microwave power source to provide microwaves with a first frequency.
A resonant chamber heating system with a resonant chamber with a wafer pedestal and an antenna,
Detection control system and
Equipped with
The resonant chamber of the resonant chamber heating system comprises a chamber composed of an upper disk, a hollow cylinder and a lower disk.
The upper disk and the lower disk are provided on both sides of the hollow cylinder, respectively.
The material to be annealed is placed on the wafer pedestal, and the microwave from the frequency-converted microwave power source system is input to the resonant chamber via the antenna and in the resonant chamber. By exciting the resonance mode, the material to be annealed is subjected to an annealing treatment.
The detection control system detects the forward signal of the microwave from the frequency conversion microwave power source system and the reflected signal from the resonance chamber heating system, so that the power is changed by the forward signal and the reflected signal. And by detecting the temperature value of the material to be annealed, an adjustment command is generated according to the temperature value and the power change.
The frequency conversion microwave power source system performs a frequency sweep mode by the adjustment command and immediately selects a suitable working microwave frequency with the lowest microwave reflection to replace the first frequency. It is characterized by compensating for a change in the resonance frequency of the resonance chamber due to a change in the temperature of the material to be ablated.
High-speed annealing device.
前記周波数変換マイクロ波パワー源システムは、前記ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源と、インピーダンスマッチャーと、を備え、前記インピーダンスマッチャーは前記アンテナと連接し、前記ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源は、マイクロ波信号生成器と、ソリッドステートパワーアンプと、を備え、前記マイクロ波信号生成器は、ローパワーのマイクロ波信号を生成して、前記ソリッドステートパワーアンプに送ってハイパワーの前記マイクロ波を生成することを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The frequency-converted microwave power source system comprises a solid-state frequency-converted microwave power source and an impedance matcher, the impedance matcher is coupled to the antenna, and the solid-state frequency-converted microwave power source is micro. A wave signal generator and a solid state power amplifier are provided, and the microwave signal generator generates a low power microwave signal and sends it to the solid state power amplifier to generate the high power microwave. The high-speed incineration device according to claim 1, wherein the high-speed microwave apparatus is used. 前記ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源と、前記インピーダンスマッチャーと、から構成されるFM高速マッチングメカニズムにより、前記マイクロ波の反射を高速に減少し、前記インピーダンスマッチャーは、固定のインピーダンスを有し、前記ソリッドステート周波数変換マイクロ波パワー源は、前記検知制御システムの前記調整命令によって、前記周波数掃引モードに入ることにより、前記最低マイクロ波反射での好適な最高工作マイクロ波周波数を選択して、前記マイクロ波の第2の周波数として、前記焼鈍すべき材料の温度の変化による前記共振チャンバーの共振周波数の変化を補償することを特徴とする、請求項2に記載の高速焼鈍装置。 The FM high-speed matching mechanism composed of the solid-state frequency-converted microwave power source and the impedance matcher rapidly reduces the reflection of the microwave, and the impedance matcher has a fixed impedance and is described. The solid-state frequency-converted microwave power source selects the preferred highest working microwave frequency at the lowest microwave reflection by entering the frequency sweep mode by the tuning command of the detection control system. The high-speed annealing device according to claim 2, wherein the second frequency of the wave compensates for a change in the resonance frequency of the resonance chamber due to a change in the temperature of the material to be annealed. 前記検知制御システムは、更に、気圧制御システムを備え、
前記気圧制御システムは、前記共振チャンバーの気圧値の検知および制御を行うためのものであり、
前記気圧制御システムは、前記共振チャンバーに設けられている圧力検出ユニットを備え、
前記圧力検出ユニットは、前記共振チャンバーの前記気圧値を検知するためのものであり、
前記気圧制御システムは、更に、前記共振チャンバーとそれぞれ連接する、排気ユニットと、ガス入力ユニットと、を備え、これにより、前記共振チャンバーの前記気圧値を予定の気圧に保持することを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。
The detection control system further includes a barometric pressure control system.
The air pressure control system is for detecting and controlling the air pressure value of the resonance chamber.
The barometric pressure control system comprises a pressure sensing unit provided in the resonant chamber.
The pressure detection unit is for detecting the atmospheric pressure value in the resonance chamber.
The atmospheric pressure control system further includes an exhaust unit and a gas input unit, which are connected to the resonance chamber, respectively, whereby the atmospheric pressure value of the resonance chamber is maintained at a predetermined atmospheric pressure. , The high-speed annealing apparatus according to claim 1.
前記検知制御システムは、方向カプラーと、動力計と、光学温度測定装置と、コンピューターと、を備え、
前記方向カプラーは、前記周波数変換マイクロ波パワー源システムからの前記マイクロ波の前記前進信号、及び前記共振チャンバー加熱システムからの前記反射信号を検出し、
前記動力計は、前記前進信号および前記反射信号によって、前記パワー変化を取得し、
前記コンピューターは、前記温度値および前記パワー変化に応じて前記調整命令を生成し、且つ
前記検知制御システムは、更に、前記コンピューターと電気的に接続するモニターを備え、前記モニターにより、前記検知制御システムの検知結果が即時に表示されることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。
The detection control system includes a directional coupler, a power meter, an optical temperature measuring device, and a computer.
The directional coupler detects the forward signal of the microwave from the frequency conversion microwave power source system and the reflected signal from the resonant chamber heating system.
The power meter acquires the power change by the forward signal and the reflected signal, and obtains the power change.
The computer generates the adjustment command in response to the temperature value and the power change, and the detection control system further includes a monitor electrically connected to the computer, and the detection control system by the monitor. The high-speed annealing device according to claim 1, wherein the detection result of the above is displayed immediately.
前記共振チャンバーの前記アンテナは、金属ボールと、前記金属ボールと連接する金属棒とから構成され、前記金属棒は、前記上円盤に設けられており、前記周波数変換マイクロ波パワー源システムのインピーダンスマッチャーと連接することにより、前記マイクロ波は、前記アンテナを経由して前記共振チャンバーに入力されることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The antenna of the resonance chamber is composed of a metal ball and a metal rod connected to the metal ball, and the metal rod is provided on the upper disk and is an impedance matcher of the frequency conversion microwave power source system. The high-speed annealing device according to claim 1, wherein the microwave is input to the resonance chamber via the antenna. 前記上円盤と前記下円盤とは、それぞれ、放物線円盤であることを特徴とする、請求項6に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing device according to claim 6, wherein the upper disk and the lower disk are parabolic disks, respectively. 前記上円盤と前記下円盤との内側の面には、赤外線反射層がそれぞれ塗布されていることを特徴とする、請求項6に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing device according to claim 6, wherein an infrared reflective layer is coated on the inner surfaces of the upper disk and the lower disk, respectively. 前記ウェーハ受け台座は、前記共振チャンバーの中央に位置し、前記中央は、マイクロ波のエネルギーが最も強い領域であることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing device according to claim 1, wherein the wafer pedestal is located at the center of the resonance chamber, and the center is a region where the microwave energy is the strongest. 前記ウェーハ受け台座は、前記共振チャンバーに回転可能に設けられていることにより、前記焼鈍すべき材料の焼鈍の均一性を増加することを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing device according to claim 1, wherein the wafer pedestal is rotatably provided in the resonance chamber to increase the uniformity of annealing of the material to be annealed. 前記ウェーハ受け台座は、ベースと、上蓋と、を備え、前記焼鈍すべき材料は、前記ベース及び前記上蓋から構成されるチャンバーに置かれることを特徴とする、請求項10に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing apparatus according to claim 10, wherein the wafer pedestal includes a base and an upper lid, and the material to be annealed is placed in a chamber composed of the base and the upper lid. .. 前記ウェーハ受け台座は、前記マイクロ波の一部を吸収して熱エネルギーを生成することにより、前記焼鈍すべき材料に伝導して加熱し、
前記ウェーハ受け台座は、前記マイクロ波の他の部分が貫通することを許可することにより、前記ウェーハ受け台座の前記チャンバーにおける前記焼鈍すべき材料を直接に加熱することを特徴とする、請求項11に記載の高速焼鈍装置。
The wafer pedestal absorbs a part of the microwave to generate heat energy, so that the wafer pedestal is conducted to the material to be annealed and heated.
11. The wafer pedestal is characterized in that it directly heats the material to be annealed in the chamber of the wafer pedestal by allowing other parts of the microwave to penetrate. High-speed annealing device described in.
前記共振チャンバーの前記ウェーハ受け台座は、マイクロ波吸収材料で構成され、50%を超える前記マイクロ波が前記焼鈍すべき材料を貫通することを許可することにより、前記焼鈍すべき材料を加熱することを特徴とする、請求項12に記載の高速焼鈍装置。 The wafer pedestal of the resonance chamber is composed of a microwave absorbing material and heats the material to be annealed by allowing more than 50% of the microwave to penetrate the material to be annealed. 12. The high-speed annealing apparatus according to claim 12. 前記マイクロ波吸収材料は、気孔率が20%~30%の範囲に入る、多孔性焼結炭化ケイ素、又は多孔性黒鉛であることを特徴とする、請求項13に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing apparatus according to claim 13, wherein the microwave absorbing material is porous sintered silicon carbide or porous graphite having a porosity in the range of 20% to 30%. 前記マイクロ波の前記第1の周波数は、433.05~434.79MHz、又は902~928MHzの範囲に入り、前記周波数掃引モードの周波数掃引範囲は±10MHzであり、前記共振チャンバーは単一TM010共振モードの構成であり、前記共振チャンバーの空いたチャンバーの品質係数(Q)は6,000を超えることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The first frequency of the microwave falls in the range of 433.05 to 434.79 MHz, or 902 to 928 MHz, the frequency sweep range of the frequency sweep mode is ± 10 MHz, and the resonance chamber is a single TM 010 . The high-speed annealing device according to claim 1, wherein the resonance mode is configured, and the quality coefficient (Q) of the vacant chamber of the resonance chamber exceeds 6,000. 前記マイクロ波の前記第1の周波数は434MHzであり、前記共振チャンバーの直径は500mmであることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing device according to claim 1, wherein the first frequency of the microwave is 434 MHz, and the diameter of the resonance chamber is 500 mm. 前記マイクロ波の前記第1の周波数は500MHzであることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing device according to claim 1, wherein the first frequency of the microwave is 500 MHz. 前記焼鈍すべき材料は炭化ケイ素であることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing apparatus according to claim 1, wherein the material to be annealed is silicon carbide. 前記焼鈍すべき材料は、炭化ケイ素ウェーハであることを特徴とする、請求項1に記載の高速焼鈍装置。 The high-speed annealing apparatus according to claim 1, wherein the material to be annealed is a silicon carbide wafer.
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