专利名称：竖直式离子注入碳化硅高温退火装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高温退火装置，特别涉及一种基于铜螺旋管射频加热的竖直式离子注入碳化硅(SiC)高温退火装置。
背景技术：
以SiC为代表的第三代宽带隙半导体具有禁带宽(Si的3倍)、热导率高(Si的3.3倍)、击穿场强高(Si的10倍)、饱和电子漂移速率高(Si的2.5倍)、工作温度高(400～600℃)、键合能高以及极好的物理及化学稳定性等许多优良特性，在高温、大功率、抗辐照的器件应用方面有着得天独厚的潜力和优势。SiC主要用于高温、大功率器件的制作，为了减少器件对功率的损耗，就必须减少串联电阻和方块电阻，即需要有重掺杂层材料。考虑到杂质原子在SiC中的扩散系数很小，在1800℃以下的温度范围内杂质的扩散是可以忽略的，虽然用热扩散方法实现掺杂方法在Si技术中经常使用，但是在SiC的掺杂中这一技术已不可行，因此，离子注入已成为SiC电子器件制作工艺中实现重掺杂的一种重要手段。一旦杂质原子被注入到SiC中后，有两种可能性，一是杂质原子占据晶格中的间隙位置，形成间隙原子，另一种可能性是驻留在SiC的晶格位置上，因此，离子注入后要做的工作就是将杂质原子从间隙位置转移到替代位置，并使其电激活，这一激活是通过在惰性气体中(如Ar气等)高温退火来完成的。为了完全消除晶格损伤，注入后的SiC需要经过高温退火过程。因此，注入后进行高温退火有两个目的，即激活杂质和完全消除晶格损伤。退火温度最高要达到1700℃，具体的退火条件依赖于所注入的杂质原子，杂质的激活既依赖于杂质原子，也依赖于SiC晶型(如6H-SiC和4H-SiC等)。常用的Si退火装置已不能满足SiC退火的要求。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种基于铜螺旋管射频加热的竖直式离子注入碳化硅高温退火装置，利用该装置不但能够实现SiC的n-型杂质离子的退火激活(退火温度通常为1500℃左右)，而且也能够实现SiC的p-型杂质离子的退火激活(退火温度通常为1700℃左右)，以满足各种高温、大功率、高频SiC器件的制作。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是提供了一种离子注入碳化硅高温退火装置，由退火室、法兰盘、退火室进样门、放气阀门、抽气口、支撑架、观察窗、感应加热线圈和感应加热体组成；其中，石英管退火室竖直设置，上下两端由法兰盘封闭，法兰盘上固设有支架，支架将退火室竖直固置；石英管退火室和法兰盘之间采用“O”型密封圈密封；上端法兰盘上设有退火室的进样门，进样门中心有一个小孔，与保护气体的储罐出口相通，进样门与法兰盘之间用“O”型密封圈密封连接；下端法兰盘中心设有一竖直的管道，管道的下端是观察窗，管道的前侧水平设有充气阀门，后侧水平设有抽气口；石英管退火室的外周圆表面中部，绕设有感应加热线圈，退火室的内腔中，与感应加热线圈相对的位置设有感应加热体，感应加热体与退火室下端法兰盘之间有一支撑架。
所述的高温退火装置，其所述法兰盘、退火室进样门、竖直的管道、放气阀门、抽气口是由不锈钢材料制成，“O”型密封圈为橡胶圈，感应加热线圈为铜螺旋管感应加热线圈。
所述的高温退火装置，其所述感应加热体，包括石英舟、保温层和感应加热器，石英舟套置于退火室的内腔中，保温层将感应加热器包裹于其中，并套置于石英舟内。
所述的高温退火装置，其所述法兰盘，中间有一个圆环状水槽，在水槽的两端沿法兰盘的径向方向引出两个水嘴。
所述的高温退火装置，其所述石英舟，由钩圈、连接臂、石英舟体和多孔底组成，多孔底将石英舟体的一端封住，石英舟体的另一端开口边缘固连有连接臂，连接臂的外端固接一钩圈；其外径略小于石英管退火室的内径，中间空隙小于1毫米。
所述的高温退火装置，其所述保温层，包括保温层体和其一侧的盖，其中，保温层体一端封闭，另一端为开口，该开口与盖相适配，保温层体的外侧中心有一凹槽是一个测温窗口，采用高温仪测温；保温层体的内壁与感应加热器外周面相适配；保温层体的外周面与石英舟体的内壁相适配，保温层体可顺畅的放入石英舟体内。
所述的高温退火装置，其所述感应加热器，中间有一通孔，其表面和通孔内壁覆有一层碳化硅(SiC)涂层，或其表面和通孔内壁固接一形状相同的碳化硅(SiC)管；其外周面与保温层体的内壁相适配，感应加热器可顺畅的放入保温层体内。
所述的高温退火装置，其所述支撑架，为“T”型，由阶梯轴杆、小石英管和石英圆盘或“十字”型石英架组成；石英圆盘上设有复数个小孔；其中，小石英管上端位于石英圆盘的圆心，且垂直固接成一体，下端的内径与阶梯轴杆的上凸台的直径相当，与阶梯轴杆的上凸台间隙配合；阶梯轴杆垂直设置，其下端固接在下端法兰盘内壁的中心位置。
所述的高温退火装置，其所述退火室为圆筒形，感应加热器，为圆柱体，石英舟和保温层体，为圆桶形；感应加热器由高纯石墨制造而成，保温层为石墨毡，阶梯轴杆为不锈钢制作。
所述的高温退火装置，其所述中间的通孔，为矩形通孔。
实现本实用新型所采取的技术措施有以下几个方面一是采用螺旋管加热的竖直石英管结构；二是采用一圆桶形石英舟，增强样品交接的简易性；三是采用石墨感应加热器的保温措施，以增强加热效率，提高工作温度；四是退火时的气体压力可调，其调节范围在10-3托到760托内，以达到真空、低压和常压退火工艺要求。
本实用新型是为离子注入SiC的退火激活而设计的高温退火装置，退火室内均采用耐高温材料，该装置也适用于其它半导体的退火激活工艺，如氮化镓(GaN)等。
本实用新型的特点是简易、灵活、多用、压力调节范围宽、易于控制，有较高的退火温度，最高可达到2000℃。本实用新型加热快速、温度高，很适合高温快速退火，最大的优点是可在低压下退火，这是常规退火系统所不具备的。
图1是本实用新型竖直式离子注入碳化硅(SiC)高温退火装置示意图；图2是本实用新型感应加热体结构配置示意图；图3是感应加热体的石英舟结构示意图；图4是感应加热体的石墨毡绝热材料保温层结构示意图；其中(a)是剖面图；(b)和(c)分别是圆桶形石墨毡保温层体822和石墨毡盖821的右视示意图；图5是感应加热体的石墨感应加热器的结构示意图；其中(a)是感应加热器83的剖面图；(b)是感应加热器83的右视示意图；图6是本实用新型固定感应加热体位置的支撑架结构示意图。
具体实施方式
图1给出的竖直式离子注入碳化硅(SiC)高温退火装置示意图。该退火装置是一超高真空系统，由不锈钢法兰盘和石英管腔室制成。
如图1所示，该装置由石英管退火室1、水冷不锈钢法兰盘2、退火室进样门3、放气阀门4、抽气口5、支撑架6、观察窗9、铜螺旋管感应加热线圈7和感应加热体8组成。其中，圆筒形石英管退火室1竖直设置，上下两端由水冷不锈钢法兰盘2、2a封闭，不锈钢法兰盘2、2a上固设有支架10，支架10将退火室1竖直固置于壁面或地面。石英管退火室1和水冷不锈钢法兰盘2、2a之间采用“O”型橡胶圈密封。水冷法兰盘2、2a用不锈钢制成，中间有一个圆环状水槽，在水槽的两端沿法兰盘的径向方向引出两个水嘴，目的是在水槽内装灌冷却水以冷却“O”型橡胶圈。
上端水冷法兰盘2上设有退火室1的进样门3，进样门3由不锈钢材料制成，中心有一个小孔11，与保护气体的储罐出口相通，是退火时保护气体的入口，进样门3与水冷法兰盘2之间用“O”型橡胶圈密封连接。
下端水冷法兰盘2a中心设有一竖直的管道12，管道12的下端是观察窗9，管道12的前侧水平设有充气阀门4，后侧水平设有抽气口5。
石英管退火室1的外周圆表面中部，绕设有铜螺旋管感应加热线圈7，退火室1的内腔中，与铜螺旋管感应加热线圈7相对的位置设有感应加热体8。感应加热体8与退火室1下端法兰盘2a之间有一支撑架6。退火室1内的真空度达到10-4～10-3Pa。采用铜螺旋管感应加热方式。
如图2所示，是本实用新型感应加热体8结构配置示意图。石英管退火室1内放置的感应加热体8的最外层是一个圆桶形石英舟81，石英舟81内装有保温层82，保温层82包裹着感应加热器83，感应加热器83中心有一竖直的通孔84。
如图3所示，是感应加热体8的石英舟81结构示意图。圆桶形石英舟81由钩圈86、连接臂87、圆桶形石英舟体81a和多孔底81b组成，多孔底81b将石英舟体81a的一端封住，石英舟体81a的另一端开口固连有连接臂87，连接臂87的外端固接一钩圈86。钩圈86是用来传递退火样品用的。圆桶形石英舟体81a，其外径略小于石英管退火室1的内径，中间空隙小于1毫米。退火时需要保护气体，如氩气(Ar)等，因此石英舟81多孔底81b上的小孔用来通气。
石墨毡是绝热保温材料，它位于石墨感应加热器83的周围构成石墨毡保温层82，以减小热量损失，增强加热效率。石墨毡保温层82的结构如图4所示，图4(a)是剖面图，其中包括圆桶形石墨毡保温层体822和其一侧的石墨毡盖821，图4(b)和(c)分别是圆桶形石墨毡保温层体822和石墨毡盖821的右视示意图。其中，圆桶形石墨毡保温层体822的开口与石墨毡盖821相适配，保温层体822的上侧中心有一凹槽85是一个测温窗口，采用高温仪测温。保温层体822的外周圆与圆桶形石英舟体81a的内圆壁相适配，石墨毡保温层体822可顺畅的放入石英舟体81a内。
石墨感应加热器83的结构如图5所示，石墨感应加热器83为一空心圆柱体，由高纯石墨制造而成，其外周圆与圆桶形石墨毡保温层体822的内圆壁相适配，石墨感应加热器83可顺畅的放入石墨毡保温层体822内。
图5(a)是感应加热器83的剖面图，图5(b)是感应加热器83的右视示意图。圆柱体83右视呈现圆形，其中间是一个矩形通孔84，考虑到石墨的结构特性，需要对内外表面进行处理，即在内外表面覆盖一层厚度约1毫米的碳化硅(SiC)涂层831，或在矩形通孔84内表面套设一适配的碳化硅(SiC)管831，管壁厚度约1毫米。待退火的离子注入碳化硅(SiC)样品13就放置在矩形通孔84内。
为了固定感应加热体8在退火室1内的位置，在竖直式退火室1的下端法兰盘2a上安装一个“T”型支撑架6，其结构如图6所示。“T”型支撑架6由三部分组成，不锈钢阶梯轴杆63，小石英管62和石英圆盘61或“十字”型架，石英圆盘61上有小孔64。其中小石英管62上端位于石英圆盘61的圆心，且焊接成一体，小石英管62下端的内径与阶梯轴杆63的上凸台的直径相当，可套于阶梯轴杆63的上凸台，形成间隙配合。阶梯轴杆63垂直设置，其下端焊接在下端法兰盘2a内壁的中心位置。
本实用新型的工艺流程是(1)在进行离子注入碳化硅(SiC)样品13退火之前，清洗待退火样品13；(2)打开退火室1的进样门3，用石英操作杆将退火室1内的石英舟81拉出；(3)取下石墨毡盖821，将待退火样品13放置在石墨感应加热器83的矩形孔84内，装上石墨毡盖821，用石英操作杆将石英舟81放入退火室1内的石英支撑架6上，关闭进样门3，由抽气口5对退火系统抽真空；(4)加热前，通过进样门3上的进气小孔11通入合适的退火保护气体，如氩气(Ar)，根据待退火样品13的退火条件，如退火温度、退火压力、和退火时间等，对样品13进行退火处理；(5)退火工作结束后，可先在氩气(Ar)气氛下降温，到一定温度后，在真空下降温。
(6)打开充气阀门4，用保护气体如氮气(N)将退火室1增压至常压(一个大气压)，用(2)-(3)步将样品13取出。
(7)当不使用退火室1时，可以由抽气口5对其抽至真空，并使其维持在真空状态。
权利要求1.一种竖直式离子注入碳化硅高温退火装置，由退火室、法兰盘、退火室进样门、放气阀门、抽气口、支撑架、观察窗、感应加热线圈和感应加热体组成；其特征在于其中，石英管退火室竖直设置，上下两端由法兰盘封闭，法兰盘上固设有支架，支架将退火室竖直固置；石英管退火室和法兰盘之间采用“O”型密封圈密封；上端法兰盘上设有退火室的进样门，进样门中心有一个小孔，与保护气体的储罐出口相通，进样门与法兰盘之间用“O”型密封圈密封连接；下端法兰盘中心设有一竖直的管道，管道的下端是观察窗，管道的前侧水平设有充气阀门，后侧水平设有抽气口；石英管退火室的外周圆表面中部，绕设有感应加热线圈，退火室的内腔中，与感应加热线圈相对的位置设有感应加热体，感应加热体与退火室下端法兰盘之间有一支撑架。
2.如权利要求1所述的高温退火装置，其特征是所述法兰盘、退火室进样门、竖直的管道、放气阀门、抽气口是由不锈钢材料制成，“O”型密封圈为橡胶圈，感应加热线圈为铜螺旋管感应加热线圈。
3.如权利要求1所述的高温退火装置，其特征是所述感应加热体，包括石英舟、保温层和感应加热器，石英舟套置于退火室的内腔中，保温层将感应加热器包裹于其中，并套置于石英舟内。
4.如权利要求1所述的高温退火装置，其特征是所述法兰盘，中间有一个圆环状水槽，在水槽的两端沿法兰盘的径向方向引出两个水嘴。
5.如权利要求3所述的高温退火装置，其特征是所述石英舟，由钩圈、连接臂、石英舟体和多孔底组成，多孔底将石英舟体的一端封住，石英舟体的另一端开口边缘固连有连接臂，连接臂的外端固接一钩圈；其外径略小于石英管退火室的内径，中间空隙小于1毫米。
6.如权利要求3所述的高温退火装置，其特征是所述保温层，包括保温层体和其一侧的盖，其中，保温层体一端封闭，另一端为开口，该开口与盖相适配，保温层体的上侧中心有一凹槽是一个测温窗口；保温层体的内壁与感应加热器外周面相适配；保温层体的外周面与石英舟体的内壁相适配，保温层体可顺畅的放入石英舟体内。
7.如权利要求3所述的高温退火装置，其特征是所述感应加热器，中间有一通孔，其表面和通孔内壁覆有一层碳化硅(SiC)涂层，或其表面和通孔内壁固接一形状相同的碳化硅(SiC)管；其外周面与保温层体的内壁相适配，感应加热器可顺畅的放入保温层体内。
8.如权利要求1所述的高温退火装置，其特征是所述支撑架，为“T”型，由阶梯轴杆、小石英管和石英圆盘或“十字”型石英架组成；石英圆盘上设有复数个小孔；其中，小石英管上端位于石英圆盘的圆心，且垂直固接成一体，下端的内径与阶梯轴杆的上凸台的直径相当，与阶梯轴杆的上凸台间隙配合；阶梯轴杆垂直设置，其下端固接在下端法兰盘内壁的中心位置。
9.如权利要求1所述的高温退火装置，其特征是所述退火室为圆筒形。
10.如权利要求3所述的高温退火装置，其特征是所述感应加热器，为圆柱体，石英舟和保温层体，为圆桶形；感应加热器由高纯石墨制造而成，保温层为石墨毡。
11.如权利要求8所述的高温退火装置，其特征是所述阶梯轴杆，为不锈钢制作。
12.如权利要求7所述的高温退火装置，其特征是所述中间的通孔，为矩形通孔。
专利摘要本实用新型是一种竖直式离子注入碳化硅高温退火装置。该装置的石英管退火室竖直设置，两端由水冷法兰盘封闭；法兰盘上端有退火室的进样门，进样门中心有一个小孔，是退火时保护气体的入口，进样门与法兰盘之间用密封圈密封连接；法兰盘下端中心设有一竖直的管道，管道的外端是观察窗，管道的前侧水平设有放气阀门，后侧水平设有抽气口；退火室的外周圆表面中部，绕设有感应加热线圈，退火室的内腔中，与感应加热线圈相对的位置设有感应加热体，感应加热体与下端法兰盘之间有支撑架。本实用新型可满足各种高温、大功率、高频碳化硅器件的制作，也适用于其它半导体的退火激活工艺，其灵活、压力调节范围宽、易于控制，有较高的退火温度。
文档编号C30B31/00GK2743375SQ20042009286
公开日2005年11月30日 申请日期2004年9月22日 优先权日2004年9月22日
发明者孙国胜, 王雷, 赵万顺 申请人:中国科学院半导体研究所