一种高温场均匀性的碳化硅晶体退火设备的制作方法

本技术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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

技术实现思路

1、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。

2、为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

3、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；

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、本实用新型提供的碳化硅晶体退火设备的作用原理为：

10、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。

11、本实用新型的有益效果为：

12、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。