一种双热场晶片退火炉的制作方法

1.本发明涉及晶体退火技术领域，具体涉及一种双热场晶片退火炉。


背景技术：

2.在半导体器件的应用方面，随着碳化硅生产成本的降低，碳化硅由于其优良的性能而可能取代硅作芯片，打破硅芯片由于材料本身性能的瓶颈，将给电子业带来革命性的变革。
3.在碳化硅晶体生长过程中，为了扩大单晶尺寸、提高单晶质量和减少晶体缺陷等目的，可以使生长界面呈现微凸状。由于需要生长界面微凸，所以导致生长区域中心的生长速率要大于边缘区域，即中心区域的轴向温度梯度大于边缘区域的轴向温度梯度，结果导致了与籽晶同一平面的晶体的生长时间和生长速度不同，进而造成了晶体内部的应力产生，并且晶体越凸，晶体内部的应力就越大。
4.为消除碳化硅晶片内应力，减少晶体缺陷则需要对碳化硅晶片进行退火处理。现有技术的高温退火炉，由于升温温场各热点温度稍有不同及石墨坩埚各点的传导热性能不一，容易在退火过程中造成晶片受热的不均匀，使得退火对晶体性能的改善效果不能达到最佳，且目前退火炉一次退火数量偏高，整体加工退火效率低。故而，需要设计一种双热场晶片退火炉，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供一种双热场晶片退火炉，用于解决由于现有技术的高温退火炉中升温温场各热点温度不同且石墨坩埚各点的传导热性能不一，而造成晶片在退火过程中受热不均匀的技术问题。
6.为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种双热场晶片退火炉，所述双热场晶片退火炉包括，内壁体、外壁体和第一转动盘：
7.其中，内壁体设置在炉体中心，所述内壁体中设置有第一加热装置，所述第一加热装置对所述内壁体外侧加热产生内热场；外壁体沿炉体周向设置在所述内壁体外围，所述外壁体中设置有第二加热装置，所述第二加热装置对所述外壁体内侧加热产生外热场；第一转动盘在所述内壁体和外壁体之间沿炉体周向转动，所述第一转动盘上沿炉体周向设置有多个安放装置，所述安放装置中安装有多个坩埚，所述坩埚用于安放待退火晶片。
8.在本发明的一示例中，所述内壁体为圆柱体，所述外壁体的内壁沿炉体周向设置在所述内壁体外侧，所述第一转动盘以环体形状设置在所述内壁体和外壁体之间。
9.在本发明的一示例中，所述第一转动盘和所述坩埚之间设置有自转驱动结构，所述自转驱动结构位于所述第一转动盘设置所述坩埚的位置处，所述自转驱动结构在所述第一转动盘沿炉体周向转动时，驱动所述坩埚自转。
10.在本发明的一示例中，所述自转驱动结构包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮在所述安放装置设置所述坩埚的位置处，所述第二齿轮设置在所述坩埚的底部，所述第
一齿轮与所述第二齿轮相啮合，并在所述第一转动盘转动时相对转动。
11.在本发明的一示例中，所述第一转动盘在与所述内壁体和外壁体的交界处设置有密封环。
12.在本发明的一示例中，所述安放装置形状为圆柱体，所述多个坩埚中心对称的设置在所述安装装置中。
13.在本发明的一示例中，所述第一转动盘上设置有至少八个安放装置，所述至少八个安放装置沿炉体周向均布在所述第一转动盘上，每个所述安放装置上设置有至少三个所述坩埚。
14.在本发明的一示例中，所述安放装置在所述第一转动盘上与所述内壁体和外壁体相接触。
15.在本发明的一示例中，所述双热场晶片退火炉上还设有充气管路，所述充气管路用于将气体充入所述内壁体和外壁体之间。
16.在本发明的一示例中，所述坩埚为石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石墨纸，所述石墨纸在所述石墨坩埚内形成料腔，所述待退火晶片安放至所述料腔中。
17.本发明的双热场晶片退火炉，在退火过程中驱动第一转动盘在内壁体和外壁体之间匀速转动，使得第一转动盘载有的多个坩埚能够同时在内外两侧受到内热场和外热场的加热，保证坩埚内的晶片在退火过程中受热更加均匀，使晶片退火后应力消除更加完全，提高了晶片退火后的工艺性能，使得晶片硬度降低，脆性提升，避免后续研磨抛光出现应力变形造成的碎片现象，提升了退火后晶片的成品良率。并且该退火炉一次可直接退火六百片晶片，极大提升退火效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明一实施例中双热场晶片退火炉的结构俯视图；
20.图2为本发明一实施例中双热场晶片退火炉的剖面侧视图；
21.图3为本发明一实施例中自转驱动结构的结构俯视图；
22.图4为本发明一实施例中坩埚的结构示意图。
23.元件标号说明
24.100、内壁体；200、外壁体；300、第一转动盘；310、安放装置；311、安装槽体；320、自转驱动结构；321、第一齿轮；322、第二齿轮；400、坩埚；410、石墨纸；500、待退火晶片。
具体实施方式
25.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
26.须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
27.请参阅图1至图3，本发明提供一种双热场晶片退火炉，用于解决由于现有技术的高温退火炉中升温温场各热点温度不同且石墨坩埚各点的传导热性能不一，而造成晶片在退火过程中受热不均匀的技术问题。
28.请参见图1和图2，所述双热场晶片退火炉包括内壁体100、外壁体200和第一转动盘300。所述内壁体100设置在炉体的中心位置，所述内壁体100中设置有第一加热装置，第一加热装置沿内壁体100外缘均匀设置，以在退火时对内壁体100外侧加热产生内热场。所述外壁体200沿炉体周向设置在内壁体100外围，所述外壁体200中设置有第二加热装置，所述第二加热装置在外壁体200朝向炉内的周向内壁上均匀设置，以在退火时对外壁体200内侧加热产生外热场。所述第一转动盘300设置在炉内的内壁体100和外壁体200之间，所述第一转动盘300用于安装承载待退火晶片500，所述第一转动盘300底部设置有驱动装置，该驱动装置在退火时可驱动第一转动盘300围绕内壁体100转动。
29.在对待退火晶片500的退火过程中，退火炉内的内壁体100和外壁体200固定不动，第一转动盘300在内壁体100和外壁体200之间沿炉体周向围绕内壁体100转动，装载在第一转动盘300上的待退火晶片500在内外两侧受到内热场和外热场的均匀加热，使得待退火晶片500在内外两侧受热均匀。
30.其中，所述第一转动盘300通过安放装置310装载待退火晶片500。具体地，所述第一转动盘300上设置有多个安放装置310，所述多个安放装置310沿周向等间距设置在第一转动盘300上，每个安放装置310设置有多个安装槽体311，所述安装槽体311用于安装坩埚400，而坩埚400则用于装载待退火晶片500。
31.请参见图1至图3，在本发明一实施例中，所述第一转动盘300和坩埚400之间设置有自转驱动结构320，所述自转驱动结构320设在第一转动盘300安放坩埚400的位置处。具体地，所述自转驱动结构320在安放装置310的安装槽体311底部内壁上与坩埚400底部相配合，从而在安装槽体311中起到固定坩埚400作用的同时保证坩埚400能够相对安装槽体311转动。其中，所述自转驱动结构320在第一转动盘沿炉体周向300围绕内壁体100公转时，能够将安装槽体311和坩埚400之间的相对作用力转为轴向转动力，从而带动坩埚400在安放装置310的安装槽体311中自转。
32.请参见图2和图3，所述自转驱动结构320包括第一齿轮321和第二齿轮322，所述第一齿轮321设置在安放装置310的安装槽体311的内壁上，所述第一齿轮321沿周向均布在安装槽体311底部内壁上并沿径向向槽体内侧伸出；所述第二齿轮322沿周向均布在坩埚400的底部。当坩埚400放置安装槽体311中时，坩埚400上的第二齿轮322与安装槽体311上的第一齿轮321相啮合，并留有一定缝隙。
33.其中，如图1所示，当第一转动盘300在内壁体100和外壁体200之间沿炉体周向围
绕内壁体100转动时，第一转动盘300上的安放装置310跟随第一转动盘300一起围绕内壁体100做公转运动，而安装槽体311中的坩埚400则因惯性与安装槽体311之间产生相对作用力，该相对作用力被自转驱动结构320转化为第一齿轮321和第二齿轮322之间的齿轮旋转，以带动坩埚400在安装槽体311中沿与公转相反的转动方向自转。
34.具体地，在退火时，双热场晶片退火炉通过驱动第一转动盘300在内壁体100和外壁体200之间周向转动，来带动第一转动盘300上装载有坩埚400的多个安放装置310在内热场和外热场之间公转，使得安放装置310在内热场和外热场之间的不同周向位置均匀受热；而安放装置310内的坩埚400则在自转驱动结构320的作用下沿公转的反方向自转，从而保证坩埚400内的待退火晶片500上的各个位置能够无死角在内外热场的不同位置接受内外热场的加热退火。
35.例如，双热场晶片退火炉在退火时，通过驱动装置驱动第一转动盘300转动，来带动第一转动盘300上的多个安放装置310沿顺时针方向转动，同时通过自转驱动结构320来带动安放装置310中的多个坩埚400沿逆时针方向转动，以保证坩埚400中的待退火晶片500能够无死角的被内外热场所加热。
36.由此可见，上述设置方式保证了待退火晶片500在热场内受热的均匀性，使晶片退火后应力消除更加完全，提高了晶片退火后的工艺性能，使得晶片硬度降低，脆性提升，避免后续研磨抛光出现应力变形造成的碎片现象，提升了退火后晶片的成品良率。
37.此外，在本实施例中，为保证双热场晶片退火炉在退火时的密闭性，炉体在第一转动盘300的转动间隙均设置有密封环，以保证炉内的密闭性。具体地，所述第一转动盘300在与内壁体100和外壁体200的交界处设置有密封环。
38.请参见图1，在本发明的一实施例中，所述内壁体100形状为圆柱体，所述外壁体200的内壁沿炉体周向设置在内壁体100的外围，第一转动盘300则以环形设置在内壁体100和外壁体200之间。而第一转动盘300上的安放装置310在随第一转动盘300转动过程中，分别与内壁体100和外壁体200相切，从而最大效率的接受内热场和外热场的加热。
39.如图1所示，在本实施例中，所述安放装置310的形状为圆柱体，安放装置310上设置的多个安装槽体311相对安放装置310圆心中心对称，使得多个坩埚400可中心对称地安装在安放装置310中。
40.如图1所示，在本实施例的一示例中，所述第一转动盘300上设置有至少八个安放装置310，所述至少八个安放装置310沿炉体周向均布在第一转动盘300上，每个所述安放装置310上设置有至少三个坩埚400，每个坩埚400中可安放二十五片六英寸晶片。本示例中的双热场晶片退火炉一次可对至少六百片晶片进行退火，极大提高了退火炉的退火效率。
41.此外，在本发明一实施例中，为保证待退火晶片500在炉内的受热均匀，所述双热场晶片退火炉设在双热场中的所有装置均采用石墨材料，具体地，所述第一转动盘300、安放装置310以及坩埚400均使用石墨材料。
42.其中，如图4所示，所述坩埚400为石墨坩埚，所述坩埚400内设置有石墨纸410，石墨纸410沿坩埚400内壁设置，并在坩埚400内部形成料腔。所述石墨纸410在坩埚400内形成的料腔用于安放待退火晶片500，并且能够在待退火晶片500和坩埚400内壁之间起到缓冲作用，在均匀稳定传热的同时避免晶片碰撞损坏。
43.在本发明一实施例中，所述双热场晶片退火炉上还设有充气管路，所述双热场晶
片在退火过程中，通过充气管路向炉内内壁体和外壁体之间的温场充入惰性气体。
44.在本发明一实施例中，还提供一种对碳化硅晶片的退火方法，该方法通过使用上述实施例中所述的双热场晶片退火炉实现，所述退火方法包括：
45.将碳化硅晶片分别装入多个坩埚中，将多个坩埚装入双热场晶片退火炉的安放装置中；
46.通过驱动双热场晶片退火炉的第一转动盘转动，带动第一转动盘上的多个安放装置在内热场和外热场之间沿炉体周向转动，同时通过驱动第一转动盘上的第二转动盘转动，来带动坩埚沿与第一转动盘相反的方向自转；
47.通过启动内壁体和外壁体中的加热装置，匀速升温30min，将炉内温度升温至1000～1100℃；
48.向炉内充入惰性气体，例如氩气，直至炉内压力为500～800mbar；其中，惰性气体充入流量为30～60ml/min；
49.保温5至10小时，在以10℃/min将炉内温度缓慢降至室温后，取出碳化硅晶片。
50.本发明的双热场晶片退火炉，在退火过程中驱动第一转动盘在内壁体和外壁体之间匀速转动，使得第一转动盘载有的多个坩埚能够同时在内外两侧受到内热场和外热场的加热，保证坩埚内的晶片在退火过程中受热更加均匀，使晶片退火后应力消除更加完全，提高了晶片退火后的工艺性能，使得晶片硬度降低，脆性提升，避免后续研磨抛光出现应力变形造成的碎片现象，提升了退火后晶片的成品良率。并且该退火炉一次可直接退火六百片晶片，极大提升退火效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
51.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。