CN101651101A - 一种碳化硅离子激活退火装置及碳化硅离子激活退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅离子激活退火装置及碳化硅离子激活退火方法；所述碳化硅离子激活退火装置，包括高温炉、石墨坩埚；高温炉的炉壁上设有进气口和出气口；石墨坩埚位于高温炉的炉膛内；该石墨坩埚设有外壳、内壳和坩埚盖；内壳内部形成内膛；外壳和内壳间形成外膛；坩埚盖合上后，外壳与坩埚盖密封闭合，内壳顶端与坩埚盖之间存在间隙。所述碳化硅离子激活退火方法，包括：将待退火的碳化硅涂上一层保护层放入石墨坩埚的内膛中；将高纯碳化硅粉末置于石墨坩埚的外膛中；将惰性气体通入高温炉炉膛中；然后用高温炉进行加热，加热到1200℃－1800℃，并保持0.5－2小时。本发明使碳化硅离子激活退火加工方便，成本降低，同时使碳化硅表面光滑，成品率提高。

Description

一种碳化硅离子激活退火装置及碳化硅离子激活退火方法

技术领域

本发明涉及一种退火装置及退火方法，具体是涉及一种碳化硅离子激活退火装置及碳化硅离子激活退火方法。

背景技术

碳化硅(4H-SiC)作为新型半导体材料，因具有非常优异的材料特性，不仅非常适于高端产品应用，比如电力推进、电力传输等；而且具有节能潜力。由于电力电子器件应用广泛，市场巨大，所以碳化硅器件可以节省的能量是巨大的。

近十年来碳化硅电力电子器件研究进展很快。碳化硅MOSFET，BJT，JFET和IGBT等电力电子器件结构等多种器件性能都得到了发展，极大的推动了碳化硅材料和器件技术的发展。为了制备这些器件，要求在碳化硅中实现选择性掺杂。半导体的选择掺杂是指在半导体的特定区域掺入特定剂量的某些离子，使得半导体呈现所要求的电学性质。选择性掺杂是制作半导体器件的关键工艺。一般而言，有三种掺杂方法：离子扩散、选择性外延、离子注入。

离子扩散是制造半导体器件(特别是硅器件)常用的方法，但是离子扩散不适合碳化硅器件。

选择性外延是因其技术复杂，尚不适合商业化生产。

离子注入方法灵活方便，可以实现各种离子的注入，而且可以通过控制注入的能量和剂量方便地控制掺杂的深度和浓度，成为碳化硅选择掺杂的首选。

但是碳化硅材料的离子注入与传统的硅材料的离子注入情况有很大不同。低电离率和低离子注入激活率，导致碳化硅需要大剂量的Al离子注入，造成较大的晶格缺陷。离子注入之后必须进行高温退火，以修复晶格损伤，并使得注入的离子进入合适的晶格位置，因此这一步退火工艺又叫做“离子激活退火”。需要很高的温度才能使得注入的离子进入合适的碳化硅晶格位置。

使用1800℃的高温退火，结果发现1800℃的高温可以更加有效的修复晶格缺陷和激活离子。但是，高于1400℃的温度会造成碳化硅表面退化，造成器件表面漏电，降低了器件良率。

因此需要一种高质量的碳化硅离子激活退火***，该***必须能在高温下保护碳化硅并得到平滑的表面，并且该***建造和使用的成本必须足够低。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种运营成本低的碳化硅离子激活退火装置及碳化硅离子激活退火方法。

技术方案：本发明提供了一种碳化硅离子激活退火装置及一种碳化硅离子激活退火方法。

本发明所述的一种碳化硅离子激活退火装置，包括高温炉、石墨坩埚；所述高温炉的炉壁上设有进气口和出气口；所述石墨坩埚位于高温炉的炉膛内；该石墨坩埚设有外壳、内壳和坩埚盖；内壳的内部形成内膛；外壳和内壳间形成外膛；坩埚盖合上后，外壳与坩埚盖密封闭合，内壳顶端与坩埚盖之间存在间隙。所述石墨坩埚要求在惰性气体的保护下，可以反复耐受高达1500℃以上的高温而不开裂，也不析出碳粉末，所以一般选用高纯石墨制成。

本发明所述的一种碳化硅离子激活退火方法，该方法包括：将待退火的碳化硅涂上一层保护层，放入石墨坩埚的内膛中；将高纯碳化硅粉末置于石墨坩埚的外膛中；将惰性气体通入高温炉的炉膛中；然后用高温炉进行加热，加热到1200℃-1800℃，并保持0.5-2小时。在石墨坩埚的外膛中放置高纯碳化硅粉末，因为该粉末在高温下会升华，在外膛和内膛中形成碳化硅蒸汽压，从而抑制了待退火的碳化硅的升华，保护了待退火的碳化硅不被高温分解，保持表面光滑，提高了产品质量。

将惰性气体通入高温炉炉膛的方法为：运用循环抽气的方法，将空气从出气口抽出，惰性气体从进气口送入高温炉的炉膛内。

将惰性气体通过高温炉的方法具体实施如下：在高温炉的进气口和出气口上配以机械泵，先将高温炉炉膛中的空气抽出，再用机械泵将惰性气体泵入高温炉中；并配以气压表，用以控制高温炉炉膛内的气压，使高温炉炉膛内的惰性气体的压强略高于大气压强。

因为石墨具有成本低、易制备、耐高温，易去除的特点，所述待退火的碳化硅涂上的保护层一般选用石墨。

所述惰性气体通常使用氩气或氮气。

有益效果：与现有技术相比具有以下优点：本发明所述的一种碳化硅离子激活退火装置，由于碳化硅离子激活退火装置中使用的高温炉和石墨坩埚制造方便，成本低，降低了碳化硅器件的生产成本；本发明所述的一种碳化硅离子激活退火方法由于采用了石墨坩埚及碳化硅粉末，该石墨坩埚可以在高温下提供碳蒸汽源，以抑制碳化硅表面保护层的升华和氧化，使碳化硅表面光滑，提高了成品质量和成品率。

附图说明

图1为本发明碳化硅离子激活退火的装置一种实施例的剖面图；

图2为本发明中石墨坩埚一种实施例的剖面图；

图3为本发明中涂有保护层的碳化硅的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示的碳化硅离子激活退火的装置的一种实施例，其中高温炉1通常为圆筒形，包括炉壁和炉膛。炉壁由耐热保温材料氮化硼陶瓷构成，置于炉壁四周的电阻丝5将炉腔内加热到1200℃-1800℃，并保持0.5-2小时，加热温度优选为1500℃，保温时间优选为1个小时；高温炉1中还设有测温热偶6，用于控温，将温度均匀性控制在+/-5℃；高温炉1还设有进气口3和出气口4，在进气口3和出气口4上配置机械泵，将高温炉1中的空气抽出，把惰性气体通入高温炉1炉膛中，降低高压炉1炉膛内的氧气含量，同时配以气压表，控制高温炉1炉膛内的气压，使高温炉1炉膛内的惰性气体的压强略高于大气压强，以便阻止空气进入高压炉内，通常使用的惰性气体为氩气或氮气。

如图2所示的石墨坩埚2放置在高压炉1的炉膛内；该石墨坩埚设有外壳7、内壳8和坩埚盖9；内壳8的内部形成内膛；外壳7和内壳8间形成外膛；坩埚盖9合上后，外壳7与坩埚盖9密封闭合，内壳8顶端与坩埚盖9之间存在间隙。所述石墨坩埚9要求在惰性气体的保护下，可以反复耐受高达1500℃以上的高温而不开裂，也不析出碳粉末，所以一般选用高纯石墨制成。涂有石墨保护层的碳化硅10放置在石墨坩埚2的内膛中；高纯碳化硅粉末放置在外膛中，该粉末在高温下升华，在外膛和内膛中形成碳化硅蒸汽压，从而抑制了碳化硅10的升华，保护了碳化硅10不被高温分解。

图3所示的为涂有保护层的碳化硅的结构示意图，碳化硅10上涂的保护层11一般选用石墨。

Claims (6)

1、一种碳化硅离子激活退火装置，其特征在于：该装置包括高温炉(1)、石墨坩埚(2)；所述高温炉(1)的炉壁上设有进气口(3)和出气口(4)；所述石墨坩埚(2)位于高温炉(1)的炉膛内；该石墨坩埚(2)设有外壳(7)、内壳(8)和坩埚盖(9)；内壳(8)内部形成内膛；外壳(7)和内壳(8)间形成外膛；坩埚盖(9)合上后，外壳(7)与坩埚盖(9)密封闭合，内壳(8)顶端与坩埚盖(9)之间存在间隙。

2、根据权利要求1所述的一种碳化硅离子激活退火装置，其特征在于：所述石墨坩埚(2)由高纯石墨制成。

3、一种碳化硅离子激活退火方法，其特征在于：该方法包括：将待退火的碳化硅(10)涂上一层保护层(11)放入石墨坩埚(2)的内膛中；将高纯碳化硅粉末置于石墨坩埚(2)的外膛中；将惰性气体通入高温炉(1)炉膛中；然后用高温炉(1)对石墨坩埚(2)进行加热，加热到1200℃-1800℃，并保持0.5-2小时。

4、根据权利要求3所述的一种碳化硅离子激活退火方法，其特征在于：所述惰性气体通过高温炉(1)炉膛的方法为：运用循环抽气的方法，将空气从出气口(4)抽出，惰性气体从进气口(3)送入高温炉(1)的炉膛内。

5、根据权利要求3所述的一种碳化硅离子激活退火方法，其特征在于：所述待退火的碳化硅(10)涂上的保护层(11)为石墨。

6、根据权利要求3或权利要求4中所述的一种碳化硅离子激活退火方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气或氮气。

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