RU147302U1 - CASSETTE FOR HIGH FREQUENCY ANNEALING AND ACTIVATION OF ION-ALLOYED LAYERS IN SILICON CARBIDE - Google Patents

Abstract

Кассета для высокочастотного отжига и активации ионно-легированных слоев в карбидкремниевых пластинах, состоящая из графитового цилиндрического основания с полостью под пластину и отверстия в основании, соединяющая объем печи, в которой производят отжиг, и полость в основании под пластину, отверстия выполнены в цилиндрической поверхности основания в виде пропилов, расположенных попарно по осям симметрии шириной 1-3 мм и глубиной до рабочей зоны пластины.Cassette for high-frequency annealing and activation of ion-doped layers in silicon carbide plates, consisting of a graphite cylindrical base with a cavity for the plate and holes in the base, connecting the volume of the furnace in which annealing is performed, and the cavity in the base for the plate, the holes are made in the cylindrical surface of the base in the form of cuts arranged in pairs along symmetry axes with a width of 1-3 mm and a depth to the working area of the plate.

Description

Полезная модель относится к области микроэлектроники, а более конкретно: к производству диодов Шоттки, высоковольтных, мощных биполярных транзисторов и других полупроводниковых приборов на основе карбида кремния.The utility model relates to the field of microelectronics, and more specifically: to the production of Schottky diodes, high-voltage, high-power bipolar transistors and other silicon carbide-based semiconductor devices.

Известны кассеты для отжига карбидкремниевых пластин, состоящие из основания с полостью под пластины, размеры которой больше, чем размеры пластины, использующиеся для импульсного высокотемпературного отжига (интернет-источник http://micromagazine.fabtech.org/archive/04/07/shovilin.html).Known cassettes for annealing silicon carbide plates, consisting of a base with a cavity under the plate, the dimensions of which are larger than the dimensions of the plate used for pulsed high-temperature annealing (Internet source http://micromagazine.fabtech.org/archive/04/07/shovilin. html).

Полость под пластину исключает выпадание пластины при транспортировке и манипуляциях. Полость выполнена в виде цилиндрической выемки глубиной несколько большей, чем толщина пластины. Обрабатываемые пластины полупроводникового материала имеют форму плоских цилиндрических дисков.The cavity under the plate eliminates the loss of the plate during transportation and handling. The cavity is made in the form of a cylindrical recess with a depth somewhat greater than the thickness of the plate. The processed plates of the semiconductor material are in the form of flat cylindrical disks.

Импульсный отжиг карбидкремниевых пластин используется при формировании омических и Шоттки-контактов. Если не превышает 1200°C, то в качестве материала кассеты может быть использован Ti, AlN или SiC.Pulse annealing of silicon carbide plates is used in the formation of ohmic and Schottky contacts. If it does not exceed 1200 ° C, then Ti, AlN or SiC can be used as the material of the cartridge.

Если же температура нагрева превышает 1200°C, то кассета выполняется из графита, так как графит практически не взаимодействует с карбидом кремния.If the heating temperature exceeds 1200 ° C, then the cassette is made of graphite, since graphite practically does not interact with silicon carbide.

Тем не менее, в таких конструкциях не удается достичь высоких температур отжига, так как кассета забирает часть тепла.However, in such designs it is not possible to achieve high annealing temperatures, since the cartridge takes part of the heat.

Указанный недостаток устраняется в кассетах, состоящих из основания на котором установлены три поддерживающих штыря, расстояние между которыми позволяет поддерживать пластину (См. патент США №6345150, класс F26B 3/30). Недостаток данной конструкции в том, что при неточной установке пластины на выступы возможен перекос.This drawback is eliminated in cassettes consisting of a base on which three support pins are installed, the distance between which allows the plate to be supported (See US Patent No. 6345150, Class F26B 3/30). The disadvantage of this design is that with inaccurate installation of the plate on the protrusions, skew is possible.

Для устранения данного недостатка в кассете можно использовать множество выступов, расположенных по кругу (патент США №7070660, классов H01L 21/00, C23C 16/00).To eliminate this drawback in the cartridge, you can use many protrusions arranged in a circle (US patent No. 7070660, classes H01L 21/00, C23C 16/00).

Однако, при температурах больших 1200°C происходит эрозия поверхности вследствие сублимации с выпариванием кремния, что не позволяет получать качественные полупроводниковые переходы.However, at temperatures above 1200 ° C surface erosion occurs due to sublimation with evaporation of silicon, which does not allow one to obtain high-quality semiconductor transitions.

Наиболее близкой к предлагаемой является кассета для высокочастотного отжига и активации ионно-легированных слоев в карбидкремниевых пластинах, состоящая из графитового цилиндрического основания с полостью под пластину, отверстием в основании, соединяющей объем печи, в которой производят отжиг, и полость в основании под пластины (См. патент США №5981900, класс B23K 10/00).Closest to the proposed one is a cassette for high-frequency annealing and activation of ion-doped layers in silicon carbide plates, consisting of a graphite cylindrical base with a cavity under the plate, an opening in the base connecting the volume of the annealed furnace, and a cavity in the base under the plate (See U.S. Patent No. 5981900, Class B23K 10/00).

В качестве материала для кассеты выбран графит, так как он позволяет производить отжиг вплоть до температуры 2200°C и слабо взаимодействует с карбидом кремния. Кроме того, он легко нагревается до таких температур бесконтактным высокочастотным индукционным нагревом. Высокочастотный нагрев применяют для исключения взаимодействия пластин карбида кремния с конструктивными материалами печи отжига.Graphite was chosen as the material for the cartridge, since it allows annealing up to a temperature of 2200 ° C and weakly interacts with silicon carbide. In addition, it is easily heated to such temperatures by non-contact high-frequency induction heating. High-frequency heating is used to exclude the interaction of silicon carbide plates with structural materials of the annealing furnace.

Через отверстие с края кромки в полость кассеты, где находится пластина, производится откачка газа при отжиге либо данная полость заполняется инертным газом аргоном при работе в среде аргона.Through a hole from the edge of the edge into the cavity of the cassette where the plate is located, gas is pumped out during annealing or this cavity is filled with inert gas with argon when operating in an argon atmosphere.

Для обеспечения равномерного высокочастотного нагрева кассета выполнена в виде цилиндра, а пластины - в виде дисков. Рабочая зона пластины расположена на одной из ее сторон и диаметр этой зоны на 2-4 миллиметра меньше диаметра пластины. Нерабочая зона на пластине образуется из-за повреждения краев пластины и снятия фаски по краю пластины. Для предотвращения выпадания пластины при манипуляциях с кассетой, ее края делаются толще, чем стенка кассеты в дне полости, где находится пластина.To ensure uniform high-frequency heating, the cartridge is made in the form of a cylinder, and the plate in the form of disks. The working area of the plate is located on one of its sides and the diameter of this zone is 2-4 millimeters smaller than the diameter of the plate. A non-working zone on the plate is formed due to damage to the edges of the plate and chamfering along the edge of the plate. To prevent the plate from falling out during manipulations with the cartridge, its edges are made thicker than the wall of the cartridge in the bottom of the cavity where the plate is located.

Тем не менее, и в такой конструкции существуют недостатки. В силу наличия полости в кассете, рабочая зона кассеты имеет сопротивление выше, чем края кассеты, что, в свою очередь, при нагреве приводит к образованию радиального градиента температуры. Таким образом, карбид кремния начинает сублимировать из более нагретых участков пластины и осаждаться на более холодные участки в центре пластины, что приводит к эрозии поверхности. Это сказывается на качестве, например, контактов Шоттки.However, there are drawbacks to this design. Due to the presence of a cavity in the cassette, the working area of the cassette has a resistance higher than the edges of the cassette, which, in turn, when heated leads to the formation of a radial temperature gradient. Thus, silicon carbide begins to sublimate from warmer areas of the plate and precipitates to colder areas in the center of the plate, which leads to surface erosion. This affects the quality of, for example, Schottky contacts.

Целью полезной модели является исключение образования радиального градиента температуры на пластине и исключение эрозии рабочей поверхности обрабатываемых пластин.The purpose of the utility model is to prevent the formation of a radial temperature gradient on the plate and to eliminate erosion of the working surface of the processed plates.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой кассете для высокочастотного отжига и активации ионно-легированных слоев в карбидкремниевых пластинах, состоящей из графитового цилиндрического основания с полостью под пластину и отверстия в основании, соединяющей объем печи, в которой производят отжиг, и полость в основании под пластину, отверстия выполнены в цилиндрической поверхности основания в виде пропилов, расположенных попарно по осям симметрии шириной 1-3 мм и глубиной до рабочей зоны пластины.This goal is achieved by the fact that in the proposed cassette for high-frequency annealing and activation of ion-doped layers in silicon carbide plates, consisting of a graphite cylindrical base with a cavity under the plate and holes in the base connecting the volume of the furnace in which the annealing is performed, and the cavity in the base under the plate, the holes are made in the cylindrical surface of the base in the form of cuts, arranged in pairs along the symmetry axes with a width of 1-3 mm and a depth to the working area of the plate.

Положительный эффект предложенного решения достигается за счет того, что пропилы выполняются по осям симметрии кассеты попарно. Уменьшение радиального градиента температуры происходит за счет увеличения сопротивления утолщенной части кассеты, достигаемого за счет пропилов. Они выполняются до рабочей зоны, поскольку при большей глубине пропила будет происходить снижение температуры и, как следствие, увеличение радиального градиента, а при меньшей глубине пропила температура краев повышается, что также увеличивает радиальный градиент. Размер пропилов 1-3 мм выбран для удобства работы манипулятором при съеме пластины с кассеты, а попарно-осевое расположение - для полного исключения влияния разогрева краев кассеты на градиент температуры и для равномерной откачки воздуха при вакуумировании или для равномерного заполнения инертным газом аргоном при работе в среде аргона.A positive effect of the proposed solution is achieved due to the fact that the cuts are performed along the symmetry axes of the cartridge in pairs. A decrease in the radial temperature gradient occurs due to an increase in the resistance of the thickened part of the cartridge, achieved by cutting. They are carried out to the working area, since with a greater depth of cut, a decrease in temperature will occur and, as a result, an increase in the radial gradient, and with a smaller depth of cut, the temperature of the edges increases, which also increases the radial gradient. The size of cuts of 1-3 mm is chosen for the convenience of working with the manipulator when removing the plate from the cartridge, and the pairwise axial arrangement is for completely eliminating the influence of heating of the edges of the cartridge on the temperature gradient and for uniform pumping of air during vacuum or for uniform filling with inert gas with argon when working in argon medium.

На фигуре 1 изображен вид сверху кассеты, на фигуре 2 изображен разрез кассеты, на фигуре 3 приведен пример группового использования кассет.Figure 1 shows a top view of the cartridge, figure 2 shows a section of the cartridge, figure 3 shows an example of group use of cartridges.

Позиция 1 - пропилы.Position 1 - cuts.

Позиция 2 - отверстия под манипулятор для перемещения кассеты в пространстве.Position 2 - holes for the manipulator to move the cartridge in space.

Позиция 3 - фаска.Position 3 - chamfer.

Позиция 4 - пластина карбида кремния.Position 4 - silicon carbide plate.

Позиция 5 - выемка с внешней стороны дна основания.Position 5 - a recess from the outside of the bottom of the base.

Позиция 6 - полость под пластину.Position 6 - cavity under the plate.

Позиция 7 - рабочая зона.Position 7 - working area.

На фигурах 1 и 2 приведена конструкция кассеты для отжига и активации ионно-легированных слоев карбидкремниевых пластин, состоящая из графитового основания, в котором выточена полость под пластину 6. Диаметр полости на 1-2 мм больше диаметра пластины. В основании кассеты выполнены пропилы 1 глубиной до расположения рабочей зоны 7 пластины 4. Пластину в виде диска 4 n-типа проводимости с ионно-легированным слоем бора, располагают в полости под пластину 6. При групповой обработке (см. фигуру 3) кассету с загруженной пластиной 4 накрывают второй кассетой, захватывая ее манипулятором для перемещения кассеты в пространстве, за отверстия 2. Выемка 5 с внешней стороны дна основания обеспечивает равномерность толщины основания под рабочей зоной 7 пластины. Затем стопку кассет помещают в реактор ВЧ-печи, производят откачку воздуха из реактора и включают ВЧ-нагрев. Для пяти кассет с пластинами диаметром 100 мм подводимая мощность должна быть 40 кВт. Разогревают пластины до температуры 1650°C и выдерживают их в течение 20 минут, а затем, отключая ВЧ-нагрев, охлаждают до комнатной температуры, напустив в реактор аргон при почернении стопки кассет. Произведя разгерметизацию реактора, снимают кассеты манипулятором за отверстия 2 и разгружают пластины пинцетом через один из пропилов 1. Кроме того, пропилы 1 служат для откачки воздуха из полости 6 под пластину при вакуумировании реактора. Применение таких кассет позволяет одновременно обрабатывать до 20 пластин.In figures 1 and 2 shows the design of the cartridge for annealing and activation of ion-doped layers of silicon carbide wafers, consisting of a graphite base, in which a cavity under the plate 6 is machined. The diameter of the cavity is 1-2 mm larger than the diameter of the plate. At the base of the cartridge, cuts were made 1 deep to the location of the working zone 7 of the plate 4. The plate in the form of a n-type disk 4 with an ion-doped layer of boron is placed in the cavity under the plate 6. In group processing (see figure 3), the cartridge is loaded the plate 4 is covered with a second cassette, capturing it with the manipulator to move the cassette in space, over the holes 2. The recess 5 from the outside of the bottom of the base ensures uniform thickness of the base under the working area 7 of the plate. Then a stack of cassettes is placed in the reactor of the high-frequency furnace, air is pumped out from the reactor and high-frequency heating is turned on. For five cassettes with plates with a diameter of 100 mm, the input power should be 40 kW. The plates are heated to a temperature of 1650 ° C and held for 20 minutes, and then, turning off the high-frequency heating, they are cooled to room temperature by adding argon to the reactor when the stack of cassettes is blackened. After depressurization of the reactor, the cassettes are removed by the manipulator for the holes 2 and the plates are unloaded with tweezers through one of the cuts 1. In addition, the cuts 1 are used to pump air from the cavity 6 under the plate when the reactor is evacuated. The use of such cassettes allows you to simultaneously process up to 20 plates.

Проверка показала, что в кассете диаметром 113 мм без пропилов 1 при отжиге пластин диаметром 100 мм радиальный градиент температуры достигает 5-7°C. Если выполнить пропилы шириной 2 мм глубиной 8 мм до рабочей зоны пластины диаметром 96 мм, то градиент не превышает 0.8°C, что подтверждает эффективность предлагаемого технического решения.Verification showed that in a cartridge with a diameter of 113 mm without cuts 1, when annealing plates with a diameter of 100 mm, the radial temperature gradient reaches 5-7 ° C. If you make cuts 2 mm wide 8 mm deep to the working area of the plate with a diameter of 96 mm, then the gradient does not exceed 0.8 ° C, which confirms the effectiveness of the proposed technical solution.

Claims (1)

Кассета для высокочастотного отжига и активации ионно-легированных слоев в карбидкремниевых пластинах, состоящая из графитового цилиндрического основания с полостью под пластину и отверстия в основании, соединяющая объем печи, в которой производят отжиг, и полость в основании под пластину, отверстия выполнены в цилиндрической поверхности основания в виде пропилов, расположенных попарно по осям симметрии шириной 1-3 мм и глубиной до рабочей зоны пластины.

Cassette for high-frequency annealing and activation of ion-doped layers in silicon carbide plates, consisting of a graphite cylindrical base with a cavity for the plate and holes in the base, connecting the volume of the furnace in which annealing is performed, and the cavity in the base for the plate, the holes are made in the cylindrical surface of the base in the form of cuts arranged in pairs along the symmetry axes with a width of 1-3 mm and a depth to the working area of the plate.

Images