SiC 高溫快速退火加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

楊 金，何永平，王學(xué)仕

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所， 湖南 長(zhǎng)沙410111)

第三代半導(dǎo)體SiC 材料禁帶寬度大、電子遷移率高、擊穿電壓高、導(dǎo)熱率高等特性，SiC 芯片器件具備高壓、高頻、高溫、高轉(zhuǎn)化效率，與傳統(tǒng)Si 功率器件相比，具備很明顯的性能優(yōu)勢(shì)，在軌道交通、新能源汽車、特高壓輸電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，在新基建及碳中和等政策推動(dòng)下，SiC 器件技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢(shì)。但SiC 材料由于制備溫度高、質(zhì)地硬及晶格種類多等特點(diǎn)，在材料、芯片及封裝等加工過(guò)程中涉及到高溫、高能、高效等技術(shù)問(wèn)題，對(duì)裝備技術(shù)方面提出了不小的挑戰(zhàn)。

1 SiC 高溫快速退火工藝及設(shè)備

在SiC 芯片器件制備工藝流程中，由于SiC比Si 具有更大的密度，在同樣的能量注入下，注入元素在SiC 中形成的注入深度更小，需要采用更高的能量級(jí)別來(lái)達(dá)到較深的目標(biāo)注入?yún)^(qū)域，這會(huì)在材料的表面和內(nèi)部區(qū)域造成晶格損傷，而且注入元素分布具有很大的隨機(jī)性。一般采用的處理方式是采用退火處理，以消除注入時(shí)帶來(lái)的晶格損傷以及進(jìn)行離子重新排布激活，需要在1 600～1 900 ℃的氬氣氣氛環(huán)境下進(jìn)行，退火前在晶圓表面使用碳膜覆蓋，避免造成SiC 晶圓Si升華致使表面粗糙化[1]。快速退火工藝設(shè)備通常采用輻射加熱設(shè)備或激光退火設(shè)備方式，目前較為主流的仍以輻射加熱設(shè)備為主。本文將開(kāi)展基于立式爐管設(shè)備架構(gòu)下的輻射加熱系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究，驗(yàn)證適應(yīng)于高精密垂直恒溫區(qū)的加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果。

2 設(shè)備加熱器特點(diǎn)

SiC 高溫快速退火爐要求在惰性氣氛下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，耐受并提供高達(dá)2 000 ℃的加熱能力，材料工作在表面允許負(fù)荷負(fù)載下，具備良好的快速升降溫抗熱振能力，具體加熱參數(shù)要求：

最高溫度：2 000 ℃；

最大升溫速率：100 ℃/min；

恒溫區(qū)長(zhǎng)度：260 mm;

恒溫區(qū)均勻性：±2 ℃。

半導(dǎo)體高溫裝備常用的加熱方法有電阻加熱和感應(yīng)加熱，兩者比較，電阻加熱方式具備均勻性更好、能耗更低、設(shè)計(jì)較復(fù)雜等特點(diǎn)，在SiC 產(chǎn)業(yè)對(duì)生產(chǎn)成本日益降低需求及節(jié)能降耗等社會(huì)需求方面，在高溫退火爐采用電阻加熱方式在技術(shù)上可行性和應(yīng)用前景上均滿足行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，故選擇電阻加熱方式開(kāi)展研究和設(shè)計(jì)。研究?jī)?nèi)容主要包含加熱系統(tǒng)的功率、加熱器材料、溫場(chǎng)布局、電學(xué)參數(shù)及溫度控制系統(tǒng)等。

3 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功率參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2 加熱器材料設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的爐體經(jīng)常使用的為Kanthal 鎳鉻合金和鐵鉻鋁合金加熱溫度最高為1 200 ℃，不能滿足本加熱系統(tǒng)的需求，采用鎢、石墨材料的加熱器可達(dá)到2 000 ℃以上高溫，但鎢金屬加熱器可能會(huì)存在金屬方面的污染，選擇非金屬石墨電阻加熱是該工藝設(shè)備的最優(yōu)選擇之一。

3.3 加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用多溫區(qū)加熱器設(shè)計(jì)，根據(jù)260 mm 的恒溫區(qū)長(zhǎng)度，由上中下3 個(gè)加熱區(qū)合理布局進(jìn)行覆蓋（如圖1 所示）。加熱器整體呈鳥(niǎo)籠式布局，三段鳥(niǎo)籠式加熱方式，每個(gè)加熱器由獨(dú)立的溫度控制器進(jìn)行控制，根據(jù)垂直溫場(chǎng)熱流向上的規(guī)律，設(shè)計(jì)上充分考慮功率分布，從上至下依次增加。結(jié)合功率因素，上加熱器采用單相電源，中加熱器、下加熱器采用三相電源作為加熱輸入。按上述結(jié)構(gòu)布局，結(jié)合石墨材料電阻率、表面允許負(fù)載綜合設(shè)計(jì)，優(yōu)化加熱器的厚度、寬度等尺寸，上中下三區(qū)加熱器電阻分別為0.315 Ω、0.22 Ω、0.38 Ω。

圖1 加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.4 電工學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

石墨加熱器電阻較小，需要采用低壓大電流進(jìn)行加熱，采用可控硅+變壓器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)控制，具體原理如圖2 所示。

圖2 加熱原理圖

根據(jù)上述加熱功率、加熱器參數(shù)，計(jì)算和匹配合適的加熱電流、加熱電壓以及變壓器的變壓系數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)能效高度統(tǒng)一。系統(tǒng)電學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)電學(xué)參數(shù)

綜合以上計(jì)算，上、中、下加熱器分別可滿足最大功率10 kW、36 kW、30 kW 的額定功率，其表面負(fù)荷15 kW/cm2、12 kW/cm2、24 kW/cm2，均不超過(guò)最大表面允許負(fù)荷，其可靠性滿足長(zhǎng)期使用。

3.5 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三溫區(qū)分別進(jìn)行閉環(huán)溫度控制，如圖3 所示，采用級(jí)聯(lián)的控制回路，有效地保證了系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性。各溫區(qū)相對(duì)獨(dú)立控制，上、下溫區(qū)可對(duì)溫場(chǎng)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，以調(diào)節(jié)恒溫場(chǎng)的溫度均勻性。

4 試驗(yàn)效果

4.1 溫度性能測(cè)試

通過(guò)升溫測(cè)試，設(shè)備最大升溫速率可達(dá)到100 ℃/min，從500 ℃達(dá)到2 000 ℃升溫時(shí)間19 min；在1 700 ℃下，采用Profile TC 對(duì)恒溫區(qū)進(jìn)行測(cè)量，溫度均勻性±1.8 ℃。

4.2 工藝性能測(cè)試

通過(guò)離子注入進(jìn)行碳膜保護(hù)下SiC 晶圓片的退火工藝試驗(yàn)，退火后碳膜表面平滑，無(wú)掉皮脫落，去碳膜后晶圓片表面粗糙度Ra=0.21 nm，采用霍爾效應(yīng)測(cè)試退火后的方阻值，片內(nèi)均勻性在2%之內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)SiC 高溫快速退火設(shè)備的特點(diǎn)，深入結(jié)合工藝需求，通過(guò)采用正向設(shè)計(jì)手段，進(jìn)行功率計(jì)算、材料選型、加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電學(xué)參數(shù)分配，以及溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將加熱系統(tǒng)各部件性能發(fā)揮極致。

（2）通過(guò)在設(shè)備機(jī)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，加熱系統(tǒng)在升溫速率、最高溫度及溫度均勻性方面均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并開(kāi)展SiC 晶圓片注入退火工藝試驗(yàn)，在關(guān)鍵指標(biāo)表面粗糙度、方阻激活率及均勻性方面均達(dá)到預(yù)期。

（3）該加熱系統(tǒng)具備明顯的超高溫加熱性能，并針對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備設(shè)計(jì)，具有技術(shù)通用性，可拓展至電阻式SiC 單晶爐、電阻式SiC 外延爐等設(shè)備，具有提升設(shè)備性能、降低能耗的優(yōu)勢(shì)。