[实用新型]一种快速退火设备

说明书

一种快速退火设备，其可适用于碳化硅晶圆的回火处理。包含变频微波功率源系统、共振腔加热系统及测控系统。变频微波功率源系统使用固态功率放大器并具有在热处理过程中快速频率扫描的灵活性。共振腔加热系统的共振腔的晶圆承载基除固定碳化硅晶圆外，可吸收部分微波产生热量并均匀地传导到碳化硅晶圆上，且同时允许大部分微波穿透以加热碳化硅晶圆，还能防止碳化硅晶圆边缘发生过热现象。为提高能量使用效率及提供足够的微波能量均匀区域，采用TMsubgt;010/subgt;的共振腔结构，可对4寸至8寸碳化硅晶圆进行退火处理。本实用新型的快速退火设备借由对硬件的改进以克服现有技术由硬件所导致的问题，为整个设备提供了进一步的灵活性、稳定性和可靠性。

技术领域

本实用新型是有关于一种半导体设备，特别是有关于一种快速退火设备。

背景技术

碳化硅(SiC)具有宽带隙、高击穿电场、高热导率和出色的化学惰性使成为制造高温、高功率和高频器件的重要半导体材料。而离子注入是制造SiC半导体元件不可少的技术。同时退火(annealing)是离子注入后去除晶格损伤和活化注入离子的必要步骤。对于碳化硅而言，需要在大于1,500℃的温度下进行离子注入后退火，才达到制程效果。

传统退火通常在电阻加热或低频感应加热的陶瓷炉中进行。然而陶瓷炉的加热/冷却速率慢(20℃/min)，这使得在超过1,500℃以上的温度下进行碳化硅退火变得困难。因为如果碳化硅在超过1,400℃的温度下长时间暴露时，基板表面上组成物质会升华和再沉积(通常称为阶梯群聚(step bunching))，造成碳化硅晶圆表面粗糙度增加，这限制了最大退火温度。这种对退火温度的限制可能导致无法充分活化注入离子，从而造成较高的接触和沟道区电阻。同时过大的表面粗糙度会对碳化硅元件的性能产生负面影响，其中之一是反型层迁移率(inversion layer mobility)的下降，导致碳化硅MOSFET具有较高的导通电阻。最近，虽然已有几种封盖技术(capping technology)提出以抑制上述的问题。然而，这些技术仍有其最高温度限制并且需要复杂的处理步骤。此外，碳化硅长时间暴露在高温下会导致形成富碳表面并最终形成石墨表面。传统退火的另一个不良影响是注入的硼离子发生外扩散和内扩散。

传统退火除上述的问题外，在运作上亦有其缺点，第一个问题在于热效率。炉体的散热以辐射为主，辐射量与温度的四次方成正比增加。所以，如果要加热的区域很宽，则加热所需的能量效率显著降低。对于电阻加热炉，通常采用双管结构，以避免加热器污染。因此，要加热的区域变得更宽。另外，由于双管的存在使得被加热材料远离热源，所以需要将加热器设定为高于被加热材料的温度，这也成为大大降低效率的因素。因此，加热系统的热容量变得非常大，升温或降温都需要很长时间。上述即为降低生产量的因素，及加剧被加热材料的表面粗糙度的因素。

传统退火第二个问题与加热炉的材料的浪费有关。由于能够承受1,500℃以上温度并被用作加热炉的材料是有限的，所以需要高熔点的高纯度材料。传统能够用于碳化硅退火炉的材料是石墨及碳化硅烧结体。然而，这些材料昂贵，如果炉体很大，则更换需要相当大的成本。同时温度越高，炉体的使用寿命越短，更换成本远高于一般硅晶圆退火的工艺。

因此为避免传统退火技术因加热速度过慢而导致碳化硅晶圆的表面劣化的问题，快速退火技术的发展成为关键。虽然卤素灯和激光的技术可以达到快速热处理，但仍存在一些问题，例如最高可达到的退火温度、表面熔化、残留缺陷密度大以及植入物的重新分布。相对的，微波加热则成为有效的碳化硅快速退火的方法。