用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置

技术领域

本发明涉及晶体合成技术领域，尤其涉及一种适用于碳化硅晶片在化学气相沉积法生长外延层前后的高温退火过程中的加热装置。

背景技术

碳化硅半导体材料具有高热导率、高击穿场、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可很好地满足现代电子技术在高温、高功率、高电压、高频率及高辐射等恶劣条件的应用要求。

各类碳化硅功率电子器件必须制作在高质量的外延晶片上，高质量的碳化硅外延晶片的批量生产除了需要经过外延层生长外，还需经过预处理、磨抛、清洗等必要配套工序。对于一些万伏级外延晶片(外延层厚度＞100μm)，还需要增加碳离子注入、氢气退火等少子寿命调控工序，以确保载流子有足够的扩散距离来应对厚度的增加。这些配套工序经常会涉及对碳化硅衬底或外延片的热处理过程，目前常规的处理方式是在外延生长炉或专用退火炉等炉腔加热装置上进行高温退火。

现有的用外延炉进行退火处理的方式，极大地占用了外延晶片的生产产能。专用退火炉虽然可以通过夹具来批量处理外延晶片，但是其庞大的腔体使得升、降温的时间都较长，因此，在面对定制化生产过程中处理少量晶片时，其单位晶片的时间和能耗成本的劣势就会被放大。成本问题是目前制约碳化硅功率电子器件大规模取代传统硅功率电子器件的主要因素之一。

因此，有必要提供一种可使碳化硅晶片快速升温退火的加热装置，以在小批量处理碳化硅晶片时，能够相较于现有的加热装置提升效率并具有节能优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置，以在小批量处理碳化硅晶片时，能够提升效率并具有节能优势。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置，其包括电源控制模块、测温单元、第一电极、第二电极以及托盘结构，所述托盘结构上设有容置槽，所述第一电极、所述第二电极中的一者对应于所述托盘结构的中心设置，所述第一电极、所述第二电极中的另一者安装于所述托盘结构的边缘，并且所述第一电极、所述第二电极分别电连接于所述电源控制模块的正负极，所述测温单元设于所述托盘结构的上方并电连接于所述电源控制模块，当所述容置槽内容纳碳化硅晶片时，所述碳化硅晶片使所述第一电极、所述第二电极导通从而形成加热电路，所述测温单元用于检测所述容置槽内的碳化硅晶片的表面温度，所述电源控制模块用于根据所述测温单元所检测到的温度调节施加于所述第一电极、所述第二电极之间的电压。

较佳地，所述第一电极、所述第二电极中的一者设有一个并对应于所述托盘结构的中心安装，所述第一电极、所述第二电极中的另一者设有多个并均匀地安装于所述托盘结构的边缘。

较佳地，所述第一电极对应于所述托盘结构的中心设置并呈圆柱形，多个所述第二电极沿所述托盘结构的周向均匀布置，且每一所述第二电极均具有一呈方形的接触部，所述接触部凸伸于所述容置槽内，所述第一电极、所述接触部均用于抵接所述碳化硅晶片。

较佳地，所述接触部的边长大于等于所述第一电极的直径。

较佳地，当所述第一电极电连接于所述电源控制模块的正极、所述第二电极电连接于所述电源控制模块的负极时，所述加热电路等效为由多个阻值为R

较佳地，当所述第二电极设有n个时，对应于第i个所述第二电极的等效电阻的阻值R

较佳地，所述电源控制模块根据施加于所述第一电极、所述第二电极之间的电压以及所述等效电阻的阻值R

较佳地，所述托盘结构包括石英玻璃基材，所述石英玻璃基材的厚度为1cm且其二氧化硅含量在99.5％以上。

较佳地，所述托盘结构还包括粘合于所述石英玻璃基材上方的区熔单晶硅层、成型于所述区熔单晶硅层上方的金刚石多晶涂层，其中，所述区熔单晶硅层的厚度为100μm～500μm，其电阻率大于5000Ω·cm，金刚石多晶涂层的厚度为10μm～50μm，金刚石多晶涂层具有绝缘和优异导热性能，主要使电加热时的热量可以快速且均匀地传导到碳化硅晶片的整晶面，更利于实现碳化硅晶片的温度的均匀分。

较佳地，所述容置槽的直径为1520mm、深度为0.3mm。

较佳地，所述测温单元设有多个，多个所述测温单元间隔地设于所述容置槽的上方，用于对所述碳化硅晶片的不同区域的表面温度进行检测，并且，可根据不同的退火温度范围来设置不同型号的测温单元。

更优选地，所述测温单元采用红外测温仪，并且当退火温度在25℃～450℃之间时，采用单色测温仪，当退火温度在450℃～1600℃之间时，采用辐射比色测温仪。

与现有技术相比，由于本发明的用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置，在对应于托盘结构的中心以及托盘结构的边缘分别设置第一电极、第二电极，并且第一电极、第二电极分别电连接于所述电源控制模块的正负极，因此，当所述托盘结构的容置槽内容纳碳化硅晶片时，所述碳化硅晶片与第一电极、第二电极相接触而使两者导通从而形成加热电路，首先，利用导电型碳化硅晶片的内部电阻发热来实现热退火，其优点是升、降温速率远快于现有的炉腔加热装置，在小批量处理导电型碳化硅晶片时，具有较大时间成本和能耗成本优势，可以作为在碳化硅外延晶片量产中炉腔加热装置退火工艺的一种补充方案，其次，采用中心到边缘的导电回路能有效避免圆形晶片边缘到边缘导电回路中出现复杂的电场分布的情况，可以将二维的电场分布模型简化为一维的简单电路模型，更容易实现电源控制模块对碳化硅晶片的温度调控。

附图说明

图1是本发明第一实施例之电流加热装置的俯视图。

图2是图1的剖视图。

图3是图1中电流加热装置的使用状态剖视图。

图4是图3中电流加热装置的等效电阻示意图。

图5是图3中电流加热装置的等效电路示意图。

图6是本发明第一实施例中电流加热装置的原理框图。

图7是本发明第二实施例之电流加热装置的剖视图。

图8是图7的中电流加热装置的使用状态剖视图。

图9是图8中电流加热装置的俯视图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。需说明的是，本发明所涉及到的方位描述，例如上、下、左、右、前、后等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请的技术方案或/和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。所描述到的第一、第二等只是用于区分技术特征，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

首先结合图1-图9所示，本发明所提供的用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置100，主要适用于导电型碳化硅单晶衬底晶片及外延晶片的加热退火，但并不限于此，当然还可以用于其他导电型的晶片的加热退火，为便于描述，下文中用碳化硅晶片200来代指所有的导电型晶片。

结合图1-图9所示，本发明的用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置100，其包括第一电极110、第二电极120、测温单元130、托盘结构140以及电源控制模块150(见图5-图6)。其中，所述托盘结构140上设有用于容纳碳化硅晶片200的容置槽140a，第一电极110、第二电极120中的一者对应于托盘结构140的中心设置，第一电极110、第二电极120中的另一者安装于所述托盘结构140的边缘，并且第一电极110、第二电极120分别电连接于所述电源控制模块150的正负极，测温单元130设于托盘结构140的上方并电连接于所述电源控制模块150，当所述容置槽140a内容纳碳化硅晶片200时，使第一电极110、第二电极120与所述碳化硅晶片200相接触从而使两者导通，因此，电源控制模块150、第一电极110、碳化硅晶片200、第二电极120形成加热电路，利用电加热方式来实现碳化硅晶片200的热退火；并且，测温单元130用于检测容置槽140a内的碳化硅晶片200的表面温度，所述电源控制模块150用于根据测温单元130所检测到的温度控制调节施加于第一电极110、第二电极120之间的电压，使化硅晶片200的温度保持在热退火工艺的目标值附近。

在本发明中，第一电极110、第二电极120中的一者设有一个并对应于托盘结构140的中心安装，第一电极110、第二电极120中的另一者设有多个并均匀地安装于托盘结构140的边缘。在一种具体实施方式中，第一电极110对应于托盘结构140的中心设置并呈圆柱形，多个第二电极120沿托盘结构140的径向均匀布置，且每个第二电极120均具有一呈方形的接触部121，该接触部121凸伸于所述容置槽140a内，如图2、图5所示；当所述容置槽140a内容纳碳化硅晶片200时，第一电极110、接触部121均可以抵接所述碳化硅晶片200的表面，如图4、图9所示。

在本发明中，所述测温单元130可以设置一个或多个，测温单元130设于所述容置槽140a的上方，用于检测碳化硅晶片200的表面温度，当具有多个测温单元130时，多个测温单元130间隔设置，可以分别检测碳化硅晶片200的不同区域的表面温度。另外，还可根据不同的退火温度范围来设置不同型号的测温单元130，详见后述。

下面再次参看图1-图9所示，对本发明之用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置100的不同实施例分别进行说明。

先结合图1-图4所示，在本发明的第一实施例中，所述托盘结构140包括石英玻璃基材141、粘合于所述石英玻璃基材141上方的区熔单晶硅层142、成型于所述区熔单晶硅层142上方的金刚石多晶涂层143。其中，石英玻璃基材141的厚度为1cm且其二氧化硅含量在99.5％以上，区熔单晶硅层142的厚度为100μm～500μm，电阻率大于5000Ω·cm，金刚石多晶涂层143采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法在所述区熔单晶硅层142上沉积形成，并且金刚石多晶涂层143的厚度为10μm～50μm，当然，金刚石多晶涂层143可以采用其他方式成型，由于金刚石多晶涂层143具有绝缘和优异导热性能，因此，使电加热时的热量可以快速且均匀地传导至碳化硅晶片200的整晶面，更利于实现碳化硅晶片200的温度的均匀分布。

更具体地，所述托盘结构140的容置槽140a设于金刚石多晶涂层143的上方，也即，金刚石多晶涂层143形成容置槽140a的底面，如图2所示。在本实施例中，所述容置槽140a的直径优选为1520mm、深度优选为0.3mm，用于容纳直径6英寸、厚度为350μm的碳化硅晶片200。可理解地，所述容置槽140a的尺寸并不以此为限，可以根据具体的碳化硅晶片200的不同尺寸灵活设置，以满足不同尺寸、型号的碳化硅晶片200的加热。

继续结合图1-图2所示，本实施例中，用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置100设有一个第一电极110以及多个第二电极120，其中，第一电极110对应于托盘结构140的中心设置并呈圆柱形，第一电极110优选为镀锡铜材质；多个第二电极120沿托盘结构140的径向均匀布置并通过导线并联接地，每个第二电极120均具有一呈方形的接触部121，接触部121凸伸于容置槽140a内用于抵接碳化硅晶片200，每个第二电极120也优选为镀锡铜材质。当导电型的碳化硅晶片200放置于容置槽140a内之后，使第一电极110接触碳化硅晶片200的中心，接触部121接触碳化硅晶片200的边缘，碳化硅晶片200与第一电极110、第二电极120接触而使两者导通，本实施例中，第一电极110、第二电极120的设置方式，采用中心到边缘的导电回路能有效避免圆形晶片边缘到边缘导电回路中出现复杂的电场分布的情况(市面上的导电型碳化硅单晶衬底和外延片除了定位边小部分区域外，近似为规则的正圆形)，可以将二维的电场分布模型简化为一维的简单电路模型，更容易实现电源控制模块150对碳化硅晶片200的温度调控。

本发明中，所述接触部121的边长大于等于第一电极110的直径，如图4所示。在本实施例中，第一电极110的直径与所述接触部121的边长优选相等，两者均优选为6mm，当然并不限于该数值，可根据具体的需要灵活设置两者的尺寸。

继续参看图1-图2所示，在本实施例中，第一电极110电连接于所述电源控制模块150的正极，第二电极120电连接于电源控制模块150的负极并通过导线并联接地，因此，所述电流加热装置100的加热电路等效为由多个阻值为R

结合图3-图5所示，当第二电极120设有n个时，所述电流加热装置100的加热电路等效为阻值为R

在本实施例中，优选设置八个第二电极120，八个第二电极120依次相隔40°对称地分布在托盘结构140的边缘，如图1、图4所示。因此，本实施例中的加热电路可以等效为八个阻值为R

再次结合图1-图5所示，在本实施例中，根据上述公式计算出等效的碳化硅电阻R

需要特别注意的是，加载于上述等效的碳化硅电阻R

结合图3-图6所示，在本发明的一种具体实施方式中，为避免过高的电流密度损坏碳化硅晶格，选择在第一电极110、第二电极120之间加上20.3V(小于上述最大电压21.357V)的电压，根据欧姆定律可得，每个等效的碳化硅电阻R

可理解地，在本发明中，第二电极120的数量并不限于八个，在其他实施例中，当需要更高的退火温度(例如超过600℃时)时，则可以增加第二电极120的数量，由此来增加等效的电阻加热电路的数量，进而增加总的发热功率，以提高退火温度。

再次结合图1-图6所示，在本实施例中，所述测温单元130仅设置一个，且测温单元130优选采用红外测温仪，并且可以根据不同的退火温度范围来配备不同型号的红外测温仪，例如，当退火温度在25℃～450℃之间时，采用单色测温仪，当退火温度在450℃～1600℃之间时，采用辐射比色测温仪。当然，所述测温单元130还可以是其他的温度检测装置。

下面再次结合图1-图6所示，本实施例中的电流加热装置100使用时，在托盘结构140的容置槽140a中放置直径为6英寸、厚度为350μm的碳化硅晶片200，同时，使第一电极110共圆心地接触并连接碳化硅晶片200的表面的圆心，参看图1、图4所示，第一电极110电连接于电源控制模块150的正极，同时，八个第二电极120依次相隔40°的对称设置，每个第二电极120的接触部121均接触碳化硅晶片200的上表面，并且每个第二电极120均电连接于源控制模块的负极并通过导线并联接地，如图6所示。

然后，电源控制模块150分别在第一电极110与每个第二电极120之间施加电压，导电型的碳化硅晶片200将第一电极110、第二电极120导通，从而在碳化硅晶片200的内部实现电阻发热，进而对碳化硅晶片200进行加热，并且，八个第二电极120的设置，相当于在碳化硅晶片200上产生八个并联的电阻加热电路，而托盘结构140的金刚石多晶涂层143在与碳化硅晶片200的背部接触时，起到绝缘作用的同时，其高热导率帮助热量在碳化硅晶片200的横向更加均匀地分布，使得八个电阻加热电路产生的发热量可以快速且均匀的传遍整个碳化硅晶片200，更利于实现碳化硅晶片200的温度的均匀分布。

下面结合图7-图9所示，在本发明的第二实施例中，电流加热装置100与上述第一实施例的主要差异在于：第一电极110、第二电极120的电连接方式不同。在本实施例中，第一电极110电连接于所述电源控制模块150的负极并接地，第二电极120电连接于所述电源控制模块150的正极，因此，所述电流加热装置100的加热电路可以等效为多个阻值为R

在本实施例中，每个等效的碳化硅电阻的阻值R

参看图7-图8所示，本实施例中同样设置有八个第二电极120，因此，所述电流加热装置100的加热电路等效为八个阻值为R

需要说明的是，并不是说本实施例中在八个等效的电阻加热电路中只能分别施加不同的电压，根据需要，当然可以选择在八个等效的电阻加热电路中施加相同的电压。

本实施例中，第一电极110、第二电极120的结构、安装方式以及其他未描述的部分，均与上述第一实施例中的相同，在此不再重复描述。

继续结合图7-图9所示，在本实施例中，所述托盘结构140的结构也与上述第一实施例中的略有差异，具体为，所述托盘结构140仅包括石英玻璃基材141，该石英玻璃基材141的厚度为1cm且其二氧化硅含量在99.5％以上。当然，所述托盘结构140也可以采用其他高绝缘和低热导率的涂层材料成型。本实施例中，由于不设置金刚石多晶涂层143，因此，所述电流加热装置100的等效的八个电阻加热电路所产生的不同发热量，无法快速、均匀地传导到碳化硅晶片200的整晶面，通过测温单元130和电源控制模块150的配合，可以实现对碳化硅晶片200的指定区域可控的非均匀加热退火。具体等效得到的每个电阻加热电路的加热功率的调节方式与上述第一实施例中的相同，不再重复描述。

继续结合图7-图8所示，在本实施例中，优选设置多个测温单元130，多个测温单元130间隔地设于容置槽140a的上方，并对应于碳化硅晶片200的指定区域设置，用于检测碳化硅晶片200的指定区域的表面温度，电源控制模块150根据不同的测温单元130的检测结果，分别控制或调节对应区域的第一电极110、第二电极120之间的电压，由此使各个等效的电阻加热电路的电压不同，实现碳化硅晶片200的不同区域的分别加热。

需要说明的是，对于本实施例中的托盘结构140，并不仅限于仅包括石英玻璃基材141，其当然还可以设置为上述第一实施例中的三层结构，这并不影响等效得到的八个相互独立的电阻加热电路的加热。

再次结合图7-图9所示，本实施例中的电流加热装置100使用时，在托盘结构140的容置槽140a中放置直径为6英寸、厚度为350μm的碳化硅晶片200，同时，使第一电极110共圆心地接触并连接碳化硅晶片200的表面的圆心，如图7、图9所示，同时第一电极110电连接于电源控制模块150的负极并接地，八个第二电极120之间分别相隔40°的对称设置，每个第二电极120的接触部121均接触碳化硅晶片200的上表面，每个第二电极120均电连接于电源控制模块150的正极，如图7-图9所示。

然后，电源控制模块150分别在八个第二电极120施加不同的电压V

综上所述，由于本发明的用于导电型碳化硅晶片的电流加热装置100，在对应于托盘结构140的中心以及托盘结构140的边缘分别设置第一电极110、第二电极120，并且第一电极110、第二电极120分别电连接于所述电源控制模块150的正负极，因此，当所述托盘结构140的容置槽140a内容纳碳化硅晶片200时，所述碳化硅晶片200与第一电极110、第二电极120相接触而使两者导通从而形成加热电路，首先，利用导电型碳化硅晶片200的内部电阻发热来实现热退火，其优点是升、降温速率远快于现有的炉腔加热装置，在小批量处理导电型碳化硅晶片200时，具有较大时间成本和能耗成本优势，可以作为在碳化硅外延晶片量产中炉腔加热装置退火工艺的一种补充方案，其次，采用中心到边缘的导电回路能有效避免圆形晶片边缘到边缘导电回路中出现复杂的电场分布的情况，可以将二维的电场分布模型简化为一维的简单电路模型，更容易实现电源控制模块150对碳化硅晶片200的温度调控。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。