SiC 高溫快速退火加熱系統設計與研究

楊 金，何永平，王學仕

( 中國電子科技集團公司第四十八研究所， 湖南 長沙410111)

第三代半導體SiC 材料禁帶寬度大、電子遷移率高、擊穿電壓高、導熱率高等特性，SiC 芯片器件具備高壓、高頻、高溫、高轉化效率，與傳統Si 功率器件相比，具備很明顯的性能優勢，在軌道交通、新能源汽車、特高壓輸電等領域具有廣闊的應用前景。當前，在新基建及碳中和等政策推動下，SiC 器件技術發展及應用呈現出快速發展趨勢。但SiC 材料由于制備溫度高、質地硬及晶格種類多等特點，在材料、芯片及封裝等加工過程中涉及到高溫、高能、高效等技術問題，對裝備技術方面提出了不小的挑戰。

1 SiC 高溫快速退火工藝及設備

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別來達到較深的目標注入區域，這會在材料的表面和內部區域造成晶格損傷，而且注入元素分布具有很大的隨機性。一般采用的處理方式是采用退火處理，以消除注入時帶來的晶格損傷以及進行離子重新排布激活，需要在1 600～1 900 ℃的氬氣氣氛環境下進行，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]。快速退火工藝設備通常采用輻射加熱設備或激光退火設備方式，目前較為主流的仍以輻射加熱設備為主。本文將開展基于立式爐管設備架構下的輻射加熱系統進行結構和電氣系統設計與研究，驗證適應于高精密垂直恒溫區的加熱系統的設計效果。

2 設備加熱器特點

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

最高溫度：2 000 ℃；

最大升溫速率：100 ℃/min；

恒溫區長度：260 mm;

恒溫區均勻性：±2 ℃。

半導體高溫裝備常用的加熱方法有電阻加熱和感應加熱，兩者比較，電阻加熱方式具備均勻性更好、能耗更低、設計較復雜等特點，在SiC 產業對生產成本日益降低需求及節能降耗等社會需求方面，在高溫退火爐采用電阻加熱方式在技術上可行性和應用前景上均滿足行業發展趨勢，故選擇電阻加熱方式開展研究和設計。研究內容主要包含加熱系統的功率、加熱器材料、溫場布局、電學參數及溫度控制系統等。

3 加熱系統設計

3.1 功率參數設計

3.2 加熱器材料設計

傳統的爐體經常使用的為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的需求，采用鎢、石墨材料的加熱器可達到2 000 ℃以上高溫，但鎢金屬加熱器可能會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備的最優選擇之一。

3.3 加熱器結構設計

采用多溫區加熱器設計，根據260 mm 的恒溫區長度，由上中下3 個加熱區合理布局進行覆蓋（如圖1 所示）。加熱器整體呈鳥籠式布局，三段鳥籠式加熱方式，每個加熱器由獨立的溫度控制器進行控制，根據垂直溫場熱流向上的規律，設計上充分考慮功率分布，從上至下依次增加。結合功率因素，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。按上述結構布局，結合石墨材料電阻率、表面允許負載綜合設計，優化加熱器的厚度、寬度等尺寸，上中下三區加熱器電阻分別為0.315 Ω、0.22 Ω、0.38 Ω。

圖1 加熱結構設計圖

3.4 電工學參數設計

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

圖2 加熱原理圖

根據上述加熱功率、加熱器參數，計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，達到系統能效高度統一。系統電學參數如表1 所示。

表1 系統電學參數

綜合以上計算，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，其表面負荷15 kW/cm2、12 kW/cm2、24 kW/cm2，均不超過最大表面允許負荷，其可靠性滿足長期使用。

3.5 溫控系統設計

三溫區分別進行閉環溫度控制，如圖3 所示，采用級聯的控制回路，有效地保證了系統的響應快速性和穩定性。各溫區相對獨立控制，上、下溫區可對溫場溫度進行補償，以調節恒溫場的溫度均勻性。

4 試驗效果

4.1 溫度性能測試

通過升溫測試，設備最大升溫速率可達到100 ℃/min，從500 ℃達到2 000 ℃升溫時間19 min；在1 700 ℃下，采用Profile TC 對恒溫區進行測量，溫度均勻性±1.8 ℃。

4.2 工藝性能測試

通過離子注入進行碳膜保護下SiC 晶圓片的退火工藝試驗，退火后碳膜表面平滑，無掉皮脫落，去碳膜后晶圓片表面粗糙度Ra=0.21 nm，采用霍爾效應測試退火后的方阻值，片內均勻性在2%之內。

5 結束語

（1）根據SiC 高溫快速退火設備的特點，深入結合工藝需求，通過采用正向設計手段，進行功率計算、材料選型、加熱器結構設計、電學參數分配，以及溫控系統設計，可將加熱系統各部件性能發揮極致。

（2）通過在設備機臺上進行驗證，加熱系統在升溫速率、最高溫度及溫度均勻性方面均滿足設計指標要求，并開展SiC 晶圓片注入退火工藝試驗，在關鍵指標表面粗糙度、方阻激活率及均勻性方面均達到預期。

（3）該加熱系統具備明顯的超高溫加熱性能，并針對半導體設備設計，具有技術通用性，可拓展至電阻式SiC 單晶爐、電阻式SiC 外延爐等設備，具有提升設備性能、降低能耗的優勢。