脉冲微波及射频电磁感应两段式晶体生长退火装置的制作方法

本公开属于半导体制造领域，具体涉及一种脉冲微波及射频电磁感应两段式晶体生长退火装置。

背景技术：

如今常用的半导体退火工艺有快速热退火工艺，激光退火工艺，微波退火工艺等。这些工艺都有一些缺陷和不足。传统快速热退火工艺热耗能高，所要花费成本较高。激光退火工艺效率较低，且仅能对晶体表面部分进行修复。微波退火工艺对于样品材料的限制较多，仅对部分材料的退火效果明显。这些工艺都是用单一模式的加热源来给半导体退火，并且温度下限都是室温。

技术实现要素：

本公开的至少一个实施例提供一种脉冲微波及射频电磁感应两段式晶体生长退火装置。利用脉冲微波产生等离子体和电磁感应共同作用于含有缺陷的半导体晶体上，消除半导体的晶格缺陷，提高其载流子迁移率、非平衡载流子寿命等各项性能。

本公开的至少一个实施例提供一种晶体生长退火装置，包括：

外壳，内具有密闭的加热腔，所述外壳上具有检测所述加热腔真空度的真空计、向所述加热腔充气的进气口和排出所述加热腔气体的排气口；

金属材质载物台，位于所述加热腔内并可上下移动；

等离子体加热系统，用于产生周期性变化的等离子体球以对所述载物台上的晶体进行周期性的加热；以及

电磁感应加热系统，包括金属棒，缠绕在所述金属棒上的线圈，与所述线圈连接的射频电源，以及屏蔽电磁波对等离子体球干扰的电磁屏蔽件，所述金属棒一端穿过所述电磁屏蔽件后与所述载物台连接，所述金属棒另一端通过隔热棒与直线驱动机构连接，所述电磁屏蔽件横向设置在所述加热腔内，将所述加热腔分割为上下两部分腔体，所述上下两部分腔体通过所述电磁屏蔽件上的通孔连通。

在一些示例中，所述外壳包括上壳体和下壳体，所述下壳体的内壁设有环形的凸台，所述凸台上固定有石英罩，所述石英罩及所述下壳体的腔体构成所述加热腔。

在一些示例中，所述上壳体正对所述石英罩的位置设有用于观察所述加热腔内晶体及等离子体球状况的孔。

在一些示例中，所述等离子体加热系统包括用于产生脉冲微波的微波源，传输微波的传导系统，和将所述传导系统传导的矩形波导转换成能够激发低压气体形成等离子体球的圆形波导的天线耦合式微波模式转换器，所述天线耦合式微波模式转换器伸入到所述上壳体内所述石英罩上方。

在一些示例中，所述传导系统包括环形器，所述环形器的第一端口连接所述微波源，所述环形器的第二端口连接微波导管，所述环形器的第三端口连接水负载，所述微波导管上设有三螺钉阻抗调配器和所述天线耦合式微波模式转换器。

在一些示例中，所述载物台的材质包括金属钼。

在一些示例中，所述电磁屏蔽件的材料为陶瓷。

在一些示例中，所述隔热棒的材料为陶瓷。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本公开一实施例提供的脉冲微波及射频电磁感应两段式晶体成长退火装置分解图。

图2为本公开一实施例提供的脉冲微波及射频电磁感应两段式晶体成长退火装置立体结构示意图。

图3为本公开一实施例提供的脉冲微波及射频电磁感应两段式晶体成长退火装置剖视图。

具体实施方式

如图1～图3，晶体生长退火装置包括不锈钢的外壳1，外壳1包括上壳体2和下壳体3，下壳体3的内壁设有环形的凸台4，凸台4上固定有石英罩5。石英罩5及下壳体3的腔体构成密闭的加热腔6。此外，下壳体3上具有用于取放晶体的窗口7、检测加热腔6真空度的真空计8、向加热腔6充气的进气口9、排出加热腔6气体的排气口10、供冷却水进入冷却系统的进水口11、排出所述冷却系统内冷却水的排水口(图中未示出)。所述冷却系统可以是分布在外壳1上供冷凝水流动的管道(图中未示出)，用于在退火过程中给整个装置降温。加热腔6内具有放置晶体12的金属材质的载物台13，载物台13可采用金属钼。

本公开使用两段式加热方式，即脉冲微波产生的等离子体加热和电磁感应加热，脉冲微波产生的等离子体加热目的是对晶体12产生周期性的退火，而电磁感应加热的目的是提高晶体11的温度下降下限。脉冲微波产生的等离子体和电磁感应共同作用于含有缺陷的半导体晶体上，消除半导体的晶格缺陷，提高其载流子迁移率、非平衡载流子寿命等各项性能。两段式加热模式极具创新性，且两种加热模式都具有可控性，因此能够针对不同的材料进行适当的温度、脉冲频率调整，从而适用于大多数材料的实验研究和工业生产。

等离子体加热系统包括微波源14、微波导管15、环形器16、水负载17。微波源14为脉冲磁控管微波源，包括射频电源14a、微波电源14b和脉冲磁控管14c，射频电源14a的频率可为2.45ghz，微波电源14b的功率可为1000w。微波导管15提供微波传输的通道。微波导管15上具有供冷凝水流动给其降温的管道(图中未示出)。环形器16的第一端口连接微波源14，环形器16的第二端口连接微波导管15，环形器16的第三端口连接水负载17。环形器16用于传递单向高频微波信号，并能阻止其输出端口反射回来的微波信号对微波源14产生影响。此外，水负载17还能吸收从环形器15输出端口反射回来的微波信号。微波导管15上依次设有三螺钉阻抗调配器18和天线耦合式微波模式转换器19。三螺钉阻抗调配器18用于减少系统的驻波和系统的反射。天线耦合式微波模式转换器19伸入到上壳体2内石英罩5上方，能够将矩形波导模式转换成能够激发低压气体形成等离子体球20的圆形波导模式。

当经过天线耦合式微波模式转换器19处理的微波能量处于高能状态时，产生的等离子体球20体积较小，温度高；当经过天线耦合式微波模式转换器19处理的微波能量处于低能状态时，产生的等离子体球20体积较大，温度低。等离子体加热的温度在室温至1000℃之间，由此实现了对晶体提供周期性的加热。

电磁感应加热系统包括金属棒21、线圈22、射频电源23和电磁屏蔽件24。线圈22缠绕在不锈钢材质的金属棒21上，线圈22两端与射频电源22连接，金属棒21穿过电磁屏蔽件24后与载物台13连接。射频电源23给线圈22通交流电，金属棒21会因电磁感应现象温度升高，由于热传导的作用，金属棒21的温度会传递到金属材质的载物台13，实现对载物台13上晶体12的加热。射频电源23可以采用频率为100khz、功率为0.8-4kw的电源，通过调节电源的输出功率控制晶体12退火的温度下限，加热温度范围可达到100℃至600℃。

电磁屏蔽件24可采用陶瓷，用于减少电磁感应对等离子体加热时等离子体球20的影响。电磁屏蔽件24横向设置在下壳体3内凸台4的下方，并位于线圈22的上方，将加热腔6分割为上下两部分腔体(上半部分称为等离子体加热腔)，上下两部分的腔体通过电磁屏蔽件24上的通孔25连通。电磁感应加热系统此外，金属棒21远离载物台12的一端连接有隔热棒26，隔热棒26远离金属棒21的一端连接有直线驱动机构27。通过直线驱动机构27实现载物台13的上下移动。该直线驱动机构27可采用丝杠螺母机构。

使用本公开晶体生长退火装置对晶体进行退火的简要步骤如下：

步骤1，将载物台13降到窗口7位置，从窗口7向将晶体12放到载物台13上，关闭窗口7，将载物台13升到加热腔6合适的位置；

步骤2，用真空泵从排气口10抽出加热腔6内的气体，真空计8检测到加热腔6内真空度达到预期时，从进气口9向加热腔6内充入氮气或其他惰性气体，建立晶体退火的气体环境，提供等离子体产生的条件；

步骤3，从进水口11通入冷却水给装置降温，打开电磁感应加热系统的射频电源21，调节电源的功率，将晶体12加热至设定的温度；

步骤4，打开微波源14，在加热腔6内产生有周期性变化的等离子体球20，对晶体12提供周期性的加热，期间可以调节等离子体球20的变化频率和温度范围；加热过程中，可通过上壳体2上正对石英罩5的孔观察加热腔6内晶体11及等离子体球20状况的孔28；

步骤5，加热完成后关闭微波源14、射频电源23，待晶体12冷却至室温，将载物台13降到窗口7位置，打开窗口7取出晶体；

步骤6，停止从进气口9充气，一段时间后停止供应冷却水。