本發(fā)明涉及碳化硅單晶襯底材料的缺陷表征，尤其涉及一種碳化硅腐蝕裝置及其工作方法。

背景技術：

1、隨著科技不斷進步，許多新型科技裝置都需要在高頻率、高溫度、強輻射的特殊條件下工作。作為第三代半導體的代表性材料，碳化硅(sic)因其具有的寬帶隙、高穩(wěn)定性、高熱導率、臨界擊穿電壓高等特點，被廣泛應用于新能源汽車、軌道交通以及智能電網(wǎng)等領域中，已成為目前最具有發(fā)展前景的新型半導體材料之一。經(jīng)過近30年的發(fā)展，碳化硅單晶在微管控制、單一晶型控制等技術上有了重大突破，但在位錯方面，相比于硅單晶，碳化硅單晶中的位錯密度仍較高，在一定程度上限制了碳化硅器件的性能。因此，碳化硅晶圓缺陷的精準識別對指導單晶生長工藝具有重要意義。

2、濕法腐蝕是目前常用來表征碳化硅中位錯的主要方法。濕法腐蝕中通常選用氫氧化鉀(koh)作為腐蝕劑，升溫待其熔融后，將碳化硅放入其中進行腐蝕。其腐蝕原理為：在碳化硅晶體中，螺型位錯(tsd)、刃型位錯(ted)和基平面位錯(bpd)等缺陷處的應力遠大于無缺陷處的應力，因此缺陷處的腐蝕速率比無缺陷處快。濕法腐蝕在材料中實現(xiàn)選擇性腐蝕，最終形成腐蝕坑，之后再利用檢測設備就可以表征晶圓的微觀缺陷。

3、現(xiàn)有的碳化硅腐蝕爐設計理念能滿足腐蝕條件，但仍存在許多問題，例如cn217006621u中，其設計目的為通過網(wǎng)框結(jié)構(gòu)及磁拌子提高碳化硅晶圓腐蝕效果，但其沒有考慮腐蝕爐中產(chǎn)生的堿性蒸汽會嚴重影響操作人員的健康；再例如cn218994038u中，其設計的雙腔體結(jié)構(gòu)雖然能阻擋堿蒸汽外泄，但其爐體的臥式設計導致每次只能腐蝕一片晶圓，效率低，且使得更換腐蝕液變得困難。同時，為提高碳化硅的腐蝕效率，目前的大多數(shù)選擇是向koh中摻入na2o2，但這種方法需要考慮不同腐蝕劑的配比問題，此外na2o2屬于強氧化性化學物質(zhì)，會影響操作人員的安全，不利于大規(guī)模推廣使用。

4、對摻雜濃度超過1×1019cm-3的重摻雜導電型sic襯底，采用常規(guī)的koh腐蝕表征位錯時，會發(fā)現(xiàn)腐蝕坑難以顯現(xiàn)，進而無法準確表征sic襯底中的位錯。這是由于對于重摻雜導電型sic襯底，在采用koh腐蝕時，腐蝕過程已經(jīng)不單單是化學腐蝕，襯底中的載流子也會參與反應過程，從而導致襯底的選擇性各向異性腐蝕失效、不同位錯的腐蝕坑區(qū)分不明顯的問題。解決這一問題的方法是使用電化學腐蝕，如專利cn118392608a，通過向腐蝕液和襯底上施加偏置電壓促進空穴產(chǎn)生從而實現(xiàn)位錯坑形貌的明顯區(qū)分。但電化學腐蝕的操作流程復雜，且受制于腐蝕液中電流的均勻性，目前還不能應用于大尺寸重摻雜sic襯底的位錯表征。

5、因此，現(xiàn)有技術中存在的問題：

6、①對于重摻雜導電型sic襯底，常規(guī)的koh腐蝕難以顯現(xiàn)腐蝕坑，無法準確表征位錯，而電化學腐蝕操作流程復雜，受制于腐蝕液中電流的均勻性，難以應用于大尺寸重摻雜sic襯底的位錯表征。

7、②為加快腐蝕效率而采用的摻入na2o2的方法，存在腐蝕劑配比問題，且na2o2屬于強氧化性化學物質(zhì)，影響操作人員安全，不利于大規(guī)模推廣使用。

8、③現(xiàn)有腐蝕方法，部分腐蝕裝置效率低下，如臥式爐體設計導致每次只能腐蝕一片晶圓，且更換腐蝕液困難。

9、④現(xiàn)有腐蝕裝置存在健康安全隱患，腐蝕爐中產(chǎn)生的堿性蒸汽會嚴重影響操作人員的健康。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明實施例的目的是提供一種高效、便捷的碳化硅腐蝕裝置，能夠?qū)χ負降r底的不同種位錯形貌實現(xiàn)精準區(qū)分。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供了如下技術方案：

3、一種碳化硅腐蝕裝置，包括：坩堝爐、內(nèi)升降軸和筐籃；所述坩堝爐包括爐體和爐蓋，所述爐體外設置有靠近爐體內(nèi)壁的加熱元件，爐體上設置有用于通入氧氣的氧氣進口和用于排出氣體的氧氣出口，所述爐蓋蓋在爐體上，爐蓋的頂部向上凸起形成用于升降爐蓋的外升降軸，所述外升降軸具有貫通孔；所述內(nèi)升降軸插接在所述外升降軸的貫通孔中，所述筐籃安裝在所述內(nèi)升降軸的底端，用于盛放晶片。

4、可選的，所述氧氣進口設置在爐體一側(cè)的上外延部分，爐體側(cè)壁底部設置有氧氣出口，氧氣進口與氧氣出口之間形成氧氣通道，所述氧氣出口處還設置有單向出氣裝置。這種設置使得氧氣能夠通過氧氣通道進入爐體內(nèi)的腐蝕液中，單向出氣裝置則保證了腐蝕液不會倒流進入氧氣通道，確保了氧氣的順利通入和腐蝕液的穩(wěn)定性，從而提高了腐蝕效率和安全性。

5、可選的，所述單向出氣裝置包括旋轉(zhuǎn)軸和蓋板，所述旋轉(zhuǎn)軸安裝在所述爐體內(nèi)壁的氧氣出口位置的上端，所述蓋板轉(zhuǎn)動安裝在所述旋轉(zhuǎn)軸上，且蓋板的橫截面大于氧氣出口的橫截面。這種結(jié)構(gòu)使得在通入氧氣時，氧氣的壓強能夠推動蓋板打開，使氧氣順利進入腐蝕液中；而在停止通氧后，蓋板在腐蝕液的液壓作用下自動關閉，防止腐蝕液倒流，形成一個簡單的氣動閥，進一步提高了裝置的安全性和可靠性。

6、可選的，所述內(nèi)升降軸的下端設置有固定槽，所述固定槽為t型，所述筐籃懸掛在所述內(nèi)升降軸的固定槽上，所述爐蓋的下蓋面設置有測距儀，用于測量爐蓋與液面的高度差。t型固定槽的設計使得筐籃能夠穩(wěn)定地懸掛在內(nèi)升降軸上，確保筐籃在升降過程中的穩(wěn)定性。測距儀的設置則能夠精確測量爐蓋與腐蝕液液面之間的距離，從而為控制筐籃的升降提供準確的依據(jù)，確保晶片能夠準確地預熱和浸入腐蝕液中，提高了腐蝕的精度和均勻性。

7、可選的，所述內(nèi)升降軸上通過卡定裝置安裝有攪拌裝置，所述卡定裝置包括套環(huán)和固定螺釘，所述固定螺釘將套環(huán)固定在所述內(nèi)升降軸上，所述攪拌裝置包括連接桿和攪拌板，所述連接桿上端與所述套環(huán)連接，所述攪拌板設置在所述連接桿的下端。攪拌裝置的設計使得在腐蝕過程中，通過內(nèi)升降軸的旋轉(zhuǎn)帶動攪拌板旋轉(zhuǎn)，從而對腐蝕液進行攪拌，使腐蝕液與氧氣充分混合，提高了腐蝕效率和均勻性。同時，卡定裝置的設計使得攪拌裝置的位置可以根據(jù)需要進行調(diào)整，增加了裝置的靈活性和適用性。

8、可選的，所述爐體外側(cè)設置有隔熱層，所述加熱元件安裝在所述隔熱層內(nèi)，所述隔熱層為氧化鋁材質(zhì)。氧化鋁隔熱層具有良好的隔熱性能，對外能夠有效減少熱量的散失，提高加熱效率，同時保護操作人員的安全。加熱元件安裝在隔熱層靠近內(nèi)側(cè)爐體的位置，使得熱量能夠均勻地傳遞到爐體內(nèi)，確保腐蝕液的溫度均勻，提高了腐蝕的穩(wěn)定性和一致性。

9、可選的，所述爐蓋上設置有相連通的進水口和出水口，所述出水口設置在爐蓋的內(nèi)側(cè)壁上，所述爐體和隔熱層上設置有排水管。在腐蝕結(jié)束后，可以通過進水口向爐體內(nèi)注入水，稀釋腐蝕液，然后通過排水管將稀釋后的廢液排出，便于廢液的處理和裝置的清潔，提高了裝置的使用便利性和環(huán)保性。

10、可選的，所述排水管包括分排水管和總排水管，分排水管和總排水管均傾斜布置，所述分排水管具有多個，均布置在所述爐體上，所述總排水管布置在所述隔熱層上，所述爐體內(nèi)還設置有隔斷板，用于隔斷所述分排水管和總排水管。分層排水結(jié)構(gòu)使得在腐蝕過后處理廢液的過程中，分排水管能夠及時排出稀釋后的廢液，防止廢液積聚影響腐蝕效果；總排水管則用于將所有廢液集中排出，提高了排水效率和裝置的穩(wěn)定性。

11、本發(fā)明實施例還提供了一種如上所述的碳化硅腐蝕裝置的工作方法，包括以下步驟：

12、同步提升內(nèi)升降軸與外升降軸打開爐蓋，倒入固態(tài)純氫氧化鉀后，同步下降內(nèi)、外升降軸閉合爐蓋，升溫至腐蝕溫度并保溫；

13、再次提升內(nèi)、外升降軸打開爐蓋，掛上載有襯底晶片的筐籃，同步下降內(nèi)、外升降軸閉合爐蓋，預熱晶片后浸入腐蝕液開始腐蝕；

14、在腐蝕開始時通入氧氣，腐蝕預定時間后停止加熱和通氧，提升內(nèi)、外升降軸取出筐籃，降下升降軸關閉爐蓋；

15、腐蝕液冷卻結(jié)成固體后，注入水稀釋，直至氫氧化鉀固體處理完畢；

16、測試腐蝕后的晶片襯底，統(tǒng)計位錯種類和密度信息。

17、這種工作方法通過合理控制各步驟的操作條件和順序，實現(xiàn)了對碳化硅晶片的高效、均勻腐蝕，同時通過通入氧氣提高了位錯識別的準確性和腐蝕效率，通過稀釋和排水操作便于廢液處理和裝置清潔，整個過程安全、便捷、高效。

18、可選的，氧氣通入流量為5sccm～100sccm，優(yōu)選為20～50sccm。使氧氣能夠有效地與腐蝕液混合，加快腐蝕速率，同時避免因氧氣流量過大導致腐蝕液流場紊亂或因流量過小導致腐蝕效率低下的問題，確保了腐蝕過程的穩(wěn)定性和位錯識別的準確性，進一步優(yōu)化了碳化硅腐蝕裝置的工作效果。

19、本發(fā)明實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：

20、1、該碳化硅腐蝕裝置包括坩堝爐、內(nèi)升降軸和筐籃，坩堝爐由爐體和爐蓋組成，爐體外設置加熱元件用于加熱，爐體上設置氧氣進口和氣體排放口，爐蓋頂部形成外升降軸。內(nèi)升降軸插接在外升降軸中，筐籃安裝在內(nèi)升降軸底端用于盛放晶片。這種結(jié)構(gòu)設計使得裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對碳化硅晶片的腐蝕操作，通過加熱元件加熱爐體內(nèi)的腐蝕液，氧氣進口與氧氣出口用于通入氧氣輔助腐蝕，氣體排放口用于排出腐蝕過程中產(chǎn)生的氣體，內(nèi)外升降軸的配合實現(xiàn)筐籃的升降操作，從而控制晶片的浸入和取出。通過該裝置對重摻氮襯底的不同種位錯形貌實現(xiàn)精準區(qū)分，提高腐蝕效率，保障操作人員安全，同時簡化操作流程，便于大規(guī)模推廣應用，以更好地滿足碳化硅單晶襯底材料缺陷表征的需求，進而指導單晶生長工藝，提升碳化硅器件的性能。

21、2、向腐蝕液中通入氧氣有兩個主要優(yōu)勢，一是加入氧氣后使腐蝕液與碳化硅襯底之間反映更劇烈，可加快熔融氫氧化鉀腐蝕碳化硅襯底的速率，從而加快腐蝕效率，方便后續(xù)進行大批量腐蝕；二是通入氧氣有利于在腐蝕過程中產(chǎn)生更多的空穴，促進不同缺陷處(如tsd、ted和bpd)選擇性各向異性腐蝕，從而在腐蝕坑的形貌上表現(xiàn)出更清晰更明顯的差異，實現(xiàn)對重摻雜碳化硅襯底上不同位錯腐蝕坑的精準區(qū)分。

22、3、本發(fā)明在鎳坩堝爐體內(nèi)設置了氧氣進口與氧氣出口，二者之間形成氧氣通道，從而可以實現(xiàn)在腐蝕過程中向腐蝕液中通入氧氣的功能，在氧氣出口處設計了單向出氣裝置，形成了簡單的氣動閥，從而保證腐蝕液不會倒流進氧氣通道中；同時設置攪拌板，可以對堿液充分攪拌，以實現(xiàn)通入氧氣與堿液的充分混合，進一步提高了位錯識別的準確性。

23、4、本發(fā)明將升降軸設計為兩部分，內(nèi)升降軸控制筐籃的升降與旋轉(zhuǎn)，外升降軸控制鎳爐蓋的升降。在腐蝕時，可先控制外升降軸將鎳爐蓋降下防止高溫下堿蒸汽溢出，再控制內(nèi)升降軸使得筐籃緩慢降下，既可以保證筐籃內(nèi)晶圓的充分預熱，同時還能避免腐蝕性堿蒸汽溢出傷害實驗人員的健康。

24、5、本發(fā)明通過在坩堝蓋上設置的入水口以及設置在坩堝內(nèi)的排水管，可以在腐蝕結(jié)束坩堝冷卻后向坩堝內(nèi)分批注水溶解固體氫氧化鉀并排出，便于更換廢液。還通過在鎳爐蓋的側(cè)壁上設置的水平氣體排放口，在避免堿蒸汽排出時遇冷沉淀堵塞排放口的同時，可將腐蝕性氣體與多余的氧氣排出鎳坩堝內(nèi)，便于處理。

25、6、本發(fā)明中的方法與電化學腐蝕、額外添加na2o2等方法相比，工藝流程更加簡單，綠色環(huán)保，有利于推廣應用。

26、7、本發(fā)明中的方法對n型、p型、高純半絕緣型sic襯底均適用，尤其適用于摻雜濃度較高的導電型襯底。

27、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點將在下面的描述中給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。