CN102828238B - 用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法 - Google Patents
用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,首先选取复合衬底晶片,在初始温度和外延起始温度不同时,计算出复合衬底晶片中第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化,然后根据第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化计算出复合衬底晶片变形后的球面半径;再根据计算得出的<b>R0</b>值在载体上开设衬底球径结构;然后把复合衬底晶片置放到衬底球径结构中,在HVPE中进行半导体材料生长。本发明改善了半导体材料外延过程起始阶段衬底晶片表面温场的均匀性,提高外延起始层与原有材料的衔接质量,降低了工艺调试难度,提高了外延半导体材料的质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料外延设备结构及设计方法技术领域,特别是涉及一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法。
背景技术
气相沉积和气相外延技术被广泛应用于材料外延,二者均是在衬底晶片上生长材料,外延材料的优劣受外延条件的影响,要得到优良的外延材料就需要保证良好的外延条件。气相外延主要的控制条件有温度、压力、反应物的量等条件。但是在温度的控制上,目前主要的方法是先加热衬底晶片的载体,载体再将热量传递给衬底晶片。由于载体比衬底晶片大很多,因此载体的温度很容易控制,当载体温度稳定后,衬底晶片与载体之间的热传递情况在很大程度上影响衬底晶片生长表面的温度。
在半导体材料外延过程中,使用的衬底晶片可以分为两大类:单晶衬底和复合衬底晶片两大类。使用复合衬底晶片晶片时,由于复合衬底晶片中各成分的热胀系数不一样,当外延起始温度与常温相差较大(相差数百摄氏度)时,衬底晶片出现凹下或者凸起形变。此时,衬底晶片与载体的接触情况发生变化,所以衬底晶片表面的温度分布情况也发生变化,温度分布出现不均匀,直接影响衬底晶片上外延材料的质量,而且处于不同的外延起始温度下,外延速度也不相同,所以衬底晶片表面局部温度不同会引起外延材料的厚度不同。
如说明书附图5和图6所示,以氮化镓(GaN)材料生长为例,氮化镓(GaN)材料生长过程中,采用石墨为载体,把蓝宝石氮化镓复合衬底晶片通过载体放置到HVPE设备中进行氮化镓材料生长。HVPE技术做厚膜外延是从复合衬底晶片(常用的复合衬底晶片是由430μm蓝宝石与4μm氮化镓过渡层构成,但也可以由其他厚度构成)开始的,然后外延到需要的厚度。HVPE技术开始外延的时刻是关键时刻,关系到整个外延晶体的质量,因为如果HVPE外延的第一层出现大量的位错和缺陷,那么在衬底晶片以后的外延过程将会把位错和缺陷放大,从而导致整片衬底晶片的晶体质量下降。
目前的HVPE技术在氮化镓蓝宝石复合衬底上再次外延过程中,往往是开始外延时复合衬底表面的温度差影响外延起始层的晶体质量。由于蓝宝石和氮化镓材料之间的热膨胀系数存在很大的差异,当处于外延起始温度后,蓝宝石氮化镓复合衬底晶片显球壳状,导致衬底晶片与载体之间出现夹层,夹层的出现使载体与衬底晶片之间出现热传递差异,衬底晶片表面的温场不均匀,外延起始层出现高位错密度和高缺陷密度,影响整个外延材料的晶体质量。
发明内容
基于此,有必要针对现有技术的缺点的问题,提供一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,降低了工艺的调试难度,改善了半导体材料外延过程中起始阶段衬底晶片的表面温场的均匀性,提高半导体材料生长的质量。
一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,包括以下步骤:
①、选取复合衬底晶片,在初始温度(常温)和外延起始温度不同时,首先计算出复合衬底晶片中第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化,然后根据第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化计算出复合衬底晶片变形后的球面半径;
第一种材料的体积变化公式为:
πr 2 ·a·α 1 ·(T 2 -T 1 )=θ·[(R 0 +a) 3 ·4π/3 - R 0 3 ·4π/3 ] -πr 2 ·a (1),
整理公式(1)得到以下公式:
πr 2 ·a·α 1 ·(T 2 -T 1 )+ πr 2 ·a =θ·[(R 0 +a) 3 - R 0 3 ]·4π/3 (2);
a 代表:第一种材料的厚度;
α 1 代表:第一种材料的体积热胀系数;
T 1 代表:初始温度(常温);
T 2 代表:外延起始温度;
θ代表:变形后的复合衬底晶片球面对应的立体角度;
r 代表:复合衬底晶片的半径;
R 0 代表:变形后的复合衬底晶片球面半径;
第二种材料的体积变化公式为:
πr 2 ·b·α 2 ·(T 2 -T 1 )=θ·[(R 0 +a+b) 3 ·4π/3-(R 0 +a) 3 · 4π/3 ]-πr 2 ·b (3),
整理公式(3)得到以下公式:
πr 2 ·b·α 2 ·(T 2 -T 1 )+ πr 2 ·b = θ·[(R 0 + a+b) 3 - (R 0 +a) 3 ]·4π/3 (4);
a 代表:第一种材料的厚度;
b 代表:第二种材料的厚度;
α 2 代表:第二种材料的体积热胀系数;
T 1 代表:初始温度(常温);
T 2 代表:外延起始温度;
θ代表:变形后的复合衬底晶片球面对应的立体角度;
r 代表:复合衬底晶片的半径;
R 0 代表:变形后的复合衬底晶片球面半径;
最后由上述公式(2)和(4)计算得出R 0 值,R 0 的单位是mm;
②、首先选择用于放置复合衬底晶片的载体,再根据步骤①计算得出的R 0 值在所述载体上开设用于材料生长的复数衬底球径结构,所述衬底球径结构的球径为R 0 ,所述衬底球径结构与所述复合衬底晶片变形后球面相匹配吻合;
③、把所述复合衬底晶片置放于所述载体的衬底球径结构中,再把容置有复合衬底晶片的载体放置到氢化物气相外延HVPE设备中进行半导体材料生长。
在其中一个实施例中,所述衬底球径结构的底部为凹槽。
在其中一个实施例中,所述凹槽的截面形状呈圆弧形、椭圆弧形、抛物线形、渐开线形、指数函数线形。
在其中一个实施例中,所述衬底球径结构的底部为凸起。
在其中一个实施例中,所述凸起的截面形状呈圆弧形、椭圆弧形、抛物线形、渐开线形、指数函数线形。
在其中一个实施例中,所述第一材料为复合衬底晶片的表面,所述第二种材料为复合衬底晶片的背面,所述第二种材料接触所述衬底球径结构。
在其中一个实施例中,所述载体采用石墨、硅、碳化硅、本体加涂层复合材料材质;每个载体上具有复数个衬底球径结构,衬底球径结构可以是一个、两个、三个……n个等;所述载体的衬底球径结构不限于用于生长氮化镓材料,可以是Ⅲ族氮化物,也可以是其他半导体材料生长,也可以是其他化学材料生长等。
上述用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,先计算出的复合衬底晶片在外延起始温度下变形后的球面半径,再在复合衬底晶片的载体上设置与复合衬底晶片变形后的球面半径相匹配吻合的衬底球径结构,此衬底球径结构改善了半导体材料外延过程起始阶段衬底晶片表面温场(即是温度分布情况)的均匀性,提高外延起始层与原有材料的衔接质量,提高了外延起始层晶体的质量,在外延起始阶段生长的低密度位错和缺陷的晶体层有利于外延出高质量的晶体材料,降低了工艺调试难度,提高了外延半导体材料的质量。
当温度由常温变化到外延起始温度条件下,所述衬底球径结构使衬底晶片仍然能和载体良好接触,热传递良好,平衡衬底晶片表面的温场,实现衬底晶片表面温度均匀,特征统一,在外延起始阶段外延一层位错密度和缺陷密度低的晶体层,有利于之后外延出高质量的晶体材料。
附图说明
图1为复合衬底晶片在常温下的结构示意图。
图2为理论计算时复合衬底晶片在外延起始温度下的结构示意图。
图3为实施例中本发明所设计的载体的结构示意图。
图4为实施例中使用本发明所设计的载体在外延起始温度下与复合衬底晶片结合的结构示意图。
图5为现有技术中所设计的载体的结构示意图。
图6为现有技术中所设计的载体在外延起始温度下与复合衬底晶片结合的结构示意图。
以下是本发明零部件符号标记说明:
载体10、衬底球径结构11、复合衬底晶片20、第一种材料21、第二种材料22、空隙30。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能,解析本发明的优点与精神,藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。
一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,包括以下步骤:
①、选取由两种材料构成的复合衬底晶片20,其中第一种材料21(即是复合衬底晶片20的表面)的体积热胀系数为α 1 ,第二种材料22(即是复合衬底晶片20的背面)的体积热胀系数为α 2 ,第一种材料21的厚度为a,第二种材料22的厚度为b,初始温度(常温)为T 1 ,在初始温度(常温)下,复合衬底晶片20的半径为r,外延起始温度为T 2 ,在外延起始温度下,复合衬底晶片20变形后球面的对应的立体角度为θ,首先计算出复合衬底晶片20中第一种材料21的体积变化和第二种材料22的体积变化,然后根据第一种材料21的体积变化和第二种材料22的体积变化计算出复合衬底晶片20变形后的球面半径R 0 ,
第一种材料21的体积变化公式为:
πr 2 ·a·α 1 ·(T 2 -T 1 )=θ·[(R 0 +a) 3 ·4π/3 - R 0 3 ·4π/3 ] -πr 2 ·a (1),
整理公式(1)得到以下公式:
πr 2 ·a·α 1 ·(T 2 -T 1 )+ πr 2 ·a =θ·[(R 0 +a) 3 - R 0 3 ]·4π/3 (2);
第二种材料22的体积变化公式为:
πr 2 ·b·α 2 ·(T 2 -T 1 )=θ·[(R 0 +a+b) 3 ·4π/3-(R 0 +a) 3 · 4π/3 ]-πr 2 ·b (3),
整理公式(3)得到以下公式:
πr 2 ·b·α 2 ·(T 2 -T 1 )+ πr 2 ·b = θ·[(R 0 + a+b) 3 - (R 0 +a) 3 ]·4π/3 (4);
最后由上述公式(2)和(4)计算得出R 0 值。
②、首先选择用于放置复合衬底晶片的载体10,再根据步骤①计算得出的R 0 值在所述载体10上开设用于材料生长的复数衬底球径结构11,所述衬底球径结构11的球径为R 0 ,所述衬底球径结构11与所述复合衬底晶片20变形后球面相匹配吻合,所述衬底球径结构11为凹槽或者凸起。
③、把所述复合衬底晶片20置放于所述载体10的衬底球径结构11中,再把容置有复合衬底晶片20的载体10放置到氢化物气相外延HVPE设备中进行半导体材料生长。
所述复合衬底晶片20的第一种材料21的体积热膨胀系数和第二种材料22的体积热膨胀系数有正负之分,当外延起始温度高于初始温度(常温)时,所述复合衬底晶片20的体积变大,第一种材料21的体积热膨胀系数和第二种材料22的体积热膨胀系数为正数,反之为负数。当第一种材料21的体积热膨胀系数和第二种材料22的体积热膨胀系数为正数时,所述载体10底部的衬底球径结构11应设置为凹槽结构;反之,当第一种材料21的体积热膨胀系数和第二种材料22的体积热膨胀系数为负数时,所述载体10底部的衬底球径结构11应设置为凸起结构。所述凹槽或者凸起的截面形状呈圆弧形、椭圆弧形、抛物线形、渐开线形、指数函数线形和不规则线性等。
如说明书附图图1至图4所示,所选复合衬底晶片20为蓝宝石氮化镓复合衬底晶片20,在蓝宝石氮化镓复合衬底晶片20上生长氮化镓材料,所述衬底晶片的载体10采用石墨材料制作。首先选用若干片常温下自然状态相当的复合衬底晶片20,进行表面清洁后,开始氮化镓材料生长。
所述复合衬底晶片20中氮化镓层厚度为4μm,蓝宝石层厚度为430μm,氮化镓热胀系数为5.0E-6/K,蓝宝石体积热胀系数5.8E-6/K,常温为300K,外延起始温度为1350K,复合衬底晶片20的半径为25.4mm;
把各个参数值代入上述公式(2)中,得到式子如下:
π25.4 2 ×0.004×(5.0E-6)×(1350-300)+ π25.4 2 ×0.004 =θ×[(R 0 +0.004) 3 - R 0 3 ]×4π/3 (5)
把各个参数值代入上述公式(4)中,得到式子如下:
π25.4 2 ×0.43×(5.8E-6)×(1350-300)+π25.4 2 ×0.43 =θ×[(R 0 + 0.004+0.43) 3 -(R 0 +0.004) 3 ]×4π/3 (6)
由式子(5)和(6)得出R 0 的值为519.52 mm和-0.15 mm,由于复合衬底晶片20的半径为正值,因此,蓝宝石氮化镓复合衬底晶片20的变化后球面半径为519.2mm。
若所述复合衬底晶片20四周翘起的高度为X mm,其变形后的复合衬底对应的弦长为50.8mm,则通过勾股定理得到以下式子:
R 0 2 =(R 0 -X) 2 +r 2 (7)
把上述参数代入式子(7)得到以下式子:
519.52×519.52=(519.52-X) 2 +25.4×25.4 (8)
通过式子(8)解得X的值为0.62,即可得出所述复合衬底晶片20四周翘起的高度为0.62mm。
待计算出蓝宝石氮化镓复合衬底晶片20的变化情况后,再在所选的石墨载体10的底部开设球面凹槽状衬底球面结构11,所述衬底球面结构11球面的球径为4.11m,所述球面凹槽与所述复合衬底晶片20变形后的球面结构相匹配吻合。然后把所述复合衬底晶片20置放到石墨载体10的衬底球面结构11中,再将放置有复合衬底的石墨载体10放置到HVPE(氢化物气相外延设备)中进行氮化镓材料生长。当处于外延起始温度后,所述复合衬底晶片20与石墨载体10的衬底球面结构11的底部接触良好,不会出现说明书附图6中所出现的空隙30。
本发明所述的衬底球径结构11的数量不限,且采用本方法所设计的载体10不限于生长氮化镓材料,可以是是Ⅲ族氮化物、其他半导体材料生长及其他化学材料生长等。
综上所述,上述用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,改善了半导体材料外延过程起始阶段衬底晶片表面温场(即是温度分布情况)的均匀性,提高外延起始层与原有材料的衔接质量,提高了外延起始层晶体的质量。当温度由常温变化到外延起始温度条件下,所述衬底球径结构11使衬底晶片仍然能和载体良好接触,热传递良好,平衡衬底晶片表面的温场,实现衬底晶片表面温度均匀,特征统一,在外延起始阶段外延一层位错密度和缺陷密度低的晶体层,有利于之后外延出高质量的晶体材料。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,其特征在于,包括以下步骤:
①、选取复合衬底晶片,在初始温度和外延起始温度不同时,首先计算出复合衬底晶片中第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化,然后根据第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化计算出复合衬底晶片变形后的球面半径;
第一种材料的体积变化公式为:
πr2·a·α1·(T2-T1)=θ·[(R0+a)3·4π/3-R0 3·4π/3]-πr2·a (1),
整理公式(1)得到以下公式:
πr2·a·α1·(T2-T1)+πr2·a=θ·[(R0+a)3-R0 3]·4π/3 (2);
a代表:第一种材料的厚度;
α1代表:第一种材料的体积热胀系数;
T1代表:初始温度;
T2代表:外延起始温度;
θ代表:变形后的复合衬底晶片球面对应的立体角度;
r代表:复合衬底晶片的半径;
R0代表:变形后的复合衬底晶片球面半径;
第二种材料的体积变化公式为:
πr2·b·α2·(T2-T1)=θ·[(R0+a+b)3·4π/3-(R0+a)3·4π/3]-πr2·b (3),
整理公式(3)得到以下公式:
πr2·b·α2·(T2-T1)+πr2·b=θ·[(R0+a+b)3-(R0+a)3]·4π/3 (4);
a代表:第一种材料的厚度;
b代表:第二种材料的厚度;
α2代表:第二种材料的体积热胀系数;
T1代表:初始温度;
T2代表:外延起始温度;
θ代表:变形后的复合衬底晶片球面对应的立体角度;
r代表:复合衬底晶片的半径;
R0代表:变形后的复合衬底晶片球面半径;
最后由上述公式(2)和(4)计算得出R0值,R0的单位是mm;
②、首先选择用于放置复合衬底晶片的载体,再根据步骤①计算得出的R0值在所述载体上开设用于材料生长的复数衬底球径结构,所述衬底球径结构的球径为R0,所述衬底球径结构与所述复合衬底晶片变形后球面相匹配吻合;
③、把所述复合衬底晶片置放于所述载体的衬底球径结构中,再把容置有复合衬底晶片的载体放置到氢化物气相外延HVPE设备中进行半导体材料生长。
2.根据权利要求1所述的用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,其特征在于,所述衬底球径结构的底部为凹槽。
3.根据权利要求2所述的用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,其特征在于,所述凹槽的截面形状呈圆弧形。
4.根据权利要求1所述的用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,其特征在于,所述衬底球径结构的底部为凸起。
5.根据权利要求4所述的用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,其特征在于,所述凸起的截面形状呈圆弧形。
6.根据权利要求1所述的用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,其特征在于,所述第一材料为复合衬底晶片的表面,所述第二种材料为复合衬底晶片的背面,所述第二种材料接触所述衬底球径结构。
7.根据权利要求1所述的用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法,其特征在于,所述载体采用石墨、硅、碳化硅、本体加涂层复合材料材质。
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