CN104051316A - 可调控局域温场的石墨承载盘 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种可调控局域温场的石墨承载盘，包括若干个设置在承载盘上方的晶圆凹槽，用于置放外延晶圆衬底，所述晶圆凹槽的背面至少设置有一开槽结构，且所述开槽结构与石墨承载盘呈同心圆关系，所述开槽结构并填充导入材料或仅开槽结构，用于在外延生长过程中能实现石墨承载盘局部温场调控，从而平衡石墨承载盘的整体温场，提高外延晶圆的边缘良率，改善外延晶圆的波长均匀性和整体良率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种可调控局域温场的石墨承载盘。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是一种固态半导体二极管发光器件，被广泛用于指示灯、显示屏等照明领域。
目前，LED外延（英文为Epitaxy）晶圆多是通过金属有机化合物化学气相沉淀（英文为Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD）获得，其制程一般为：将外延晶圆衬底（如蓝宝石衬底）放入石墨承载盘（英文为Wafer carrier）的凹槽上，连同石墨承载盘一起被传入MOCVD反应室内，衬底连同石墨承载盘被一起加热到高温1000℃左右，反应室内通入有机金属化合物和五族气体，高温裂解后在晶圆衬底上重新聚合形成LED外延层。
图1展示了传统的LED外延用石墨承载盘俯视图，其上分布为若干个设置在承载盘上方的晶圆凹槽1（英文可称之为Pocket Profile），用于置放外延晶圆衬底。目前LED石墨承载盘的晶圆凹槽1设计主要有三种：平盘（Flat盘），台阶状边缘盘（Rim盘）和突起状边缘盘（Tab盘）。
以GaN基LED为例，由于蓝宝石晶圆衬底与GaN外延层存在较大的晶格失配和热失配，在外延生长过程中，衬底会产生翘曲现象，尤其是4寸衬底的翘曲更为严重现象，导致外延片不同位置的温场分布离散度高，例如平边位置的温度偏低，引起平边位置的波长偏长、STD良率低、表面黑洞等问题，导致外延良率和芯片良率偏低。因此，采用传统的石墨承载盘无法精确调控局域温场，很难获得均匀性良率良好的LED外延片。
发明内容
为解决以上现有技术不足，本发明提供一种可调控局域温场的石墨承载盘，其用于外延生长的LED晶圆，具有温场均匀性好、波长均匀性好、整体良率高的优点。
本发明的技术方案为：可调控局域温场的石墨承载盘，包括若干个设置在承载盘上方的晶圆凹槽，用于置放外延晶圆衬底，所述晶圆凹槽的背面至少设置有一开槽结构，且所述开槽结构与石墨承载盘呈同心圆关系。
晶圆凹槽设置在承载盘上方，用于置放外延晶圆衬底，还包括石墨承载盘的边缘以及设置在石墨承载盘中心的轴孔。根据不同工艺参数的需要，可设置不同数量及不同尺寸的凹槽。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述开槽结构的形状为连续式环形或间断式环形。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述开槽结构位于晶圆衬底平边空隙位置的下方，并在开槽结构中填充导热系数比石墨承载盘高的高导热材料。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述高导热材料为石墨烯或碳化硅或钛金属或钨金属或前述任意组合。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述开槽结构位于晶圆衬底的下方，可以在开槽结构中填充导热系数比石墨承载盘低的低导热材料，也可不填充任何导热材料。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述低导热材料为陶瓷或碳纤维增强酚醛树脂或聚四氟乙烯或前述任意组合。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述填充高导热材料的开槽结构在晶圆凹槽背面的位置远离石墨承载盘中心。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述不填充导热材料或者填充低导热材料的开槽结构在晶圆凹槽背面的位置靠近石墨承载盘中心。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述开槽结构的形成方式可与晶圆凹槽一体成型，或是在形成晶圆凹槽后采用挖槽方式成型。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述开槽结构的高度为4~10mm。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述开槽结构的个数与所述晶圆凹槽的圈数一致。
进一步地，根据本发明，优选的是：所述导热材料的填充方式为涂覆或键合或前述组合。
进一步地，根据本发明，所述开槽结构并填充导热材料或仅开槽结构，用于在外延生长过程中能实现石墨承载盘局部温场调控，从而平衡石墨承载盘的整体温场，提高外延晶圆的边缘良率，改善外延晶圆的波长均匀性和整体良率。
本发明公开的石墨承载盘，其在晶圆凹槽的背面设置开槽结构并填充材料（或仅开槽结构），能够调控石墨承载盘局部温场（Locally Controlled Temperature），提高晶圆衬底平边对应位置的温度，从而平衡石墨承载盘的整体温场，有利于改善平边位置温度偏低导致波长偏长、表面黑点等缺陷高、STD差等问题，有效提升外延晶圆的波长均匀性、表面良率、光电性能和芯片良率。
上述可调控局域温场的石墨承载盘，适用于LED外延制程的MOCVD方法。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是传统的LED外延用石墨承载盘俯视图（为便于理解，衬底未全部示出）。
图2是本发明实施例1的石墨承载盘仰视图。
图3是图2凹槽结构沿A-A方向的剖视图。
图4是本发明实施例1的石墨承载盘与传统石墨承载盘的外延晶圆温场对比图。
图5是本发明实施例1的石墨承载盘与传统石墨承载盘的外延晶圆波长对比图。
图6是本发明实施例2的石墨承载盘仰视图（外圈晶圆衬底未示出）。
图7是本发明实施例3的石墨承载盘仰视图（外圈晶圆衬底未示出）。
图8是本发明实施例4的石墨承载盘仰视图（外圈晶圆衬底未示出）。
符号说明
1：石墨承载盘上的晶圆凹槽；2：石墨承载盘的边缘；3：石墨承载盘中心的轴孔；4：具有平边的晶圆衬底；5：平边；6：开槽结构；7：高导热材料；8：低导热材料。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，有关本发明的相关技术内容，特点与功效，将可清楚呈现。
下面结合实施例和附图对本发明的具体实施做进一步的说明。
实施例1
参照图2~图3所示，可调控局域温场的石墨承载盘，包括：14个4寸（直径约为100.7mm）晶圆凹槽1（分内外2圈排列，经过内外圈各晶圆凹槽中心的圆呈同心圆关系）、石墨承载盘的边缘2以及设置在石墨承载盘中心的轴孔3，其中晶圆凹槽1设置在承载盘上方，用于置放具有平边5的晶圆衬底4，以及在晶圆凹槽的背面至少设置有2个开槽结构6（优选地，其开槽数目与晶圆凹槽的圈数保持一致），且所述开槽结构与石墨承载盘呈同心圆关系。
为了精确调控平边位置的温度，本实施例的石墨承载盘其开槽结构位于晶圆衬底平边空隙位置的下方，并在开槽结构中填充导热系数比石墨承载盘高的高导热材料7（优选石墨烯材料）。由于石墨烯导热系数较石墨承载盘更好，且石墨烯具有厚度薄，导热速度更快等优点，在晶圆凹槽的背面形成开槽结构，热辐射的加热效果更好，从而提升平边对应位置的温度，解决该位置的波长偏长、表面黑点等缺陷高、STD差等问题。
开槽结构的形成方式可与晶圆凹槽一体成型，或是在形成晶圆凹槽后采用挖槽方式成型。
为便于制作并降低成本，在本实施例开槽结构与晶圆凹槽一体成型，其形状为连续式环形，且加工参数为：开槽结构的高度为4.5mm，宽度为15mm。
由于石墨承载盘在生长过程中高速旋转，导致石墨承载盘载片槽（Pocket）的衬底受离心力作用，衬底一边会紧靠着石墨承载盘，因此在本实施例优选填充高导热材料的开槽结构在晶圆凹槽背面的位置远离石墨承载盘中心，如此可以有效平衡整炉各外延晶圆的温场，从而获得较好的波长均匀性。填充导热材料的方式可以为涂覆或者键合，在本实施例优选涂覆方式，填充厚度为0.5mm即可。
上述实施例提出的石墨承载盘，适用于LED外延制程的MOCVD方法。经测定，在外延生长过程中，藉由本发明的石墨承载盘，其在晶圆凹槽的背面设置开槽结构并填充材料（或仅开槽结构），如此能够调控石墨承载盘局部温场，提高晶圆衬底平边对应位置的温度，从而平衡石墨承载盘的整体温场，有利于改善平边位置温度偏低导致波长偏长、表面黑点等缺陷高、STD差等问题，有效提升外延晶圆的波长均匀性、表面良率、光电性能和芯片良率。
参照图4~图5所示，本实施例石墨承载盘外延晶圆的温场均匀性，相较传统石墨承载盘外延晶圆的温场均匀性平均可以提升40%以上，波长STD可以从2.5nm下降至1.0~1.5nm，即波长均匀性大大改善，有效地提升了外延产品良率，对于减少LED单片产出成本，提升外延质量均匀性有显著功效。
实施例2
参照图6所示，与实施例1不同的是，实施例1是通过提高石墨承载盘局部区域的温度来实现温场平衡，而本实施例仅在晶圆凹槽的背面设置开槽结构6，但不填充导热材料，开槽结构位于晶圆衬底的下方，且靠近石墨承载盘中心，如此可以通过降低石墨承载盘局部区域的温度，实现温场平衡，从而在改善外延晶圆的温场均匀性和波长均匀性的前提下，简化制作工艺，并降低制作成本。
实施例3
参照图7所示，与实施例2不同的是，本实施例在晶圆凹槽的背面设置开槽结构后，再填充导热系数比石墨承载盘低的低导热材料8，低导热材料可以选用陶瓷或碳纤维增强酚醛树脂或聚四氟乙烯，在本实施例优选碳纤维增强酚醛树脂，并通过键合方式实现填充。本实施例可以有效地克服传统石墨盘无法控制局域温场的困难，通过降低局部区域的导热，从而精确地控制温场均匀性，改善4寸衬底平边1/6面积的波长偏长、平边位置缺陷密度高等问题，有效提升外延片的波长均匀性、表面良率、光电性能和芯片良率。
实施例4
参照图8所示，与实施例1不同的是，本实施例中与内外圈晶圆凹槽对应的开槽结构宽度不一致。由于石墨承载盘的中心温度相对较高，而边缘温度较低，因而优选地，内圈的开槽结构宽度为10mm，外圈的开槽结构的宽度为15mm，如此填充石墨烯高导热材料后，可以更有效地保证整体石墨承载盘的温场均匀性。需要说明的是，如果晶圆凹槽的圈数为3圈以上，则视需要可以将开槽结构宽度（或高度）参数值由内至外调整为呈梯度逐渐上升。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.可调控局域温场的石墨承载盘，包括若干个设置在承载盘上方的晶圆凹槽，用于置放外延晶圆衬底，所述晶圆凹槽的背面至少设置有一开槽结构，且所述开槽结构与石墨承载盘呈同心圆关系。
2.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述开槽结构并填充导入材料或仅开槽结构，用于在外延生长过程中能实现石墨承载盘局部温场调控，从而平衡石墨承载盘的整体温场，提高外延晶圆的边缘良率，改善外延晶圆的波长均匀性和整体良率。
3.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述开槽结构的形状为连续式环形或间断式环形。
4.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述开槽结构的形成方式与晶圆凹槽一体成型，或是在形成晶圆凹槽后采用挖槽方式成型。
5.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述开槽结构的高度为4~10mm。
6.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述开槽结构的个数与所述晶圆凹槽的圈数一致。
7.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述导热材料的填充方式为涂覆或键合或前述任意组合。
8.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述开槽结构位于晶圆衬底平边空隙位置的下方，并在开槽结构中填充导热系数比石墨承载盘高的高导热材料。
9.根据权利要求8所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述高导热材料为石墨烯或碳化硅或钛金属或钨金属或前述任意组合。
10.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述填充高导热材料的开槽结构在晶圆凹槽背面的位置远离石墨承载盘中心。
11.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述开槽结构位于晶圆衬底的下方，在开槽结构中填充导热系数比石墨承载盘低的低导热材料，或不填充任何导热材料。
12.根据权利要求11所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述低导热材料为陶瓷或碳纤维增强酚醛树脂或聚四氟乙烯或前述任意组合。
13.根据权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，其特征在于：所述不填充导热材料或者填充低导热材料的开槽结构在晶圆凹槽背面的位置靠近石墨承载盘中心。
14.一种LED外延制程的MOCVD方法，其特征在于：使用权利要求1所述的可调控局域温场的石墨承载盘，以实现石墨承载盘局部温场调控，从而平衡石墨承载盘的整体温场，提高外延晶圆的边缘良率，改善外延晶圆的波长均匀性和整体良率。
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