CN104178806A

CN104178806A - 悬挂式双面外延生长装置

Info

Publication number: CN104178806A
Application number: CN201410412073.1A
Authority: CN
Inventors: 刘兴昉; 刘斌; 闫果果; 王雷; 赵万顺; 张峰; 孙国胜; 曾一平
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2014-12-03

Abstract

一种悬挂式双面外延生长装置，包括：一悬挂式片架，该悬挂式片架包括：三个立柱，每一立柱上开有凹槽，每个立柱上的凹槽有一个或多个，三个立柱相同高度位置的凹槽构成一组；其中将三个立柱等距竖立排列，使三个立柱分别位于一等边三角形三个顶点处，将一衬底插入到立柱的凹槽内，使衬底悬挂于片架上，形成双面悬空的效果。本发明能够为单片直径达六至八英寸、单次同时双面外延制备提供装置及方法支持，既可以避免外延材料翘曲，又可以提高外延生产效率、提高气体利用率、降低能耗等。

Description

悬挂式双面外延生长装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)悬挂式双面外延生长装置。

背景技术

当前，许多关键半导体材料都采用CVD方法制备，如在硅基衬底上异质外延3C-SiC，在4H-SiC衬底上同质外延4H-SiC，在蓝宝石衬底上异质外延GaN，在Cu、Ni等金属衬底或锗衬底上异质外延石墨烯等。通常，CVD生长方案如图1所示，其核心是将衬底片104平铺在可旋转载盘105上，其特点是衬底片与载盘接触的表面无外延生长，只有衬底片的另一表面可以进行外延生长。由于硅衬底与其上的外延材料往往存在较大的晶格失配、热失配，如3C-SiC与Si的晶格失配达20％，热失配达8％，随着外延层增厚，失配应力增大，到一定程度后硅衬底会翘曲，这会降低外延材料的品质，并且不利于后续半导体工艺的实施。如果能够同时在硅衬底的两个表面进行外延生长，则可以消除上述不利影响。在GaN基LED技术中，虽然蓝宝石衬底生长GaN后不易翘曲，单面外延生长影响不大，但是蓝宝石衬底是可以剥离的，如果可以在蓝宝石衬底上双面异质外延，则可以将生产效率提高一倍，相应的载气、反应源气使用效率也可以提高。在石墨烯的生长方案中，情况也类似上述。目前商业CVD设备其气体利用率一般只有10-20％。因此，基于上述原因，急需发展新的高效生长装置以及对应的生长方法来进一步扩展CVD方法的外延生长能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种悬挂式双面外延生长装置，其能够为单片直径达六至八英寸、单次同时双面外延制备提供装置及方法支持，既可以避免外延材料翘曲，又可以提高外延生产效率、提高气体利用率、降低能耗等。

本发明提供一种悬挂式双面外延生长装置，包括：

一悬挂式片架，该悬挂式片架包括：

三个立柱，每一立柱上开有凹槽，每个立柱上的凹槽有一个或多个，三个立柱相同高度位置的凹槽构成一组；

其中将三个立柱等距竖立排列，使三个立柱分别位于一等边三角形三个顶点处，将一衬底插入到立柱的凹槽内，使衬底悬挂于片架上，形成双面悬空的效果。

相比于一般化学气相沉积装置，本发明避免了单面生长可能引起翘曲的不利影响，也避免了单面生长引起生产效率较低的不利影响，而是采用可扩展、易于布署的悬挂架硬件结构，不再像现有技术那样将衬底平铺在转盘上，从而只能在一个表面进行外延生长，而是采用悬挂式装片，可以同时在衬底两个表面进行外延生长，这样既可避免硅底和外延材料之间由于失配造成的翘曲，又可以在相同的生长条件下生长更多面积的外延片，本发明采用悬挂架，其结构可靠，操作简单，可以达到避免翘曲、增加生产效率、提高生长源气利用率和降低成本的目的。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1示出了现有技术中CVD装置示意图；

图2示出了本发明提供的悬挂式双面外延生长装置中悬挂式片架的一个实施例的示意图；

图3示出了本发明提供的悬挂式双面外延生长装置按水平方式装载悬挂式片架的一个实施例的示意图；

图4示出了本发明提供的悬挂式双面外延生长装置按水平方式装载多片悬挂式片架的一个实施例的示意图；

图5示出了本发明提供的悬挂式双面外延生长装置按垂直方式装载悬挂式片架的一个实施例的示意图；

图6示出了本发明提供的悬挂式双面外延生长装置按垂直方式装载多片悬挂式片架的一个实施例的示意图；

图7示出了本发明提供的由悬挂式双面外延生长装置生长硅基异质外延n型3C-SiC的一个实施例的示意图；

图8示出了本发明提供的由悬挂式双面外延生长装置生长基于4H-SiC同质外延的PiN结构材料的一个实施例的示意图；

图9示出了本发明提供的由悬挂式双面外延生长装置生长在锗衬底上异质外延石墨烯的一个实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明示例性的实施例进行描述。为了清楚和简要起见，实际的实施例并不局限于说明书中所描述的这些技术特征。然而，应该理解的是，在改进任何一个所述实际实施例的过程中，多个具体实施例的决定必须是能够实现改进人员的特定目标，例如，遵从行业相关和商业相关的限制，所述限制随着实施例的不同而变化。而且，应该理解的是，前述改进的效果即使是非常复杂和耗时的，但是这对于知晓本发明益处的本领域技术人员来说仍然是常规技术手段。

请参阅图2所示，本发明提供一种悬挂式双面外延生长装置，包括：

一悬挂式片架20，该悬挂式片架20包括：三个立柱201，为圆柱体，其尺寸用立柱高度和立柱直径表示，每一立柱201上开有凹槽203，开槽方式为直接在立柱上挖取，凹槽203的形状为半圆柱体，其尺寸用凹槽高度和凹槽底圆直径表示，其凹槽底圆直径与立柱直径相同或者不同，使立柱201有足够的强度不致于断裂，又使衬底202可以牢靠固定于立柱上不致于脱落。立柱201上的凹槽203有一个或者多个，如果有多个凹槽203，其间距可按需求设定，可以为0.5毫米至2厘米。三个立柱201相同高度位置的凹槽203构成一组。立柱201的材料为石英玻璃、高温金属或石墨，使立柱201可以处于室温至1200摄氏度、室温至1500摄氏度或室温至2200摄氏度的环境中。立柱201的直径为510毫米，使其尽量保持体积小的条件下具有一定的强度、稳定性，可以在安装有一个或者多个衬底202的工况下不倾倒、散架。

其中将三个立柱201等距竖立排列，使三个立柱201分别位于一等边三角形三个顶点处，此等边三角形外接圆直径与衬底202直径相同，将衬底202插入到立柱201的凹槽203内，使衬底202悬挂于片架20上，形成双面悬空的效果。

请参阅图3所示，为本发明的一实施例，其提供了本发明中悬挂式双面外延生长装置的悬挂式片架的水平装载实施例。结合图2所示，所述悬挂式片架20是高温金属如钼构成的，由三根直径5毫米、高5厘米的立柱201组成，每个立柱上分布有1个凹槽203。三个立柱上的凹槽处于同高度位置，可以固定衬底202，生长时，将1个六英寸衬底202置于凹槽203中，形成悬挂式装载。如图3所示，将悬挂式片架20置于载盘303上，使衬底202平行于载盘303表面放置，进气口302位于生长室301顶端面右边缘，出气口304位于生长室301底端面左边缘，使源气以偏轴的方式流过悬挂式片架，并使源气以一定的动量沿一定的角度掠入射至衬底202两个表面，载盘303可以绕轴305转动，使源气均匀地流过衬底202两个表面。加热器306沿轴向环绕生长室，其高度完全高于悬挂式片架，使衬底处于一个均匀、稳定的温度场中。

请参阅图4所示，为本发明的又一实施例，其提供了本发明中悬挂式双面外延生长装置的多片悬挂式片架的水直装载实施例。所述多片悬挂式片架20是高温金属如钼构成的，由三根直径5毫米、高20厘米的立柱201组成，每个立柱上分布有多个凹槽203。三个立柱上的凹槽处于同高度位置，可以固定衬底202，生长时，将多个六英寸衬底202置于凹槽203中，形成多片悬挂式装载。如图4所示，将多片悬挂式片架20置于载盘303上，使衬底202平行于载盘303表面放置，进气口302位于生长室301顶端面右边缘，出气口304位于生长室301底端面左边缘，使源气以偏轴的方式流过悬挂式片架，并使源气以一定的动量沿一定的角度掠入射至衬底202两个表面，载盘303可以绕轴305转动，使源气均匀地流过衬底202两个表面。加热器306沿轴向环绕生长室，其高度完全高于悬挂式片架，使衬底处于一个均匀、稳定的温度场中。

参阅图5所示，为本发明的又一实施例，其提供了本发明中悬挂式双面外延生长装置的悬挂式片架的垂直装载实施例。结合图2所示，所述悬挂式片架20是高温金属如钼构成的，由三根直径5毫米、高6厘米的立柱201组成，每个立柱上分布有1个凹槽203。三个立柱上的凹槽处于同高度位置，可以固定衬底202，生长时，将1个六英寸衬底202置于凹槽203中，形成悬挂式装载。如图5所示，将悬挂式片架20置于载盘303上，使衬底202垂直于载盘504表面放置，进气口502位于生长室501顶端面正中，并在生长室501中内接有喇叭口503，出气口505位于生长室501底端面中间，喇叭口503尺寸大于悬挂式片架20，使源气均匀扩展，并以平行衬底202的方式流过外延表面，并使源气以一定的动量沿一定的角度掠入射至衬底202两个外延表面，载盘504可以绕轴507转动，使源气均匀地流过衬底202两个表面。加热器506沿轴向环绕生长室501，其高度完全高于衬底202，使衬底202处于一个均匀、稳定的温度场中。

参阅图6所示，为本发明的又一实施例，其提供了本发明中悬挂式双面外延生长装置的多片悬挂式片架的垂直装载实施例。多片悬挂式片架20是高温金属如钼构成的，由三根直径5毫米、高20厘米的立柱201组成，每个立柱上分布有多个凹槽203。三个立柱上的凹槽处于同高度位置，可以固定衬底202，生长时，将多个六英寸衬底202置于凹槽203中，形成悬挂式装载。如图6所示，将多片悬挂式片架20置于载盘303上，使衬底202垂直于载盘504表面放置，进气口502位于生长室501顶端面正中，并在生长室501中内接有喇叭口503，出气口505位于生长室501底端面中间，喇叭口503尺寸大于悬挂式片架20，使源气均匀扩展，并以平行衬底202的方式流过外延表面，并使源气以一定的动量沿一定的角度掠入射至衬底202两个外延表面，载盘504可以绕轴507转动，使源气均匀地流过衬底202两个表面。加热器506沿轴向环绕生长室501，其高度完全高于衬底202，使衬底202处于一个均匀、稳定的温度场中。

参阅图7所示，为本发明的又一实施例，其提供了由悬挂式双面外延生长装置生长硅基异质外延n型3C-SiC的一个实施例。结合附图4、附图6，包括如下步骤：

步骤1：将衬底片202装载于悬挂式片架20上，按垂直或水平装载方式将悬挂式片架20置于载盘上；

步骤2：抽真空，一定时间后，通入载气，并设置生长室气压；

步骤3：稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度，保温；

步骤4：升温至第二阶段温度，其间通入第一种生长源气，到达第二阶段温度时再通入第二种生长源气；

步骤5：生长一定时间后依次断开第二种、第一种生长源气，随即断开加热器进行降温，保持整个过程通有载气。

实施细节如下：

将4片4英寸p型Si(100)衬底片装载于多片悬挂架上，按垂直或水平装载方式将多片悬挂架置于载盘上，抽真空至1E-3帕，1小时后，通入载气H₂，并设置生长室气压为5000帕。约5分钟稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度1150摄氏度，保温60分钟，以净化生长室以及衬底表面。10分钟内升温至第二阶段温度1280摄氏度，至1200摄氏度时通入第一种生长源气C₂H₄，流量为30sccm。到达第二阶段温度时再通入第二种生长源气SiH₄，流量为20sccm，此时进行外延生长，生长2小时后依次断开第二种、第一种生长源气，随即断开加热器进行降温，保持整个过程通有载气H₂，流量为15slm。

参阅图8所示，为本发明的又一实施例，其提供了由悬挂式双面外延生长装置生长基于4H-SiC同质外延的PiN结构材料的一个实施例。结合附图4、附图6，包括如下步骤：

步骤2：抽真空，一预定时间后，通入载气，并设置生长室气压；

步骤3：稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度，保温；

步骤4：一预定时间内升温至第二阶段温度，其间通入第一种生长源气，到达第二阶段温度时通入第二种生长源气，并同时通入n型掺杂剂，生长一预定时间后断开n型掺杂剂；

步骤5：生长一预定时间后通入p型掺杂剂；

步骤6：生长一预定时间后通入更大流量的p型掺杂剂；

步骤7：生长一预定时间后断开p型掺杂剂，同时断开第二种生长源气，随后断开第一种生长源气，随即断开加热器进行降温，保持整个过程通有载气。

实施细节如下：

将4片4英寸p型4H-Si(0001)衬底片装载于多片悬挂架上，按垂直或水平装载方式将多片悬挂架置于载盘上，抽真空至1E-3帕，1小时后，通入载气H₂，并设置生长室气压为5000帕。约5分钟稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度1350摄氏度，保温60分钟，以净化生长室以及衬底表面。20分钟内升温至第二阶段温度1700摄氏度，至1620摄氏度时通入第一种生长源气C2H₄，流量为800sccm。到达第二阶段温度时再通入第二种生长源气SiH₄，流量为700sccm，并同时通入n型掺杂剂NH₃，流量为50sccm。此时进行N+外延薄层的生长，生长10分钟后断开n型掺杂剂NH₃，此时进行N-外延厚层的生长，100分钟后通入p型掺杂剂B₂H₆，流量为60sccm，此时进行p外延薄层的生长，生长10分钟后增加p型掺杂剂B₂H₆流量，流量为90sccm，此时进行p+外延薄层的生长，生长2分钟后断开p型掺杂剂B₂H₆，同时断开第二种生长源气SiH₄，随后断开第一种生长源气C₂H₄，随即断开加热器进行降温，保持整个过程通有载气H₂，流量为120slm。

参阅图9所示，为本发明的又一实施例，其提供了由悬挂式双面外延生长装置生长在锗衬底上异质外延石墨烯的一个实施例。结合附图3、附图5，其包括如下步骤：

步骤3：稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度，保温；

步骤4：通入惰性气体，升温至第二阶段温度，通入第一种生长源气；

步骤7：一预定时间后断开第一种生长源气，随即断开加热器进行快速降温，保持降温阶段通有载气。

实施细节如下：

将1片6英寸Ge(110)衬底装载于悬挂架上，按垂直或水平装载方式将悬挂架置于载盘上，抽真空至1E-3帕，1小时后，通入载气H₂，流量为1slm，并设置生长室气压为60000帕。约5分钟稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度850摄氏度，保温30分钟，以净化生长室以及衬底表面。通入惰性气体Ar，流量为3slm，升温至第二阶段温度900摄氏度，通入第一种生长源气CH₄，流量为10sccm，此时进行石墨烯的生长，生长20分钟后断开第一种生长源气CH₄，随即断开加热器进行快速降温至500摄氏度，使衬底外延表面降温速率达每分钟400摄氏度，保持降温阶段通有载气。

尽管基于一些优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该知晓，本发明的范围并不限于那些实施例。在不脱离本发明的精神和实质的情况下，本领域的普通技术人员在理解本发明的基础上能够对实施例进行各种变化和修改，并且因此落入本发明所附权利要求限定的保护范围。

Claims

1.一种悬挂式双面外延生长装置，包括：

一悬挂式片架，该悬挂式片架包括：

2.根据权利要求1所述的悬挂式双面外延生长装置，其中所述立柱的材料为石英玻璃、高温金属或超纯石墨。

3.根据权利要求2所述的悬挂式双面外延生长装置，其中所述立柱的直径为5-10毫米。

4.根据权利要求1所述的悬挂式双面外延生长装置，其中所述悬挂式片架按水平方式装载，包括：

将悬挂式片架置于载盘上，使衬底平行于载盘表面放置，进气口位于生长室顶端面右边缘，出气口位于生长室底端面左边缘，载盘可以绕轴转动，加热器沿轴向环绕生长室，其高度完全高于悬挂式片架。

5.根据权利要求1所述的悬挂式双面外延生长装置，其中所述悬挂式片架按垂直方式装载，包括：

将悬挂式片架置于载盘上，使衬底垂直于载盘表面放置，进气口位于生长室顶端面正中，并在生长室中内接有喇叭口，出气口位于生长室底端面中间，喇叭口尺寸大于悬挂式片架，载盘可以绕轴转动，加热器沿轴向环绕生长室，其高度完全高于衬底。

6.根据权利要求1、4或5所述的悬挂式双面外延生长装置，其中提供硅基异质外延n型3C-SiC的生长，包括如下步骤：

步骤1：将衬底片装载于悬挂式片架上，按垂直或水平装载方式将悬挂式片架置于载盘上；

步骤3：稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度，保温；

7.根据权利要求1、4或5所述的悬挂式双面外延生长装置，其中提供基于4H-SiC同质外延的PiN结构材料的生长，包括如下步骤：

步骤1：将一衬底片装载于悬挂式片架上，按垂直或水平装载方式将悬挂式片架置于载盘上；

步骤3：稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度，保温；

步骤5：生长一预定时间后通入p型掺杂剂；

步骤6：生长一预定时间后通入更大流量的p型掺杂剂；

8.根据权利要求1、4或5所述的悬挂式双面外延生长装置，其中提供锗衬底上异质外延石墨烯的生长，包括如下步骤：

步骤3：稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度，保温；

9.根据权利要求1、4或5所述的悬挂式双面外延生长装置，其中通入的载气为H₂；惰性气体为Ar。

10.根据权利要求6或7所述的塔式多片外延生长装置，其中通入的源气为SiH₄或C₂H₄；通入的n型掺杂剂为NH₃；通入的p型掺杂剂为B₂H₆；通入的源气为CH₄；使用的衬底片为Si或4H-SiC。

11.根据权利要求8所述的塔式多片外延生长装置，其中使用的衬底片为Ge。