CN104195629A - 塔式多片外延生长装置 - Google Patents
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Abstract
一种塔式多片外延生长装置，包括：一塔式片架，该塔式片架包括：三个立柱，每一立柱上开有凹槽，立柱上的凹槽有多个，三个立柱相同高度位置的凹槽构成一组；托盘，其边缘厚度与每一立柱上的凹槽的高度相同，每个托盘可以稳定固定于一组凹槽中，托盘的个数与凹槽组数相同；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，将托盘插入到立柱的凹槽内，形成多层、塔式装载的效果。本发明能够为单片直径达六至八英寸、单次装载量高达几十片的外延制备提供装置及方法支持，极大地提高工业化生产效率，如提高产能，提高气体利用率，降低能耗等。
Description
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)塔式多片外延生长装置。
背景技术
化学气相沉积(CVD)是一种材料生长方法，它采用气态先驱体作为反应源，并通过载气(H2或N2)输运到反应室，在高温衬底表面进行分解、扩散和化合反应等进行外延生长。利用气路控制机构改变进入生长室的气相组分来实现不同材料的多种结构，反应的副产物和未反应的气态先驱体经过尾气系统排出。随着CVD技术的不断成熟，它已逐渐成为制备半导体材料的一种主流技术，可以进行多片、大面积外延生长，并适合于大规模工业化生产。当前，许多关键半导体材料都采用CVD方法制备，如InAs/GaSb、ZnO、SiC、GaN或石墨烯等。
商业公司制造的CVD设备市场占有率高，通常一家LED公司会拥有几十至上百台CVD机台。当前CVD技术的发展方向是一次性可以制备高达几十片两英寸外延片，或者数片六英寸外延片。它的结构原理如图1所示，其核心方案是将外延片104分别装入托盘，然后将所有托盘摊开平铺在可旋转载盘105上。其特点是随着外延面积增加，载盘直径随之增加。假设外延片的半径为r，外延片数量为n，则载盘直径与成正比。如要生长50片2英寸外延片，载盘直径高达40厘米以上。带来不利的影响是，随着载盘直径增加，生长室直径也增加了，体积随之增加，此时，要使所有外延片具有均匀的气流场和温度场变得复杂了，维持成本大大提高，且不易部署。另外，随着生长室体积增加，所需载气、反应先驱体也要增加，源气使用效率降低，商业CVD设备其气体利用率一般只有1020％。因此，急需发展新的多片、大面积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，本发明提供了一种塔式多片外延生长装置，其能够为单片直径达六至八英寸、单次装载量高达几十片的外延制备提供装置及方法支持，极大地提高工业化生产效率，如提高产能，提高气体利用率，降低能耗等。
本发明提供一种塔式多片外延生长装置，包括：
一塔式片架，该塔式片架包括：
三个立柱，每一立柱上开有凹槽，立柱上的凹槽有多个，三个立柱相同高度位置的凹槽构成一组；
托盘，其边缘厚度与每一立柱上的凹槽的高度相同，每个托盘可以稳定固定于一组凹槽中，托盘的个数与凹槽组数相同；
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，将托盘插入到立柱的凹槽内，形成多层、塔式装载的效果。
相比于一般大型商业化学气相沉积装置，本发明避免了多片、大面积外延时需要不断增大载盘直径以及增大生长室体积的不利影响，而是采用可扩展、易于布署的片架式硬件结构，不再像现有技术那样采用平铺式装片，而是采用塔式装片，可以在生长室体积容量相同的条件下生长更多面积的外延片，其结构可靠，操作简单，可以达到增加生长效率、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具体技术内容，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塔式多片外延生长装置片架的一个实施例的示意图；
图3示出了本发明提供的塔式多片外延生长装置按水平方式装载片架的一个实施例的示意图；
图4示出了本发明提供的塔式多片外延生长装置按垂直方式装载片架的一个实施例的示意图；
图5示出了本发明提供的由塔式多片外延生长装置生长碳化硅的一个实施例的示意图；
图6示出了本发明提供的由塔式多片外延生长装置生长氮化镓的一个实施例的示意图；
图7示出了本发明提供的由塔式多片外延生长装置生长石墨烯的一个实施例的示意图；
图8示出了本发明提供的由塔式多片外延生长装置生长InAs/GaSb超晶格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，本发明提供一种塔式多片外延生长装置，包括：
一塔式片架20，该塔式片架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204，开槽方式为直接在立柱上挖取，凹槽204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，又使托盘202可以牢靠固定于立柱上不致于脱落。立柱201上的凹槽204有多个，凹槽204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204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5-10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，可以在安装有多个托盘202的工况下不倾倒、散架。
托盘202，其尺寸用边缘厚度、样品区厚度和托盘直径表示，其边缘厚度与每一立柱201上的凹槽204的高度相同，样品区厚度稍小于边缘厚度，使托盘202在样品区内凹，使样品可以放于样品区不滑落。每个托盘202可以稳定固定于一组凹槽中，托盘202的个数与凹槽组数相同。托盘202的托盘直径为50-220毫米，其组成材料为石英玻璃、高温金属或石墨。托盘202样品区可以不分区，或者进一步分多个区，使其可以放置1个或多个2英寸、3英寸、4英寸、6英寸或8英寸样品。
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托盘202直径相同，将托盘202插入到立柱201的凹槽204内，形成多层、塔式装载的效果。
参阅图3所示，为本发明的一实施例，其提供了本发明中塔式多片外延生长装置的塔式片架的水平装载实施例。结合图2所示，所述塔式片架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，每个立柱上分布有等间距的20个凹槽204。三个立柱上同高度位置的片槽可以固定托盘202，衬底片203放置于托盘202中。生长时，将20个装有六英寸衬底203的托盘202置于凹槽204中，形成塔式装载，可以一次性装载20片六英寸外延片。如图3所示，将塔式片架20置于载盘303上，使衬底片203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塔式片架，并使源气以一定的动量沿一定的角度掠入射至衬底203外延表面，载盘303可以绕轴305转动，使源气均匀地流过每个衬底203外延表面。加热器306沿轴向环绕生长室，其高度完全高于塔式片架，使衬底片均处于同一稳定温度场中。
参阅图4所示，为本发明的又一实施例，其提供了本发明中塔式多片外延生长装置的塔式片架的垂直装载实施例。结合图2所示，所述塔式片架20是石英琉璃构成的，由三根直径8毫米、高10厘米的立柱201组成，每个立柱上分布有等间距的12个凹槽204。三个立柱上同高度位置的片槽可以固定托盘202，衬底片203放置于托盘202中。生长时，将12个装有四英寸衬底203的托盘202置于凹槽204中，形成塔式装载，可以一次性装载12片四英寸外延片。如图4所示，将塔式片架20置于载盘404上，使衬底203垂直于载盘404表面放置，进气口402位于生长室401顶端面正中，并在生长室401中内接有喇叭口403，出气口405位于生长室401底端面中间，喇叭口403尺寸大于塔式片架，使源气均匀扩展，并以平行衬底203外延表面的方式流过塔式片架，并使源气以一定的动量沿一定的角度掠入射至衬底203外延表面，载盘404可以绕轴407转动，使源气均匀地流过每个衬底203外延表面。加热器406沿轴向环绕生长室401，其高度完全高于塔式片架，使衬底片均处于同一稳定温度场中。
参阅图5所示，为本发明的又一实施例，其提供了由塔式多片外延生长装置生长碳化硅的一个实施例。包括如下步骤：
步骤1：将衬底片203装载于塔式片架20上，按垂直或水平装载方式将塔式片架20置于载盘上；
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：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：生长一预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20片4英寸4H-SiC衬底片装载于塔式片架上，按垂直或水平装载方式将片架置于载盘上，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1400摄氏度，保温50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1680摄氏度，至1600摄氏度时通入第一种生长源气C2H4，流量为600sccm。到达第二阶段温度时再通入第二种生长源气SiH4，流量为500sccm，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100slm。
参阅图6所示，为本发明的又一实施例，其提供了由塔式多片外延生长装置生长氮化镓的一个实施例。其包括如下步骤：
步骤1：将衬底片203装载于塔式片架20上，按垂直或水平装载方式将塔式片架20置于载盘上；
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：降温至第二阶段温度，到达第二阶段温度时依次通入第一、第二种生长源气，生长一预定时间后断开第二种生长源气；
步骤5：随即升温至第三阶段温度，到达第三阶段温度时再次通入第二种生长源气；
步骤6：生长一预定时间后断开第二种生长源气，随即断开加热器进行降温，随后断开第一种生长源气，保持整个过程通有载气。
实施细节如下：
将12片4英寸蓝宝石衬底片装载于塔式片架上，按垂直或水平装载方式将片架置于载盘上，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25000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50分钟，以净化生长室以及衬底表面。降温至第二阶段温度550摄氏度，到达第二阶段温度时依次通入第一、第二种生长源气NH3、TMGa，流量分别为500sccm、700sccm。此时进行低温缓冲层的外延生长，生长20分钟后断开第二种生长源气TMGa，随即升温至第三阶段温度1050摄氏度，到达第三阶段温度时再次通入第二种生长源气TMGa，流量为500sccm，此时进行外延层的生长，生长1小时后断开第二种生长源气TMGa，随即断开加热器进行降温，随后断开第一种生长源气NH3，保持整个过程通有载气H2。
参阅图7所示，为本发明的又一实施例，其提供了由塔式多片外延生长装置生长石墨烯的一个实施例。其包括如下步骤：
步骤1：将衬底片203装载于塔式片架20上，按水平装载方式将塔式片架20置于载盘上；
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：关闭载气，通入惰性气体，升温至第二阶段温度；
步骤5：按一预定速率降温，降温到达第三阶段温度，保温一预定时间；
步骤6：升温至第四阶段温度，通入载气、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20片6英寸厚30微米Cu箔装载于塔式片架上，按水平装载方式将片架置于载盘上，抽真空至1E-3帕，1小时后，通入载气H2，流量为3slm，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1000摄氏度，保温30分钟，以净化生长室以及衬底表面。关闭载气H2，通入惰性气体Ar，流量为3slm，升温至第二阶段温度1100摄氏度，此时将Cu箔熔化，按每分钟20摄氏度速率降温，此时Cu重结晶凝固，降温到达第三阶段温度700摄氏度，保温20分钟，此时Cu凝固成Cu箔，并获得大面积单晶外延表面，升温至第四阶段温度1050摄氏度，通入载气H2、第一种生长源气CH4，流量分别为1slm、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450摄氏度，使衬底外延表面降温速率达每秒10摄氏度，保持降温阶段通有载气。
参阅图8所示，为本发明的又一实施例，其提供了由塔式多片外延生长装置生长InAs/GaSb超晶格的一个实施例。其包括如下步骤：
步骤1：将衬底片203装载于塔式片架20上，按垂直或水平装载方式将塔式片架20置于载盘上；
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，保温一定时间后降温至第二阶段温度；
步骤4：依次通入第一、第二种生长源气，此时进行第一种材料的外延生长；
步骤5：生长一预定时间后依次断开第二种、第一种生长源气，同时依次通入第三、四种生长源气，此时进行第二种材料的外延生长；
步骤6：生长一预定时间后依次断开第四种、第三种生长源气；
步骤7：重复步骤4～步骤6，依次交替生长第一、第二种材料，生长一定周期后关闭生长源气，随即断开加热器进行降温，保持整个过程通有载气。
12.根据权利要求1、6或7所述的塔式多片外延生长装置，其中通入的载气为H2，惰性气体为Ar。
实施细节如下：
将10片未掺杂2英寸GaSb(100)衬底片装载于塔式片架上，按垂直或水平装载方式将片架置于载盘上，生长过程中载盘转速为60rpm。抽真空至1E-3帕，1小时后，通入载气H2，流量为10slm，并设置生长室气压为13300帕。约5分钟稳定后，打开加热器，升温至第一阶段温度650摄氏度，保温30分钟，以净化生长室以及衬底表面。降温至第二阶段温度520摄氏度，到达第二阶段温度时，依次通入第一、二种生长源气TMSb、TEGa，流量都为10sccm，此时进行第一种材料GaSb的外延生长，生长10秒钟后依次断开第二种、第一种生长源气TMSb、TEGa，同时依次通入第三、四种生长源气AsH3、TMIn，流量都为15sccm，此时进行第二种材料InAs的外延生长，生长10秒钟后依次断开第四种、第三种生长源气AsH3、TMIn，保持这个步骤依次交替生长第一、第二种材料GaSb、InAs，生长20周期后关闭生长源气，随即断开加热器进行降温，保持整个过程通有载气H2。
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 (15)
1.一种塔式多片外延生长装置，包括：
一塔式片架，该塔式片架包括：
三个立柱，每一立柱上开有凹槽，立柱上的凹槽有多个，三个立柱相同高度位置的凹槽构成一组；
托盘，其边缘厚度与每一立柱上的凹槽的高度相同，每个托盘可以稳定固定于一组凹槽中，托盘的个数与凹槽组数相同；
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，将托盘插入到立柱的凹槽内，形成多层、塔式装载的效果。
2.根据权利要求1所述的塔式多片外延生长装置，其中所述立柱的材料为石英玻璃、高温金属或石墨，立柱的立柱直径为5-10毫米。
3.根据权利要求1所述的塔式多片外延生长装置，其中所述托盘的材料为石英玻璃、高温金属或石墨，托盘的托盘直径为50-220毫米。
4.根据权利要求1所述的塔式多片外延生长装置，其中所述塔式片架按水平方式装载，包括：
将塔式片架置于载盘上，使衬底片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，其高度完全高于塔式片架。
5.根据权利要求4所述的塔式多片外延生长装置，其中所述塔式片架按垂直方式装载，包括：
将塔式片架置于载盘上，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，喇叭口尺寸大于塔式片架，载盘可以绕轴转动，加热器沿轴向环绕生长室，其高度完全高于塔式片架。
6.根据权利要求1、4或5所述的塔式多片外延生长装置，其中提供碳化硅的生长，包括如下步骤：
步骤1：将一衬底片装载于塔式片架上，按垂直或水平装载方式将塔式片架置于载盘上；
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：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：生长一预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。
7.根据权利要求1、4或5所述的塔式多片外延生长装置，其中提供氮化镓的生长，包括如下步骤：
步骤1：将一衬底片装载于塔式片架上，按垂直或水平装载方式将塔式片架置于载盘上；
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：降温至第二阶段温度，到达第二阶段温度时依次通入第一、第二种生长源气，生长一预定时间后断开第二种生长源气；
步骤5：随即升温至第三阶段温度，到达第三阶段温度时再次通入第二种生长源气；
步骤6：生长一预定时间后断开第二种生长源气，随即断开加热器进行降温，随后断开第一种生长源气，保持整个过程通有载气。
8.根据权利要求1或4所述的塔式多片外延生长装置，其中提供石墨烯的生长，包括如下步骤：
步骤1：将一衬底片装载于塔式片架上，按水平装载方式将塔式片架置于载盘上；
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：关闭载气，通入惰性气体，升温至第二阶段温度；
步骤5：按一预定速率降温，降温到达第三阶段温度，保温一预定时间；
步骤6：升温至第四阶段温度，通入载气、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。
9.根据权利要求1、4或5所述的塔式多片外延生长装置，其中可提供InAs/GaSb超晶格的生长，包括如下步骤：
步骤1：将一衬底片装载于塔式片架上，按垂直或水平装载方式将塔式片架置于载盘上；
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，保温一定时间后降温至第二阶段温度；
步骤4：依次通入第一、第二种生长源气，此时进行第一种材料的外延生长；
步骤5：生长一预定时间后依次断开第二种、第一种生长源气，同时依次通入第三、四种生长源气，此时进行第二种材料的外延生长；
步骤6：生长一预定时间后依次断开第四种、第三种生长源气；
步骤7：重复步骤4-步骤6，依次交替生长第一、第二种材料，生长一定周期后关闭生长源气，随即断开加热器进行降温，保持整个过程通有载气。
10.根据权利要求1、4或5所述的塔式多片外延生长装置，其中通入的载气为H2，惰性气体为Ar。
11.根据权利要求6所述的塔式多片外延生长装置，其中通入的源气为SiH4或C2H4。
12.根据权利要求7所述的塔式多片外延生长装置，其中通入的源气为NH3或TMGa。
13.根据权利要求8所述的塔式多片外延生长装置，其中通入的源气为CH4。
14.根据权利要求9所述的塔式多片外延生长装置，其中通入的源气为TMSb、TEGa、AsH3或TMIn。
15.根据权利要求6所述的塔式多片外延生长装置，其中使用的衬底片为4H-SiC、蓝宝石、Cu箔或GaSb。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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