CN105870044A - 一种自调导热使温度分布均匀化的mocvd大尺寸石墨托盘 - Google Patents

Abstract

本发明一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，利用在石墨托盘背面设置的、其对热辐射的反射性与石墨材质不同的、其厚度随原温(即样品槽原先温度)不同区而阶梯形变化的其他材料涂层；或利用在石墨托盘石墨材质里掺入的，其导热性与石墨材质不同的、其掺合比随原温不同区而阶梯形变化的其他材料掺入区；以此结构，自行调节石墨托盘的导热量，使石墨托盘样品槽的表面温度均匀化，从而减弱大尺寸衬底在高温时热膨胀引起的应力，以适应大尺寸衬底在高温外延生长时的温度均匀性要求。本发明大尺寸石墨托盘，在大尺寸衬底外延时，其温度均匀性好、工艺制程简单、容易扩大生产工艺窗口，利于大规模生产及其稳定性。

Description

一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘

技术领域

本发明属于半导体设备制造技术领域，具体地涉及一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，能克服现有MOCVD外延设备在大尺寸衬底制备器件时发生的温度分布不均匀问题，有利于降低器件外延成本。

背景技术

近五年来，GaN作为第三代宽带隙半导体材料，以其为代表的III-V氮化物为代表的半导体器件研究方向基本已经成熟，在某些半导体器件领域取得大规模产业化的应用。研究表明，氮化镓的物理化学性能使其成为发光二极管，激光器，高功率电子器件等光电子器件的优选材料。

然而，随着产业化的应用，进一步降低成本为大尺寸衬底外延器件技术提出了要求。LED照明发光二极管逐渐由2英寸向4英寸转变。然而，由于目前IC半导体电子器件工艺生产线基本都是6英寸以上规格，硅基氮化物功率器件的产业化必然以6英寸以上规格为主，所以大尺寸半导体器件外延变得尤为迫切。6英寸以上衬底外延对MOCVD的温度均匀性要求更高，大尺寸衬底的外延生长对石墨托盘的温度均匀性较小尺寸衬底的更敏感。现有的MOCVD设备的加热器形状和功率因子，对于大尺寸衬底外延器件来说，其窗口显小，在大面积范围里的温度均匀性及稳定很难实现，不利于大规模的生产。因此，解决MOCVD设备生长大尺寸衬底的温度均匀性分布问题显得尤为重要。由于MOCVD石墨托盘是衬底与加热器之前的唯一导热媒介，从导热媒介设计出发，进一步改善MOCVD温度均匀性，提高大尺寸衬底外延器件的稳定性，对其产业化有着重要的意义。

发明内容

本发明提供一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，能解决上述的现有MOCVD设备难以解决的大尺寸衬底表面生长工艺所要求的温度均匀性及其稳定问题。

所谓自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，是利用在石墨托盘背面设置的、其对热辐射的反射性与石墨材质不同的、其厚度随样品槽原先温度(以下简称原温，是指未采用本发明结构的原先石墨托盘在高温生长状态下的样品槽温度)不同区而阶梯形变化的其他材料涂层；或利用在石墨托盘本体石墨材质里掺入的，其导热性与石墨材质不同的、其掺入比随原温不同区而阶梯形变化的其他材料掺入区；以此结构，自行调节石墨托盘的导热量，使石墨托盘样品槽的表面温度均匀化，从而减弱大尺寸衬底在高温时热膨胀引起的应力，以适应大尺寸衬底在高温外延生长时的温度均匀性要求。本发明大尺寸石墨托盘，在大尺寸衬底外延时，其温度均匀性好、工艺制程简单、容易扩大生产工艺窗口，利于大规模生产及其稳定性。

在实际应用中，根据需要，在石墨托盘背面设置其他材料涂层方式、或在石墨托盘本体石墨材质里选择性地掺入其他材料的掺入区方式中，可以单独采用其中一种，也可以同时采用两种。

本发明大尺寸石墨托盘，在大尺寸衬底外延时，其温度均匀性好、工艺制程简单、容易扩大生产工艺窗口，有利于大规模生产及其稳定性。

具体实施方式

本发明一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，其具体实施方式，可以有多种。

第一种实施方式：在石墨托盘背面设置涂层，通过涂层，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘

所述大尺寸石墨托盘，包括石墨托盘本体、样品槽、和涂层；

所述涂层，设置在石墨托盘背面；

所述涂层，共有n级，1<n<25，样品槽及衬底尺寸越大，n取值越大；

所述涂层，其厚度随所对应原温不同区而阶梯形变化：即，在原温较高区所对应的石墨托盘背面涂层其厚度较厚，因而对热辐射较多反射、较多减少到达石墨托盘该区的热量，从而较多降低原温较高区的温度；在原温较低区所对应的石墨托盘背面涂层其厚度较薄，因而对热辐射较少反射、适度减少到达石墨托盘该区的热量，从而适度降低原温较低区的温度；在原温最低区所对应的石墨托盘背面涂层其厚度最薄(或为零即未涂层)，因而对热辐射最少反射、最低减少到达石墨托盘该区的热量(或不减少原热量)、从而最少降低原温最低区的温度(或原温未改变)；如此，通过不同厚度的各级涂层，自行调节反射及导热，以减小样品槽不同区之间的温差，使整个样品槽各区温度分布均匀化，从而提高样品槽整体的温度均匀性；所述涂层厚度，其取值范围：1500nm＞H_d＞5nm；

所述涂层，其对热辐射的反射性比石墨托盘的石墨材质强；所述涂层其材料，采用耐高温陶瓷化合物材料，包括其对热辐射的反射性比石墨材质强的IIIB、IVB、VB元素和/或其化合物材料；

所述涂层其制备，可以采用溅射、蒸发及烧结等物理方法沉积在石墨托盘背面，或以化学喷涂、反应等方法生成在石墨托盘背面。

第二种方式：在石墨托盘本体石墨材质里，掺入其他材料，通过掺入区，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘

所述大尺寸石墨托盘，包括石墨托盘本体掺入区、样品槽、和石墨托盘本体非掺入区；(注：所述石墨托盘本体非掺入区，是指除了石墨托盘本体掺入区、和样品槽以外的、未掺入其他材料的石墨托盘本体区)

所述石墨托盘本体掺入区，为在原温不同区所对应的石墨托盘本体石墨材质里掺入其他材料的区，共有n个掺入区，1<n<25，样品槽及衬底尺寸越大，n取值越大；

所述掺入区，其中其他材料的掺入比，随所对应原温不同区而阶梯形变化；即，在靠近原温较高区所对应的石墨托盘本体石墨材质中，其掺入比比较高，以较多减少该区的导热量、从而较多降低该区温度；在靠近原温较低区所对应的石墨托盘本体石墨材质中，其掺入比比较低，以适度减少该区的导热量、从而适度降低该区温度；而在原温最低区所对应的石墨托盘本体石墨材质中，其掺入比最低(或为零即未掺入)，以最低减少该区的导热量(或不减少原导热量)、从而最少降低该区温度(或其原温未改变)；如此，通过不同掺入比的石墨托盘本体各掺入区自行调节导热，以减小样品槽不同区之间的温差，使整个样品槽各区温度分布均匀化，从而提高样品槽整体的温度均匀性；所述掺入比，其取值范围：30％＞C_b＞0.5％；

所述掺入其他材料，其导热性比石墨材质差；所述掺入其他材料，采用耐高温陶瓷化合物材料，包括其导热性比石墨材质差的VIB-VA、VIB-IVA、IIIA-VA、IIIA-VIA化合物材料；

所述掺入其他材料，其特征在于，其制备可采用物理或化学的方法，依据导热性需要，以不同的比例掺入石墨材质里。

在实际应用中，所述两种实施方式：即在石墨托盘背面设置涂层方式、或在石墨托盘石墨本体石墨材质里掺入其他材料的掺入区方式，根据实际情况与需要，可以单独采用其中一种，也可以同时采用两种。

附图说明

图1，为本发明实施例一，基于在石墨托盘背面设置涂层，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘示意图，其中，(a)为单片六英寸(或八英寸)衬底生长用大尺寸石墨托盘的俯视图，(b)为该石墨托盘A-A′截面图，(c)局部B放大图；

图2，为本发明实施例二，基于在石墨托盘本体石墨材质里掺入其他材料的掺入区，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘示意图，其中，(a)为单片六英寸(或八英寸)衬底生长用大尺寸石墨托盘的俯视图，(b)为该石墨托盘A-A′截面图；

图3为本发明实施例三，基于在石墨托盘背面设置氮化硼涂层，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘示意图，其中，(a)为3片六英寸衬底生长用大尺寸石墨托盘的俯视图，(b)为该石墨托盘A-A′截面图，(c)为局部B放大图；

图4，为本发明实施例四，基于在石墨托盘本体石墨材质里掺入氮化铝的掺入区域，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘示意图，其中，(a)为5片六英寸衬底生长用大尺寸石墨托盘的俯视图，(b)为该石墨托盘A-A′截面图。

附图标记说明：

1：石墨托盘；2：样品槽；21：[原温]T₂₁温区；22：[原温]T₂₂温区；23：[原温]T₂₃温区；24：[原温]T₂₄温区；31：[原温]T₂₁温区背面涂层；32：[原温]T₂₂温区背面涂层；33：[原温]T₂₃温区背面涂层；41：[原温]T₂₁掺入区；42：[原温]T₂₂掺入区；43：[原温]T₂₃掺入区；51：[原温]T₂₁温区背面氮化硼涂层；52：[原温]T₂₂温区背面氮化硼涂层；53：[原温]T₂₃温区背面氮化硼涂层；54：[原温]T₂₄温区背面氮化硼涂层；61：[原温]T₂₁温区氮化铝掺入区；62：[原温]T₂₂温区氮化铝掺入区；63：[原温]T₂₃温区氮化铝掺入区；64：[原温]T₂₄温区氮化铝掺入区；

A-A′ 为石墨托盘截面部位。

具体的实施例

以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述仅用于解释本发明的具体实施例，而并不限定本发明的权利要求范围。实施例一：

在石墨托盘背面设置涂层，通过涂层，自调导热使温度分布均匀化的单片六英寸(或八英寸)衬底外延生长用MOCVD大尺寸石墨托盘：

所述石墨托盘，其结构，如图1所示：其中,(a)为俯视图、(b)为A-A’截面图、(c)为局部B放大图；本实施例，将原温不同区分为三个区(n＝3)：即21、22、23，其原温(取各区温度中值)分别为T₂₁、T₂₂、T₂₃，T₂₁＞T₂₂＞T₂₃；图(b)中，31为21区所对应的石墨托盘背面设置的较厚的[原温]T₂₁温区背面涂层，32为22区所对应的石墨托盘背面设置的适度厚的[原温]T₂₂温区背面涂层，33为与23区所对应的石墨托盘背面设置的最薄的[原温]T₂₃温区背面涂层(因23为单片衬底样品槽的中心区，故涂层33其厚度也可为零即未涂层)；涂层31、32、33的厚度H_d依次递减呈阶梯形,其递减幅度根据温区间原温差及涂层反射性予以调整，涂层厚度，其取值范围：1500nm＞H_d＞5nm；所用涂层材料，其对热辐射的反射性比石墨托盘的石墨材质强，采用耐高温陶瓷化合物材料，包括其对热辐射的反射性比石墨材质强的IIIB、IVB、VB元素及其化合物材料(如氮化硼)；涂层的制备，采用溅射、蒸发及烧结等物理方法沉积在石墨托盘背面，或以化学喷涂、反应等方法生成在石墨托盘背面。

实施例二：

在石墨托盘本体石墨材质里掺入其他材料的掺入区，通过掺入区，自调导热使温度分布均匀化的单片六英寸(或八英寸)衬底外延生长用MOCVD大尺寸石墨托盘：

所述石墨托盘，其结构，如图2所示，其中,(a)为俯视图、(b)为A-A’截面图；本实施例，将原温不同区分为三个区(n＝3)：即21、22、23，其原温(取各区温度中值)分别为T₂₁、T₂₂、T₂₃，T₂₁＞T₂₂＞T₂₃；图(b)中，41为在石墨托盘本体21区石墨材质里以较高掺入比掺入其他材料的[原温]T₂₁掺入区，42为在石墨托盘本体22区石墨材质里以适度掺入比掺入其他材料的[原温]T₂₂掺入区，43为在石墨托盘本体23区石墨材质里以较低掺入比掺入其他材料的[原温]T₂₃掺入区(因23为单片样品槽的中心区，故掺入区43其掺入比也可为零即未掺入)；掺入区41、42、43中，其他材料的掺入比C_b依次递减呈阶梯形，其递减幅度根据温区间原温差及掺入区的导热性予以调整，掺入比，其取值范围：30％＞C_b＞0.5％；所用掺入材料，其导热性比石墨材质差，采用耐高温陶瓷化合物材料，包括其导热性比石墨材质差的VIB-VA、VIB-IVA、IIIA-VA、IIIA-VIA化合物材料(如氮化铝)；掺入区的制备，采用物理或化学的方法。依据导热性需要，以不同掺入比掺入石墨托盘本体各原温区的石墨材质里。

实施例三：

在石墨托盘背面设置涂层，通过涂层，自调导热使温度分布均匀化的单片3片六英寸衬底外延生长用MOCVD大尺寸石墨托盘：

Aixtron Arius I MOCVD设备的石墨托盘，常规设计有3个六英寸样品槽，由于样品尺寸比较大，MOCVD加热器的匹配因素在最优的情况下也无法达到大尺寸衬底外延器件的要求。实际应用中，由于气流及转速等原因，样品槽的温度靠石墨托盘中心区的温度较低，靠石墨托盘外缘区的温度较高，中间区的温度居中。

本实施例，通过在石墨托盘背面设置的涂层，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，使3片六英寸衬底在外延生长中的温度分布均匀化。

所述石墨托盘，其结构，如图3所示，其中,(a)其俯视图、(b)为A-A’截面图；(c)为局部B放大图；

本实施例，将原温不同区分为四个温区(n＝4)：即21、22、23、24，其原温(取各区温度中值)分别为T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄，T₂₁＞T₂₂＞T₂₃＞T₂₄；图(b)中，51为21区所对应的石墨托盘背面设置的较厚的[原温]T₂₁温区背面氮化硼涂层，52为22区所对应的石墨托盘背面设置的适度厚的[原温]T₂₂温区背面氮化硼涂层，53为23区所相对应的石墨托盘背面设置的较薄的[原温]T₂₃温区背面氮化硼涂层，54为24区所对应的石墨托盘背面设置的最薄的[原温]T₂₄温区背面氮化硼涂层；涂层51、52、53、54的厚度H_d依次递减呈阶梯形,其递减幅度根据温区间原温差及涂层反射性予以调整，涂层厚度，其取值范围：1500nm＞H_d＞5nm；所用涂层材料，其对热辐射的反射性比石墨托盘的石墨材质强，采用耐高温陶瓷化合物材料-氮化硼；涂层的制备，采用溅射、蒸发及烧结等物理方法沉积在石墨托盘背面，或以化学喷涂、反应等方法生成在石墨托盘背面。

实施例四：

在石墨托盘本体石墨材质里掺入其它材料的掺入区，通过掺入区，自调导热使温度分布均匀化的5片六英寸衬底外延生长用MOCVD大尺寸石墨托盘：

Aixtron G系列行星式MOCVD设备的石墨托盘，常规设计有5个八英寸的样品槽，由于样品尺寸比较大，MOCVD加热器的匹配因素在最优的情况下也很难达到大尺寸衬底外延器件的要求。实际应用中，由于气流等原因，样品槽的温度靠石墨托盘中心区的温度较低，靠石墨托盘外缘区的温度较高，中间区的温度居中。

本实施例，通过在石墨托盘本体石墨材质里掺入其它材料的掺入区，自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，使5片八英寸衬底在外延生长中的温度分布均匀化。

所述石墨托盘，其结构，如图2所示，其中,(a)为俯视图、(b)为A-A’截面图；

本实施例，将原温不同区分为四个区(n＝4)：即21、22、23、24，其原温(取各区温度中值)分别为T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄，T₂₁＞T₂₂＞T₂₃＞T₂₄；图(b)中，61为在石墨托盘本体21区石墨材质里以较高掺入比掺入的[原温]T₂₁温区氮化铝掺入区，62为在石墨托盘本体22区石墨材质里以适度掺入比掺入的[原温]T₂₂温区氮化铝掺入区，63为在石墨托盘本体23区石墨材质里以较低掺入比掺入的[原温]T₂₃温区氮化铝掺入区，64为在石墨托盘本体24区石墨材质里以最低掺入比掺入的[原温]T₂₄温区氮化铝掺入区；掺入区61、62、63、64中，氮化铝的掺入比C_b依次递减呈阶梯形,其递减幅度根据温区间原温差及掺入区的导热性予以调整，掺入比，其取值范围：30％＞C_b＞0.5％；所用掺入材料，其导热性比石墨材质差，采用耐高温陶瓷化合物材料-氮化铝；掺入区的制备，采用物理或化学的方法。依据导热性需要，以不同掺入比掺入石墨托盘本体各原温区的石墨材质里。

Claims (7)

1.一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，包括石墨托盘本体、样品槽、和涂层，其特征在于，所述涂层，设置在石墨托盘背面；所述涂层，共有n级，1<n<25，涂层厚度随所对应原温不同区而阶梯形变化：即，在原温较高区所对应的石墨托盘背面涂层其厚度较厚，在原温较低区所对应的石墨托盘背面涂层其厚度较薄，而在原温最低区所对应的石墨托盘背面涂层其厚度最薄或为零即未涂层；所述涂层厚度，其取值范围：1500nm＞H_d＞5nm。

2.根据权利要求1所述一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，其特征在于，所述涂层的材料对热辐射的反射性比石墨托盘的石墨材质强，是采用耐高温的陶瓷化合物材料，包括IIIB、IVB、VB元素和/或其化合物材料。

3.根据权利要求1或2所述一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，其特征在于，所述涂层其的制备，采用溅射、蒸发及或烧结的物理方法沉积在石墨托盘背面，或以化学喷涂、反应的方法生成在石墨托盘背面。

4.一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，包括石墨托盘本体掺入区、样品槽、和石墨托盘本体非掺入区，其特征在于，所述石墨托盘本体掺入区，是在原温不同区所对应的石墨托盘本体石墨材质里掺入其他材料的区，共有n个掺入区，1<n<25；所述掺入区，其中其他材料的掺入比，随所对应原温不同区而阶梯形变化：即，在原温较高区所对应的石墨托盘本体石墨材质中，其掺入比比较高，在原温较低区所对应的石墨托盘本体石墨材质中，其掺入比比较低，而在原温最低区所对应的石墨托盘本体石墨材质中，其掺入比最低或为零即未掺入；所述掺入比，其取值范围：30％＞C_b＞0.5％。

5.根据权利要求4所述一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，其特征在于，所述掺入其他材料，其导热性比石墨托盘石墨材质差；所述掺入其他材料，采用耐高温陶瓷化合物材料，包括其导热性比石墨材质差的VIB-VA、VIB-IVA、IIIA-VA、IIIA-VIA化合物材料。

6.根据权利要求4或5所述一种自调导热使温度分布均匀化的MOCVD大尺寸石墨托盘，其特征在于，所述掺入其他材料的制备可采用物理或化学的方法，依据导热性需要，以不同的比例掺入石墨材质里。

7.根据权利要求1或4所述的石墨托盘，其特征在于：所述石墨托盘背面设置涂层方式，或在石墨托盘本体石墨材质里选择性地掺入其他材料的掺入区方式，单独采用其中一种，或同时采用两种。