CN105887048A - 一种自调导热使温度均匀化的mocvd大尺寸不等厚度石墨托盘 - Google Patents

一种自调导热使温度均匀化的mocvd大尺寸不等厚度石墨托盘 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘，所述石墨托盘，通过石墨托盘石墨材料本身的厚度变化，利用石墨材料导热性和热辐射气氛导热性的差异，自行调节其导热效率：即，原温较低区所对应的石墨托盘的下部区，加大其石墨材料厚度、相应减小热辐射气氛导热路程权重，以提高导热效率、升高该区温度；而原温较高区所对应的石墨托盘的下部区，减小其石墨材料厚度、相应增大热辐射气氛导热路程权重，以减弱导热效率、降低该区温度；以此，实现对石墨托盘样品槽表面温度的均匀化，以适应MOCVD设备对大尺寸衬底外延生长之温度均匀性要求，并能增加工艺窗口，利于规模化生产及稳定性，经济效益较好。

Description

一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，一种半导体材料及器件制备用MOCVD配件石墨托盘，尤其涉及一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘。
背景技术
经过近十年的研究与发展，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领域获得了重大的突破，而且在半导体照明领域取得大规模产业化的应用。研究成果表明，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理想材料。
随着产业化的应用与发展，进一步降低经济成本成为产业面临的问题，这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英寸或者6英寸转变。然而，对于高功率电子器件应用领域，其面临的问题更为严峻。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，硅基或者碳化硅基氮化物功率器件的产业推广或者应用必然以6英寸以上规格为主，因此大尺寸外延成为氮化物在半导体器件应用的必然要求。然而，6英寸以上规格衬底外延对MOCVD等外延设备的温度均匀性要求更高，现有的MOCVD等外延设备的加热丝形状和功率因子对于大尺寸衬底外延器件的窗口比较小，严格的温度均匀性比较难稳定，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突出。由于MOCVD石墨托盘是衬底与加热器之间唯一的导热媒介，其也扮演着导热媒介的角色，从导热媒介设计出发，进一步改善MOCVD设备的温度均匀性，有利于提高大尺寸衬底外延器件的稳定性，降低经济成本，对其产业化及应用有着重要的推广和促进作用。实际应用中，相对于大尺寸的衬底，MOCVD在最优的温度分布条件下，仍显出其局部温度不均匀，而影响工艺调节及稳定性，不利于提高器件性能。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘。
所述石墨托盘，在石墨托盘样品槽形状及表面平整度保持不变的情况下，通过改变石墨托盘的下部石墨材料厚度的方法，利用石墨导热性与辐射气氛导热性的差异，自行调节导热效率，减小样品槽原温不同区之间的温差，从而在外延过程中提高样品槽表面的温度均匀性及稳定性。
*(注：原温：即原先样品槽温度，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表面温度)
实际应用中，在加热器与样品槽之间的导热，经过两段不同路经。一段是从加热器到石墨托盘背面的辐射气氛导热段，另一段是从石墨托盘背面到样品槽表面的石墨材料导热段。由于石墨材料导热性远优于气氛导热性，所以改变石墨托盘厚度相当于改变气氛导热的距离权重，就改变总的导热距离及导热效率，也就改变单位时间内到达样品槽表面的热量以及样品槽表面的温度，由此实现对样品槽表面温度的均匀性控制。
本发明，对于原先样品槽温度(以下简称原温)高的区，减小与其相应的石墨托盘底部石墨材料的厚度，即减短石墨材料中的导热距离、加长热辐射气氛中的导热距离，由于热辐射气氛的导热性比石墨材料的差，所以其效果相当于减少单位时间内到达该区样品槽表面的热量，最终降低该区样品槽表面温度；而对于原温低的区，增大与其相应的石墨托盘底部石墨材料的厚度，即加长石墨材料中的导热距离、减短热辐射气氛中的导热距离，由于石墨材料的导热性比热辐射气氛的好，所以其效果相当于增多单位时间内到达该区样品槽表面的热量，最终升高该区样品槽表面的温度；其总效果：减小了原温不同区之间的温差、改善了样品槽表面的温度均匀性，以适应大尺寸外延对MOCVD温度均匀性要求。
具体技术方案如下：
通常的MOCVD机型的石墨托盘，在设备温度均匀性最优的情况下，其大尺寸样品槽靠近外缘区温度高于靠近中心区的温度。然而，这种不均匀温度分布不利于大尺寸样品的工艺稳定性。
本发明提供一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘，可以克服这种缺点。
本发明石墨托盘，主要包括石墨托盘下部的石墨材料不等厚度区、和石墨托盘上部的样品槽表面平整区；其特征在于，所述石墨托盘下部的石墨材料不等厚度区，其与样品槽的原温不同区所对应的石墨托盘下部的石墨材料其厚度是不等的，即，原温较低区所对应的石墨托盘下部的石墨材料其厚度较厚，而原温较高区所对应的石墨托盘下部的石墨材料其厚度较薄；如此，通过所述不同区的石墨材料的不等厚度，利用石墨材料导热性和热辐射气氛导热性的差异，以自行调节其导热效率、减小原温不同区之间的温差，从而实现样品槽表面温度的均匀化。
需要指出的是，本发明所述石墨托盘的不等厚度，表现在石墨托盘下部的石墨材料厚度的不等，而石墨托盘上部样品槽表面，则是保持平整的，这有利于大尺寸衬底在外延过程中的稳定性.
所述石墨托盘下部的石墨材料不等厚度区，其表面呈现曲面，所述曲面的形状可以是旋转抛物曲面、或圆锥曲面、或圆锥台曲面；所述曲面的参数，如曲率、梯度等，可根据原温分布及实际需要进行设计。
所述不等厚度区所呈现的曲面，其制作加工，采用通过模具直接成形、或将常规石墨托盘下部通过抛磨加工成形、或在石墨托盘底面贴石墨材料及其混合材料的不等厚度的附加片成形的方法；在实用中，根据实际情况及需要，在所述模具成形、或抛磨加工成形、或贴不等厚度的附加片成形等方法中，可选用其中一种或混合使用其中几种。
通过设计不同曲率、不同梯度的曲面，如，旋转抛物曲面、圆锥曲面、圆锥台曲面等，就可以实现本发明所述自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘。
采用本发明石墨托盘能改善大尺寸样品槽的温度均匀性，有利于大尺寸衬底外延的稳定生产，在工业应用中有重要的经济价值。
附图说明
图1为本发明实施例一，采用抛磨成凸型旋转抛物曲面形式加大其厚度的一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘的示意图。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)为局部B放大图。
图2为本发明实施例二，采用贴附加片成凸型旋转抛物曲面形式加大其厚度的一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘的示意图。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)为局部B放大图。
图3为本发明实施例三，采用抛磨成凹型旋转抛物曲面形式减小其厚度的一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘的示意图。其中(a)为单片8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，采用抛磨成圆锥台曲面形式减小其厚度的一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘的示意图。其中(a)为3片6英寸衬底生长用MOCVD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。
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温区凸型加厚区；32：[原温]T22温区凸型加厚区；33：[原温]T23温区凸型加厚区；41：[原温]T21温区附加层加厚区；42：[原温]T22温区附加层加厚区；43：[原温]T23温区附加层加大厚度区；51：[原温]T21温区凹型减厚面；52：[原温]T22温区凹型减厚曲面；53：[原温]T23温区凹型减厚曲面；61：[原温]T21温区圆锥台减厚曲面；62：[原温]T22温区圆锥台减厚曲面；63：[原温]T23温区圆锥台减厚曲面；64：[原温]T24温区圆锥台减厚曲面；A-A′为石墨托盘截面部位
*(注：‘加厚区’：即‘加[大]厚[度]区’；‘减厚曲面’：即‘减[小]厚[度后的]曲面’)
具体实施例
以下结合附图及实施例，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
如图1所示，采用抛磨成凸型旋转抛物曲面形式加大其厚度的，本发明自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘的示意图。通常石墨托盘1其样品槽2的靠近外缘部温区21的原温T21较高、靠近其中心部温区23的原温T23较低、而处于中间区22的原温T22居中，即，T21＞T22＞T23。根据这种情况，本发明石墨托盘，在设计中，对应T23温区23的凸型加厚区33的厚度较厚，对应T22温区22的凸型加厚区32的厚度居中，对应T21温区21的凸型加厚区31的厚度较薄；这样，分别较大地/适度地/较小地加长在导热性能较好的石墨材料中的导热距离、分别较小地/适度地/较大地减短在导热性能较差的辐射气氛中的导热距离，由于石墨材料导热性远优于辐射气氛导热性，其效果相当于：不同程度较多地/适度地/较少地增加单位时间内到达23区/22区/21区表面的热量、不同程度较多地/适度地/较少地提高样品槽表面23区/22区/21区的温度T23/T22/T21，从而，缩小样品槽表面23区/22区/21区之间的温差，使样品槽表面温度均匀化。
实施例二
如图2所示，采用在石墨托盘底面贴附加片成凸型旋转抛物曲面形式加大其厚度的，本发明自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘的示意图。通常石墨托盘1其样品槽2的靠近外缘部温区21的原温T21较高、靠近中心部温区23的原温T23较低、而中间区22的原温T22居中，即，T21＞T22＞T23。根据这种情况，本发明石墨托盘，在设计中，与T23温区23所对应的凸型附加层加厚区43的厚度较厚，对应T22温区22所对应的凸型附加层加厚区42的厚度居中，对应T21温区21所对应的凸型附加层加厚区41的厚度较薄；这样，相当于分别较大地/适度地/较小地加长在导热性较好的附加层材料中的导热距离、分别较小地/适度地/较大地减短在导热性较差的辐射气氛中的导热距离，由于附加层材料导热性远优于辐射气氛导热性，其效果相当于：不同程度较多地/适度地/较少地增加单位时间内到达区域23表面的热量、不同程度较多地/适度地/较少地提高样品槽表面23区/22区/21区的温度T23/T22/T21，从而，缩小样品槽表面23区/22区/21区之间的温差，使样品槽表面温度均匀化。
实施例三：
如图3(a)所示，1为目前市场中的一种MOCVD石墨托盘，2为石墨托盘中的单片8英寸样品槽。在实际生产过程中，在MOCVD设备最优的温度均匀分布情况下，由于衬底尺寸大、并随长期使用而加热器中心部和外缘部的不同步老化以及加热器本身设计状态的不同所致，其样品槽2中心区23的温度T23比外缘区21的温度T21高、而22区的温度T22居中，即，T21＜T22＜T23，这种状态不利于大尺寸硅衬底的外延工艺。
本发明一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘，在本实施例中，将石墨托盘样品槽背面抛磨成凹型旋转抛物曲面,如图3(b)、(c)所示，其仰视图呈现凹型旋转抛物曲面，其不同部位的托盘底部石墨材料的厚度(Houdu,缩写为Hd)向托盘中心方向呈现梯度式减薄；即，中心区23所对应的石墨托盘石墨材料的的厚度(Hd23，其所对应的凹型减厚曲面为53)最薄，中间区22所对应的石墨托盘石墨材料的厚度(Hd22，其所对应的凹型减厚曲面为52)适中，而外缘区21所对应的石墨托盘石墨材料的厚度(Hd21，其所对应的凹型减厚曲面为51)最厚，即，Hd23＜Hd22＜Hd21。因石墨材料的导热性远优于辐射气氛导热性，故改变石墨材料的厚度相当于改变石墨材料导热的权重及辐射气氛导热的权重。因此，较多地减薄23区底部石墨材料的厚度其效果相当于：较多减少石墨材料导热的权重而较多增加辐射气氛导热的权重，即，较多降低23区底部石墨材料的导热性、较多减少单位时间内到达23区石墨材料及其表面的热量、也就较多降低23区所对应托盘底部石墨材料及样品槽表面温度T23；而适度减薄22区所对应的石墨材料的厚度其效果相当于：适度降低22区底部石墨材料的导热性、适度减少单位时间内到达22区所对应石墨材料及其表面的热量、也就适度降低22区所对应托盘底部石墨材料及样品槽表面温度T22；同理，较少减薄或不减薄21区所对应的石墨材料的厚度其效果相当于：较少降低或不降低21区底部石墨材料的导热性、较少减少或不减少单位时间内到达21区底部石墨材料及其表面的热量、也就较少降低或不降低21区所对应托盘底部石墨材料及样品槽表面温度T21；其总效果为，减小了中心23区、中间22区、外缘21区所对应托盘底部石墨材料之间的温差，也就减小了中心23区、中间22区、外缘21区样品槽表面之间的温差,从而相应改善8英寸样品槽2表面的温度均匀性，利于8英寸硅衬底外延生产的稳定性。
实施例四：
如图4(a)所示，1为目前市场中的一种3片8英寸的MOCVD行星式大尺寸石墨托盘，2为石墨托盘中的8英寸样品槽，在实际生产过程中，由于3个样品槽分别处于托盘外缘与中心之间的同心圆环上，同时，由上向下的较低温的源气流从石墨托盘1的中心往外流动的缘故，即使在设备最优的温度分布前提下，大尺寸衬底上部样品槽2实际表现出来的表面温度分布为：靠近石墨托盘中心部的样品槽24区温度T24最低，中间部的样品槽23区/22区温度T23/T22居中，而靠近石墨托盘外缘部的样品槽21区温度T21最高，即，T24＜T23＜T22＜T21，这种温度分布对大尺寸硅衬底在外延生长时容易发生龟裂，不利于器件性能及其提高。
本实施例，一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘，将石墨托盘底部抛磨成如图4(b)、(c)所示，其仰视图呈现圆锥台曲面，其不同部位的托盘底部石墨材料的厚度(Hd)向托盘外缘方向呈现梯度式减薄；即，靠中心的24区所对应的的托盘底部石墨材料的厚度(Hd24，其圆锥台减厚曲面为64)最厚，处于中间的23区/22区所对应的托盘底部石墨材料的厚度(Hd23/Hd22，其圆锥台减厚曲面分别为63/62)居中，而靠外缘的21区所对应的托盘底部石墨材料的厚度(Hd21，其圆锥台减厚曲面为61)最薄，即，Hd24>Hd23>Hd22>Hd21；由于石墨材料的导热性远优于辐射气氛导热性，减小石墨材料的厚度其效果相当于，减少石墨材料的导热的权重、增加辐射气氛导热的权重；即，较少减薄或不减薄24区所对应的托盘底部石墨材料的厚度其效果相当于，较少降低或不降低24区所对应托盘底部石墨材料的导热性能、较少减少或不减少单位时间内到达24区所对应托盘底部石墨材料及其表面的热量、也就较少降低或不降低24区所对应托盘底部石墨材料及其表面的温度T24；而适度减小23区/22区所对应的托盘底部石墨材料的厚度其效果相当于，适度降低23区/22区所对应的托盘底部石墨材料的导热性能、适度减少单位时间内到达23区/22区所对应的石墨材料及其表面的热量、也就适度降低23区/22区所对应托盘底部石墨材料及其表面的温度T23/T22；而较多减小21区对应的托盘底部石墨材料的厚度其效果相当于，较多降低21区所对应的托盘底部石墨材料的导热性、减少单位时间内到达21区所对应托盘底部石墨材料及其表面的热量、也就较多降低21区所对应托盘底部石墨材料及其表面的温度T21；其总效果为，减小了21区、22区、23区、24区所对应的托盘底部石墨材料之间的温差,也就减小了21区、22区、23区、24区样品槽表面之间的温差，从而改善3片6英寸样品槽表面的温度均匀性，达到本发明自身调节使温度均匀化的目的，利于3片6英寸硅衬底外延生产的稳定性。。
以上四种不等厚度的石墨托盘，都能改善大尺寸样品槽的温度均匀性，有利于大尺寸衬底外延的稳定生产，在工业应用中有重要的经济价值。

Claims (3)

1.一种自调导热使温度均匀化的MOCVD大尺寸不等厚度石墨托盘，其特征在于，包括石墨托盘下部的石墨材料不等厚度区和石墨托盘上部的样品槽表面平整区；所述石墨托盘下部的石墨材料不等厚度区，与样品槽的原温不同区所对应的石墨托盘下部的石墨材料厚度是不等的，即，原温较低区所对应的石墨托盘下部的石墨材料其厚度较厚，而原温较高区所对应的石墨托盘下部的石墨材料其厚度较薄。
2.根据权利要求1所述石墨托盘，其特征在于，所述石墨托盘下部的石墨材料不等厚度区，其表面呈现曲面，所述曲面的形状可以是旋转抛物曲面、圆锥曲面或圆锥台曲面；所述曲面的参数，可根据原温分布及实际需要进行设计。
3.根据权利要求2所述石墨托盘，其特征在于，所述不等厚度区所呈现的曲面，其制作加工，采用通过模具直接成形、或将常规石墨托盘下部通过抛磨加工成形、或在石墨托盘底面贴石墨材料及其混合材料的不等厚度的附加片成形的方法；在实用时，根据实际情况及需要，在所述模具成形、或抛磨加工成形、或贴不等厚度的附加片成形的方法中，选用其中一种或混合使用其中几种。
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