CN109183001A - 一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，所述石墨盘上形成有若干个带有一平边的衬底凹槽，用于放置衬底，其中，所述衬底凹槽的槽底上设置有一个平行靠近于平边的长条形凸条，所述长条形凸条的高度低于衬底凹槽深度，长度要求不大于衬底凹槽的平边长度，与衬底的平边长度相匹配，放置在衬底凹槽中的衬底的平边与长条形凸条对齐，通过长条形凸条对衬底起到限位固定的作用。本发明可极大提高半导体外延制造过程的可控性，提高外延生长过程中的产品良率。

Description

一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘
技术领域
本发明涉及半导体设备设计和制造的技术领域，尤其是指一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘。
背景技术
金属有机物化学汽相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简写M0CVD)设备是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的外延生长技术，是利用金属有机化合物进行金属输运的一种气相外延生长技术。它不仅是生长制备化合物半导体光电子、微电子器件材料的主要方法，而且还是制备化合物半导体量子阱、超晶格、异质结等低维结构的重要手段。到目前为止，利用MOCVD生长半导体激光器、发光二极管、太阳电池、光探测器等光电器件和高频、高速电子器件等都已实现了产业化。
在MOCVD外延生长半导体材料过程中，衬底放置于载片盘上，载片盘高速旋转以保证外延生长的均匀性和一致性。目前，石墨盘材质多选用石墨，也称石墨盘，是MOCVD设备中非常重要的配件，由高纯石墨制成，石墨盘有些表面包裹特殊材料涂层，如SiC镀层等，有些则没有涂层，直接由特种石墨材料制作而成。石墨材质的载片盘硬度很高，在外延过程中，即使加热到很高的温度，依然可以保持很高的硬度，而衬底材料则硬度较小，尤其是锗衬底等厚度较薄的衬底，在高温下硬度会降低，由于生长过程中高温并且石墨盘高速旋转，衬底和石墨盘之间存在向心力，如果衬底和石墨盘接触面积小，局部压强很大，则硬度较小的衬底就会在向心力作用下发生挤压变形，最终外延生长过程完成后，衬底材料发生变形，产生局部裂痕等，这样的外延片在后续加工过程中很容易碎裂，一方面增加了后期工艺制作难度，一方面影响产品的良品率，是外延片报废的重要原因。
为了解决外延片变形问题，最主要是规避外延片和石墨盘的接触面积过小的情况发生，主要体现在对放片操作动作的规范，要保证衬底和石墨盘凹槽完全契合，但是由于石墨盘从手套箱进入反应室过程中一直处于移动状态，放置的衬底很容易发生移位；另外一方面就是石墨盘在生长初期，从静止状态转换为旋转状态时，放置好的衬底也容易发生移动，这些无法控制的环节是导致衬底在外延过程中挤压变形问题无法彻底解决的重要原因。
另外一种常规的解决衬底挤压变形问题的方案是减少衬底尺寸和石墨盘凹槽尺寸差异，即减少衬底放置后与石墨盘之间的空间，这种方法一定程度上解决了衬底在放置在石墨盘后移动的问题但是会明显降低石墨盘的使用周期，主要原因是在石墨盘连续使用过程中，表面沉积的外延材料越来越多，如果石墨盘和衬底见距离减少，则沉积到石墨盘上的外延材料厚度增加后就会导致衬底外延完成后无法从石墨盘中取出，导致石墨盘使用寿命大幅降低。
综上所述，本方案旨在从设备改善方面，极大提高半导体材料外延生长过程的可控性，提升MOCVD外延生长的良品率，降低控制变量和操作难度，最终实现外延片产品良品率的整体提升。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，可极大提高半导体外延制造过程的可控性，提高外延生长过程中的产品良率。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，所述石墨盘上形成有若干个带有一平边的衬底凹槽，用于放置衬底，其中，所述衬底凹槽的槽底上设置有一个平行靠近于平边的长条形凸条，所述长条形凸条的高度低于衬底凹槽深度，长度要求不大于衬底凹槽的平边长度，与衬底的平边长度相匹配，放置在衬底凹槽中的衬底的平边与长条形凸条对齐，通过长条形凸条对衬底起到限位固定的作用。
进一步，所述衬底凹槽的槽底有防滑设计，为在槽底上做条纹状凹槽或条纹状凸起，以起到防滑的作用。
进一步，所述长条形凸条的高度为20-100um，宽度为0.5-1.5mm，长度为10-100mm。
进一步，所述条纹状凹槽的深度范围为5～50μm，条纹状凸起的高度范围为5～50μm。
进一步，所述条纹状凹槽或条纹状凸起的密度为不低于5条/cm2。
进一步，所述条纹状凹槽或条纹状凸起为交叉状分布或平行分布。
进一步，所述衬底凹槽的排布方式按衬底大小有以下选择之一：
2英寸58片、59片或60片，3英寸24片、27片或31片，4英寸9片、13片、14片或15片；6英寸5片或6片。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、石墨盘的衬底凹槽槽底设置有一个平行靠近于平边的长条形凸条，可将放置于衬底凹槽内的衬底控制在固定区域，保持衬底与石墨盘之间的接触面积足够大，可避免外延生长过程中受到挤压发生变形问题，从而极大提高半导体外延片质量。
2、石墨盘的衬底凹槽槽底增设防滑条纹，具体为条纹状凸起或凹槽，可以一定程度上减少衬底在石墨盘内部的滑移，降低衬底在石墨盘内移动的概率。
3、石墨盘衬底凹槽以外的区域不做改变，对MOCVD的外延生长参数无影响，对设备操作和维护无影响，对产品后期加工和测试无影响。
4、可以提升外延生长全程对衬底位置的控制，增加了外延过程的控制能力，降低了人工操作难度。
附图说明
图1为本发明所述石墨盘的衬底凹槽截面示意图。
图2为本发明所述石墨盘单个衬底凹槽俯视示意图。
图3为本发明所述石墨盘整体俯视示意图。
图4为将衬底放置到石墨盘衬底凹槽后截面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，本实施例所提供的应用于半导体材料外延生长的石墨盘，以生长砷化镓太阳能电池的外延制造过程为例，石墨盘上形成有若干个带有一平边1的衬底凹槽2，用于放置衬底3，衬底凹槽2的深度为150～750μm，本实施例中优选350μm，在衬底凹槽2的槽底上设计了一个平行靠近于平边1的长条形凸条4，长条形凸条4的高度低于衬底凹槽2深度，长度要求不大于衬底凹槽2的平边1长度，与衬底3的平边长度相匹配，放置在衬底凹槽2中的衬底3的平边与长条形凸条4对齐，通过长条形凸条4对衬底3起到限位固定的作用，所述长条形凸条4的高度为20-100um，宽度为0.5-1.5mm，长度为10-100mm，在本实施例中优选为高度50um，宽度为1mm，长度为30mm。另外，所述石墨盘上的衬底凹槽2槽底有防滑设计，具有为条纹状凹槽或条纹状凸起5，条纹状凹槽的深度范围为5～50μm，条纹状凸起的高度范围为5～50μm，在本实施例中条纹优选为凹槽设计，深度为10um；条纹状凹槽或条纹状凸起5的密度为不低于5条/cm2，在本实施例中条纹的密度优选为15条/cm2；条纹状凹槽或条纹状凸起5的分布可以是规则的，也可以是不规则的，条纹可以是交叉状分布，也可以是平行分布，在本实施例选择平行分布。此外，石墨盘上的衬底凹槽2的排布方式按衬底大小有：2英寸58片、59片或60片，3英寸24片、27片或31片，4英寸9片、13片、14片或15片，6英寸5片或6片中的一种；而在本实施例中优选4英寸15片，具体如图3所示。在实际外延过程中，用于生长砷化镓太阳能电池的锗衬底放置在石墨盘衬底凹槽内部，锗衬底的平边和衬底凹槽内的长条形凸条4对齐后放入衬底凹槽2内，如图4所示，然后将石墨盘传入MOCVD设备反应室内，开始外延生长过程。
本发明的关键点是将石墨盘衬底凹槽区域设计有长条形凸条结构和防滑条纹，实现了外延过程中衬底和石墨盘间保持较大的接触面积，在外延生长过程中，石墨盘高速旋转，衬底和石墨盘之间始终保持较大的接触面积，避免了局部压强过大对衬底的挤压变形情况发生，从而保证了硬度较小的衬底在整个外延制造过程中稳定性。该方案既不需要增加额外的操作动作和操作流程，方便简单，又解决了外延片生长过程中衬底移位问题，从而极大提高半导体外延过程的控制度和外延片质量的稳定性，具有实际应用价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，所述石墨盘上形成有若干个带有一平边的衬底凹槽，用于放置衬底，其特征在于：所述衬底凹槽的槽底上设置有一个平行靠近于平边的长条形凸条，所述长条形凸条的高度低于衬底凹槽深度，长度要求不大于衬底凹槽的平边长度，与衬底的平边长度相匹配，放置在衬底凹槽中的衬底的平边与长条形凸条对齐，通过长条形凸条对衬底起到限位固定的作用。
2.根据权利要求1所述的一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，其特征在于：所述衬底凹槽的槽底有防滑设计，为在槽底上做条纹状凹槽或条纹状凸起，以起到防滑的作用。
3.根据权利要求1所述的一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，其特征在于：所述长条形凸条的高度为20-100um，宽度为0.5-1.5mm，长度为10-100mm。
4.根据权利要求2所述的一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，其特征在于：所述条纹状凹槽的深度范围为5～50μm，条纹状凸起的高度范围为5～50μm。
5.根据权利要求2所述的一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，其特征在于：所述条纹状凹槽或条纹状凸起的密度为不低于5条/cm2。
6.根据权利要求2所述的一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，其特征在于：所述条纹状凹槽或条纹状凸起为交叉状分布或平行分布。
7.根据权利要求1所述的一种应用于半导体材料外延生长的石墨盘，其特征在于：所述衬底凹槽的排布方式按衬底大小有以下选择之一：
2英寸58片、59片或60片，3英寸24片、27片或31片，4英寸9片、13片、14片或15片；6英寸5片或6片。
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