CN109280904A - 一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，所述石墨盘上形成有若干个用于放置衬底的衬底凹槽，其中，所述衬底凹槽的槽底形成有按1～20个/cm2密度均匀分布的细孔，且所述细孔竖直贯穿石墨盘底部，利用反应室自上而下的压力差，使衬底两面在外延生长过程中始终保持有压力差，即使衬底发生翘曲，亦能被此压力差下压吸附在石墨盘表面。本发明可极大提高半导体外延片均匀性，同时，提高外延生长过程中的温度控制可靠性。
Description
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晶格失配结构外延生长的石墨盘。
背景技术
金属有机物化学汽相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简写M0CVD)设备主要用于化合物半导体材料与器件(比如：GaAs、InP、GaN、ZnS、ZnO及其合金材料和器件结构)的生长。载气把有机源带入反应室，在衬底上反应，形成薄膜材料。衬底放置于石墨盘上，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，并在表面包裹SiC镀层。
目前常用的石墨盘都是圆形，在石墨盘上分布有一些圆形的凹槽，这些凹槽即用于放置衬底。外延生长过程，在MOCVD的反应腔中，通过灯丝或者射频等加热系统对盛放有衬底的石墨盘进行辐射加热，加热温度为500～1300℃，由热电偶与温度控制器控制温度，这样温度控制精度一般可达0.2℃或更低。由于半导体材料的组分和掺杂等参数对温度非常敏感，因此，温度控制的精度对于半导体材料生长的均匀性有非常重要的意义。
在MOCVD外延技术发展过程中的相当长一段时期内，为了获得高晶体质量的外延材料，半导体器件的设计多为晶格匹配结构，这种晶格匹配结构采用实时控温即可实现精准的温度监控。随着产品性能提升的要求，往往需要生长晶格失配的外延结构，例如：晶格失配结构太阳能电池。晶格失配引入的应力使外延片在外延生长后期呈现不同程度的弯曲(也称翘曲，如图3所示，图中(a)晶格匹配无形变的情况，(b)为张应力引起的形变，(c)为压应力引起的形变，图中的附图标记5为薄膜，6为衬底)，翘曲的表面使反射光发生偏移，导致实时控温模式失效，必须转热电偶控温才能完成外延生长全过程，这无疑增加了温度控制的难度。更重要的是，实验现象表明，15片×4英寸盘内外圈的石墨盘，外圈坑位生长的外延片较内圈翘曲程度明显较大，这说明翘曲的外延材料与石墨盘之间存在不同高度的间隙，导致外延片受热不均，外延生长中对温度敏感的参数，如In组分、掺杂水平等的分布一致性无法控制，最终影响产品性能。
综上，本方案旨在从设备改善方面，极大降低半导体外延生长过程的工艺控制复杂性，提升MOCVD满盘生长的均匀性，降低调试变量和难度，最终实现产品新能的整体提升。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，可极大提高半导体外延片均匀性，同时，提高外延生长过程中的温度控制可靠性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，所述石墨盘上形成有若干个用于放置衬底的衬底凹槽，其中，所述衬底凹槽的槽底形成有按1～20个/cm2密度均匀分布的细孔，且所述细孔竖直贯穿石墨盘底部，利用反应室自上而下的压力差，使衬底两面在外延生长过程中始终保持有压力差，即使衬底发生翘曲，亦能被此压力差下压吸附在石墨盘表面。
进一步，所述细孔形状为圆柱形或多边形，孔径不超过3mm。
进一步，所述石墨盘上的衬底凹槽深度范围为350～750μm。
进一步，所述石墨盘上的衬底凹槽的排布方式按衬底大小有以下选择之一：
2英寸50片或58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、石墨盘的衬底凹槽区域增设细孔，仅利用反应室气流压力，而不用额外增加其它设备，可将应力导致翘曲的外延片下压吸附在石墨盘表面，可避免翘曲的外延片生长过程中受热不均，解决材料组分和掺杂等对温度敏感的参数差异过大最终导致芯片性能不均匀的问题，从而极大提高半导体芯片质量。
2、石墨盘的衬底凹槽区域增设细孔，可以一定程度上减轻石墨盘重量，降低马达负载，节省转动耗能。
3、石墨盘的衬底凹槽以外的区域不设细孔，不会影响整体大气流分布，避免载气和有机源材料的浪费。
4、实现外延生长全程实时控温，避免翘曲表面使此控温模式下的探测光源的反射光点偏移导致温度监测值失真。
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为本发明所述的衬底凹槽排布方式举例示意图(15片×4英寸)。
图3为应力导致外延形变示意图。
图4为反应室气流方向示意图。
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所示，本实施例所提供的应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，其上形成有若干个用于放置衬底的衬底凹槽1，衬底凹槽1深度为350～750μm，而在本实施例中优选350μm，衬底凹槽1的槽底形成有按1～20个/cm2密度均匀分布的细孔2，且细孔2竖直贯穿石墨盘底部，本实施例中优选9个/cm2，细孔2形状可为圆柱形或多边形，孔径不超过3mm，而在本实施例中优选圆柱形，孔径为0.5mm。此外，石墨盘上的衬底凹槽1排布方式按衬底尺寸有以下选择之一：
2英寸50片或58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。
在本实施例中选择4英寸15片，具体如图2所示。
本发明的关键点是将石墨盘的衬底凹槽区域设计成具有细孔均匀分布的形式(如图1所示)，外延过程中一旦发生翘曲，利用反应室3中自上而下气流的压力差(如图4所示，图中附图标记4为载片盘)，使衬底下压吸附在石墨盘表面，这样，既可以实现全程实时控温，避免实时温控转热电偶温控的控温模式转换，又解决了外延生长过程受热不均的问题，从而极大提高半导体芯片质量，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 (4)
1.一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，所述石墨盘上形成有若干个用于放置衬底的衬底凹槽，其特征在于：所述衬底凹槽的槽底形成有按1～20个/cm2密度均匀分布的细孔，且所述细孔竖直贯穿石墨盘底部，利用反应室自上而下的压力差，使衬底两面在外延生长过程中始终保持有压力差，即使衬底发生翘曲，亦能被此压力差下压吸附在石墨盘表面。
2.根据权利要求1所述的一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，其特征在于：所述细孔形状为圆柱形或多边形，孔径不超过3mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，其特征在于：所述石墨盘上的衬底凹槽深度范围为350～750μm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于晶格失配结构外延生长的石墨盘，其特征在于：所述石墨盘上的衬底凹槽的排布方式按衬底大小有以下选择之一：
2英寸50片或58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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