CN112795983A - 多腔室半导体薄膜外延装置 - Google Patents

多腔室半导体薄膜外延装置 Download PDF

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Abstract

一种多腔室半导体薄膜外延装置，包括：多个生长腔室和一个机械臂；多个生长腔室至少包括一个石墨烯生长腔室、至少一个半导体材料生长腔室；其中，石墨烯生长腔室用于在衬底上生长石墨烯薄膜，包括等离子体处理模块，用于产生等离子气体；至少一个半导体材料生长腔室用于在石墨烯薄膜上范德华外延半导体薄膜，不同的半导体材料生长腔室用于生长不同的半导体薄膜；机械臂用于在生长腔室之间传递样品。该装置解决了在单腔室中石墨烯上外延半导体材料时石墨烯反应的残余气体对半导体材料的污染问题，同时还有利于简化生长腔室设计，提升材料生长效率和工艺可重复性；石墨烯采用了PECVD的方式制备，有利于提高石墨烯的生长速度，降低了生产成本。

Description

多腔室半导体薄膜外延装置
技术领域
本公开涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种多腔室半导体薄膜外延装置。
背景技术
半导体材料作为整个半导体产业的基础，决定了整个半导体产业发展的水平和方向。以III族氮化物为代表的半导体材料在光电器件和微电子器件上得到越来越广泛的应用。而传统的III族氮化物几乎都是在同质或异质的体单晶衬底上外延得到的，外延材料与衬底材料之间的晶格常数和热膨胀系数的差异会对外延材料的晶体质量产生重要的影响。同质外延被认为是最理想的外延方式，但目前同质外延所用到的衬底无论是价格还是尺寸都达不到工业大批量生产的要求。因此目前最常用的是异质外延的方式在蓝宝石、硅和碳化硅等异质衬底外延半导体材料。
异质外延不可避免会在外延材料中引入各种晶体缺陷，对材料的光学和电学性质产生负面影响。为了解决这个问题，人们在异质外延过程中引入缓冲层技术，以减少外延材料中的晶体缺陷。
近年来，以石墨烯为代表的二维晶体材料，因其优异的物理和化学性质得到越来越多的关注。以石墨烯为缓冲层外延生长半导体材料具有诸多优势：石墨烯的六角原子排列方式与众多六方晶系的半导体材料c面原子排列方式一致，有利于提高外延材料的晶体质量；它还可以改变非晶衬底的表面形貌，使之适用于纤锌矿结构半导体材料的外延生长；同时由于石墨烯和衬底之间依靠范德华力相结合，使得在石墨烯上生长的半导体材料可以轻易地转移到其他异质衬底上，从而避免传统衬底转移过程中刻蚀和腐蚀工艺对石墨烯的污染。
以石墨烯为缓冲层外延半导体材料主要有两种方式，第一种是先单独制备石墨烯层，将其转移到衬底上，随后将覆盖有石墨烯的衬底转移到MOCVD反应装置中，进行半导体材料的外延生长；第二种是在同一个MOCVD反应装置中先后进行石墨烯缓冲层和半导体材料的外延生长。第一种方法机械剥离法的工作量非常大、产量很低，容易在制备和转移石墨烯的过程中产生污染，从而影响在石墨烯上外延的半导体材料的晶体质量。第二种方法制备成本过高，石墨烯的反应气体和半导体材料的反应气体可能产生交叉污染，从而对后续半导体材料的晶体质量产生影响。
多腔室CVD是目前工业界普遍采用的大规模外延半导体材料的方案，多腔室相比单腔室，将原来在单腔室中的多步工艺转变为多腔室中的单步工艺，这种设计有利于简化腔室的设计，提升工艺的效率和重复性。并且当某个腔室发生故障时，其他腔室仍然可以在不影响工艺连续性的情况下正常工作，这有利于提升系统整体的容错性和可维护性。
等离子增强化学气相沉积相比传统的化学气相沉积，对反应温度，真空度要求更低，对衬底的结构和物理性质影响小，是低温制备石墨烯的重要方法。采用PECVD的方法，由于等离子的增强作用，降低了碳源中碳碳键断裂的难度，增强碳原子对衬底表面的沉积速度，降低了石墨烯的生产成本。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种多腔室半导体薄膜外延装置，以解决石墨烯反应残余气体对半导体材料的污染问题。
本公开提供了一种多腔室半导体薄膜外延装置，包括：多个生长腔室和一个机械臂；所述多个生长腔室至少包括一个石墨烯生长腔室、至少一个半导体材料生长腔室；其中，所述石墨烯生长腔室用于在衬底上生长石墨烯薄膜，包括等离子体处理模块，用于产生等离子气体；所述至少一个半导体材料生长腔室用于在所述石墨烯薄膜上范德华外延半导体薄膜，不同的半导体材料生长腔室用于生长不同的半导体薄膜；所述机械臂用于在所述生长腔室之间传递样品。
可选地，所述石墨烯生长腔室还包括：反应室，设于所述生长腔室中央，由支撑柱支撑固定；感应加热线圈，缠绕于所述反应室外部，用于提供反应所需的高温环境；反应源供应模块，用于提供石墨烯；载气供应模块，用于向反应室输送工艺气体。
可选地，所述等离子体处理模块包括上多孔极板和下多孔极板，分设于所述反应室内的上方和下方，且所述上多孔极板与所述反应源及载气供应模块的送气口连接，所述下多孔基板与所述反应室的出气口连接，所述多孔极板和下多孔极板用于产生电场，使所述工艺气体在外电场的作用下电离形成等离子体，并加速向下多孔极板运动。
可选地，所述下多孔极板上方设有衬底基座，用于盛放石墨烯衬底。
可选地，各所述生长腔室均包括：尾气收集模块，与所述反应室的出气口连接，用于收集反应过程中产生的尾气；真空泵，用于控制所述反应室内的压强。
可选地，所述装置还包括：温度监测模块，用于监控各所述生长腔室内的温度；压强监测模块，用于监测各所述生长腔室内的压强。
可选地，各所述生长腔室放置于真空环境下。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开解决了在单腔室中石墨烯上外延半导体材料时，石墨烯反应残余气体对半导体材料的污染问题，同时还有利于简化生长腔室设计，提升材料生长效率和工艺可重复性；该装置无需人工转移石墨烯，减少了对石墨烯的损伤；石墨烯采用了PECVD的方式制备，有利于提高石墨烯的生长速度，降低了生产成本。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种多腔室半导体薄膜外延装置的示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种石墨烯生长腔室的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种多腔室半导体薄膜外延装置的示意图。
如图1所示，本公开实施例提供的一种多腔室半导体薄膜外延装置001，包括：多个生长腔室和一个机械臂401；多个生长腔室至少包括一个石墨烯生长腔室201、至少一个半导体材料生长腔室101、301；其中，石墨烯生长腔室201用于在衬底上生长石墨烯薄膜，包括等离子体处理模块，用于产生等离子气体；至少一个半导体材料生长腔室101、301用于在石墨烯薄膜上范德华外延半导体薄膜，不同的半导体材料生长腔室用于生长不同的半导体薄膜；机械臂401用于在生长腔室之间传递样品。该多腔室半导体薄膜外延装置001为具有一定真空度的密闭洁净腔体，各生长腔室放置于真空环境下。
本公开提供的多腔室半导体薄膜外延装置，可在石墨烯生长腔室201中单独生长石墨烯，在半导体材料腔室中生长半导体薄膜，可避免在单腔室中石墨烯上外延半导体材料时，石墨烯反应残余气体对半导体材料的污染问题。
石墨烯生长腔室为离子体增强化学气相沉积做了专门优化，有利于降低制备石墨烯的温度又可以快速生长石墨烯，进而降低生产成本。
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种石墨烯生长腔室的结构示意图。
参阅图2，除了等离子体处理模块之外，石墨烯生长腔室201还包括：反应室203，设于生长腔室中央，由支撑柱208支撑固定；感应加热线圈209，缠绕于反应室203外部，用于提供反应所需的高温环境；反应源供应模块，用于提供石墨烯；载气供应模块，用于向反应室203输送工艺气体。
如图2所示，石墨烯生长腔室内，等离子体处理模块包括上多孔极板204和下多孔极板202，分设于反应室203内的上方和下方，且上多孔极板204与反应源及载气供应模块的送气口205连接，下多孔基板202与反应室203的出气口连接，上多孔极板204和下多孔极板202用于产生电场，使工艺气体在外电场的作用下电离形成等离子体，并加速向下多孔极板202运动。由于等离子的增强作用，降低了碳源中碳碳键断裂的难度，增强碳原子对衬底表面的沉积速度，降低了石墨烯的生产成本。此外，下多孔极板202上方设有衬底基座206，用于盛放石墨烯衬底。
需要说明的是，本公开实施例并不对半导体材料生长腔室的结构作任何限定，可以为常规的生长腔室。
各生长腔室还可以包括：尾气收集模块，与反应室203的出气口207连接，用于收集反应过程中产生的尾气；真空泵，用于控制反应室内的压强。
可选地，装置001还包括：温度监测模块，压强监测模块，电场监测模块。其中，温度监测模块，用于监控各生长腔室内的温度；压强监测模块，用于监测各生长腔室内的压强。通过各监测模块，可实时监控各生长腔室内的生长环境，保证各类材料的薄膜的稳定生长。
根据本实施例提供的多腔室半导体薄膜外延装置，可实现将石墨烯作为衬底和半导体材料之间的插入层，在石墨烯上范德华外延半导体材料，可以降低衬底和半导体材料的晶格失配，同时由于石墨烯表面的迁移势垒较低，可以促进半导体材料在表面的成核生长，从而获得高质量的外延薄膜。
本公开实施例提供的多腔室半导体薄膜外延装置，采用多个生长腔室，实现石墨烯和半导体材料在不同的腔室内生长，从而区别于目前常规的单腔室连续生长和石墨烯转移生长，这种设计解决了单腔室石墨烯外延半导体材料过程中，石墨烯反应残余气体对后续材料生长的污染问题，减少石墨烯剥离和转移过程中对石墨烯的损伤，同时还有利于简化生长腔室设计，提升材料生长效率和工艺可重复性。
实施例一
下面以石墨烯异质外延GaN基LED为例来具体介绍该装置的实现。
如图1所示，该装置外壳001为具有一定真空度的密闭洁净腔体，密闭腔体内包含半导体材料生长腔室101，石墨烯生长腔室201，301根据生长需要可拓展为一个或多个石墨烯或半导体材料生长腔室，401为用于在不同腔室之间传递样品的机械臂401。如图2所示，201为石墨烯生长腔室腔体；204和202分别为上孔板电极和下孔板电极，203为反应室腔体，208为支撑柱，205为进气口，207为出气口，206为衬底基座，209为感应加热线圈。
具体而言，石墨烯生长腔室201内具有反应室203，反应室由支撑柱208固定，反应室外部缠绕感应加热线圈209，提供反应所需的高温环境，反应室上下分别设有进气口205和出气口207，用于从进气口205向反应室203通入工艺气体，并由出气口250排出反应室203的工艺气体，反应室203内部设有上多孔极板204和下多孔极板202，下多孔极板上方为衬底基座206，用于盛放石墨烯衬底，反应室内通电、通气后，工艺气体会在外电场的作用下电离形成等离子体，并加速向下多孔极板运动，在衬底表面反应形成石墨烯。
石墨烯生长腔室中配备了反应源及载气供应模块，用于提供石墨烯生长过程所需的碳源和氢气、氩气，用于提供反应过程中的载气，同时还配备了氮气等离子体处理装置，用于提高石墨烯反应的活化能。反应过程中需要监控石墨烯腔室内的温度，压强，石墨烯厚度等，所用衬底为蓝宝石衬底，加热装置要求能够提供500℃以上的温度。
GaN基LED的生长分别在三个腔室中完成，一个腔室用于n型层外延材料的生长，一个腔室用于有源层生长，一个腔室用于p型层外延材料的生长，不同腔室分别只配备了生长目标材料所需的有机源或卤化物，此外还包括常规的衬底加热装置、反应监控装置、尾气收集装置。
根据半导体材料生长条件不同，三个半导体材料生长腔室具有不同生长控制程序，包括生长过程中的温度调控、气体源通断调控、行星盘转速调控、气体流速调控等。
反应过程如下：首先在石墨烯生长腔室201内，通入甲烷、氩气、氢气，以蓝宝石为衬底，在温度700℃，压强600Pa，射频功率200W条件下，处理40分钟得到石墨烯，用机械臂401将处理后的石墨烯转移到n型层外延材料生长腔室，进行GaN缓冲层和n型GaN层的生长。
n型层外延材料生长腔室配备的源材料包括氨气、n型掺杂剂SiH4和Ga源，Ga源使用TMGa等Ga的卤化物，生长过程使用激光干涉仪的振荡曲线来控制表面平整度和生长速度，生长结束后，使用机械手臂将衬底外延片移动到有源层外延材料生长腔室进行多量子阱的生长。
有源层外延材料生长腔室配备的源材料包括TEGa、TMIn、氨气、掺杂剂SiH4等，生长程序控制交替生长不同GaN组分的量子阱和量子垒。生长结束后，使用机械手臂将衬底外延片移动到p型层外延材料生长腔室进行p型GaN材料的生长。
p型层外延材料生长腔室配备的源材料包括In/Al/Ga/Mg等有机源、氨气，以及用于激活Mg掺杂p型GaN的氧气等以便获得最佳的p型GaN材料。
p型层生长完成后，由机械臂401取出放置到指定地点。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (7)

1.一种多腔室半导体薄膜外延装置，其特征在于，包括：
多个生长腔室和一个机械臂；
所述多个生长腔室至少包括一个石墨烯生长腔室、至少一个半导体材料生长腔室；
其中，所述石墨烯生长腔室用于在衬底上生长石墨烯薄膜，包括等离子体处理模块，用于产生等离子气体；
所述至少一个半导体材料生长腔室用于在所述石墨烯薄膜上范德华外延半导体薄膜，不同的半导体材料生长腔室用于生长不同的半导体薄膜；
所述机械臂用于在所述生长腔室之间传递样品。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述石墨烯生长腔室还包括：
反应室，设于所述生长腔室中央，由支撑柱支撑固定；
感应加热线圈，缠绕于所述反应室外部，用于提供反应所需的高温环境；
反应源供应模块，用于提供石墨烯；
载气供应模块，用于向所述反应室输送工艺气体。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述等离子体处理模块包括上多孔极板和下多孔极板，分设于所述反应室内的上方和下方，且所述上多孔极板与所述反应源及载气供应模块的送气口连接，所述下多孔基板与所述反应室的出气口连接，所述多孔极板和下多孔极板用于产生电场，使所述工艺气体在外电场的作用下电离形成等离子体，并加速向下多孔极板运动。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述下多孔极板上方设有衬底基座，用于盛放石墨烯衬底。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各所述生长腔室均包括：
尾气收集模块，与所述反应室的出气口连接，用于收集反应过程中产生的尾气；
真空泵，用于控制所述反应室内的压强。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
温度监测模块，用于监控各所述生长腔室内的温度；
压强监测模块，用于监测各所述生长腔室内的压强电场电场。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各所述生长腔室放置于真空环境下。
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