CN113699586A - 一种带空气桥结构的托盘及外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带空气桥结构的托盘及外延生长方法，包括托盘主体，托盘主体端面开设多个凹槽，且每个凹槽内分布有多个复合台阶，放置衬底后，衬底边缘与凹槽内壁之间自然形成空气桥结构。得益于空气桥结构的强化流体输运的作用，本技术方案生长的外延片的背面未见分解的现象，依靠第一台阶形成的空气桥和凹槽底部喷孔结构，进一步加强了反应流体在外延片背面的流通，配合较深的第二台阶高度，加大了背面流体流动空间，使得换热更加均匀、衬底的温度一致性更好。该托盘设计特别适用于同质外延，在其上生长的同质LED外延片的波长均匀性得到了显著的提升。

Description

一种带空气桥结构的托盘及外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，具体为用于外延生长的托盘，适用GaN单晶、AlN单晶和SiC单晶等半导体衬底的同质外延工艺。
背景技术
随着GaN、SiC为代表的第三代半导体材料和器件的飞速发展，对于高质量外延材料的需求越来越迫切。例如，在GaN单晶衬底上同质外延，材料具有超高晶体质量，相比传统的异质外延的材料位错密度小了2~3个数量级，对于高性能GaN器件（如激光器、Micro-LED等）是极其重要的。然而，当前同质外延生长用的石墨托盘都是基于蓝宝石等异质衬底，用这种传统设计的托盘来生长GaN单晶衬底上同质外延，会遇到两大关键问题：1.GaN在超过900度且氨气保护不足的条件下极易分解，所以GaN单晶衬底的背面（N面）容易被烤黑；2.由于背面分解、翘曲等因素，生长的同质外延片的均匀性较差（特别是波长均匀性）等等。这两大问题都阻碍了同质外延高性能的发挥，对其产业化进程造成不利的影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有托盘生长的同质外延片的均匀性较差，外延生长半导体衬底背面易被烤黑的问题。
提供如下技术方案：一种带空气桥结构的托盘，包括托盘主体，托盘主体端面开设有凹槽，且凹槽内设置多个复合台阶。
上述托盘在使用时，衬底放置在凹槽中的复合台阶上，多个复合台阶支撑起衬底背面，使得衬底悬空于凹槽之上，衬底边缘与凹槽内壁之间形成空气桥结构；空气桥结构连接外延工艺的反应腔内环境与衬底背面环境，起到了桥梁作用。得益于空气桥结构的强化流体输运作用，加大了衬底背面流体流动空间，使得换热更加均匀、衬底的温度一致性更好。该托盘设计特别适用于同质外延，在其上生长的同质LED外延片的波长均匀性得到了显著的提升。
优选的：所述的多个复合台阶俯视整体上呈现为沿着凹槽侧壁圆周分布，方便放置圆形半导体衬底基片。
所述的多个复合台阶的横截面形状包括三角形、多边形、圆弧形的任一。不同的形状影响着衬底基片与台阶的接触范围和流动空间的大小。
优选的：第一台阶高度是托盘主体端面距离第二台阶顶面深度的60%-100%，第一台阶宽度是第二台阶宽度的85-95%；第二台阶的顶面距离凹槽底部高度为80-100微米。这里的第一台阶，起到了衬底与凹槽的隔离的作用，其高度影响着衬底外缘固体和流体的接触比例，可以对衬底边缘的气流和温度均匀性进行调控；而第一台阶的宽度则决定了衬底与凹槽间空气桥的宽度，控制着背面气流的交换量和进出气流速度；第二台阶的顶面高度则决定了容纳气体的量。
优选的：凹槽底部开设有多个喷孔。当外延生长时，腔体内反应气体进入分布在托凹槽底部的孔道由底部喷孔喷出，加强衬底的背面气体流动，最后从衬底边缘与凹槽内壁之间的空气桥流出；在外延生长时气体充分与衬底背面接触，降低了热应力形变，有效抑制了背面分解现象。依靠第一台阶形成的空气桥和凹槽底部喷孔结构，加强了反应流体在外延片背面的流通，配合较深的第二台阶高度，加大了背面流体流动空间，使得换热更加均匀、衬底的温度一致性更好。第二台阶的台阶面用来放置衬底，凹槽底部开设有多个喷孔，均匀分布于衬底背面区域，这些喷孔的入口设置在托盘中心区域（此区域因均匀性不好一般不放衬底），通过托盘内部的通道连接在一起，和上述衬底边缘与凹槽内壁之间自然形成的空气桥一起组成了连通衬底背部和托盘上方（外延工艺的反应腔）的气流输运通道。托盘在使用时可根据衬底上外延材料种类选择不同的气流种类、流量以进一步调节衬底背面温度均匀性。
进一步地在托盘中心区域设置通孔。当外延生长时，反应腔内的反应气流流经托盘中心区域通孔，可以进一步降低托盘中心区域温度，使得托盘温度均匀，减小因托盘温差形变给衬底造成的影响。
优选的，托盘中心的通孔和衬底背面的喷孔的孔径均大于1mm。
优选的，用于半导体衬底的同质外延；所述半导体衬底材质包括GaN单晶、AlN单晶、SiC单晶任一；所述托盘主体材质包括石墨、碳化硅、碳化钽任一。
优选的，凹槽设置为多个。
优选的，凹槽底面为平面。得益于复合台阶结构，衬底放置在复合台阶上时，凹槽底面与衬底背面不接触，因此不需要像传统托盘那样为了防止热应力变形将托盘底部预先设置为凹面或凸面。因此，本托盘凹槽底部为平面，结构简单，降低了托盘的加工难度。
有益效果：
本技术方案依靠复合台阶结构加强了反应流体在外延片背面的流通，加大了背面流体流动空间，使得换热更加均匀、衬底的温度一致性更好。该托盘设计特别适用于同质外延，在其上生长的同质LED外延片的波长均匀性得到了显著的提升。
附图说明
图1为本发明的托盘结构示意图；
图2为复合台阶处剖面局部放大示意图；
图3为现有技术中托盘结构示意图；
其中：1为托盘主体，2为凹槽，3为复合台阶，4为第一台阶，5为第二台阶，6为喷孔，7为通孔，8为衬底。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例
图1为本发明的托盘结构示意图；图2为图1中的标记字母E处的复合台阶处剖面局部放大示意图，一种带空气桥结构的托盘，包括托盘主体1，托盘主体端面开设有用于放置衬底8的凹槽2；凹槽底部开设有多个喷孔6；托盘主体上设置多个凹槽，每个凹槽内均设置多个复合台阶3；托盘中心区域设置通孔7，并与凹槽底部的喷孔连通。
优选的：所述的复合台阶由第一台阶4及第二台阶5复合而成；第一台阶紧靠凹槽内壁，第一台阶用来与内壁形成空气桥；其中第一台阶紧靠凹槽内壁，第二台阶紧靠第一台阶的侧壁并向凹槽底部缩进，用来放置衬底。第一台阶与第二台阶形成二级台阶，第二台阶位于凹槽底部。依靠第一台阶形成的空气桥结构，加强了反应流体在外延片背面的流通，配合较深的第二台阶高度以及平底结构，进一步加大了背面流体流动空间、使背面具有较高的温度均匀性。
以现有技术的石墨托盘为例与本技术方案的带空气桥结构的托盘进行对比。
现有技术中蓝宝石异质衬底用的石墨托盘，其设计方案如图3所示，凹槽内设置为单个环形台阶。由于异质外延存在的应力，生长时外延片会有较大的翘曲，凹槽内壁存在角度α为10°的向内倾斜，防止外延片弯曲过度发生飞片，单个环形台阶高度h为50微米，石墨托盘底面为凹面，最低点到放置衬底面的高度β（弯曲度）为10微米。
本技术方案的一种带空气桥结构的托盘，如图1及图2所示，凹槽内设5个复合台阶结构，形状为三角形台阶点；凹槽内放置衬底台面的宽度A为1.2mm，第一台阶的宽度a为1mm；凹槽高度B为600微米，第一台阶的高度b为480微米；第二台阶高度H为100微米，台阶底面设置有10个孔径为1.5mm的喷孔，托盘端面中心区域开设50个孔径为2mm的通孔，托盘内部设有通道，连接第二台阶底面的喷孔和托盘中心的通孔。
在这两种托盘设计下，分别放置2寸GaN单晶衬底、进行同样的LED工艺进行同质外延生长。
传统托盘设计下外延生长GaN单晶衬底的背面存在分解现象并且肉眼可 “月形烤环”，其波长图谱不一致，波长不均匀，而波长直接与温度相关，传统托盘设计导致了背面的分解，从而影响了衬底的温度均匀性，结果影响到了LED的波长。
而本发明的一种带空气桥结构的托盘下生长的LED外延片的背面与凹槽底部悬空，放置衬底后，由于第一台阶的存在，衬底外缘与凹槽内壁形成了一个约1mm宽度的环形空气桥，而外延生长中，反应气体（特别是氨气）会从托盘中心的2mm通孔经过托盘内部通道，从第二台阶底部的2mm喷孔流出，经过衬底背面后由环形空气桥流出，从而有效抑制了分解的现象。并且较深的台阶高度给予了气流较大的流动和换热空间，同质外延无外应力，生长时几乎没有翘曲、台阶底平面均匀向上对应外延片，提供了较好的加热均匀性。波长图谱更为一致，LED的波长均匀性如预期得到了提升，主波长为480.0nm时波长均匀性std值在1.7nm。
一种半导体衬底外延生长方法，将半导体衬底放置于本技术方案所述的一种带空气桥结构的托盘中进行外延生长。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带空气桥结构的托盘，包括托盘主体，其特征在于：托盘主体端面开设有凹槽，且凹槽内设置多个复合台阶。
2.根据权利要求1所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：所述的复合台阶由第一台阶及第二台阶复合而成。
3.根据权利要求2所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：第一台阶紧靠凹槽内壁，第一台阶与凹槽内壁形成空气桥；第二台阶向凹槽底部缩进。
4.根据权利要求1所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：凹槽底部开设有多个喷孔。
5.根据权利要求2所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：第一台阶高度是托盘主体端面距离第二台阶顶面深度的60%-100%，第一台阶宽度是第二台阶宽度的85-95%；第二台阶的顶面距离凹槽底部高度为80-100微米。
6.根据权利要求1所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：用于半导体衬底的同质外延。
7.根据权利要求6所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：所述半导体衬底的材质包括GaN单晶、AlN单晶、SiC单晶任一；所述托盘主体的材质包括石墨、碳化硅、碳化钽任一。
8.根据权利要求4所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：托盘中心区域设置通孔，并与凹槽底部的喷孔连通。
9.根据权利要求1至8任一所述的一种带空气桥结构的托盘，其特征在于：所述凹槽设置为多个。
10.一种半导体衬底外延生长方法，其特征在于：将半导体衬底放置于权利要求1~9之一所述的一种带空气桥结构的托盘中进行外延生长。
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