CN114318524A - 用于调控晶圆外延生长均匀性的装置及方法 - Google Patents
用于调控晶圆外延生长均匀性的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于调控晶圆外延生长均匀性的装置及方法，该用于调控晶圆外延生长均匀性的装置包括加热炉、托盘、支撑杆、温度传感器、引线及温度控制模块，托盘与支撑杆均安装于加热炉内，托盘用于放置生长晶圆或测温晶圆，支撑杆连接托盘，支撑杆用于驱动托盘转动；温度传感器安装于托盘上，引线的一端连接温度传感器，另一端连接温度控制模块，引线穿设支撑杆，并用粘接剂密封；工作时，生长晶圆或测温晶圆用于放置于温度传感器上。本装置通过温度传感器实时监测生长晶圆或测温晶圆的表面温度，且将监测的温度在线反馈至温度控制模块进行控温，测温和控温精确，确保调控晶圆外延生长的均匀性，实现大尺寸晶圆生长的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种用于调控晶圆外延生长均匀性的装置及方法。
背景技术
在第三代半导体晶圆的生长过程中，表面温度是决定所生长晶圆质量的关键性因素，其影响着晶圆的生长速度、表面形貌以及缺陷密度。目前，工业上采用气相法生长第三代半导体，如氮化镓、碳化硅等，多采用MOCVD(金属有机气相沉积)和HVPE(氢化物气相沉积)，其生长工艺步骤对温度控制要求十分严格，因此，对晶圆表面温度的精确监测与控制具有重要的意义。
以HVPE为例，现有加热炉温度反馈控温装置主要通过测量石英或金属腔体外表温度进行温度反馈控制，但生长或外延工艺过程所用的晶圆位于腔体内部，其实际温度与反馈温度相差较大，即设置温度与实际晶圆生长温度存在较大温差。
为了实现对晶圆生长温度的精确控制，需在腔体内部进行在线测温。目前，现有的在线测温多采用红外测温仪和紫外测温仪。但氮化镓、碳化硅、蓝宝石等材料对红外透明，红外测温仪无法测量其表面温度，数据失真严重。而采用紫外测温，可以解决对氮化镓、碳化硅、蓝宝石等材料不透明问题，但由于紫外波段热辐射明显弱于红外波段，难以准确测量。同时，晶圆生长过程常有副产物生成，如氮化镓生长过程中生成副产物氯化铵，其对红外测温和紫外测温热辐射均有较大影响，严重制约其监测和控温的准确性，进而影响晶体外延生长的均匀性。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种使用方便、测温精确的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置及方法，其调控方法简单易控。
一种用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，包括加热炉、托盘、支撑杆、温度传感器、引线及温度控制模块，所述托盘与所述支撑杆均安装于所述加热炉内，所述托盘用于放置生长晶圆或测温晶圆，所述支撑杆连接所述托盘，所述支撑杆用于驱动所述托盘转动；所述温度传感器安装于所述托盘上，所述引线的一端电连接所述温度传感器，另一端电连接所述温度控制模块，所述引线穿设所述支撑杆；工作时，所述生长晶圆或测温晶圆用于放置于所述温度传感器上。
在其中一个实施例中，所述温度传感器与所述托盘一体成型。
在其中一个实施例中，还包括面板，所述面板盖设于所述托盘，所述面板设有测温槽以容纳所述温度传感器，所述温度传感器与所述测温槽的底面平齐。
在其中一个实施例中，所述面板为单晶硅片、蓝宝石片、石英片、陶瓷片中的一种。
在其中一个实施例中，所述面板设有多个生长槽以容纳所述生长晶圆，所述生长槽与所述测温槽的深度一致；所述生长槽与所述测温槽的形状为圆形、方形、三角形中的一种。
在其中一个实施例中，所述引线套设有耐高温绝缘层；所述耐高温绝缘层为刚玉管、石英棉中的一种。
在其中一个实施例中，所述支撑杆的一端涂布有耐高温粘接剂以密封所述支撑杆与所述引线。
在其中一个实施例中，所述耐高温粘接剂为耐高温树脂、耐高温热熔胶、耐高温双组分胶水中的一种。
在其中一个实施例中，所述托盘为石墨盘、石英盘、金属盘中的一种。
一种用于调控晶圆外延生长均匀性的方法，基于上述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，包括如下步骤：
上料；将生长晶圆衬底放置于托盘上，将测温晶圆的衬底放置于温度传感器上，再将托盘放置于支撑杆上；
调控；控制所述支撑杆的转速为5～100rpm，加热炉内NH3和N2的比例为10～100：1，生长温度为600℃～2000℃，生长压力为100～760torr，生长时间为10～180min；
冷却；生长完成后，缓慢降温冷却，取出晶圆片。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置通过温度传感器实时监测生长晶圆或测温晶圆的表面温度，且将监测的温度在线反馈至温度控制模块进行控温，测温和控温精确，进而调控晶圆外延生长的均匀性，实现大尺寸晶圆生长的一致性；本用于调控晶圆外延生长均匀性的装置使用方便、测温和控温精确，确保晶圆外延生长的均匀性。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置的结构示意图；
图2为图1所示用于调控晶圆外延生长均匀性的装置的剖视图；
图3为采用传统的调控装置及方法所得的晶圆片在显微镜下的状态图；
图4为采用本实施例的调控装置及方法所得的晶圆片在显微镜下的状态图。附图标注说明：
用于调控晶圆外延生长均匀性的装置100；
托盘10、面板20、生长槽21、测温槽22、支撑杆30、温度传感器40、引线50、温度控制模块60、耐高温粘接剂70。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件的数目被称为有“多个”，它可以为两个或两个以上的任意数目。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1与图2，为本发明一较佳实施方式的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置100，包括加热炉(图未示)、托盘10、支撑杆30、温度传感器40、引线50及温度控制模块60；本实施例的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置100通过温度传感器40实时监测生长晶圆或测温晶圆的表面温度，且将监测的温度在线反馈至温度控制模60块进行控温，测温和控温精确，进而调控晶圆外延生长的均匀性，实现大尺寸晶圆生长的一致性。
如图1与图2所示，在本实施例中，加热炉内为真空腔室，托盘10与支撑杆30均安装于加热炉(图未示)内，托盘10用于放置生长晶圆或测温晶圆，可选地，托盘10为石墨盘、石英盘、金属盘中的一种；生长晶圆或测温晶圆均为蓝宝石与氮化镓的复合晶圆，支撑杆30为石英杆；进一步地，测温晶圆为小尺寸的蓝宝石与氮化镓的复合晶圆。
如图2所示，本用于调控晶圆外延生长均匀性的装置100还包括面板20，面板20盖设于托盘10，可选地，面板20为单晶硅片、蓝宝石片、石英片、陶瓷片中的一种。面板20设有生长槽21与测温槽22，生长槽21用于容纳生长晶圆，生长槽21与测温槽22的深度一致；可选地，生长槽21为多个，测温槽22为一个，各生产槽环绕测温槽22设置，测温槽22设置于面板20的中部；进一步地，生长槽21与测温槽22的形状为圆形、方形、三角形中的一种；在其他实施例中，生长槽21与测温槽22的形状为棱形、梯形等形状。
在一实施例中，支撑杆30连接托盘10，支撑杆30用于驱动托盘10转动；温度传感器40安装于托盘10上，可选地，温度传感器40为耐超高温度传感器40，温度传感器40容纳于测温槽22，温度传感器40与测温槽22的底面平齐；进一步地，温度传感器40与托盘10一体成型。在其他实施例中，温度传感器40容纳于生长凹槽或托盘10表面其他位点。温度传感器40可监控一个晶圆表面的一个位点或多个位点，也可监控多个晶圆表面的位点。工作时，将生长晶圆或测温晶圆放置于温度传感器40上，温度传感器40实时监测生长晶圆或测温晶圆的表面温度，而且，避免反应产物等对温度传感器40产生干扰，进而保证实测温度的准确性。而且，通过实践发现，当温度传感器40上没有放置生长晶圆或测温晶圆时，生长完成后，取样发现温度传感器40被氮化镓覆盖，测量实际温度与晶圆生长温度存在一定的偏差。
如图2所示，引线50的一端电连接温度传感器40，另一端电连接温度控制模块60，引线50穿设支撑杆30而穿出加热炉；在其他实施例中，引线50可根据设备具体构造经过其他元器件穿出加热炉或直接穿出加热炉。可选地，引线50套设有耐高温绝缘层；进一步地，耐高温绝缘层为刚玉管、石英棉中的一种；在其他实施例中，耐高温绝缘层为其他的耐高温材料。
在一实施例中，支撑杆30的一端涂布有耐高温粘接剂70以密封支撑杆30与引线50，确保气密性。可选地，耐高温粘接剂70为耐高温树脂、耐高温热熔胶、耐高温双组分胶水中的一种；在其他实施例中，耐高温粘接剂70为其他的耐高温、不易挥发、密封性好的粘接性材料。通过实践发现，当支撑杆30的一端没有涂布耐高温粘结剂作密封时，本装置无法抽真空，加热炉内压力与大气压接近，约为760torr，无法达到需求的400torr生长压力，暂不进行生长。
在工作状态下，温度传感器40上放置晶圆，避免反应产物等对温度传感器40产生干扰，进而保证实测温度的准确性。探测温度点为晶圆表面，且实时在线反馈至温度控制模块60进行控温，比现有的热电偶测加热炉外表的温度更准确。同时，引线50穿出支撑杆30处通过耐高温粘接剂70密封，以保证真空度。以同一设置温度进行生长，采用本装置生长的晶圆表面更均匀，晶体质量也更好；本用于调控晶圆外延生长均匀性的装置100结构简单、实用性强、控温精度高，具有极高的商业价值。
本发明一实施例提供的一种用于调控晶圆外延生长均匀性的方法，在上述用于调控晶圆外延生长均匀性的装置的基础上，包括如下步骤：
上料；将生长晶圆衬底放置于托盘10上，将测温晶圆衬底放置于温度传感器40上，再将托盘10放置于支撑杆30上；可选地，将生长晶圆的衬底放置于托盘10对应生长槽21处，将测温晶圆的衬底放置于托盘10对应测温槽22处。
调控；控制支撑杆30的转速为5～100rpm，加热炉内NH3和N2的比例为10～100：1，生长温度为600℃～2000℃，生长压力为100～760torr，生长时间为10～180min；可选地，控制支撑杆30的转速为10rpm，加热炉内NH3和N2的比例为30：1，生长温度为1030℃，生长压力为400torr，生长时间为30min。
冷却；生长完成后，缓慢降温冷却，取出晶圆片。
为了对比效果，按如上调控方法，生长温度从1000℃依次升温至1090℃，每10℃进行一次温度记录，记录加热炉的外表温度和测温晶圆的温度，数据如下表所示：
从上表可知，晶圆生长实际温度远低于加热炉的设置温度，通过本调控装置及方法，极大提高了加热炉温度控制的精确度，对晶圆生长调控过程中的温度控制有了显著的提高。
为了进一步对比效果，将采用传统的调控装置及方法完成生长的晶圆，即采用热电偶测试加热炉的外表温度，加热炉内NH3和HCl的比例为30：1，其他调控参数与上述调控方法一致，取样至显微镜下观察，并拍照，生长形貌如图3所示。
从上表可知，晶圆生长实际温度远低于加热炉的设置温度，采用传统的调控装置，由于生长温度较低，晶圆进行岛状沉积，图3中晶圆的表面呈小山丘状且粗糙度较大。再将通过上述调控装置及方法完成生长的晶圆，其中，加热炉内NH3和HCl的比例为30：1，取样至显微镜下观察，并拍照，生长形貌如图4所示。
采用本装置及方法，由于在线监测温度点为晶圆处，温控器显示的温度即为晶圆实际生长温度，与设置温度一致。如图4所示，与采用传统的调控装置及方法相比，晶圆处的温度显著增大，晶圆生长由岛状沉积转为层状沉积，晶圆表面较为光滑，呈线状分布，且粗糙度较小，晶圆形貌和质量有了显著的提高。
本发明的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置100通过温度传感器40实时监测生长晶圆或测温晶圆的表面温度，且将监测的温度在线反馈至温度控制模60块进行控温，测温和控温精确，进而调控晶圆外延生长的均匀性，实现大尺寸晶圆生长的一致性；本用于调控晶圆外延生长均匀性的装置100使用方便、测温和控温精确，确保晶圆外延生长的均匀性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，包括加热炉、托盘、支撑杆、温度传感器、引线及温度控制模块，所述托盘与所述支撑杆均安装于所述加热炉内，所述托盘用于放置生长晶圆或测温晶圆，所述支撑杆连接所述托盘，所述支撑杆用于驱动所述托盘转动；所述温度传感器安装于所述托盘上，所述引线的一端电连接所述温度传感器，另一端电连接所述温度控制模块，所述引线穿设所述支撑杆；工作时，所述生长晶圆或测温晶圆用于放置于所述温度传感器上。
2.根据权利要求1所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，所述温度传感器与所述托盘一体成型。
3.根据权利要求1所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，还包括面板，所述面板盖设于所述托盘，所述面板设有测温槽以容纳所述温度传感器，所述温度传感器与所述测温槽的底面平齐。
4.根据权利要求3所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，所述面板为单晶硅片、蓝宝石片、石英片、陶瓷片中的一种。
5.根据权利要求3所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，所述面板设有多个生长槽以容纳所述生长晶圆，所述生长槽与所述测温槽的深度一致；所述生长槽与所述测温槽的形状为圆形、方形、三角形中的一种。
6.根据权利要求1所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，所述引线套设有耐高温绝缘层；所述耐高温绝缘层为刚玉管、石英棉中的一种。
7.根据权利要求1所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，所述支撑杆的一端涂布有耐高温粘接剂以密封所述支撑杆与所述引线。
8.根据权利要求7所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，所述耐高温粘接剂为耐高温树脂、耐高温热熔胶、耐高温双组分胶水中的一种。
9.根据权利要求1所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，所述托盘为石墨盘、石英盘、金属盘中的一种。
10.一种用于调控晶圆外延生长均匀性的方法，基于权利要求1所述的用于调控晶圆外延生长均匀性的装置，其特征在于，包括如下步骤：
上料；将生长晶圆衬底放置于托盘上，将测温晶圆衬底放置于温度传感器上，再将托盘放置于支撑杆上；
调控；控制所述支撑杆的转速为5～100rpm，加热炉内NH3和N2的比例为10～100：1，生长温度为600℃～2000℃，生长压力为100～760torr，生长时间为10～180min；
冷却；生长完成后，缓慢降温冷却，取出晶圆片。
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