CN116623285B - 一种石墨盘的清理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨盘的清理方法，包括：在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域生长第一半导体材料层；在石墨盘的衬底槽内放置晶圆基底，在晶圆基底以及第一半导体层上生长第二半导体材料层；取出晶圆基底并在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的第二半导体材料层上生长第三半导体材料层，使得石墨盘表面的沉积物爆皮脱落；使用吸附设备清除在石墨盘表面爆皮脱落的沉积物；其中，第一半导体材料、第二半导体材料以及第三半导体材料的晶格常数依次增大，第三半导体材料与第一半导体材料的晶格失配度为5%~20%。本发明对石墨盘的清理全过程均是在MOCVD设备的反应室中进行，清理完成后可以快速继续上线使用进行下一轮的半导体材料生长。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，具体涉及一种石墨盘的清理方法。
背景技术
金属有机物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简写MOCVD)设备主要用于化合物半导体材料 (比如GaAs、InP、GaN、InAs、GaSb等材料)的生长。石墨盘是MOCVD设备中用来承载晶圆衬底的配件，在衬底上生长材料时，半导体材料也会沉积在石墨盘的表面上，在达到一定生长周期或者厚度时，附着在石墨盘上的沉积物需要清理。
对于石墨盘上的沉积物的清理，目前业内普遍使用以下几种方法处理：
第一种是采用氯化氢、氯气等腐蚀性气体原位腐蚀方式，这种方式的清理过程中腐蚀性气体会浸润到石墨盘上，由于氯化氢、氯气等腐蚀性气体与砷化镓、锑化物等半导体材料非同一类，清理后的石墨盘生长半导体材料时，浸润到石墨盘上的腐蚀性气体会析出而污染所要生长的半导体材料，另外，氯化氢、氯气等腐蚀性气体对反应室不锈钢腔体会产生腐蚀风险。
第二种是使用真空烤盘炉进行高温烘烤的方式，这种方式会存在一些不同类型的半导体材料无法共用真空烤盘炉的问题，导致成本增加；例如，对于沉积物主要是锑化物材料以及沉积物主要是砷化镓或磷化铟材料的石墨盘，若是使用同一台设备烘烤，由于锑化物材料在低温生长并且锑化物的挥发性远远低于砷化镓、磷化铟材料，导致锑化物材料会污染到用于生长砷化镓、磷化铟材料的石墨盘，清理后的石墨盘用于生长砷化镓、磷化铟材料时会引起锑元素的掺杂污染，因此锑化物材料无法与其他材料共用同一台烘烤设备；若是分开使用不同的设备烘烤，则需要增加一套烘烤设备（价格昂贵），则成本极高。
第三种是使用物理敲击的方式，这种方式对石墨盘表面损伤较大而导致成本极高，无法实现批量生长。
第四种是酸洗方式，这种方式会产生剧毒气体，不符合环保及安全要求，并且清洗过程中对石墨盘造成杂质污染，由此在MOCVD生长过程中引入非必要的掺杂，影响所要生长的半导体材料的质量。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种石墨盘的清理方法，在应用MOCVD设备外延生长半导体材料的工艺过程中对石墨盘进行清理，所述石墨盘设置于所述MOCVD设备的反应室内，所述清理方法包括：
在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域生长第一半导体材料层；
在石墨盘的衬底槽内放置晶圆基底，在晶圆基底以及第一半导体层上生长第二半导体材料层；
取出晶圆基底并在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的第二半导体材料层上生长第三半导体材料层，使得石墨盘表面的沉积物爆皮脱落；
使用吸附设备清除在石墨盘表面爆皮脱落的沉积物；
其中，第一半导体材料、第二半导体材料以及第三半导体材料的晶格常数依次增大，并且第三半导体材料与第一半导体材料的晶格失配度为5%~20%。
优选的方案中，所述第一半导体材料、所述第二半导体材料以及所述第三半导体材料分别为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。
优选的方案中，所述第二半导体材料为锑化物类半导体材料。
优选的方案中，所述锑化物类半导体材料为GaSb、InAs、InAlSb、InGaSb、GaAsSb或InPSb。
优选的方案中，所述第一半导体材料为GaAs、AlAs、AlP或GaP，所述第三半导体材料为InAs、GaSb、AlSb或InSb。
优选的方案中，所述第一半导体材料为GaAs并且所述第三半导体材料为InSb。
优选的方案中，所述第一半导体材料层的厚度为10μm~15μm，生长速率为1nm/s~5nm/s。
优选的方案中，所述第二半导体材料层累积生长至预定厚度后再生长所述第三半导体材料层。
优选的方案中，所述预定厚度为100μm~200μm。
优选的方案中，所述第三半导体材料层的厚度为1μm~5μm，生长速率为0.1nm/s~0.5 nm/s。
本发明实施例提供的石墨盘的清理方法，在应用MOCVD设备外延生长半导体材料的工艺过程中对石墨盘进行清理，具体是：在外延生长最终需要的位于晶圆基底上的第二半导体材料层之前，先在石墨盘表面生长晶格常数相对较小的第一半导体材料层，在晶圆基底上生长第二半导体材料层时在第一半导体材料层上也同时生长形成第二半导体材料层，在生长完成第二半导体材料层之后又在石墨盘表面生长晶格常数相对较大的第三半导体材料层，并且第三半导体材料与第一半导体材料具有大的晶格失配度（5%~20%），在不同层的沉积物之间形成大应力失配而使得石墨盘表面的沉积物爆皮脱落，最后再使用吸附设备清除在石墨盘表面爆皮脱落的沉积物，由此在半导体材料的生长工艺过程中同时实现对石墨盘的沉积物进行清理。这种清理方式无需使用腐蚀性气体或液体，也无需进行高温烘烤，清理的全过程均是在MOCVD设备的反应室中进行，可以避免石墨盘暴露在空气或氧气中，清理完成后可以快速继续上线使用进行下一轮的半导体材料生长。
附图说明
图1是本发明实施例提供的石墨盘的清理方法的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例提供一种石墨盘的清理方法，在应用MOCVD设备外延生长半导体材料的工艺过程中对石墨盘进行清理。本领域所熟知的，MOCVD设备包括设置于反应室内的石墨盘，石墨盘上开设有多个用于承载晶圆基底的衬底槽，当需要外延生长半导体材料时，首先将晶圆基底放置在衬底槽内，然后启动MOCVD设备沉积半导体材料，在晶圆基底上外延生长形成半导体材料层，同时半导体材料也会沉积在石墨盘的其余（除了衬底槽之外的部分）表面上。参阅图1，本发明实施例的石墨盘的清理方法包括以下步骤：
步骤S1、在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域生长第一半导体材料层。
具体地，首先在石墨盘的衬底槽内放置陪片以覆盖遮挡衬底槽，然后启动MOCVD设备沉积第一半导体材料，由此在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域生长形成第一半导体材料层。
其中，启动MOCVD设备沉积第一半导体材料的具体工艺过程和工艺参数，可以根据第一半导体材料的具体材料参考已有技术进行。例如，以第一半导体材料选择是GaAs为例：在石墨盘的衬底槽内放置陪片后，首先将反应室抽低压至30mbar ~100mbar，并在氢气状态下加热到600℃~800℃，然后通入砷烷和三甲基镓源生长GaAs，按照预定的生长速率生长至所要求的厚度之后，关闭砷烷和三甲基镓材料源，关闭加热，设备降温至100℃~200℃，将氢气切换为氮气，最后降温至室温。
作为优选的方案，所述第一半导体材料层的厚度选择为10μm~15μm，生长速率选择为1nm/s~5 nm/s。
步骤S2、在石墨盘的衬底槽内放置晶圆基底，在晶圆基底以及第一半导体层上生长第二半导体材料层。
具体地，在完成步骤S1的工艺后，打开MOCVD设备的反应室盖门，取出陪片后将晶圆基底放置于石墨盘的衬底槽内，然后启动MOCVD设备沉积第二半导体材料，在晶圆基底上外延生长形成第二半导体材料层，同时第二半导体材料也会沉积在石墨盘的其余表面上，即，位于石墨盘的其余表面上的第一半导体层上也生长形成第二半导体材料层。
其中，启动MOCVD设备沉积第二半导体材料的具体工艺过程和工艺参数，可以根据第二半导体材料的具体材料参考已有技术进行。
步骤S3、取出晶圆基底并在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的第二半导体材料层上生长第三半导体材料层，使得石墨盘表面的沉积物爆皮脱落。
具体地，在完成步骤S2的工艺后，打开MOCVD设备的反应室盖门，取出晶圆基底后将陪片放置于衬底槽内以覆盖遮挡衬底槽，然后启动MOCVD设备沉积第三半导体材料，由此在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域生长形成第三半导体材料层，即，在第二半导体材料层上生长形成第三半导体材料层。
其中，启动MOCVD设备沉积第三半导体材料的具体工艺过程和工艺参数，可以根据第三半导体材料的具体材料参考已有技术进行。例如，以第三半导体材料选择是InSb为例：在石墨盘的衬底槽内放置陪片后，首将反应室抽低压至30mbar ~100mbar，并在氢气状态下加热到400℃~600℃，通入三甲基铟对石墨盘表面进行覆盖，再继续通入三甲基锑或者三乙基锑源生长InSb，按照预定的生长速率生长至所要求的厚度之后，关闭铟源和锑源，关闭加热，设备降温至100℃~200℃，将氢气切换为氮气，最后降温至室温。
作为优选的方案，所述第三半导体材料层的厚度选择为1μm~5μm，生长速率选择为0.1nm/s~0.5 nm/s。
需要说明的是，第二半导体材料层是生长在晶圆基底上用时也生长在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域，是制备半导体器件所需要生长的半导体材料层。第一半导体材料层和第三半导体材料层仅是生长在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域，主要目的是为了清除石墨盘表面的沉积物。具体地，第一半导体材料、第二半导体材料以及第三半导体材料的晶格常数依次增大，即第二半导体材料的晶格常数大于第一半导体材料的晶格常数，第三半导体材料的晶格常数大于第二半导体材料的晶格常数，并且第三半导体材料与第一半导体材料的晶格失配度为5%~20%，更为优选是选择晶格失配度为10%~20%的两种材料。
以上提供的方案中，由于依次生长在石墨盘的表面上的第一半导体材料、第二半导体材料以及第三半导体材料的晶格常数依次增大，并且第三半导体材料与第一半导体材料具有大的晶格失配度（5%~20%），在不同层的沉积物之间形成大应力失配，由此使得石墨盘表面的第一半导体材料层、第二半导体材料层以及第三半导体材料层等沉积物爆皮脱落。
步骤S4、使用吸附设备清除在石墨盘表面爆皮脱落的沉积物。
具体地，在完成步骤S3的工艺后，打开MOCVD设备的反应室盖门并在氮气状态下取出陪片，然后使用吸附设备（例如吸尘器）等工具将石墨盘表面爆皮脱落的材料全部吸附清理。
如上实施例提供的石墨盘的清理方法，在半导体材料的生长工艺过程中同时实现对石墨盘的沉积物进行清理，石墨盘的清理方式无需使用腐蚀性气体或液体，也无需进行高温烘烤，清理的全过程均是在MOCVD设备的反应室中进行，清理完成后可以快速继续上线使用进行下一轮的半导体材料生长。清理的全过程均是在MOCVD设备的反应室中进行，在纯氮气环境清洁，可以避免石墨盘暴露在空气或氧气中，也避免了使用化学药品及去离子水冲洗，减少了对环境的污染。这种石墨盘的清理方式可以应用到各种常见的半导体材料（第二半导体材料，即需要生长在晶圆基底上的半导体材料）中，根据需要生长的第二半导体材料选择合适的晶格失配度的第一半导体材料和第三半导体材料即可。这种石墨盘的清理方式特别适合应用于以下类型的半导体材料，即，该半导体材料生长形成后对应的沉积物使用高温烘烤方法或酸洗方法无法有效清除，或者极易对其它半导体材料的造成掺杂污染，例如是含Sb元素的沉积物。
作为优选的方案，所述第一半导体材料、所述第二半导体材料以及所述第三半导体材料分别选择为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。更优选的，第二半导体材料为锑化物类半导体材料，例如是GaSb、InAs、InAlSb、InGaSb、GaAsSb或InPSb等。
其中，所述第一半导体材料可以选择为GaAs、AlAs、AlP或GaP，所述第三半导体材料可以为InAs、GaSb、AlSb或InSb。最为优选的方案中，所述第一半导体材料为GaAs并且所述第三半导体材料为InSb。
优选的方案中，所述第二半导体材料层累积生长至预定厚度后再生长所述第三半导体材料层。
具体地，所述步骤S2中，当沉积在石墨盘的其余表面上的沉积物达到预定厚度之后，位于衬底槽边缘的沉积物颗粒会脱落至衬底槽内，掺杂到在晶圆基底上生长形成的第二半导体材料层中，影响外延片的品质，达到石墨盘的清理节点，由此再进行步骤S3的工艺。优选的方案中，所述预定厚度为100μm~200μm。
所述步骤S2可以进行一次或多次，可根据实际需要进行调整。例如，设定的达到石墨盘的清理节点的预定厚度为100μm：若所需要生长的第二半导体材料层厚度是100μm，则进行一次所述步骤S2的工艺之后即达到石墨盘的清理节点，立即进行后续步骤S3的工艺；若所需要生长的第二半导体材料层厚度是50μm，则进行两次所述步骤S2的工艺（更换不同的晶圆基底）之后才达到石墨盘的清理节点，再进行后续步骤S3的工艺。
综上所述，本发明实施例提供的石墨盘的清理方法，可以在半导体材料的生长工艺过程中同时实现对石墨盘的沉积物进行清理，无需使用腐蚀性气体或液体，也无需进行高温烘烤，清理的全过程均是在MOCVD设备的反应室中进行，清理完成后可以快速继续上线使用进行下一轮的半导体材料生长，为MOCVD设备的石墨盘的清理提供了一种新的思路。
需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种石墨盘的清理方法，在应用MOCVD设备外延生长半导体材料的工艺过程中对石墨盘进行清理，所述石墨盘设置于所述MOCVD设备的反应室内，其特征在于，所述清理方法包括：
在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的区域生长第一半导体材料层；
在石墨盘的衬底槽内放置晶圆基底，在晶圆基底以及第一半导体层上生长第二半导体材料层；
取出晶圆基底并在石墨盘的表面上位于衬底槽之外的第二半导体材料层上生长第三半导体材料层，使得石墨盘表面的沉积物爆皮脱落；
使用吸附设备清除在石墨盘表面爆皮脱落的沉积物；
其中，第一半导体材料、第二半导体材料以及第三半导体材料的晶格常数依次增大，并且第三半导体材料与第一半导体材料的晶格失配度为5%~20%；
其中，所述第一半导体材料为GaAs、AlAs、AlP或GaP，所述第一半导体材料层的厚度为10μm~15μm；所述第二半导体材料层累积生长至预定厚度后再生长所述第三半导体材料层，所述预定厚度为100μm~200μm；所述第三半导体材料为InAs、GaSb、AlSb或InSb，所述第三半导体材料层的厚度为1μm~5μm。
2.根据权利要求1所述的清理方法，其特征在于，所述第二半导体材料为锑化物类半导体材料。
3.根据权利要求2所述的清理方法，其特征在于，所述锑化物类半导体材料为GaSb、InAs、InAlSb、InGaSb、GaAsSb或InPSb。
4.根据权利要求1所述的清理方法，其特征在于，所述第一半导体材料为GaAs并且所述第三半导体材料为InSb。
5.根据权利要求1-4任一项所述的清理方法，其特征在于，所述第一半导体材料层的生长速率为1nm/s~5 nm/s。
6.根据权利要求1-4任一项所述的清理方法，其特征在于，所述第三半导体材料层的生长速率为0.1nm/s~0.5 nm/s。
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