CN217922428U - 一种具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，包括样品托本体、样品托本体的表面设有具有周期性结构的复合导热涂层，复合导热涂层包括设置在样品托本体表面的碳化硅涂层，镶嵌或覆盖在碳化硅涂层表面的金刚石层，碳化硅涂层和金刚石层依次设置在样品托本体的表面上。本实用新型通过金刚石颗粒、多晶薄膜的高效纵向、横向热传输性能和调节金刚石微纳颗粒的大小和密度的径向分布所实现的非均匀散热特性，可补偿由于设备结构或反应气体耗尽模式带来的碳化硅晶片生长温度不均匀，从而降低热应力型BPD位错概率，最终实现大面积碳化硅外延晶片的高质量均匀生长。

Description

一种具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托

技术领域

本实用新型涉及晶体合成技术，特别涉及一种具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托。

背景技术

碳化硅单晶材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可很好地满足现代电子技术找高温、高功率、高电压、高频率及高辐射等恶劣条件的应用要求。与传统的硅材料器件不同，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在单晶衬底上生长高质量的外延层，然后在外延层上制造各类结构的器件。

在各种碳化硅外延层制备方法中，化学气相沉积(CVD)最为常用，其结合台阶流的生长模式能实现一定厚度和掺杂浓度的碳化硅外延材料，可满足产业化量产的基本要求。在当前CVD法生长碳化硅外延材料的工艺过程中，普遍采用均匀石墨材质托盘来承载或支撑生长用的碳化硅单晶衬底。为了避免在高温环境下石墨托盘体材料中的杂质元素被析出而污染设备腔体和影响外延生长质量，通常会在石墨托表面沉积碳化钽(TaC)、碳化硅(SiC)等耐高温涂层。相比于TaC，SiC与石墨托盘本体的结合更加牢固，且SiC涂层可以在现成的碳化硅CVD外延设备上进行制备。最表面覆盖有SiC涂层样的品托，可减少由于样品托材质与SiC衬底晶片不一致而造成沉积过程中微观动力学的差异，有利于降低因边缘效应导致晶片边缘和中心之间的掺杂浓度和厚度等参数差异。

在生长过程中，炉腔和加热结构的构造及反应气体在流动方向的耗尽模式会引起衬底晶片表面温度分布不均匀，典型情况是中心温度高于边缘。温度分布不均匀所导致的热应力是对称成对出现型的基平面位错(BPD)的主要产生原因，BPD会对双极型器件稳定性产生严重影响，是制约目前碳化硅双极型器件不能商业化的主要原因。

衬底晶片的背面直接与样品托表面接触，因此它们之间的热传导效率也会极大影响晶片的生长温度均匀性。由于石墨体材料本身具有比较低导热系数(～150w/m·k)，而SiC涂层的热导率只有～80w/m·k，衬底晶片表面的温度不均匀将无法通过高效的热传导来进行缓解。上述由温度不均匀引起的问题严重影响碳化硅外延晶片的产品质量和生产成本。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，包括样品托本体和表面涂层,所述表面涂层设置在所述样品托本体的表面，所述表面涂层为具有周期性结构的复合导热涂层，所述复合导热涂层包括设置在所述样品托本体表面的碳化硅涂层，镶嵌或覆盖在所述碳化硅涂层表面的金刚石层，所述碳化硅涂层和所述金刚石层依次设置在所述样品托本体的表面上。

作为本使用新型具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托的一种改进，所述金刚石层包括有金刚石微纳颗粒层和金刚石多晶膜层，所述金刚石微纳颗粒层按一定分布规律镶嵌在所述碳化硅涂层的表面，所述金刚石多晶膜层填充或覆盖在所述金刚石微纳颗粒层的表面和颗粒与颗粒之间的间隙中。金刚石层的其中一种实现方式是以金刚石微纳颗粒作为籽晶，异质外延生长层金刚石多晶膜层，成膜后金刚石微纳颗粒与金刚石多晶膜层为一体，可视为同一层物质；金刚石层的另一种实现方式是通过转移、键合等手段，将金刚石微纳颗粒与金刚石多晶膜层紧密地挤压在一起，此时金刚石微纳颗粒与金刚石多晶膜层可视为两层物质。无论金刚石微纳颗粒和金刚石多晶膜层被视为一层还是两层物质，均在本申请的保护范围内。

作为本使用新型具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托的一种改进，所述复合导热涂层的周期性结构为依次设置在所述样品托本体表面的碳化硅涂层、金刚石微纳颗粒、金刚石多晶膜层，重复所述碳化硅涂层、金刚石微纳颗粒、金刚石多晶膜层的覆盖设置，并在周期性结构的最上层覆盖额外一层碳化硅涂层，即可得到多周期结构的所述复合导热涂层。多周期结构的所述复合导热涂层是重复碳化硅涂层、金刚石微纳颗粒、金刚石多晶膜层的设置，可以根据衬底晶片导热的需要设置层数。

作为本使用新型具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托的一种改进，所述金刚石微纳颗粒层在所述样品托本体的径向分布密度或颗粒大小是根据衬底晶片温度在径向上的不均匀分布调节设置的。调节金刚石微纳颗粒在样品托本体径向上的分布密度或颗粒大小，实现样品托在纵向上的非均匀散热特性。如在衬底晶片温度较高区域对应的样品托位置上采用较高密度和较大粒径的金刚石微纳颗粒，反之，衬底晶片温度较低区域对应位置采用较低密度和较小粒径，通过此非均匀分布的纵向热传输性能，进一步提高样品托散热特性对衬底晶片的温度补偿效果。

作为本使用新型具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托的一种改进，所述金刚石微纳颗粒层在所述衬底晶片温度高的区域金刚石微纳颗粒分布密度高或颗粒大，所述金刚石微纳颗粒层在所述衬底晶片温度低的区域金刚石微纳颗粒分布密度低或颗粒小。

作为本使用新型具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托的一种改进，所述金刚石微纳颗粒层中的金刚石微纳颗粒粒径包括有在10～1000nm的金刚石纳米颗粒和粒径在1000nm～50um的金刚石微米颗粒。在实际应用的过程中，根据碳化硅(SiC)涂层、金刚石多晶膜层不同的厚度设计，选用合适粒径的金刚石微纳颗粒。

作为本使用新型具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托的一种改进，所述金刚石微纳颗粒层成圆环分布的方式镶嵌在所述碳化硅涂层的表面。

作为本使用新型具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托的一种改进，所述金刚石微纳颗粒层的圆环半径越小、金刚石微纳颗粒的镶嵌密度越大或金刚石微纳颗粒的粒径越大。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型以在碳化硅涂层上面镶嵌着按一定分布规律的金刚石微纳颗粒，并在金刚石微纳颗粒层的表面和间隙覆盖和填充一层金刚石多晶膜层作为周期性结构，在其上方覆盖碳化硅作为最表面涂层。通过金刚石颗粒、多晶薄膜的高效纵向、横向热传输性能和调节金刚石微纳颗粒的大小和密度的径向分布所实现的非均匀散热特性，可补偿由于设备结构或反应气体耗尽模式带来的碳化硅晶片生长温度不均匀，从而降低热应力型BPD位错概率，最终实现大面积碳化硅外延晶片的高质量均匀生长。

附图说明

图1是一个周期结构复合导热涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托；

图2是两个周期结构复合导热涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托；

附图标记为：1、样品托本体2、复合导热涂层3、容置槽21、第一层碳化硅涂层22、金刚石层23、第二层碳化硅涂层24、第三层碳化硅涂层25、第二层金刚石微纳颗粒层26、第二层金刚石多晶膜层221、金刚石微纳颗粒层222、金刚石多晶膜层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围内。

实施例一：如图1所示，一种具有一个周期结构复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，包括样品托本体1,样品托本体1的表面设有具有周期性结构的复合导热涂层2，复合导热涂层2包括设置在样品托本体1表面的第一层碳化硅涂层21，镶嵌或覆盖在第一层碳化硅涂层21表面的金刚石层22，第一层碳化硅涂层21和金刚石层22依次设置在样品托本体1的表面上。样品托本体1的设有用于放置碳化硅衬底晶片的容置槽3。复合导热涂层2为一层时，在金刚石层22的表面再覆盖第二层碳化硅涂层23。

样品托本体1的材质为石墨，样品托本体1外直径Φ为160mm，上方用于放置碳化硅衬底晶片的容置槽3的开口直径Φ为150mm，开口深度为2mm，样品托本体1的整体厚度为8mm。第一层碳化硅涂层21的厚度为15um，第二层碳化硅涂层23的厚度为10um。

优选的，金刚石层22包括有金刚石微纳颗粒层221和金刚石多晶膜层222，金刚石微纳颗粒层221按一定分布规律镶嵌在碳化硅涂层21的表面，金刚石多晶膜层222填充或覆盖在金刚石微纳颗粒层221的表面和颗粒与颗粒之间的间隙中。金刚石层22的其中一种实现方式是以金刚石微纳颗粒作为籽晶，异质外延生长成金刚石多晶膜层222，成膜后的金刚石微纳颗粒与金刚石多晶膜层为一体，可视为同一层物质；金刚石层22的另一种实现方式是通过转移键合等手段，将金刚石微纳颗粒与金刚石多晶膜层222紧密地挤压在一起，此时金刚石微纳颗粒与金刚石多晶膜层可视为两层物质。无论金刚石微纳颗粒和金刚石多晶膜层被视为一层还是两层物质，均在本申请的保护范围内。在外延生长过程中，SiC衬底晶片放置在向上开口的容置槽3内，晶片背部直接与第二层碳化硅涂层23接触。

优选的，复合导热涂层2的周期性结构为依次设置在样品托本体表面的第一层碳化硅涂层21、金刚石微纳颗粒221、金刚石多晶膜层222，重复碳化硅涂层21、金刚石微纳颗粒221、金刚石多晶膜层222的覆盖设置能够得到多周期结构的复合导热涂层2。多周期结构的复合导热涂层2是重复第一层碳化硅涂层21、金刚石微纳颗粒221、金刚石多晶膜层222的设置，可以根据衬底晶片导热的需要设置层数。金刚石多晶膜层222

优选的，金刚石微纳颗粒层222在样品托本体1的径向分布密度或颗粒大小是根据衬底晶片温度在径向上的不均匀分布调节设置的。调节金刚石微纳颗粒在样品托本体1径向上的分布密度或颗粒大小，实现样品托在纵向上的非均匀散热特性。如在衬底晶片温度较高区域对应的样品托本体1位置上采用较高密度和较大粒径的金刚石微纳颗粒，反之，衬底晶片温度较低区域对应位置采用较低密度和较小粒径，通过此非均匀分布的纵向热传输性能，进一步提高样品托本体散热特性对衬底晶片的温度补偿效果。

优选的，金刚石微纳颗粒层221在衬底晶片温度高的区域金刚石微纳颗粒分布密度高或颗粒大，金刚石微纳颗粒层221在衬底晶片温度低的区域金刚石微纳颗粒分布密度低或颗粒小。

优选的，金刚石微纳颗粒层221中的金刚石微纳颗粒粒径包括有在10～1000nm的金刚石纳米颗粒和粒径在1000nm～50um的金刚石微米颗粒。在实际应用的过程中，根据第一层碳化硅涂层21、金刚石多晶膜层222不同的厚度设计，选用合适粒径的金刚石微纳颗粒。

优选的，金刚石微纳颗粒层221成圆环分布的方式镶嵌在第一层碳化硅涂层21的表面。金刚石微纳颗粒层221在以容置槽3圆心为零点指向边缘的径向方向上的密度分布和选用规格如下：在(0,25mm)区间内，选用粒径为10um的金刚石微米颗粒，分布密度为10⁵个/cm²；在(25mm,50mm)区间内，选用粒径为5um的金刚石微米颗粒，分布密度为10⁵个/cm²；在(50mm,75mm)区间内，选用粒径为2.5um的金刚石微米颗粒，分布密度为10⁵个/cm²。

优选地，金刚石多晶膜层222的厚度为50um

实施例二，如图2所示，一种具有两个周期结构复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，包括：样品托本体1，在样品托本体1的表面上覆盖第一层碳化硅涂层21，在第一层碳化硅涂层21上表面镶嵌着按一定分布规律的金刚石微纳颗粒层221，在金刚石微纳颗粒221的表面和颗粒间隙填充和覆盖一层金刚石多晶膜层222，在金刚石多晶膜层222表面再覆盖第二层碳化硅涂层23，在第二层碳化硅涂层23上表面镶嵌着按一定分布规律的第二层金刚石微纳颗粒层25，在第二层金刚石微纳颗粒层25的表面和颗粒间隙填充和覆盖第二层金刚石多晶膜层26，最后在第二层金刚石多晶膜层26表面再覆盖第三层碳化硅涂层24。在外延生长过程中，SiC衬底晶片放置在向上开口的容置槽3内，晶片背部直接与第三层碳化硅涂层24接触。

优选地，样品托本体1的材质为石墨，样品托本体1外直径Φ为160mm，上方用于放置碳化硅衬底晶片的容置槽102的开口直径Φ为150mm，开口深度为2mm，样品托本体1的整体厚度为8mm。

优选地，第一层碳化硅涂层21、第二层碳化硅涂层23、第三层碳化硅涂层24的厚度分别为20um、5um和10um。

优选地，金刚石微纳颗粒层221在以容置槽3圆心为零点指向边缘的径向方向上的密度分布和选用规格如下：在(0,25mm)区间内，选用粒径为5um的金刚石微米颗粒，分布密度为10⁵个/cm²；在(25mm,50mm)区间内，选用粒径为2.5um的金刚石微米颗粒，分布密度为10⁵个/cm²；在(50mm,75mm)区间内，选用粒径为2.5um的金刚石微米颗粒，分布密度为10⁴个/cm²。

优选地，第二层金刚石微纳颗粒层25在以容置槽3圆心为零点指向边缘的径向方向上的密度分布和选用规格如下：在(0,25mm)区间内，选用粒径为500nm的金刚石纳米颗粒，分布密度为10⁸个/cm²；在(25mm,50mm)区间内，选用粒径为500nm的金刚石纳米颗粒，分布密度为10⁷个/cm²；在(50mm,75mm)区间内，选用粒径为500nm的金刚石纳米颗粒，分布密度为10⁶个/cm²。

优选地，金刚石涂多晶膜层222和第二层金刚石涂多晶膜层26的厚度为分别为20um和5um。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和结构的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (8)

1.一种具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，包括样品托本体, 其特征在于，所述样品托本体的表面设有具有周期性结构的复合导热涂层，所述复合导热涂层包括设置在所述样品托本体表面的碳化硅涂层，镶嵌或覆盖在所述碳化硅涂层表面的金刚石层，所述碳化硅涂层和所述金刚石层依次设置在所述样品托本体的表面上。

2.根据权利要求1所述的具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，其特征在于，所述金刚石层包括有金刚石微纳颗粒层和金刚石多晶膜层，所述金刚石微纳颗粒层按一定分布规律镶嵌在所述碳化硅涂层的表面，所述金刚石多晶膜层填充或覆盖在所述金刚石微纳颗粒层的表面和颗粒与颗粒之间的间隙中。

3.根据权利要求2所述的具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，其特征在于，所述复合导热涂层的周期性结构为依次设置在所述样品托本体表面的碳化硅涂层、金刚石微纳颗粒、金刚石多晶膜层，重复所述碳化硅涂层、金刚石微纳颗粒、金刚石多晶膜层的覆盖设置能够得到多层次结构的所述复合导热涂层。

4.根据权利要求3所述的具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，其特征在于，所述金刚石微纳颗粒层在所述样品托本体的径向分布密度或颗粒大小是根据衬底晶片温度在径向上的非均匀分布调节设置的。

5.根据权利要求4所述的具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，其特征在于，所述金刚石微纳颗粒层在所述衬底晶片温度高的区域金刚石微纳颗粒分布密度高或颗粒大，所述金刚石微纳颗粒层在所述衬底晶片温度低的区域金刚石微纳颗粒分布密度低或颗粒小。

6.根据权利要求5所述的具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，其特征在于，所述金刚石微纳颗粒层中的金刚石微纳颗粒粒径包括有在10~1000 nm的金刚石纳米颗粒和粒径在1000 nm~50 um的金刚石微米颗粒。

7.根据权利要求2所述的具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，其特征在于，所述金刚石微纳颗粒层成圆环分布的方式镶嵌在所述碳化硅涂层的表面。

8.根据权利要求7所述的具有复合涂层的碳化硅外延晶片生长用样品托，其特征在于，所述金刚石微纳颗粒层的圆环半径越小、金刚石微纳颗粒的镶嵌密度越大或金刚石微纳颗粒的粒径越大。

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