一種自調導熱使溫度分布均勻化的mocvd大尺寸石墨托盤的制作方法
【專利摘要】本發明一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，利用在石墨托盤背面設置的、其對熱輻射的反射性與石墨材質不同的、其厚度隨原溫(即樣品槽原先溫度)不同區而階梯形變化的其他材料涂層；或利用在石墨托盤石墨材質里摻入的，其導熱性與石墨材質不同的、其摻合比隨原溫不同區而階梯形變化的其他材料摻入區；以此結構，自行調節石墨托盤的導熱量，使石墨托盤樣品槽的表面溫度均勻化，從而減弱大尺寸襯底在高溫時熱膨脹引起的應力，以適應大尺寸襯底在高溫外延生長時的溫度均勻性要求。本發明大尺寸石墨托盤，在大尺寸襯底外延時，其溫度均勻性好、工藝制程簡單、容易擴大生產工藝窗口，利于大規模生產及其穩定性。
【專利說明】
一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤
技術領域
[0001]本發明屬于半導體設備制造技術領域，具體地涉及一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，能克服現有MOCVD外延設備在大尺寸襯底制備器件時發生的溫度分布不均勻問題，有利于降低器件外延成本。
【背景技術】
[0002]近五年來，GaN作為第三代寬帶隙半導體材料，以其為代表的II1-V氮化物為代表的半導體器件研究方向基本已經成熟，在某些半導體器件領域取得大規模產業化的應用。研究表明，氮化鎵的物理化學性能使其成為發光二極管，激光器，高功率電子器件等光電子器件的優選材料。
[0003]然而，隨著產業化的應用，進一步降低成本為大尺寸襯底外延器件技術提出了要求。LED照明發光二極管逐漸由2英寸向4英寸轉變。然而，由于目前IC半導體電子器件工藝生產線基本都是6英寸以上規格，硅基氮化物功率器件的產業化必然以6英寸以上規格為主，所以大尺寸半導體器件外延變得尤為迫切。6英寸以上襯底外延對MOCVD的溫度均勻性要求更高，大尺寸襯底的外延生長對石墨托盤的溫度均勻性較小尺寸襯底的更敏感。現有的MOCVD設備的加熱器形狀和功率因子，對于大尺寸襯底外延器件來說，其窗口顯小，在大面積范圍里的溫度均勻性及穩定很難實現，不利于大規模的生產。因此，解決MOCVD設備生長大尺寸襯底的溫度均勻性分布問題顯得尤為重要。由于MOCVD石墨托盤是襯底與加熱器之前的唯一導熱媒介，從導熱媒介設計出發，進一步改善MOCVD溫度均勻性，提高大尺寸襯底外延器件的穩定性，對其產業化有著重要的意義。

【發明內容】

[0004]本發明提供一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，能解決上述的現有MOCVD設備難以解決的大尺寸襯底表面生長工藝所要求的溫度均勻性及其穩定問題。
[0005]所謂自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，是利用在石墨托盤背面設置的、其對熱輻射的反射性與石墨材質不同的、其厚度隨樣品槽原先溫度(以下簡稱原溫，是指未采用本發明結構的原先石墨托盤在高溫生長狀態下的樣品槽溫度)不同區而階梯形變化的其他材料涂層;或利用在石墨托盤本體石墨材質里摻入的，其導熱性與石墨材質不同的、其摻入比隨原溫不同區而階梯形變化的其他材料摻入區；以此結構，自行調節石墨托盤的導熱量，使石墨托盤樣品槽的表面溫度均勻化，從而減弱大尺寸襯底在高溫時熱膨脹引起的應力，以適應大尺寸襯底在高溫外延生長時的溫度均勻性要求。本發明大尺寸石墨托盤，在大尺寸襯底外延時，其溫度均勻性好、工藝制程簡單、容易擴大生產工藝窗口，利于大規模生產及其穩定性。
[0006]在實際應用中，根據需要，在石墨托盤背面設置其他材料涂層方式、或在石墨托盤本體石墨材質里選擇性地摻入其他材料的摻入區方式中，可以單獨采用其中一種，也可以同時米用兩種。
[0007]本發明大尺寸石墨托盤，在大尺寸襯底外延時，其溫度均勻性好、工藝制程簡單、容易擴大生產工藝窗口，有利于大規模生產及其穩定性。
【具體實施方式】
[0008]本發明一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，其【具體實施方式】，可以有多種。
[0009]第一種實施方式:在石墨托盤背面設置涂層，通過涂層，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤
[0010]所述大尺寸石墨托盤，包括石墨托盤本體、樣品槽、和涂層；
[0011 ]所述涂層，設置在石墨托盤背面；
[00?2]所述涂層，共有η級，1〈η〈25，樣品槽及襯底尺寸越大，η取值越大；
[0013]所述涂層，其厚度隨所對應原溫不同區而階梯形變化:S卩，在原溫較高區所對應的石墨托盤背面涂層其厚度較厚，因而對熱輻射較多反射、較多減少到達石墨托盤該區的熱量，從而較多降低原溫較高區的溫度;在原溫較低區所對應的石墨托盤背面涂層其厚度較薄，因而對熱輻射較少反射、適度減少到達石墨托盤該區的熱量，從而適度降低原溫較低區的溫度;在原溫最低區所對應的石墨托盤背面涂層其厚度最薄(或為零即未涂層)，因而對熱輻射最少反射、最低減少到達石墨托盤該區的熱量(或不減少原熱量)、從而最少降低原溫最低區的溫度(或原溫未改變)；如此，通過不同厚度的各級涂層，自行調節反射及導熱，以減小樣品槽不同區之間的溫差，使整個樣品槽各區溫度分布均勻化，從而提高樣品槽整體的溫度均勻性;所述涂層厚度，其取值范圍:1500nm>Hd>5nm;
[0014]所述涂層，其對熱輻射的反射性比石墨托盤的石墨材質強;所述涂層其材料，采用耐高溫陶瓷化合物材料，包括其對熱輻射的反射性比石墨材質強的IIIB、IVB、VB元素和/或其化合物材料；
[0015]所述涂層其制備，可以采用濺射、蒸發及燒結等物理方法沉積在石墨托盤背面，或以化學噴涂、反應等方法生成在石墨托盤背面。
[0016]第二種方式:在石墨托盤本體石墨材質里，摻入其他材料，通過摻入區，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤
[0017]所述大尺寸石墨托盤，包括石墨托盤本體摻入區、樣品槽、和石墨托盤本體非摻入區；(注:所述石墨托盤本體非摻入區，是指除了石墨托盤本體摻入區、和樣品槽以外的、未摻入其他材料的石墨托盤本體區)
[0018]所述石墨托盤本體摻入區，為在原溫不同區所對應的石墨托盤本體石墨材質里摻入其他材料的區，共有η個摻入區，1〈η〈25，樣品槽及襯底尺寸越大，η取值越大；
[0019]所述摻入區，其中其他材料的摻入比，隨所對應原溫不同區而階梯形變化；S卩，在靠近原溫較高區所對應的石墨托盤本體石墨材質中，其摻入比比較高，以較多減少該區的導熱量、從而較多降低該區溫度;在靠近原溫較低區所對應的石墨托盤本體石墨材質中，其摻入比比較低，以適度減少該區的導熱量、從而適度降低該區溫度;而在原溫最低區所對應的石墨托盤本體石墨材質中，其摻入比最低(或為零即未摻入)，以最低減少該區的導熱量(或不減少原導熱量)、從而最少降低該區溫度(或其原溫未改變)；如此，通過不同摻入比的石墨托盤本體各摻入區自行調節導熱，以減小樣品槽不同區之間的溫差，使整個樣品槽各區溫度分布均勻化，從而提高樣品槽整體的溫度均勻性;所述摻入比，其取值范圍:30%>Cb>0.5% ；
[0020]所述摻入其他材料，其導熱性比石墨材質差;所述摻入其他材料，采用耐高溫陶瓷化合物材料，包括其導熱性比石墨材質差的VIB-VA、VIB-1VA、IIIA-VA、IIIA-VIA化合物材料；
[0021 ]所述摻入其他材料，其特征在于，其制備可采用物理或化學的方法，依據導熱性需要，以不同的比例摻入石墨材質里。
[0022]在實際應用中，所述兩種實施方式:即在石墨托盤背面設置涂層方式、或在石墨托盤石墨本體石墨材質里摻入其他材料的摻入區方式，根據實際情況與需要，可以單獨采用其中一種，也可以同時采用兩種。
【附圖說明】
[0023]圖1，為本發明實施例一，基于在石墨托盤背面設置涂層，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤示意圖，其中，(a)為單片六英寸(或八英寸)襯底生長用大尺寸石墨托盤的俯視圖，(b)為該石墨托盤A-A'截面圖，(C)局部B放大圖；
[0024]圖2，為本發明實施例二，基于在石墨托盤本體石墨材質里摻入其他材料的摻入區，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤示意圖，其中，(a)為單片六英寸(或八英寸)襯底生長用大尺寸石墨托盤的俯視圖，(b)為該石墨托盤A-A'截面圖；
[0025]圖3為本發明實施例三，基于在石墨托盤背面設置氮化硼涂層，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤示意圖，其中，(a)為3片六英寸襯底生長用大尺寸石墨托盤的俯視圖，(b)為該石墨托盤A-A'截面圖，(c)為局部B放大圖；
[0026]圖4，為本發明實施例四，基于在石墨托盤本體石墨材質里摻入氮化鋁的摻入區域，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤示意圖，其中，(a)為5片六英寸襯底生長用大尺寸石墨托盤的俯視圖，(b)為該石墨托盤A-Y截面圖。
[0027]附圖標記說明:
[0028]1:石墨托盤;2:樣品槽;21:[原溫]T2I溫區；22:[原溫]T22溫區；23:[原溫]T23溫區；24:[原溫]T24溫區；31:[原溫]T21溫區背面涂層;32:[原溫]T22溫區背面涂層;33:[原溫]T23溫區背面涂層;41:[原溫]T21慘入區；42:[原溫]T22慘入區；43:[原溫]T23慘入區；51:[原溫]T21溫區背面氮化硼涂層;52:[原溫]T22溫區背面氮化硼涂層;53:[原溫]T23溫區背面氮化硼涂層;54:[原溫]T24溫區背面氮化硼涂層;61:[原溫]T21溫區氮化鋁摻入區；62:[原溫]T22溫區氮化鋁摻入區；63:[原溫]T23溫區氮化鋁摻入區；64:[原溫]T24溫區氮化鋁摻入區；
[0029]A-A7為石墨托盤截面部位。
[0030]具體的實施例
[0031]以下結合附圖及具體實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述僅用于解釋本發明的具體實施例，而并不限定本發明的權利要求范圍。實施例一:
[0032]在石墨托盤背面設置涂層，通過涂層，自調導熱使溫度分布均勻化的單片六英寸(或八英寸)襯底外延生長用MOCVD大尺寸石墨托盤:
[0033]所述石墨托盤，其結構，如圖1所示:其中，(a)為俯視圖、(b)為A-A’截面圖、(c)為局部B放大圖；本實施例，將原溫不同區分為三個區(n = 3):S卩21、22、23，其原溫(取各區溫度中值)分別為121、122、123，121>122>123;圖(b)中，31為21區所對應的石墨托盤背面設置的較厚的[原溫]T21溫區背面涂層，32為22區所對應的石墨托盤背面設置的適度厚的[原溫]T22溫區背面涂層，33為與23區所對應的石墨托盤背面設置的最薄的[原溫]T23溫區背面涂層(因23為單片襯底樣品槽的中心區，故涂層33其厚度也可為零即未涂層)；涂層31、32、33的厚度Hd依次遞減呈階梯形，其遞減幅度根據溫區間原溫差及涂層反射性予以調整，涂層厚度，其取值范圍:1500nm>Hd>5nm;所用涂層材料，其對熱福射的反射性比石墨托盤的石墨材質強，采用耐高溫陶瓷化合物材料，包括其對熱輻射的反射性比石墨材質強的IIIB、IVB、VB元素及其化合物材料(如氮化硼)；涂層的制備，采用濺射、蒸發及燒結等物理方法沉積在石墨托盤背面，或以化學噴涂、反應等方法生成在石墨托盤背面。
[0034]實施例二:
[0035]在石墨托盤本體石墨材質里摻入其他材料的摻入區，通過摻入區，自調導熱使溫度分布均勻化的單片六英寸(或八英寸)襯底外延生長用MOCVD大尺寸石墨托盤:
[0036]所述石墨托盤，其結構，如圖2所示，其中，(a)為俯視圖、(b)為A-A’截面圖；本實施例，將原溫不同區分為三個區(n = 3):S卩21、22、23，其原溫(取各區溫度中值)分別為T21、丁22、了23，了21〉了22〉了23;圖(13)中，41為在石墨托盤本體21區石墨材質里以$父尚慘入比慘入其他材料的[原溫]T2I摻入區，42為在石墨托盤本體22區石墨材質里以適度摻入比摻入其他材料的[原溫]Td#入區，43為在石墨托盤本體23區石墨材質里以較低摻入比摻入其他材料的[原溫]T23摻入區(因23為單片樣品槽的中心區，故摻入區43其摻入比也可為零即未摻入)；摻入區41、42、43中，其他材料的摻入比Cb依次遞減呈階梯形，其遞減幅度根據溫區間原溫差及摻入區的導熱性予以調整，摻入比，其取值范圍:30 % >Cb>0.5 % ;所用摻入材料，其導熱性比石墨材質差，采用耐高溫陶瓷化合物材料，包括其導熱性比石墨材質差的VIB-VA、VIB-1VA、IIIA-VA、11IA-VIA化合物材料(如氮化鋁)；摻入區的制備，采用物理或化學的方法。依據導熱性需要，以不同摻入比摻入石墨托盤本體各原溫區的石墨材質里。
[0037]實施例三:
[0038]在石墨托盤背面設置涂層，通過涂層，自調導熱使溫度分布均勻化的單片3片六英寸襯底外延生長用MOCVD大尺寸石墨托盤:
[0039]Aixtron Arius I MOCVD設備的石墨托盤，常規設計有3個六英寸樣品槽，由于樣品尺寸比較大，MOCVD加熱器的匹配因素在最優的情況下也無法達到大尺寸襯底外延器件的要求。實際應用中，由于氣流及轉速等原因，樣品槽的溫度靠石墨托盤中心區的溫度較低，靠石墨托盤外緣區的溫度較高，中間區的溫度居中。
[0040]本實施例，通過在石墨托盤背面設置的涂層，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，使3片六英寸襯底在外延生長中的溫度分布均勻化。
[0041]所述石墨托盤，其結構，如圖3所示，其中，(a)其俯視圖、(b)為A-A’截面圖；(C)為局部B放大圖；
[0042]本實施例，將原溫不同區分為四個溫區(n = 4):S卩21、22、23、24，其原溫(取各區溫度中值)分別為T21、T22、T23、T24，T21>T22>T23>T24;圖(b)中，51為21區所對應的石墨托盤背面設置的較厚的[原溫]T21溫區背面氮化硼涂層，52為22區所對應的石墨托盤背面設置的適度厚的[原溫]T22溫區背面氮化硼涂層，53為23區所相對應的石墨托盤背面設置的較薄的[原溫]T23溫區背面氮化硼涂層，54為24區所對應的石墨托盤背面設置的最薄的[原溫]T24溫區背面氮化硼涂層;涂層51、52、53、54的厚度Hd依次遞減呈階梯形，其遞減幅度根據溫區間原溫差及涂層反射性予以調整，涂層厚度，其取值范圍:1500nm>Hd>5nm;所用涂層材料，其對熱輻射的反射性比石墨托盤的石墨材質強，采用耐高溫陶瓷化合物材料-氮化硼；涂層的制備，采用濺射、蒸發及燒結等物理方法沉積在石墨托盤背面，或以化學噴涂、反應等方法生成在石墨托盤背面。
[0043]實施例四:
[0044]在石墨托盤本體石墨材質里摻入其它材料的摻入區，通過摻入區，自調導熱使溫度分布均勻化的5片六英寸襯底外延生長用MOCVD大尺寸石墨托盤:
[0045]Aixtron G系列行星式MOCVD設備的石墨托盤，常規設計有5個八英寸的樣品槽，由于樣品尺寸比較大，MOCVD加熱器的匹配因素在最優的情況下也很難達到大尺寸襯底外延器件的要求。實際應用中，由于氣流等原因，樣品槽的溫度靠石墨托盤中心區的溫度較低，靠石墨托盤外緣區的溫度較高，中間區的溫度居中。
[0046]本實施例，通過在石墨托盤本體石墨材質里摻入其它材料的摻入區，自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，使5片八英寸襯底在外延生長中的溫度分布均勻化。
[0047]所述石墨托盤，其結構，如圖2所示，其中，(a)為俯視圖、(b)為A-A’截面圖；
[0048]本實施例，將原溫不同區分為四個區(n = 4):S卩21、22、23、24，其原溫(取各區溫度中值)分別為了21、了22、了23、了24，了21>了22>了23〉了24;圖(b)中，61為在石墨托盤本體21區石墨材質里以較高摻入比摻入的[原溫]T21溫區氮化鋁摻入區，62為在石墨托盤本體22區石墨材質里以適度摻入比摻入的[原溫]T22溫區氮化鋁摻入區，63為在石墨托盤本體23區石墨材質里以較低摻入比摻入的[原溫]T23溫區氮化鋁摻入區，64為在石墨托盤本體24區石墨材質里以最低摻入比摻入的[原溫]T24^區氮化鋁摻入區；摻入區61、62、63、64中，氮化鋁的摻入比Cb依次遞減呈階梯形，其遞減幅度根據溫區間原溫差及摻入區的導熱性予以調整，摻入比，其取值范圍:30%>Cb>0.5%;所用摻入材料，其導熱性比石墨材質差，采用耐高溫陶瓷化合物材料-氮化鋁;摻入區的制備，采用物理或化學的方法。依據導熱性需要，以不同摻入比摻入石墨托盤本體各原溫區的石墨材質里。
【主權項】
1.一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，包括石墨托盤本體、樣品槽、和涂層，其特征在于，所述涂層，設置在石墨托盤背面;所述涂層，共有η級，l〈n〈25，涂層厚度隨所對應原溫不同區而階梯形變化:即，在原溫較高區所對應的石墨托盤背面涂層其厚度較厚，在原溫較低區所對應的石墨托盤背面涂層其厚度較薄，而在原溫最低區所對應的石墨托盤背面涂層其厚度最薄或為零即未涂層;所述涂層厚度，其取值范圍:1500nm>Hd>5nm02.根據權利要求1所述一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，其特征在于，所述涂層的材料對熱輻射的反射性比石墨托盤的石墨材質強，是采用耐高溫的陶瓷化合物材料，包括IIIB、IVB、VB元素和/或其化合物材料。3.根據權利要求1或2所述一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，其特征在于，所述涂層其的制備，采用濺射、蒸發及或燒結的物理方法沉積在石墨托盤背面，或以化學噴涂、反應的方法生成在石墨托盤背面。4.一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，包括石墨托盤本體摻入區、樣品槽、和石墨托盤本體非摻入區，其特征在于，所述石墨托盤本體摻入區，是在原溫不同區所對應的石墨托盤本體石墨材質里摻入其他材料的區，共有η個摻入區，I<n〈25;所述摻入區，其中其他材料的摻入比，隨所對應原溫不同區而階梯形變化:即，在原溫較高區所對應的石墨托盤本體石墨材質中，其摻入比比較高，在原溫較低區所對應的石墨托盤本體石墨材質中，其摻入比比較低，而在原溫最低區所對應的石墨托盤本體石墨材質中，其摻入比最低或為零即未摻入;所述摻入比，其取值范圍:30 % > Cb >0.5 %。5.根據權利要求4所述一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，其特征在于，所述摻入其他材料，其導熱性比石墨托盤石墨材質差;所述摻入其他材料，采用耐高溫陶瓷化合物材料，包括其導熱性比石墨材質差的VIB-VA、VIB-1VA、IIIA-VA、IIIA-VIA化合物材料。6.根據權利要求4或5所述一種自調導熱使溫度分布均勻化的MOCVD大尺寸石墨托盤，其特征在于，所述摻入其他材料的制備可采用物理或化學的方法，依據導熱性需要，以不同的比例摻入石墨材質里。7.根據權利要求1或4所述的石墨托盤，其特征在于:所述石墨托盤背面設置涂層方式，或在石墨托盤本體石墨材質里選擇性地摻入其他材料的摻入區方式，單獨采用其中一種，或同時采用兩種。
【文檔編號】H01L21/673GK105870044SQ201610206123
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】羅睿宏, 梁智文, 張國義
【申請人】東莞市中鎵半導體科技有限公司