一种用于半导体材料外延生长设备中的托盘的制作方法

本申请涉及半导体技术领域，尤指一种用于半导体材料外延生长设备中的托盘。

背景技术：

高质量的半导体材料是制备高性能半导体器件的基础，其中样品表面无裂痕是高质量半导体材料的重要指标之一。目前外延生长半导体材料的主要生长方法包括金属有机物化学气相沉积(mocvd),氢化物气相外延(hvpe),以及分子束外延(mbe)、液相外延(lpe)等方法。其中大部分方法都需要将衬底加热到一定温度进行半导体材料外延生长，完成生长过程后再冷却取出，用以制备各种半导体器件。而衬底在升温降温过程中会发生翘曲，其中，如衬底翘曲在降温恢复时为材料提供张应力，则会令半导体外延层容易产生裂痕，不利于器件制备；如在翘曲状况在降温恢复时为外延层提供压应力，则外延层表面不容易产生裂纹。以目前最常用的蓝宝石衬底为例，根据我们在mocvd中利用常规结构托盘(11)上，利用蓝宝石衬底(12)外延生长三族氮化物材料时的原位监测曲线如图1(a)所示，可以得到在升温过程中蓝宝石衬底曲率增大，且边缘翘曲方向为向上翘曲，呈碗状，如图1(b)，图1(c)所示；在高温时外延生长半导体材料薄膜外延层13后，如图1(d)所示，在降温时由于衬底翘曲恢复，会导致外延层承受较大张应力，导致表面出现裂纹，如图1(e)所示。

而目前存在的关于托盘结构设计的专利主要集中在改善外延片温场均匀性方面，如申请号为201521131002.0，201720956148.1的实用新型专利，同时也有部分致力于改善衬底翘曲，如申请号为201520923976.6的专利，则通过对衬底下表面抽真空，利用衬底上下表面压差克服高温带来的形变力，然而该方法稍显复杂，并且对抑制样品背面较粗糙的单面抛光衬底的翘曲方面事倍功半。

为克服该现象，抑制由于衬底不恰当的翘曲方式所导致的半导体材料外延层产生裂纹的现象，本发明设计了一种新型mocvd托盘结构。利用该种托盘结构可调控在高温时衬底的翘曲方向，从而控制外延层在降温过程中所受应力类型，抑制降温过程中外延层裂纹产生。

技术实现要素：

本申请提供一种用于半导体材料外延生长设备中的托盘，解决由于衬底不恰当的翘曲方式所导致的半导体材料外延层产生裂纹的技术问题。

鉴于此，本申请提供一种用于半导体材料外延生长设备中的托盘，可调控在高温时衬底的翘曲方向，从而可控制外延层在降温过程中所受应力类型，抑制降温过程中外延裂纹的产生。

一种用于半导体材料外延生长设备中的托盘，包括凸型平面托盘底、设置在所述凸型平面托盘底两侧的内倾侧壁，以及所述凸型平面托盘底与所述内倾侧壁之间的凹槽结构。

优选地，所述内倾侧壁的高度大于等于衬底厚度。

优选地，所述内倾侧壁为直线型内倾侧壁。

优选地，所述直线型内倾侧壁的倾角与所述托盘的表面法线夹角大于0度，小于90度。

优选地，所述凹槽结构的下表面与所述托盘的表面法线的夹角应大于等于所述直线型内倾侧壁与所述托盘表面法线的夹角。

优选地，所述内倾侧壁为弧形侧壁。

优选地，所述凹槽结构与所述托盘的底平面区域呈直角。

优选地，所述内倾侧壁(21)与凸型平面托盘底(23)上表面之间的水平方向尺寸大于所放置衬底直径的3‰。

优选地，所述托盘的底平面区域直径大于所述衬底直径的90％。

优选地，所述托盘由石墨制备，所述托盘表面涂覆碳化硅或氮化硼。

相对于现有技术，本申请的有益效果在于：

本发明的内倾侧壁以及对应的凹槽结构，使得蓝宝石等衬底在高温时边缘向上翘曲现象得以缓解甚至变为向下翘曲，降低衬底在降温过程中恢复至低温时翘曲度所造成的张应力，甚至将其转化为压应力，可有效抑制甚至完全避免外延层表面出现裂纹；

本发明可根据设计参数调控衬底翘曲程度，因此可调节衬底与加热元件之间距离，也可在一定程度上改善衬底温区分布，使外延生长的半导体材料外延层更加均匀。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1(a)为mocvd系统中原位监测温度以及曲率曲线；

图1(b)为蓝宝石衬底在升温前的翘曲情况；

图1(c)为蓝宝石衬底在升温后的翘曲情况；

图1(d)为高温时外延生长材料结构图；

图1(e)降温过程中半导体材料外延层产生裂痕示意图；

图2(a)为本申请一个实施例提供的直线型内倾侧壁托盘结构示意图；

图2(b)为本申请另一个实施例提供的弧形内倾侧壁托盘结构示意图；；

图3(a)为热处理前蓝宝石衬底翘曲示意图；

图3(b)为升温过程中蓝宝石衬底翘曲示意图；

图3(c)为升温后蓝宝石衬底受到托盘调制的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的主要目的是提供一种用于半导体材料外延生长设备中的托盘，利用该托盘可有效调控外延生长过程中衬底翘曲方向，有利于调控外延层在降温过程中所受应力状态，减少外延层裂纹产生。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于半导体材料外延生长设备中的托盘，具体包括带有一定内向倾角的侧壁，即内倾侧壁21，贴近内倾侧壁21的凹槽结构22以及凸型平面托盘底23。

内倾侧壁21可为受热的蓝宝石衬底边缘提供向下的压力，抑制蓝宝石衬底边缘向上翘曲；贴近内倾侧壁21的凹槽结构22可提升内倾侧壁21对衬底翘曲的调制效果，相比于平面托盘底部更有利于侧壁对衬底翘曲的调制；凸型平面托盘底23则有利于衬底下表面与托盘之间气体的排空，使衬底紧密贴附于托盘底，防止外延生长过程中发生飞片。

所述内倾侧壁21的高度大于等于衬底厚度。优选地，以平面结构托盘底上表面为基准面，内倾侧壁21高度需高于衬底厚度至少20um以防止飞片。

所述内倾侧壁21可以为直线型内倾侧壁。优选地，所述直线型内倾侧壁的倾角与所述托盘的表面法线夹角大于0度，小于90度；所述凹槽结构22的下表面与所述托盘的表面法线的夹角应大于等于所述直线型内倾侧壁与所述托盘表面法线的夹角。

所述内倾侧壁21可以为弧形侧壁，此时所述凹槽结构22与所述托盘的底平面区域呈直角。

所述内倾侧壁(21)与凸型平面托盘底(23)上表面之间的水平方向尺寸大于所放置衬底直径的3‰。

所述托盘的底平面区域直径大于所述衬底直径的90％，优选地，托盘的底平面区域直径与衬底直径相等。

所述托盘由石墨制备，所述托盘表面涂覆碳化硅或氮化硼。

实施例1：

请参阅图2(a)，一种本发明所涉及抑制2英寸蓝宝石(厚度430um)衬底边缘向上翘曲的托盘结构，包括：

带有一定内向倾角的直线型侧壁21，其倾角与托盘表面法线呈45°，侧壁高度为600um；

贴近侧壁的凹槽结构22，其下表面与托盘表面法线夹角为45°。

凸型平面结构托盘底23，直径为2英寸。

实施例2：

请参阅图2(b)，一种本发明所涉及抑制2英寸蓝宝石(厚度430um)衬底边缘向上翘曲的托盘结构，包括：

带有弧形结构的内倾侧壁21，侧壁高为600um；

贴近侧壁的凹槽结构22，其下表面与托盘表面法线夹角为90°；

凸型平面结构托盘底23，直径为2英寸。

请参阅图3(a)、图3(b)、图3(c)，对本发明提供的托盘结构抑制2英寸蓝宝石衬底边缘向上翘曲的原理详细说明如下：

升温时，由于热胀效应(温度每升高200℃，蓝宝石衬底32沿水平方向膨胀1.5‰)，使得蓝宝石衬底边缘逐渐靠近托盘内倾侧壁21，且逐渐发生翘曲。

当蓝宝石衬底32边缘触碰到内倾侧壁21边缘时，如图3(b)所示，由于温度继续增大，蓝宝石衬底32与托盘31继续膨胀，则托盘31会给蓝宝石衬底32边缘有向下分量的力，抑制蓝宝石衬底32继续向上翘曲，甚至改变蓝宝石衬底32边缘翘曲方向,如图3(c)所示。

在外延结束恢复至低温时，由于蓝宝石衬底32的翘曲被抑制，使外延层所受张应力降低，甚至转变为压应力，有利于抑制样品表面裂纹。

本发明方法包括但不限于上述实施例。本发明所述方法能够有效控制蓝宝石衬底在升温时的翘曲，进而抑制外延层材料在降温过程中所受的张应力，降低外延层表面裂纹产生概率。本发明的所用衬底为蓝宝石衬底，但不限于蓝宝石衬底，所有在高温时边缘向上翘曲的衬底种类都适用。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。