[发明专利]用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料外延设备结构及设计方法技术领域，特别是涉及一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法。

背景技术

气相沉积和气相外延技术被广泛应用于材料外延，二者均是在衬底晶片上生长材料，外延材料的优劣受外延条件的影响，要得到优良的外延材料就需要保证良好的外延条件。气相外延主要的控制条件有温度、压力、反应物的量等条件。但是在温度的控制上，目前主要的方法是先加热衬底晶片的载体，载体再将热量传递给衬底晶片。由于载体比衬底晶片大很多，因此载体的温度很容易控制，当载体温度稳定后，衬底晶片与载体之间的热传递情况在很大程度上影响衬底晶片生长表面的温度。

在半导体材料外延过程中，使用的衬底晶片可以分为两大类：单晶衬底和复合衬底晶片两大类。使用复合衬底晶片晶片时，由于复合衬底晶片中各成分的热胀系数不一样，当外延起始温度与常温相差较大（相差数百摄氏度）时，衬底晶片出现凹下或者凸起形变。此时，衬底晶片与载体的接触情况发生变化，所以衬底晶片表面的温度分布情况也发生变化，温度分布出现不均匀，直接影响衬底晶片上外延材料的质量，而且处于不同的外延起始温度下，外延速度也不相同，所以衬底晶片表面局部温度不同会引起外延材料的厚度不同。

如说明书附图5和图6所示，以氮化镓（GaN）材料生长为例，氮化镓（GaN）材料生长过程中，采用石墨为载体，把蓝宝石氮化镓复合衬底晶片通过载体放置到HVPE设备中进行氮化镓材料生长。HVPE技术做厚膜外延是从复合衬底晶片（常用的复合衬底晶片是由430μm蓝宝石与4μm氮化镓过渡层构成，但也可以由其他厚度构成）开始的，然后外延到需要的厚度。HVPE技术开始外延的时刻是关键时刻，关系到整个外延晶体的质量，因为如果HVPE外延的第一层出现大量的位错和缺陷，那么在衬底晶片以后的外延过程将会把位错和缺陷放大，从而导致整片衬底晶片的晶体质量下降。

目前的HVPE技术在氮化镓蓝宝石复合衬底上再次外延过程中，往往是开始外延时复合衬底表面的温度差影响外延起始层的晶体质量。由于蓝宝石和氮化镓材料之间的热膨胀系数存在很大的差异，当处于外延起始温度后，蓝宝石氮化镓复合衬底晶片显球壳状，导致衬底晶片与载体之间出现夹层，夹层的出现使载体与衬底晶片之间出现热传递差异，衬底晶片表面的温场不均匀，外延起始层出现高位错密度和高缺陷密度，影响整个外延材料的晶体质量。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的缺点的问题，提供一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法，降低了工艺的调试难度，改善了半导体材料外延过程中起始阶段衬底晶片的表面温场的均匀性，提高半导体材料生长的质量。

一种用于改良外延过程中衬底晶片表面温场的方法，包括以下步骤：

①、选取复合衬底晶片，在初始温度（常温）和外延起始温度不同时，首先计算出复合衬底晶片中第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化，然后根据第一种材料的体积变化和第二种材料的体积变化计算出复合衬底晶片变形后的球面半径；

第一种材料的体积变化公式为：

πr²·a·α₁·（T₂ -T₁）=θ·[(R₀+a)³·4π/3 - R₀³·4π/3 ] -πr²·a   (１)，

整理公式(１)得到以下公式：

πr²·a·α₁·（T₂ -T₁）+ πr²·a =θ·[(R₀+a)³ - R₀³ ]·4π/3  　　　(２)；

a 代表：第一种材料的厚度；