[发明专利]石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔

说明书

本发明公开了石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔，采用包含相变材料的保温托盘实现石墨圆盘的保温，在一定时间内可使保温托盘维700℃以上高温，将显著降低GaN单晶衬底片因温度突变或温度过低导致生长质量问题的概率，提高GaN单晶生长质量；采用集成腔室与HVPE设备连接，腔室内部可实现一定真空度或充填惰性气体，并具有加热保温功能，可以保证GaN单晶衬底片在整个中转过程中的环境氛围，确保后续工艺中的GaN单晶衬底生长质量；采用具有保温功能的中转托盘在集成腔中全盘转接保温托盘中的GaN单晶衬底片，使所有GaN单晶片的蓝宝石衬底面朝上，这样，既可以取消伯努利吸附传输方式，还可以显著提高GaN单晶衬底片的激光预剥离效率。

技术领域

本发明属于GaN单晶衬底制备技术领域，具体涉及石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔。

背景技术

氮化镓(GaN)是被广泛应用于微电子器件、光电子器件领域的第三代半导体材料。GaN的制备主要基于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、化学气相外延(HVPE)、分子数束外延(MBE)等工艺。MOCVD生长GaN大多采用蓝宝石作为生长衬底，而HVPE法因其具有生长速率快的特点，常用于生长较大尺寸的单晶GaN。采用MOCVD生长GaN模板，然后用HVPE法对GaN模板加厚，最后再用激光剥离(LLO)GaN厚膜，已成为当前GaN单晶衬底制备的主流工艺。在MOCVD和HVPE工艺中，GaN单晶衬底的生长均需在高温(在HVPE中高达1100℃)环境下进行，而如何在各道工艺之间转载传输GaN单晶衬底片并确保其表面质量是GaN单晶衬底制备需要解决的关键问题之一。

经市场调研和查阅文献资料，目前常用方法是采用圆型石墨托盘来承载GaN单晶衬底片，并采用独立中转腔来转运石墨托盘，即采用机械手将承载GaN单晶片的石墨托盘从MOCVD(或HVPE)设备中取出并转至独立中转腔内部，然后将独立中转腔移动到另一个设备(如LLO设备)旁，再将石墨圆盘转出，进行下一道工序。独立中转腔具有局部保温功能，但不自带机械手，机械手均在外围设备(如MOCVD、HVPE、LLO等工艺设备)中。石墨托盘可耐受1100℃以上的高温，而且一个石墨圆盘可承载二十多片GaN单晶衬底，可提高生产效率。但是，由于采用了独立中转腔，在石墨托盘转载运输时，GaN单晶衬底片通常需要经历降温——保温——升温等温度变化过程。温度突变容易导致GaN单晶破损，并且GaN单晶衬底片温度过低(＜700℃)不利于GaN单晶生长的一致性。采用了石墨托盘和独立中转腔方式无法保证GaN单晶衬底片在转运中保持一定的高温且温度≥700℃，而且在取放石墨托盘过程中增大了GaN单晶衬底片暴露在大气环境中的概率，降低了其表面质量，从而影响了最终的生长质量。

此外，激光预剥离(LLO)需要对GaN单晶衬底片背面(蓝宝石衬底面)进行照射，由于石墨盘不透明，目前大多数LLO工艺是采用机械手通过伯努利吸附传输方式将GaN单晶衬底片从石墨盘上取出，每次一片，完成LLO工艺后再放回石墨盘对应工位，无法对整个石墨盘上的GaN单晶衬底片进行集中操作，效率低下。而且，采用伯努利气压吸附方式容易对所吸附的GaN单晶衬底片带来局部温降，增大了GaN单晶衬底片晶格失配或破损的概率，影响生长质量。

总结：首先，传统方式采用不具有独立保温功能的圆形石墨托盘，在不同工艺设备之间传输时，其上承载的GaN单晶衬底片容易因环境温度变化产生晶格失配乃至破裂等质量问题，影响后道工艺中的GaN单晶衬底生长质量。

其次，采用独立中转腔转载石墨托盘，需要石墨托盘经历降温-保温-升温等复杂温度变化环境，增大了GaN单晶衬底片因温度变化带来的质量问题，同时也增大了GaN单晶衬底片暴露在大气环境中的概率，从而影响GaN单晶衬底最终的生长质量。

最后，大多数激光预剥离工艺采用机械手通过伯努利吸附传输方式将GaN单晶衬底片一片片从石墨盘上取出，进行单片激光预剥离后再放回石墨盘对应工位，无法实现对整个石墨盘上的GaN单晶衬底片进行集中操作，效率低下；而且伯努利气压吸附方式容易对所吸附的GaN单晶衬底片带来局部温降，增大了GaN单晶衬底片晶格失配或破损的概率，影响生长质量。