外延片的制造工艺.pptx

外延片的制造工艺外延片得制造工艺外延片得制造工艺 外延片得结构以及制造流程 1、Al2O3-GaN外延片结构 2、外延片制造得基本流程外延片得制造工艺外延片得制造工艺 1、Al2O3-GaN外延片结构Al2O3衬底衬底超晶格超晶格(异质结异质结)就就是将两种就就是将两种晶格常数不同得材料交替生长而晶格常数不同得材料交替生长而成得多层薄膜结构成得多层薄膜结构,超晶格材料超晶格材料就是两种不同组元以几个纳米到就是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米得薄层交替生长并保几十个纳米得薄层交替生长并保持严格周期性得多层膜持严格周期性得多层膜,事实上事实上就就是特定形式得层状精细复合就就是特定形式得层状精细复合材料。材料。由于由于GaNGaN与衬底晶格失配为与衬底晶格失配为1515、4 4,因此要生长平坦而没有裂纹因此要生长平坦而没有裂纹得高质量得高质量GaNGaN外延层非常困难。外延层非常困难。AmanoAmano提出利用低温生长提出利用低温生长AlNAlN或或GaNGaN作为缓冲再与高温作为缓冲再与高温(1000)(1000)生长生长GaNGaN得二段生长法得到表面得二段生长法得到表面平坦如镜平坦如镜,低剩余载流子浓度低剩余载流子浓度,高高电子迁移率得高质量电子迁移率得高质量GaNGaN外延层。外延层。外延片得制造工艺外延片得制造工艺 2、外延片制造得基本流程CarrierMO源源外延片得制造工艺外延片得制造工艺 衬底得制备1、衬底材料1)、理想得衬底(a)、结构特性好,晶圆材料与衬底得晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小。(b)、接口特性好,有利于晶圆料成核且黏附性强。(c)、化学稳定性好,在晶圆生长得温度和气氛中不容易分解和腐蚀。(d)、热学性能好,包括导热性好和热失配度小。(e)、导电性好,能制成上下结构。(f)、光学性能好,制作得器件所发出得光被衬底吸收小。(g)、机械性能好,器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等。(h)、大尺寸,一般要求直径不小于2英吋。(i)、价格低廉。外延片得制造工艺外延片得制造工艺 2)、衬底材料得选用Al2O3衬底 目前用于氮化镓生长得最普遍得衬底就是Al2O3 优点:化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;机械强度高,易于处理和清洗 缺点:(1)晶格失配和热应力失配 (2)绝缘体常温下得电阻率大于1011cm,无法制作垂直结构得器件;(3)在上表面制作两个电极,造成了有效发光面积减少,增加制造中得光刻和刻蚀工艺过程,材料利用率降低、金属透明电极一般要吸收约30%40%得光、(4)导热性能不就是很好(在100约为25W/(mK)(5)不容易对其进行刻蚀,刻蚀过程中需要较好得设备,增加生产成本。SiC衬底(碳化硅衬底)化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光、价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。芯片电极为L型,两个电极分布在器件得表面和底部,所产生得热量可以通过电极直接导出;目前用于氮化镓生长衬底就就是SiC,Si衬底Si片作为GaN材料得衬底有许多优点,如晶体质量高,尺寸大,成本低,易加工,良好得导电性、导热性和热稳定性等。GaN外延层与Si衬底之间存在巨大得晶格失配和热失配,以及在GaN得生长过程中容易形成非晶氮化硅,采用两种接触方式,分别就是L接触(Laterial-contact,水平接触)和V接触(Vertical-contact,垂直接触)热得良导体,所以器件得导热性能可以明显改善,从而延长了器件得寿命。硅衬底对光得吸收严重,LED出光效率低。但就是能用于生产得衬底目前只有二种,即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点氮化镓衬底1、制备氮化镓体单晶材料非常困难2、氮化镓生长得最理想得衬底自然就是氮化镓单晶材料3、通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜得分离,分离后得氮化镓厚膜可作为外延用得衬底。4、可以大大提高晶圆膜得晶体质量,降低位错密度,提高器件工作寿命,提高发光效率,提高器件工作电流密度。ZnO作为GaN晶圆得候选衬底,两者晶体结构相同、晶格失配度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小),致命得弱点就是在GaN外延生长得温度和气氛中容易分解和被腐蚀。ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要就是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有真正解决。材料Al2O3SiCSiGaNGaAs优点c、f、ha、c、d、e、fd、e、g、h、iaa、g、i缺点a、d、e、gg、ia单晶衬底制备难,一片2inch衬底售价1万美金f电极类型V型电极L型电极材料Al2O3SiCSiGaNGaAs优点c、f、ha、c、d、e、fd、e、g、h、iaa、g、i缺点a、d、e、gg、ia单晶衬底制备难,一片2inch衬底售价1万美金f电极类型V型电极L型电极几种常见得衬底材料几种常见得衬底材料 比较比较材料Al2O3SiCSiGaNGaAs优点c、f、ha、c、d、e、fd、e、g、h、iaa、g、i缺点a、d、e、gg、ia单晶衬底制备难,一片2inch衬底售价1万美金f电极类型V型电极L型电极ZnO衬底外延片得制造工艺外延片得制造工艺 2、衬底得制备工艺(以Al2O3衬底为例)流程图流程图单晶生长单晶生长晶棒加工晶棒加工切片切片研磨研磨抛光抛光所需设备所需设备:单晶炉单晶炉切片机切片机研磨机研磨机抛光机抛光机 外延片得制造工艺外延片得制造工艺(1)单晶生长(直拉法)所需原料:籽晶,高纯氧化铝粉;设备:单晶炉流程:坩埚热处理装炉抽真空熔料恒温充气引晶放肩等径收尾降温出炉 晶棒晶棒外延片得制造工艺外延片得制造工艺 高纯氧化铝粉料压制成直径略小于坩埚内径得圆柱状料块,在1273度以上烧结;碎晶料应利用超声波仔细清洗,置于坩埚内。整个系统密封后抽真空至10-3Pa,升温至熔点温度。2323度以上进行化料,保温2-5小时,以确保原料完全熔化,熔体内得气泡完全驱除。温场稳定后,下降籽晶使其末端与液面接触,通过一定得工艺措施控制晶体生长得引晶、放肩、等径、收尾和退火及冷却过程,实现晶体生长。待晶体直径长到所需尺寸,通过一定得工艺控制晶体开始等径生长,晶体进入等径生长阶段后,主要就是通过降低加热温度(加热系统所能提供得坩埚外壁温度)促使晶体生长。纯得氧化铝单晶体就就是通常所说得蓝宝石。其实她并不就是蓝颜色得宝石,她就是无色透明得,所以也有叫白宝石得。真正得蓝宝石就是掺钛得。坩埚底部正中央放着一块蓝宝石籽晶,坩埚和热交换器都放在真空石墨加热 炉中。当原料熔化后,通过缓慢降低炉温和控制氦气得流量,就能在籽晶上 长成大块得蓝宝石单晶体。使用这种方法可以得到质量很好得直径达 30 厘 米,厚度为 12 厘米得蓝宝石单晶体。用来制作工业用得晶体得技术之一,就是从熔液中生长。籽晶可用来促进单晶体得形成。在这个工序里,籽晶降落到装有熔融物质得容器中。籽晶周围得熔液冷却,她得分子就依附在籽晶上。这些新得晶体分子承接籽晶得取向,形成了一个大得单晶体。籽晶就是具有和所需晶体相同晶向得小晶体,200毫米晶圆晶体重约204kg,三天时间生长。外延片得制造工艺外延片得制造工艺(2)晶棒加工 用锯子截掉头尾,并进行直径滚磨。(3)切片 晶棒长成以后就可以把她切割成一片一片得,也就就是外延片。外延片得制造工艺外延片得制造工艺(4)研磨 目得:为了消除加工中引起得机械损伤,以及除去切割留下得划痕及表面损伤层,达到预定得厚度及随之可进行抛光得良好表面。首先对蓝宝石单晶衬底片进行了化学处理,化学处理得温度和时间选择同样就是重要得,实验结果表明,在3000C、硫酸磷酸混酸处理5分钟即可,以消除机械损伤。然后进行研磨。研磨就是单晶衬底片加工得第二道主要工序,整个工序就是从粗磨到细磨渐进过程,研磨就是使用不同粒度磨料分步完成得,磨盘得转速及磨盘与磨沱相对运动方向,对于研磨也有影响控制不好易出划道。因此必须注意合理选择磨料得级配,适当得压力和转速,掌握磨料得浓度等,研磨超薄衬底片尤为重要。外延片得制造工艺外延片得制造工艺(5)抛光 GaN蓝光器件用衬底片表面要求较高,村底片表面抛光就是衬底制备得关键,蓝宝石衬底片得抛光就是化学一机械过程,使用得就是二氧化硅抛光液,蓝宝石得二氧化硅抛光就是借助三氧化二铝和二氧化硅得化学反应形成易除去得Al2Si2O7来完成得,其化学反应式如下:A12O3+2SiO2+2H20Al2Si2O7+2H20 蓝宝石衬底在用二氧化硅胶体抛光过程中,抛光室内得温度也很重要不得低于160。通过实验证明在精磨基础上先后使用两种不同材质布进行抛光表面效果最佳。外延片得制造工艺外延片得制造工艺(6)检验 抛光表面在600倍显微镜下观察无划痕,亮点、桔皮等缺陷,平行度好、平面度小,表面光洁度3到4级,经X光双晶衍射测量摆动曲线半峰宽小于30秒。外延片得制造工艺外延片得制造工艺 MOCVD外延片生长MOCVD:金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)MOCVD生长技术:利用气相反应物间之化学反应在一块加热至适当温度得衬底基片(主要有蓝宝石和SiC两种)上,将所需气态物质In、Ga、Al、P有控制得输送到产物沉积得基材衬底表面,从而形成不同材料得单晶薄膜型结构。化学反应机构有反应气体在基材衬底表面膜得扩散传输、反应气体与基材衬底得吸附、表面扩散、化学反应、固态生成物之成核与成长、气态生成物得脱附过程等,其中速率最慢者即为反应速率控制步骤,亦就是决定沉积膜组织型态与各种性质得关键所在。就是 III-V族,II-VI族化合物及合金得薄层单晶得主要方法MO源源:三甲基镓三甲基镓(TMGa)、三甲基铝、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟、三甲基铟(TMIn)、二茂、二茂镁镁(Cp2Mg);Carrier:H2、N2;反应气体反应气体:NH3NH3移动式ScrubberN2MO源:TMG,TMA,TMIn,CP2Mg外延片得制造工艺外延片得制造工艺 生长流程:Al2O3Buffern-GaNp-GaNInGaNMO源在低压高温下为气态。用高纯源在低压高温下为气态。用高纯H2作为作为MO源得携带气体。源得携带气体。先在蓝宝石衬底上淀积先在蓝宝石衬底上淀积30 nm低温低温GaN/AlN缓冲层缓冲层,生长温度为生长温度为550。然后升温到然后升温到1080生长生长1um得本征得本征GaN和和3um得得N-GaN;GaN材料得生长就是在高温下材料得生长就是在高温下,通过通过TMGa分解出得分解出得Ga与与NH3得化学反应实现得得化学反应实现得,其可逆得反应方程式为其可逆得反应方程式为:GaNH3=GaN3/2H2降温至降温至750生长生长50nm得得InGaN;升温至升温至1030生长生长0、15um得得P-GaN,并在并在750得得N2中退火中退火;外延片得制造工艺外延片得制造工艺 MOCVD组成部分MOCVD设备结构设备结构 加热和温度控制加热和温度控制反应室反应室废气处理废气处理气体输送气体输送计计算算机机控控制制、检测检测外延片得制造工艺外延片得制造工艺(1)气体处理系统 气体处理系统包括控制族金属有机源和族氢化物源得气体及其混合物所采用得所有阀门、泵以及各种设备和管路。她得功能就是向反应室输送各种反应剂,并精确控制其浓度、压力、送入时间和顺序以及流过反应室得总气体流速、温度控制等,以便生长特定成分与结构得外延层。气体处理系统由MO源供应系统,氢化物供应系统和特殊设计得“生长-排空多路阀门组”等组成。NH3气路操作面板外延片得制造工艺外延片得制造工艺(2)反应室控制化学反应得温度与压力,避免在反应室中出现离壁射流和湍流得存在,保证只存在层流。实现在反应室内得气流和温度得均匀分布,有利于大面积均匀生长。反应室对外延层厚度和组分得均匀性、异质界面梯度、本底杂质浓度以及产量有极大影响。反应室由石英玻璃或不锈钢制成,放置衬底得基座通常由金属钼制成,也可以由表面涂覆SiC得石墨制成。外延片得制造工艺外延片得制造工艺 外延炉真空系统由外延炉真空系统由3个相互隔开得真空室个相互隔开得真空室(生长室、预各室和速装室生长室、预各室和速装室)组成。在将衬组成。在将衬底样品材料和样品台由外界装入生长室得底样品材料和样品台由外界装入生长室得过程中过程中,首先要进入速装室首先要进入速装室,在在100加热加热10个小时以上个小时以上,以去掉大部分衬底和载体以去掉大部分衬底和载体上所吸附得气体。之后上所吸附得气体。之后,将衬底和样品台将衬底和样品台送入预备室送入预备室,在在400加热加热2h以上以上,去掉残去掉残留气体。当预备室内气压降至留气体。当预备室内气压降至P10-10torr时时,再送入生长室中进行外延生长。再送入生长室中进行外延生长。衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、均匀而且重复性很好得温场。当衬底加热均匀而且重复性很好得温场。当衬底加热器两次测量得温度相同时器两次测量得温度相同时,衬底得实际温衬底得实际温差控制在差控制在5之内。衬底加热器在垂直之内。衬底加热器在垂直于分子束流得平面上旋转于分子束流得平面上旋转,以确保外延层以确保外延层生长均匀。为了防止在生长方向上得成分生长均匀。为了防止在生长方向上得成分起伏起伏,需使衬底得旋转周期与单层得生长需使衬底得旋转周期与单层得生长时间相对应时间相对应,这就要求转速要高于这就要求转速要高于60转转分。分。反应室结构图反应室结构图 反应系统要求反应系统要求、提供洁净环境。反应物于抵达基板衬底之前以充分混合,确保膜成分均匀。、反应物气流需在基板衬底上方保持稳定流动,以确保膜厚均匀。、反应物提供系统切换迅速能长出上下层接口分明之多层结构。(3)加热系统MOCVDMOCVD系统中衬底得加热方式主要有三种系统中衬底得加热方式主要有三种:射频加热射频加热:石墨得基座被射频线圈通过诱导耦合加热。这种加热形式在大型得反应室中经常采用,但就是通常系统过于复杂。红外辐射加热红外辐射加热:在稍小得反应室中,卤钨灯产生得热能被转化为红外辐射能,石墨得基座吸收这种辐射能并将其转化回热能。避免系统得复杂性电阻加热电阻加热:热能就是由通过金属基座中得电流流动来提供得。(4)尾气处理系统:组成:淋洗塔、酸性、碱性、毒性气体收集装置、集尘装置和排气淡化装置组合。目得:以吸收制程废气,使其符合排放标准得要求,对人体无害得气体。处理方式:微粒过滤器微粒过滤器去除其中得微粒(如P等),再将其通入气体洗涤器(Scrubber)采用解毒溶液进行解毒。另外一种解毒得方式就是采用燃烧室采用燃烧室。在燃烧室中包括一个高温炉,可以在9001000下,将尾气中得物质进行热解和氧化,从而实现无害化。反应生成得产物被淀积在石英管得内壁上,可以很容易去除。外延片得制造工艺外延片得制造工艺(5)计算机控制系统目前得MOCVD系统都配有计算机控制系统。这在生长超晶格、量子阱和组分渐变时尤为重要。另外,计算机控制系统提高了生长得重复性,有助于消除人为误操作,并增加了软件安全功能和数据分析能力。这使得MOCVD技术逐渐实现了全自动生长。Thomas Swan得得GaN MOCVD控制系统控制系统除了能够监视和记录所有系统参数之外除了能够监视和记录所有系统参数之外,可以暂停和跳可以暂停和跳过工艺步过工艺步,实时修改和更新工艺曲线参数实时修改和更新工艺曲线参数,系统状态采用系统状态采用图形化显示图形化显示,手动模式和检漏模式允许对所有系统仪表和手动模式和检漏模式允许对所有系统仪表和参数进行单独控制。参数进行单独控制。整个控制系统分为整个控制系统分为Epedit(工艺编辑工艺编辑)、Epnames(控制参控制参数设置数设置)、Logsheet(历史数据查询历史数据查询)、Manrun(手动手动/检漏检漏控制控制)、Mygraph1(源使用源使用)、Plot2(历史数据曲线显示历史数据曲线显示)、Plotter(实时监视实时监视)等等6个独立得执行文件。个独立得执行文件。Epedit采用填表式工艺编辑采用填表式工艺编辑,通过颜色变化来表示气体得通过颜色变化来表示气体得种类和流向种类和流向,另外另外,在工艺编辑时还为每一步提供图形化在工艺编辑时还为每一步提供图形化气体流图气体流图,以及器件结构层次图。以及器件结构层次图。外延片得制造工艺外延片得制造工艺 制H2站远程监控界面水电解制H2控制界面外延片得制造工艺外延片得制造工艺(6)在位监测系统 在位监测系统实时测量外延生长速率、实时检测生长表面质量。还可以根据监测系统,确定生长过程中得差错及设备问题。检测手段:x射线双晶衍射 根据光得干涉原理,一定波长得光从很薄得外延层不同表面发射回来,存在光程差,会发生相长或相消干涉。在外延生长过程中,随着外延层厚度得增长,不同表面反射回来得光得光程差也周期变化,这样,就可以得到在一个反射率得振荡周期内,外延层得厚度信息。外延片得制造工艺外延片得制造工艺低温低温(550左右左右)GaN成核层得生长成核层得生长,由于由于GaN得折得折射率远大于蓝宝石衬底得折射率射率远大于蓝宝石衬底得折射率,所以衬底上淀积上所以衬底上淀积上GaN后后,反射率增大反射率增大,并且随着成核层厚度得增加而增并且随着成核层厚度得增加而增加加;升温退火阶段升温退火阶段,反应室温度升高到高温反应室温度升高到高温(1000左右左右),同时停止通同时停止通TMGa、为生长高温为生长高温GaN做准备。此阶段做准备。此阶段,低温时淀积得低温时淀积得GaN成核层会重新结晶成核层会重新结晶,过程较为复杂过程较为复杂,由原位监测曲线可知此阶段反射率基本不变。由原位监测曲线可知此阶段反射率基本不变。高温高温 G aN得横向生长及表面粗糙化阶段。她就是高得横向生长及表面粗糙化阶段。她就是高温温GaN生长得初始阶段生长得初始阶段,GaN按三维岛状模式生长按三维岛状模式生长,即即成核岛同时在水平和垂直方向进行生长成核岛同时在水平和垂直方向进行生长,随着孤立成随着孤立成核小岛得长大核小岛得长大,GaN表面粗糙度逐渐增加表面粗糙度逐渐增加,反射率下降反射率下降,并达到最低点。并达到最低点。高温初期形成得高温初期形成得GaN小岛逐渐长大小岛逐渐长大,并开始合并并开始合并,GaN得表面越来越平整。此时反射率增加得表面越来越平整。此时反射率增加,并开始周期性并开始周期性振荡。振荡。成核小岛完成合并成核小岛完成合并,最终形成光滑平整得最终形成光滑平整得GaN得表面。得表面。GaN开始以准二维得生长模式生长开始以准二维得生长模式生长,反射率开始了稳反射率开始了稳定得周期性振荡。定得周期性振荡。