提高外延片质量的外延托盘及其使用方法与流程

1.本公开涉及外延生长技术领域，特别涉及一种提高外延片质量的外延托盘及其使用方法。


背景技术：

2.外延托盘是金属有机化合物化学气相沉积(英文：metal-organic chemical vapor deposition，简称：mocvd)设备的一部分，且外延托盘通常位于mocvd设备的反应腔内。外延托盘通常为圆柱体，外延托盘的一端的端面上设置有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽。外延托盘的另一端的端面与mocvd设备的驱动结构相连。
3.在制备外延片时，需要将衬底一一对应放在每个圆形凹槽内，衬底被支撑在圆形凹槽的底面上。后续向mocvd设备的反应腔通入反应气流，反应气流在衬底上进行生长以得到外延片。由于外延生长过程中衬底圆边会与外延托盘正面凹槽内的镶边接触，使得衬底圆边温度高，衬底中心温度低，衬底整体的温度不均匀会导致外延片内的波长不均匀；并且衬底本身存在一定的热膨胀，衬底边缘的高温与重心的低温会导致衬底边缘的膨胀情况大于衬底中心的膨胀情况，导致在外延生长过程中衬底存在一定凹陷。外延生长过程中，衬底变凹，即衬底边缘翘起，也会暴露出外延托盘的圆形凹槽内的边缘区域，容易附着外延反应的副产物，影响下一次衬底的放置与外延片的生长。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种提高外延片质量的外延托盘及其使用方法，能够提高外延托盘的传热均匀度、降低外延片的附着物以提高得到的外延片质量。所述技术方案如下：
5.本公开实施例提供了一种提高外延片质量的外延托盘，所述外延托盘为圆柱体，所述外延托盘的两个端面分别为第一表面与第二表面，所述外延托盘在所述第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个所述衬底放置圈都包括多个沿所述外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，所述圆形凹槽的深度为1000～1500微米，
6.每个所述圆形凹槽均具有直径小于所述圆形凹槽的衬底支撑柱状凸起，所述衬底支撑柱状凸起同轴位于所述圆形凹槽的底面且所述衬底支撑柱状凸起的最大高度低于所述圆形凹槽的最大深度，所述衬底支撑柱状凸起远离所述圆形凹槽的一端的端面呈凹面镜状。
7.可选地，以所述衬底支撑柱状凸起远离所述圆形凹槽的一端的端面为凹陷面，在所述外延托盘的径向且由所述外延托盘的轴线指向所述外延托盘的外壁的方向上，所述凹陷面的最大深度降低。
8.可选地，距离所述外延托盘的轴线最近的所述凹陷面的最大深度与距离所述外延托盘的轴线最远的所述凹陷面的最大深度之差为50～100微米。
9.可选地，所述衬底支撑柱状凸起远离所述圆形凹槽的一端的端面的最大深度为
100～300微米。
10.可选地，所述圆形凹槽的直径与所述衬底支撑柱状凸起的直径之差为1000～30000微米。
11.可选地，所述衬底支撑柱状凸起与所述第一表面之间的最小距离为1～4mm。
12.可选地，所述衬底支撑柱状凸起的最大高度为700～900微米。
13.可选地，所述外延托盘的所述第一表面与所述第二表面均具有碳化硅涂层。
14.本公开实施例提供了一种提高外延片质量的外延托盘的使用方法，所述提高外延片质量的外延托盘的使用方法采用如前所述的提高外延片质量的外延托盘实现，所述提高外延片质量的外延托盘的使用方法包括：
15.将所述提高外延片质量的外延托盘安装至金属有机化学气相沉积设备中；
16.在所述外延托盘的圆形凹槽内的衬底支撑柱状凸起上放置衬底以在所述衬底上生长外延片。
17.可选地，在所述外延托盘使用10～30次后，对所述圆形凹槽进行清理。
18.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
19.外延托盘为圆柱体，外延托盘的两个端面分别为第一表面与第二表面，且第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，圆形凹槽可以提供放置衬底的空间，保证衬底的稳定放置与衬底上外延片的稳定生长。圆形凹槽的深度为1000～1500微米，且每个圆形凹槽均具有直径小于圆形凹槽的衬底支撑柱状凸起，衬底支撑柱状凸起同轴位于圆形凹槽的底面且衬底支撑柱状凸起的最大高度低于圆形凹槽的最大深度。衬底支撑柱状凸起的最大高度低于圆形凹槽的深度，衬底支撑柱状凸起与第一表面之间具有一定的高度差，衬底支撑柱状凸起与圆形凹槽的侧壁可以起到支撑固定衬底的作用，保证衬底的稳定放置。衬底支撑凸起本身可以缩短衬底的中心区域与圆形凹槽的底面之间的距离，提高衬底的中心区域的加热速率，以减小衬底的中心区域与衬底的边缘区域之间的温度差，进而减小衬底会产生的翘曲与凹陷，提高衬底温度均匀程度以提高在衬底上生长的外延片的均匀程度。衬底支撑柱状凸起远离圆形凹槽的一端的端面呈凹面镜状，则可以保证衬底的中心区域与衬底之间不是直接接触，可以有效避免衬底中心区域的过度加热，保证衬底的受热均匀性。而圆形凹槽的深度为1000～1500微米使得圆形凹槽整体的深度较大，圆形凹槽与衬底支撑柱状凸起之间较大的空间可以起到容纳附着物的作用，降低附着物附着在衬底支撑柱状凸起上进而影响衬底与外延片的可能性，提高外延片的质量。
附图说明
20.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘的俯视图；
22.图2是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘的侧视图；
23.图3是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘的使用方法流程图；
24.图4是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘与外延生长设备的配合关系示意图；
25.图5是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片制备方法流程图；
26.图6是本公开实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图。
具体实施方式
27.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
28.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
29.为便于理解，此处先对平边衬底的结构进行说明，图1是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘的俯视图，图2是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘的侧视图，参考图1与图2可知，本公开实施例提供了一种提高外延片质量的外延托盘，外延托盘为圆柱体，外延托盘的两个端面分别为第一表面10与第二表面20，外延托盘在第一表面10具有多个同心的衬底放置圈30，每个衬底放置圈30都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽301，圆形凹槽301的深度为1000～1500微米。
30.每个圆形凹槽301均具有直径小于圆形凹槽301的衬底支撑柱状凸起3011，衬底支撑柱状凸起3011同轴位于圆形凹槽301的底面且衬底支撑柱状凸起3011的最大高度低于圆形凹槽301的最大深度，衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的一端的端面呈凹面镜状。
31.外延托盘为圆柱体，外延托盘的两个端面分别为第一表面10与第二表面20，且第一表面10具有多个同心的衬底放置圈30，每个衬底放置圈30都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽301，圆形凹槽301可以提供放置衬底的空间，保证衬底的稳定放置与衬底上外延片的稳定生长。圆形凹槽301的深度为1000～1500微米，且每个圆形凹槽301均具有直径小于圆形凹槽301的衬底支撑柱状凸起3011，衬底支撑柱状凸起3011同轴位于圆形凹槽301的底面且衬底支撑柱状凸起3011的最大高度低于圆形凹槽301的最大深度。衬底支撑柱状凸起3011的最大高度低于圆形凹槽301的深度，衬底支撑柱状凸起3011与第一表面10之间具有一定的高度差，衬底支撑柱状凸起3011与圆形凹槽301的侧壁可以起到支撑固定衬底的作用，保证衬底的稳定放置。衬底支撑凸起本身可以缩短衬底的中心区域与圆形凹槽301的底面之间的距离，提高衬底的中心区域的加热速率，以减小衬底的中心区域与衬底的边缘区域之间的温度差，进而减小衬底会产生的翘曲与凹陷，提高衬底温度均匀程度以提高在衬底上生长的外延片的均匀程度。衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的
一端的端面呈凹面镜状，则可以保证衬底的中心区域与衬底之间不是直接接触，可以有效避免衬底中心区域的过度加热，保证衬底的受热均匀性。而圆形凹槽301的深度为1000～1500微米使得圆形凹槽301整体的深度较大，圆形凹槽301与衬底支撑柱状凸起3011之间较大的空间可以起到容纳附着物的作用，降低附着物附着在衬底支撑柱状凸起3011上进而影响衬底与外延片的可能性，提高外延片的质量。
32.需要说明的是，外延托盘通常是第二表面20受热，热量从外延托盘的第二表面20传递至外延托盘的第一表面10，圆形凹槽301内的衬底通过空气热辐射以及与圆形凹槽301的侧壁或者底面之间的接触传热接收热量，且接触传热效率高于空气传热的效率。因此衬底支撑柱状凸起3011的增加，缩短了衬底与圆形凹槽301底面之间的距离，则保证了衬底的中心区域可以便于接收衬底支撑柱状凸起3011所传递的热量，从而有效减小衬底的中心区域与衬底的边缘区域之间的温度差。衬底的中心区域为衬底的轴线附近区域，衬底的边缘区域指衬底的侧壁。衬底通常至少包括两个相互平行的表面以及连接这两个表面的侧壁。衬底整体通常为弓形板或者圆形板。
33.在本公开所提供的实现方式中所涉及的最大深度、最大高度以及最大距离均为柱状凸起3011的轴向上的最大深度、最大高度以及最大距离。
34.可选地，以衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的一端的端面为凹陷面，在外延托盘的径向且由外延托盘的轴线指向外延托盘的外壁的方向上，凹陷面的最大深度降低。
35.由于外延托盘在具体使用过程中存在高速旋转的情况，因此圆形凹槽301中越靠近外延托盘的侧壁的圆形凹槽301内的衬底所受离心力越大，衬底与圆形凹槽301的侧壁之间接触更紧密则衬底的边缘的温度会更高，衬底的边缘与衬底的中心区域之间的温差更大。以衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的一端的端面为凹陷面，在外延托盘的径向且由外延托盘的轴线指向外延托盘的外壁的方向上，凹陷面的最大深度降低，则可以加快衬底的中心区域的受热速率，进一步减小衬底的中心区域与衬底的边缘区域的温度差，外延托盘上一次性生长得到的外延片的质量也较好。
36.示例性地，距离外延托盘的轴线最近的凹陷面的最大深度与距离外延托盘的轴线最远的凹陷面的最大深度之差为50～100微米。
37.距离外延托盘的轴线最近的凹陷面的最大深度与距离外延托盘的轴线最远的凹陷面的最大深度之差为50～100微米，可以保证外延托盘整体的质量较好。并且外延托盘上衬底的温度差较小，外延托盘上一次性产出的外延片的质量较好。
38.可选地，衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的一端的端面的最大深度为100～300微米。
39.衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的一端的端面的最大深度为100～300微米，可以有效减小衬底的中心区域与衬底的边缘区域之间的温度差，以有效提高最终得到在衬底上生长的外延片的均匀程度，提高得到的外延片的质量。
40.在本公开所提供的其他实现方式中，衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的一端的端面的最大深度也可为10～500微米；或者衬底支撑柱状凸起3011远离圆形凹槽301的一端的端面的最大深度也可为100微米或者200微米。也可以起到控制衬底的温度差的作用，本公开对此不做限制。
41.可选地，圆形凹槽301的直径与衬底支撑柱状凸起3011的直径之差为1000～30000微米。
42.圆形凹槽301的直径与衬底支撑柱状凸起3011的直径之差在以上范围内，圆形凹槽301的侧壁与衬底支撑柱状凸起3011之间的空间较为合理，可以稳定容纳附着物。并且衬底上的与圆形凹槽301的侧壁与衬底支撑柱状凸起3011之间的空间可以为衬底整体的传热提供一定的空间，可以使得衬底的边缘区域与衬底的中心区域之间的温差有一定的空间进行传递，降低衬底因传热过于剧烈而出现损坏的风险。
43.在本公开所提供的一种实现方式中，圆形凹槽301的直径与衬底支撑柱状凸起3011的直径之差也可为2000微米。本公开对此不做限制。
44.可选地，衬底支撑柱状凸起3011与第一表面10之间的最小距离为1～4mm。
45.衬底支撑柱状凸起3011与第一表面10之间的最小距离在以上范围内，可以保证对不同规格的衬底的稳定支撑，有效保证在衬底支撑柱状凸起3011上放置的衬底上生长的外延片的质量。
46.可选地，衬底支撑柱状凸起3011的最大高度为700～900微米。
47.衬底支撑柱状凸起3011的最大高度在以上范围内，可以适用于较多的不同规格的圆形凹槽301，并保证得到的衬底上的外延片的质量较好。
48.需要说明的是，本公开中所涉及的最大高度以圆形凹槽301的底面作为起始基准面，本公开中所涉及的最大深度以第一表面10作为起始基准面。
49.示例性地，外延托盘的第一表面10与第二表面20均具有碳化硅涂层。
50.外延托盘的第一表面10与第二表面20均具有碳化硅涂层，可以提高外延托盘的传热效率以及使用寿命，保证外延托盘的使用寿命。
51.可选地，外延托盘的整体厚度为10～20mm。可以适用于大部分金属有机化学气相沉积设备。
52.在本公开所提供的其他实现方式中，外延托盘的整体厚度也可为15mm。本公开对此不做限制。
53.本公开所提供的一种实现方式中，外延托盘的主要制备材料可为石墨。便于制备也传热效果较好。
54.为便于理解，此处提供图3，图3是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘的使用方法流程图，参考图3可知，本公开实施例提供了一种提高外延片质量的外延托盘的使用方法，提高外延片质量的外延托盘的使用方法采用如前所述的提高外延片质量的外延托盘实现，提高外延片质量的外延托盘的使用方法包括：
55.s101：将提高外延片质量的外延托盘安装至金属有机化学气相沉积设备中。
56.s102：在外延托盘的圆形凹槽内的衬底支撑柱状凸起上放置衬底以在衬底上生长外延片。
57.外延托盘为圆柱体，外延托盘的两个端面分别为第一表面与第二表面，且第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，圆形凹槽可以提供放置衬底的空间，保证衬底的稳定放置与衬底上外延片的稳定生长。圆形凹槽的深度为1000～1500微米，且每个圆形凹槽均具有直径小于圆形凹槽的衬底支撑柱状凸起，衬底支撑柱状凸起同轴位于圆形凹槽的底面且衬底支撑柱状凸起的最
大高度低于圆形凹槽的最大深度。衬底支撑柱状凸起的最大高度低于圆形凹槽的深度，衬底支撑柱状凸起与第一表面之间具有一定的高度差，衬底支撑柱状凸起与圆形凹槽的侧壁可以起到支撑固定衬底的作用，保证衬底的稳定放置。衬底支撑凸起本身可以缩短衬底的中心区域与圆形凹槽的底面之间的距离，提高衬底的中心区域的加热速率，以减小衬底的中心区域与衬底的边缘区域之间的温度差，进而减小衬底会产生的翘曲与凹陷，提高衬底温度均匀程度以提高在衬底上生长的外延片的均匀程度。衬底支撑柱状凸起远离圆形凹槽的一端的端面呈凹面镜状，则可以保证衬底的中心区域与衬底之间不是直接接触，可以有效避免衬底中心区域的过度加热，保证衬底的受热均匀性。而圆形凹槽的深度为1000～1500微米使得圆形凹槽整体的深度较大，圆形凹槽与衬底支撑柱状凸起之间较大的空间可以起到容纳附着物的作用，降低附着物附着在衬底支撑柱状凸起上进而影响衬底与外延片的可能性，提高外延片的质量。
58.实际使用外延托盘时，需要先将外延托盘安装在金属有机化学气相沉积设备的反应腔内，再在外延托盘的圆形凹槽内放置衬底，通过金属有机化学气相沉积设备向反应腔内通入反应气体与有机金属源，反应气体与有机金属源在衬底上反应生成外延片。
59.在本公开所提供的一种实现方式中，提高外延片质量的外延托盘的使用方法还包括：在外延托盘使用10～30次后，对圆形凹槽进行清理。
60.在外延托盘使用多次之后，圆形凹槽的侧壁与衬底支撑柱状凸起之间积累了一定的附着物，对附着物进行定期清理可以保证在衬底上生长的外延片的质量。
61.需要说明的是，每次外延托盘上所有圆形凹槽内均放置一枚衬底，且衬底上成型一次外延片之后，均代表外延托盘使用过一次。对圆形凹槽进行清理的过程中，衬底均已移出反应腔。
62.示例性地，对圆形凹槽进行清理可包括：向反应腔内通入氯气对外延托盘上所有的圆形凹槽内的附着物进行清理。可以保证对圆形凹槽清理的效果。
63.为便于理解，此处提供图4，图4是本公开实施例提供的提高外延片质量的外延托盘与外延生长设备的配合关系示意图，参考图4可知，外延生长设备100的腔室内的驱动结构101与外延托盘10的第二表面20相连，外延生长设备100的腔室内的加热结构102对外延托盘10的第二表面20进行加热。
64.由于在外延托盘内圆形凹槽上生长得到的外延片通常用于制备发光二极管，此处可提供在本公开所提供的外延托盘上生长得到的发光二极管外延片的制备过程，具体过程可参考图5。
65.图5是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片制备方法流程图，参考图5可知，本公开实施例提供了一种发光二极管外延片制备方法，发光二极管外延片制备方法包括：
66.s201：提供一外延托盘，外延托盘为圆柱体，外延托盘的两个端面分别为第一表面与第二表面，外延托盘在第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，圆形凹槽的深度为1000～1500微米。每个圆形凹槽均具有直径小于圆形凹槽的衬底支撑柱状凸起，衬底支撑柱状凸起同轴位于圆形凹槽的底面且衬底支撑柱状凸起的最大高度低于圆形凹槽的最大深度，衬底支撑柱状凸起远离圆形凹槽的一端的端面呈凹面镜状。
67.s202：在每个圆形凹槽内放置衬底，衬底支撑于衬底支撑柱状凸起上。
68.其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
69.s203：在衬底上生长gan缓冲层。
70.示例性地，gan缓冲层的生长温度可为530～560℃，压力可为200～500mtorr。得到的gan缓冲层的质量较好。
71.s204：在gan缓冲层上生长非掺杂gan层。
72.非掺杂gan层的厚度可为0.5～3um。
73.示例性地，非掺杂gan层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力控制在100～300torr。得到的非掺杂gan层的质量较好。
74.s205：在非掺杂gan层上生长n型层。
75.可选地，n型层为n型gan层，n型gan层的生长温度可为1000～1100℃，n型gan层的生长压力可为100～300torr。
76.可选地，n型gan层的厚度可为0.5～3um。
77.s206：在n型层上生长发光层。
78.发光层可以包括交替生长的ingan阱层和gan垒层。反应室压力控制在200torr。生长ingan阱层时，反应室温度为760～780℃。生长gan垒层时，反应室温度为860～890℃。得到的发光层的质量较好。
79.s207：在发光层上生长algan电子阻挡层。
80.algan电子阻挡层的生长温度可为800～1000℃，algan电子阻挡层的生长压力可为100～300torr。在此条件下生长得到的algan电子阻挡层的质量较好，有利于提高发光二极管的发光效率。
81.s208：在algan电子阻挡层上生长p型层。
82.可选地，p型层为p型gan层，p型gan层的生长压力可为200～600torr，p型gan层的生长温度可为800～1000℃。
83.s209：在p型gan层上生长p型接触层。
84.可选地，p型接触层的生长压力可为100～300torr，p型接触层的生长温度可为800～1000℃。
85.需要说明的是，在本公开实施例中，采用veecok 465i or c4 or rb mocvd(metal organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现发光二极管的生长方法。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。
86.执行完步骤s209后的发光二极管外延片的结构可参见图6。
87.图6是本公开实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图，参考图6可知，在本公开提供的一种实现方式中，得到的发光二极管外延片可包括衬底1及生长在衬底1上的gan缓冲层2、非掺杂gan层3、n型gan层4、发光层5、algan电子阻挡层6、p型gan层7及p型接触层8。
88.需要说明的是，图6中所示的发光二极管外延片仅用于示例，在本公开所提供的其他实现方式中，外延托盘也可以用于生长其他类型的发光二极管外延片，或者生长不同的
半导体外延片，本公开对此不做限制。
89.以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。