本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种石墨盘。
背景技术：
金属有机化合物化学气相沉淀法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)是一种已被广泛运用在光电子领域的材料外延生长技术，依托该金属有机化合物化学气相沉淀法的MOCVD机台以精准控制和适宜量产为优势，可以生长多种不同的材料外延层，在材料外延生长过程中可以通过原位监控将外延层厚度精准控制在原子层级别。目前商用MOCVD机台已经能够实现一个反应腔内放入124片2英寸衬底的容量，远胜于其他生长技术的容量。
MOCVD多应用在光电子领域。以Ⅲ族氮化物光电器件和电子器件为例，该类器件的晶圆是通过在碳化硅SiC、硅Si或蓝宝石sapphire等异质衬底上外延生长外延层而获得。例如在SiC衬底上生长氮化镓GaN外延层，先将SiC衬底放入MOCVD机台反应腔内的石墨盘上，通过石墨盘下加热丝的加热将SiC衬底温度提升至1000℃以上，氨气NH3在载气的携带下通过管道输送至MOCVD机台的反应腔内，然后MOCVD机台的反应腔内的Ⅲ族源(如三甲基镓TMGa)和Ⅴ族源与氨气在高温下发生复杂的化学反应后，最终在SiC衬底上沉积生长出高质量的GaN外延层。材料外延生长过程中外延层对衬底表面温度、反应腔压力、反应腔内流场分布等因素非常敏感。
然而，在材料外延生长过程中，衬底由于本身导热能力差异导致上下表面温度差异大、与外延层之间的热失配、以及晶格失配，造成不同程度的翘曲，进而导致衬底表面温度不一致，从而导致衬底上沉积的外延层均匀性受到影响。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种石墨盘，以提高MOCVD工艺中外延层的均匀性。
本发明实施例提供了一种石墨盘，该石墨盘包括：
多个第一凹槽，所述第一凹槽用于容置衬底；
设置在所述第一凹槽中的第二凹槽，沿所述第二凹槽底面指向所述衬底的方向上，所述第二凹槽的底面突起，沿所述第二凹槽中心点指向所述第二凹槽侧壁的方向上，所述衬底的尺寸小于所述第一凹槽的尺寸且大于所述第二凹槽的尺寸，其中，所述第二凹槽的底面与所述衬底之间存在间隙。
进一步地，所述第一凹槽的底面为所述第一凹槽和所述第二凹槽之间的台阶，沿所述第二凹槽底面指向所述衬底的方向上，所述台阶与所述衬底交叠，以及沿所述第二凹槽中心点指向所述第二凹槽侧壁的方向上，所述台阶与所述衬底的交叠区域的尺寸小于或等于所述衬底尺寸的5％。
进一步地，沿所述第二凹槽中心点指向所述第二凹槽侧壁的方向上，所述台阶的宽度大于或等于2mm且小于或等于5mm。
进一步地，所述第一凹槽的深度小于或等于所述衬底的厚度。
进一步地，所述第一凹槽的深度大于或等于500μm且小于或等于2000μm。
进一步地，所述第二凹槽的底面所属球体的球心与所述第二凹槽的底面的中心点的连线和所述第二凹槽的底面的垂线之间的夹角小于或等于第一预设角度。
进一步地，所述第一预设角度为2°。
进一步地，所述衬底在外延生长过程中沿所述第二凹槽底面指向所述衬底的方向上突起，所述衬底的突起面所属球体的曲率半径等于所述第二凹槽的底面所属球体的曲率半径。
进一步地，所述第二凹槽的底面所属球体的曲率半径大于或等于10m且小于或等于25m。
进一步地，所述第二凹槽的最大深度大于或等于20μm且小于或等于250μm。
本发明实施例提供的石墨盘，第一凹槽用于容置衬底，第二凹槽设置在第一凹槽中，第二凹槽的底面沿第二凹槽底面指向衬底的方向上形成突起，第二凹槽的底面与衬底之间存在间隙，以及沿第二凹槽中心点指向第二凹槽侧壁的方向上，衬底的尺寸小于第一凹槽的尺寸且大于第二凹槽的尺寸。本发明实施例中，通过在石墨盘中设计第二凹槽，以及第二凹槽的底面沿第二凹槽底面指向衬底的方向上形成突起，则衬底和第二凹槽的底面之间从衬底中心到边缘会形成趋于一致的间距，那么在MOCVD工艺的加热衬底过程中能够提高衬底表面温度的均一性，改善衬底表面不同区域的温度差异较大的问题，进而减小衬底表面差异导致的外延层的厚度差异、组分差异和结晶质量差异，提高MOCVD工艺中衬底上生长的外延层的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明实施例提供的石墨盘的示意图；
图2是图1沿A-A'的剖视图；
图3是图1沿A-A'的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示，为本发明实施例提供的石墨盘的示意图，图2是图1沿A-A'的剖视图。本实施例提供的石墨盘包括：多个第一凹槽10，第一凹槽10用于容置衬底30；设置在第一凹槽10中的第二凹槽20，沿第二凹槽20底面21指向衬底30的方向Y上，第二凹槽20的底面21突起，沿第二凹槽20中心点O指向第二凹槽20侧壁的方向X上，衬底30的尺寸小于第一凹槽10的尺寸且大于第二凹槽20的尺寸，其中，第二凹槽20的底面21与衬底10之间存在间隙。
采用MOCVD工艺进行材料外延生长时，材料外延生长过程中外延层对衬底表面温度、反应腔压力、反应腔内流场分布等因素非常敏感。石墨盘是MOCVD机台内的重要部件，通常为圆形，石墨盘上制作有若干用于放置衬底的圆形凹槽，圆形凹槽的尺寸依据衬底的大小而定。石墨盘圆形凹槽的设计对外延层的均匀性影响甚大。具体的，在材料外延生长过程中，衬底受到外延层的应力通常呈现突起的状态，这样衬底背面和石墨盘凹槽底面之间容易形成从衬底中心到边缘大小不一的间距。而衬底加热过程中，热量是从石墨盘的凹槽底部通过热传导传递至衬底表面，若衬底和石墨盘凹槽底面之间存在从衬底中心到边缘大小不一的间距，容易导致衬底表面从衬底中心到边缘的不同区域的温度出现差异。材料外延生长过程中外延层对温度非常敏感，温度会影响生长的外延层的厚度、组分和结晶质量等，因此衬底表面的温度差异意味着其上生长的外延层的差异，导致外延层均匀性变差。
基于上述问题，本实施例提供的通过改进石墨盘的凹槽设计以达到减小衬底表面温度差异进而提高MOCVD工艺中外延层均匀性的效果。
本实施例中，石墨盘包括多个第一凹槽10，第一凹槽10用于容置衬底30。在Y方向上第一凹槽10的投影覆盖衬底30的投影以便于衬底30能够整体容置在第一凹槽10内。可选第一凹槽10的形状与衬底30的形状相同，例如衬底30为圆形，则第一凹槽10的形状也为圆形，此时第一凹槽10的直径大于衬底30的直径。本领域技术人员可以理解，第一凹槽的形状和大小可根据衬底的变化而进行合理调整，在本发明中不对第一凹槽的形状和大小进行具体限定。
本实施例中，石墨盘还包括多个第二凹槽20，其中，第二凹槽20设置在第一凹槽10中，在Y方向上衬底30的投影覆盖第二凹槽20的投影以便于衬底30能够整体容置在第一凹槽10内而不会掉落至第二凹槽20内，由此可知，沿第二凹槽20中心点O指向第二凹槽20侧壁的方向X上，衬底30的尺寸小于第一凹槽10的尺寸且大于第二凹槽20的尺寸。在此第二凹槽20的中心点O是指第二凹槽20的形状的中心点O，例如第二凹槽为圆形，则其中心点为该圆形的圆心，第二凹槽为正方形，则其中心点为正方形两条对角线的焦点。第二凹槽20的侧壁是封闭图形(如图1所示为圆形)，此时选取第二凹槽20的侧壁上的任意一个点，则X方向为O点指向该侧壁上选取的某一点的方向。
需要说明的是，第二凹槽20中心点O指向第二凹槽20任意侧壁的方向上，衬底30的尺寸小于第一凹槽10的尺寸且大于第二凹槽20的尺寸，即是表征了在Y方向上，第一凹槽10的投影覆盖容置在该第一凹槽10中的衬底30的投影、以及该衬底30的投影覆盖设置在该第一凹槽10中的第二凹槽20的投影。衬底30的底面与第一凹槽10的底面直接接触且不与第二凹槽20的底面21接触。
可选第二凹槽20的形状与衬底30的形状相同，例如衬底30为圆形，则第二凹槽20的形状也为圆形，此时第二凹槽20的直径小于衬底30的直径。本领域技术人员可以理解，第二凹槽的形状和大小可根据衬底的变化而进行合理调整，在本发明中不对第二凹槽的形状和大小进行具体限定。
本实施例中，沿第二凹槽20底面21指向衬底30的方向Y上，第二凹槽20的底面21突起，第二凹槽20的底面21与衬底10之间存在间隙，则材料外延生长过程中，衬底30受到外延层的应力呈现突起的状态时，由于第二凹槽20的底面21也呈现突起状态，则衬底30的底面和第二凹槽20的底面21之间从衬底30中心到边缘的间距H1趋于一致，即从衬底30的中心到衬底30的边缘分别与第二凹槽20的底面21之间形成大小相似的间距H1，避免了材料外延生长过程中衬底背面和石墨盘凹槽底面之间容易形成从衬底中心到边缘大小不一的间距的问题。需要说明的是，本实施例中衬底30不同区域对应的H1的大小可能存在差异，但与现有技术相比差异非常小，能够提高衬底30不同区域的温度的均一性，进而提高外延层的均匀性。
如上所述，在加热衬底30过程中，基于衬底30和第二凹槽20的底面21之间从衬底30中心到边缘的间距H1趋于一致，热量从石墨盘的第二凹槽20的底部21通过热传导传递至衬底30表面时，能够提高衬底30表面从衬底30中心到边缘的不同区域的温度的均一性，改善衬底30表面不同区域的温度差异较大的问题。而材料外延生长过程中外延层对温度非常敏感，温度会影响生长的外延层的厚度、组分和结晶质量等，因此衬底30表面温度差异减小，能够减小衬底30上生长的外延层的厚度差异、组分差异和结晶质量差异，由此可提高衬底30上生长的外延层的均匀性。
本发明实施例提供的石墨盘，第一凹槽用于容置衬底，第二凹槽设置在第一凹槽中，第二凹槽的底面沿第二凹槽底面指向衬底的方向上形成突起，第二凹槽的底面与衬底之间存在间隙，以及沿第二凹槽中心点指向第二凹槽侧壁的方向上，衬底的尺寸小于第一凹槽的尺寸且大于第二凹槽的尺寸。本发明实施例中，通过在石墨盘中设计第二凹槽，以及第二凹槽的底面沿第二凹槽底面指向衬底的方向上形成突起，则衬底和第二凹槽的底面之间从衬底中心到边缘会形成趋于一致的间距，那么在MOCVD工艺的加热衬底过程中能够提高衬底表面温度的均一性，改善衬底表面不同区域的温度差异较大的问题，进而减小衬底表面差异导致的外延层的厚度差异、组分差异和结晶质量差异，提高MOCVD工艺中衬底上生长的外延层的均匀性。
可选的，如图2所示第一凹槽10的底面为第一凹槽10和第二凹槽20之间的台阶11，沿第二凹槽20底面21指向衬底30的方向Y上，台阶11与衬底30交叠，以及沿第二凹槽20中心点O指向第二凹槽20侧壁的方向X上，台阶11与衬底30的交叠区域的尺寸L1小于或等于衬底30尺寸的5％。沿第二凹槽20底面21指向衬底30的方向Y上，台阶11与衬底30交叠，即台阶11与衬底30边缘直接接触以使第一凹槽10起到支撑衬底30的作用，衬底30的其他区域(在此称为中心区域)与第二凹槽20的底面21之间存在间隙。需要说明的是，在此台阶与衬底的交叠区域的尺寸已经考虑到加热衬底过程中衬底突起时的情况，不论衬底突起之前还是突起之后，台阶与衬底均存在交叠以使第一凹槽始终起到支撑衬底的作用。可选本实施例中具体是指衬底30突起之后，台阶11与衬底30的交叠区域的尺寸L1小于或等于衬底30尺寸的5％。
衬底30的边缘与石墨盘的第一凹槽10的台阶11直接接触，衬底30的中心区域与第二凹槽20的底面21之间存在间隙即不与石墨盘直接接触。而加热衬底过程中，热量是从石墨盘通过热传导传递至衬底30表面，则衬底30的与台阶11直接接触的边缘区域的温度和衬底30的不与石墨盘直接接触的中心区域的温度差异较大，导致衬底30的边缘区域上生长的外延层和中心区域上生长的外延层的均匀性差异较大。若衬底30与台阶11的交叠区域的尺寸L1过大，则外延层从中心到边缘的均匀性差异非常明显；而衬底30与台阶11的交叠区域的尺寸L1较小，则虽然衬底30的边缘区域上生长的外延层和中心区域上生长的外延层的均匀性存在较大差异，但基于边缘区域尺寸L1小，外延层的边缘区域的均匀性对外延层整体均匀性的影响小，外延层的除边缘区域之外的区域呈现出优异的均匀性，提高了外延层的均匀性。
本领域技术人员可以理解，在其他实施例中，在提高外延层整体均匀性的前提下，相关从业人员可以合理限定台阶与衬底的交叠区域的尺寸，例如低于6％等。
可选的，如图2所示沿第二凹槽20中心点O指向第二凹槽20侧壁的方向X上，台阶11的宽度L2大于或等于2mm且小于或等于5mm。台阶11的宽度L2过大时，可能造成衬底30与第一凹槽10的台阶11的交叠区域的尺寸L1增大，进而造成外延层从中心到边缘的均匀性差异非常明显的缺陷；还可能造成台阶11的空闲区域(未与衬底30交叠的区域)的尺寸过大，则MOCVD机台的反应腔内的气流可能导致衬底30在第一凹槽10中移动，影响衬底30上外延层的均匀性。在此将台阶11的宽度L2设置的较小，则衬底30与台阶11的交叠区域的尺寸L1不会过大，衬底30也不容易在第一凹槽10中移动，则虽然衬底30的边缘区域上生长的外延层和中心区域上生长的外延层的均匀性存在较大差异，但基于边缘区域尺寸L1小，外延层的除边缘区域之外的区域呈现出优异的均匀性，外延层的边缘区域的均匀性对外延层整体均匀性的影响小，提高了外延层的均匀性。
可选的，如图2所示第一凹槽10的深度H2小于或等于衬底30的厚度D。在此第一凹槽10的深度H2是指第一凹槽10的槽口到第一凹槽10的台阶11处的垂直深度。第一凹槽10的深度H2小于或等于衬底30的厚度D时，第一凹槽10能够起到容置衬底30的作用，还能够保证外延层的均匀性。具体的，在MOCVD机台的反应腔内，气流的流向通常是从石墨盘的中间向石墨盘的四周流动，以圆形的第一凹槽为例，第一凹槽在石墨盘上通常沿圆周分布，因此每个圆形的第一凹槽的靠近石墨盘中心一侧与远离石墨盘中心一侧的流场存在区别，若衬底的表面低于第一凹槽的槽口，则衬底的表面容易受到不均匀的流场影响，进而影响外延层的均匀性。本实施例中衬底30的表面与第一凹槽10的槽口平齐或超出第一凹槽10的槽口，则气流流场直接作用在衬底30上，不受第一凹槽10的限制，因此衬底30能够受到均匀的气流流场，进而避免气流流场不均导致的外延层不均匀的问题，提高了外延层的均匀性。
可选的，如图2所示第一凹槽10的深度H2大于或等于500μm且小于或等于2000μm。若第一凹槽10的深度H2过小，则容置在第一凹槽10的衬底30超出第一凹槽10的槽口的尺寸较多，在材料外延生长过程中容易发生飞片现象。若第一凹槽10的深度H2过大，则容置在第一凹槽10的衬底30可能无法超出第一凹槽10的槽口，导致衬底30的表面受到不均匀的气流流场，进而导致外延层不均匀的问题。本领域技术人员可以理解，第一凹槽的深度可根据衬底的厚度进行设定，例如可选第一凹槽的深度至少超过衬底厚度的二分之一，以减少飞片现象的发生，当然，相关从业人员也可自行根据生产所需合理设定第一凹槽的深度，在本发明中不进行具体限定。
可选的，图3是图1沿A-A'的剖视图，如图3所示第二凹槽20的底面21所属球体的球心O1与第二凹槽20的底面21的中心点O的连线和第二凹槽20的底面21的垂线Z-Z'之间的夹角θ小于或等于第一预设角度。可选第一预设角度为2°。材料外延生长过程中，衬底30在外延层应力作用下，会发生中间突起的情况，突起后类似于球面的局部。基于此，设置第二凹槽20时，为了使第二凹槽20的底面21和衬底30之间从衬底30中心到边缘形成趋于一致的间距H1，可选第二凹槽20的底面21也突起，此时第二凹槽20的底面21的形状类似于球面的局部，则该球面所属球体和球心O1即为第二凹槽20的底面21所属球体和球心O1，在此仅示出了该球体的局部球面和球心O1。此外，衬底30突起时其中心区域的突起高度最大，从中心到边缘的突起高度逐渐减小，因此第二凹槽20的底面21也应为中心到边缘的突起高度逐渐减小。基于此，本实施例中第二凹槽20的底面21所属球体的球心O1与第二凹槽20的底面21的中心点O的连线和第二凹槽20的底面21的垂线Z-Z'之间的夹角θ小于或等于第一预设角度，则限定了第二凹槽20的底面21的最高点与第二凹槽20的底面21的中心点O接近，与衬底30的突起形状匹配，使得衬底30与第二凹槽20之间从衬底30中心到边缘形成趋于一致的间距H1。第一预设角度过大时，说明第二凹槽20的底面21的最高点与第二凹槽20的底面21的中心点O距离较远，使得衬底30与第二凹槽20之间从衬底30中心到边缘无法形成趋于一致的间距。因此可选第一预设角度为2°，本领域技术人员可以理解，根据衬底突起的情况，该第一预设角度可进行合理调整。
可选的，如图3所示衬底30在外延生长过程中沿第二凹槽20底面21指向衬底30的方向Y上突起，衬底30的突起面所属球体的曲率半径等于第二凹槽20的底面21所属球体的曲率半径。衬底30的突起面所属球体的曲率半径等于第二凹槽20的底面21所属球体的曲率半径，则衬底30的突起面所属球体和第二凹槽20的底面21所属球体为同心但半径不同的球体，第二凹槽20的底面21所属球体的半径小于衬底30的突起面所属球体的半径，此时衬底30的突起面和第二凹槽20的底面21之间从衬底30的中心到边缘可形成大小一致的间距H1，能够进一步减小衬底30表面的温度差异，进而进一步提高衬底30上生长的外延层的均匀性。
可选的，第二凹槽20的底面21所属球体的曲率半径大于或等于10m且小于或等于25m。在MOCVD工艺中3英寸大小的衬底30的突起面所属球体的曲率半径基本多处于10m～25m的曲率半径范围，因此该第二凹槽20的底面21所属球体的曲率半径适用于3英寸大小的衬底30。本领域技术人员可以理解，衬底的突起面所属球体的曲率半径不同，则第二凹槽的底面所属球体的曲率半径也可以随之调整，不限于上述数据范围。
可选的，如图2所示第二凹槽20的最大深度H3大于或等于20μm且小于或等于250μm。在此第二凹槽20的最大深度H3是指第二凹槽20的槽口即第一凹槽10的台阶11到第二凹槽20的底面21的最大深度。第二凹槽20的最大深度H3过小时，第二凹槽20的底面21突起的最高点容易与衬底30直接接触，导致衬底30的表面温度差异较大。因此本实施例中可选第二凹槽20的最大深度H3大于或等于20μm且小于或等于250μm，此时第二凹槽20的底面21突起的最高点不会与衬底30直接接触，第二凹槽20的底面21与衬底30之间可以形成从衬底30中心到边缘的趋于一致的间距H1，提高了衬底30的表面温度均匀性，进而提高衬底30上生长的外延层的均匀性。本领域技术人员可以理解，第二凹槽的最大深度可根据其突起情况的不同而进行调整，不限于上述数据范围。
可选衬底30为氮化硅SiC衬底、硅Si衬底或蓝宝石sapphire衬底，当然衬底30还可选为其他适用于采用MOCVD工艺生长外延层的任意一种衬底材质，在本发明中不进行具体限定。
可选石墨盘表面涂覆有碳化硅SiC保护层，石墨盘表面设置的多个第一凹槽10和第二凹槽20的形状包括但不限于圆形，第一凹槽10和第二凹槽20的形状可根据衬底30的形状进行调整和设定。
参考图1～图3所示，本实施例具体提供一种适用于放置3英寸圆形衬底的石墨盘。
可选石墨盘的第一凹槽10的形状为圆形，其尺寸稍大于3英寸，例如尺寸比3英寸超出至少1mm等。当然，在其他实施例中，第一凹槽的尺寸可以根据所放衬底的大小做出相应的调整，例如，可放置2英寸、4英寸、6英寸、8英寸甚至更大尺寸的衬底。石墨盘上第一凹槽10的数量也不进行限定，相关从业人员可根据所需制作器件的数量做出相应的调整。
可选衬底30为碳化硅SiC衬底。在其他实施例中，衬底也可以是硅衬底或其他任意一种适用于采用MOCVD工艺的衬底。
可选石墨盘的第一凹槽10中还设置有第二凹槽20，该第二凹槽20的底面21沿第二凹槽20的底面21指向衬底30的方向Y向上拱起，该第二凹槽20的底面21所属的球体的曲率半径范围为10m～25m。需要说明的是，3英寸的衬底30在外延生长过程中，基于外延层应力的原因会呈现突起状，衬底30的突起面所属的球体的曲率半径范围也为10m～25m，则具有突起底面21的第二凹槽20的设计能够用于在外延生长过程中补偿由于衬底30出现翘曲后衬底30底部与石墨盘凹槽底部出现的大小不易的间隙，使得衬底30和第二凹槽20底面21的间距H1趋于大小一致。
可选以第二凹槽20的底面21的中心点O为原点，第二凹槽20的底面21向第二凹槽20的底面21的垂线Z-Z'的偏转角θ的为-2°～+2°，可以补偿由于气流导致衬底30表面沿径向出现的差异。
可选的，第二凹槽20的最大深度H3的范围为20μm～250μm，用于避免衬底30的底面的中心位置与第二凹槽20的底面21接触。
可选的，第一凹槽10的深度H2依据衬底30的厚度D不同而不同，范围可选为500μm～2000μm，能够防止在外延生长过程中由于石墨盘旋转而导致的飞片。
本实施例中，通过石墨盘中第二凹槽的设计，能够补偿由于衬底翘曲而导致的衬底表面温度分布的不均匀，同时还可以改善由于流场导致外延层结构沿径向分布不均匀问题。该石墨盘结构可以有效的提升外延层结构的均匀性，提高外延层的良率，降低后续工艺制作的复杂度，节省生产成本。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。