一种氮化铝晶片的批量式热掺杂装置及掺杂工艺的制作方法

本发明属于晶体生长领域，尤其涉及一种氮化铝晶片批量式热掺杂装置及热掺杂工艺。

背景技术：

1、氮化铝(aln)具有超宽禁带宽度(6.2ev)、高热导率(340/(m·k))、高击穿场强(～15.4mv/cm)、良好的紫外透过率、化学和热稳定性等优异性能，是高温、高频、高功率电子器件以及高al组分深紫外光电器件的理想衬底材料，特别适合于制造紫外光电子器件、高温/高功率/高频电力电子器件及射频通信器件等。由于氮化铝单晶衬底具有极低的位错密度(102-106m-2)，且与alxga1-xn晶格失配与热失配小，可外延生长高质量、低应力的gan和algan薄膜，从而极大提高紫外光电子器件的性能；对于高功率/高频电力电子器件而言，氮化铝同时具备出色的高温稳定性、高热导性及高临界场强，因此氮化铝基功率器件可实现更高的阻断电压、超低的导通电阻和更快的开关频率，其综合品质因子是sic、gan基功率器件的10-15倍左右。

2、目前氮化铝的掺杂相对较困难，这主要是因为氮化铝本身带隙太宽，掺杂受主固溶度较低、活性较差，量子化能量过高及本征施主缺陷的自补偿效应造成的，从而严重制约了氮化铝在光电信息技术中的发展和应用。常用的掺杂方法有液态源扩散掺杂、固固扩散掺杂、原料掺杂、离子注入等，但在氮化铝上均难以有效实现。采用液态或固固扩散只能实现低浓度掺入。采用原料掺杂存在随机性及掺入深度和均匀性难控制。采用离子注入方法使得掺杂物质会与晶片中的原子发生碰撞损失能量，带来晶格损伤等问题。所以必须寻求更加有效的掺杂方法来实现高效导电n型/p型氮化铝。

3、此外，al晶片在n型轻掺杂时，载流子的浓度相对较低，由于刃型位错和螺型位错的存在，载流子在迁移过程中就会很容易被捕获，造成载流子的迁移率显著降低，发生明显的流动性崩溃，n型导电片的导电性也会急剧下降，严重影响了氮化铝晶片在一些低掺杂、高电子迁移率、高击穿场和低电阻领域的应用，所以必须寻求更加有效的掺杂方法来实现n型导电片的轻掺杂。因此急需开发一套有效的掺杂装置与工艺，提高氮化铝晶片内部的有效掺杂。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本文拟提出一种氮化铝晶片批量式热掺杂装置及相应的掺杂工艺，采用旋转载盘的设计，使氮化铝晶片正反面均得到充分掺杂；同时增加紫外光源照射设计，能够增加氮化铝晶片的少数载流子的浓度，引起同一掺杂剂的不同电荷态之间的转变，从而改变缺陷的形成能，减少晶片内的线性位错，提高电子的迁移率，显著的提高氮化铝晶片的性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下。

3、一种氮化铝晶片批量式热掺杂装置，包括掺杂容器，所述掺杂容器上开口，其上开口配置有半密封容器盖；所述掺杂装置还包括旋转支架，所述旋转支架包括载盘环形支架、以及与载盘环形支架一体成型的旋转臂；其中旋转臂的两个端点设置于载盘环形支架的环形圈与中心轴的两个相交点上、且由该两个端点沿着载盘环形支架的中心轴方向向远离环形支架中心的方向延伸；沿着载盘环形支架的环形圈上还设置有若干螺孔；所述掺杂装置还包括圆形晶片载盘，晶片载盘由上载盘和下载盘构成；上载盘和下载盘上设置有若干大通孔，沿着大通孔的圆周边设置有环形台阶结构，沿着每个大通孔的环形台阶结构边沿均匀设置有一圈小通孔；设置于上载盘和下载盘上的大通孔和小通孔在位置上呈一一对应关系，且在上载盘和下载盘相对应的位置上的通孔孔径相同；上载盘和下载盘通过环形台阶结构配合，用于将所述氮化铝晶片夹持在大通孔位置，即上载盘的环形台阶结构正好放入下载盘环形台阶结构内，也即满足上载盘的环形台阶结构的外径与下载盘的环形台阶结构的外径的差值等于或略大于上载盘环形台阶结构的侧壁厚度；所述晶片载盘的外径大于所述载盘环形支架的孔径且小于等于载盘环形支架外径；在所述上载盘和下载盘设置有若干螺孔、与所述载盘环形支架的螺孔位置相对应，用于将所述晶片载盘固定于所述载盘环形支架上；所述旋转支架通过两侧的旋转臂穿过所述掺杂容器的侧壁，并链接外部伺服电机，通过伺服电机带动旋转支架旋转。进一步地，所述下载盘的环形台阶结构的高度大于所述氮化铝晶片的厚度、且小于等于上载盘的环形台阶结构的高度和氮化铝晶片厚度两者之和，优选等于上载盘的环形台阶结构的高度和氮化铝晶片厚度两者之和。

4、所述掺杂装置还包括紫外辐照系统，所述紫外辐照系统包括：紫外光源、反光镜、凸透镜、滤光片以及窗口片。其中所述窗口片设置在容器盖上，其中所述容器盖设有开口、所述窗口片覆盖在该开口上。所述紫外辐照系统各部件形成的光路满足：紫外光源发射出的紫外光经反光镜反射，紫外反射光到达凸透镜，经凸透镜聚光以后，依次穿过滤光片、窗口片，最后辐照在所述氮化铝晶片上。其中，滤光片用来调节光照的强度，实现调节照射功率密度。

5、工作时，在掺杂容器的底部放入掺杂剂；将待热掺杂处理的氮化铝晶片装载在下载盘的大通孔上，扣上上载盘，通过上载盘和下载盘的环形台阶结构配合将晶片夹紧。将已经装好晶片的晶片载盘放置在载盘环形支架上，并通过晶片载盘和载盘环形支架上的螺孔锁紧固定。然后将旋转支架装入掺杂容器，盖上半密封容器盖，半密封的容器有利于形成稳定的掺杂物质传输。最后将装载完成后的掺杂装置放入高温炉，并将旋转支架连接伺服电机。当进行热掺杂工艺时，伺服电机带动旋转支架360度旋转，氮化铝晶片随着晶片载盘360度翻转，晶片的正面背面实现均匀的热掺杂。在进行热掺杂工艺时，晶片上载盘和下载盘上一一对应设置的小通孔有利于晶片生长气体和掺杂物质的流通。在热掺杂的同时，开启紫外辐照系统，氮化铝晶片在热掺杂的同时，完成紫外辐照。

6、进一步地，所述上载盘和下载盘的外径相同，为220-400mm。

7、进一步地，所述晶片载盘用于装载2inch-8inch的晶片，即下载盘环形台阶结构的外径为晶片直径或者约大于晶片直径。

8、优选的，所述大通孔直径d为50±0.5mm、100±1mm、150±1.5mm、200±2mm。所述小通孔直径为d/50-d/5。

9、优选的，所述掺杂容器的内高为1.2-2倍的上载盘或下载盘的外径。

10、进一步地，所述旋转支架装载在掺杂容器时，所述旋转支架的旋转轴线位置处于距离所述掺杂容器底部的高度为0.6倍到1倍的上载盘或下载盘的外径，具备圆周式旋转载盘时不触碰到所述掺杂容器底部和所述容器盖。

11、优选的，所述窗口片材料为石英玻璃、蓝宝石、氟化钙或氟化镁。

12、优选的，所述紫外光源是汞氙弧灯或紫外激光二极管。

13、本发明的第二个目的是提供一种氮化铝晶片批量式热掺杂工艺，使用本发明上述所述的掺杂装置，所述热掺杂工艺的具体步骤如下。

14、步骤一，将氮化铝晶片批量式装载至所述下载盘的大通孔位置，扣上上载盘，通过上载盘和下载盘的环形台阶结构配合将晶片夹紧；将已经装好晶片的晶片载盘放置在载盘环形支架上，并通过晶片载盘和载盘环形支架上的对应的螺孔锁紧固定。

15、步骤二：将掺杂剂放置于所述掺杂容器底部；并将旋转支架装入掺杂容器，盖上半密封容器盖。

16、步骤三：将完成装载后的掺杂装置放置于高温炉内；并将旋转支架连接外部伺服电机。

17、步骤四：高温炉内抽真空后，通入高纯氮气，升温至掺杂温度tc，稳定氮气压至pc。

18、步骤五，保持温度tc以及氮气压pc；并通过所述伺服电机将所述晶片载盘旋转至所有晶片的正面朝向掺杂剂；打开紫外光源并调节滤光片，照射所有氮化铝晶片的背面并持续一段时间tc，结束后关闭紫外光源。

19、步骤六，继续保持温度tc以及氮气压pc；通过所述伺服电机将晶片载盘旋转至所有晶片的反面朝向掺杂剂，再次打开紫外光源并调节滤光片，照射所有氮化铝晶片的正面，同样持续一段时间tc，结束后关闭紫外光源。

20、步骤七，重复步骤五、步骤六n次。

21、步骤八，降至室温，完成热掺杂及紫外辐照，取出氮化铝晶片。

22、优选的，所述掺杂容器是由c、mo、w、bn、ta、sic、aln、wc或tac的耐高温金属或陶瓷制成。

23、优选的，所述掺杂剂选自si、zn、c、li、sio2、al2o3、be、mg、be3n2、mg3n2、zn3n2、li3n、beo、besin2、liben、be2c、mgsin2、lisi2n3、limgn、liznn、或al2oc中的一种或几种混合。

24、优选的，所述tc为1000-2000℃。

25、优选的，所述pc为0.1-5bar。

26、优选的，所述步骤五和六中的晶片载盘旋转速率为0.5-10r/min。

27、优选的，所述tc为1-30min。

28、优选的，所述步骤五、步骤六中的紫外光源照射功率密度为0.1-5w/cm2。

29、优选的，所述步骤五、步骤六中的紫外光源波长为10-400nm。

30、优选的，所述步骤七中的n为1-100。

31、本发明的有益效果如下：

32、(1)采用本发明的装置及工艺，可以实现批量式的氮化铝晶片掺杂，不仅可以形成p型氮化铝导电晶片还可以形成n型氮化铝导电晶片，且能够形成轻掺杂、高迁移率、高击穿、低电阻的n型导电片，可以极大的拓展在相关领域的应用，满足不同客户的需求。

33、(2)本发明可以实现装载不同直径(2-8英寸)的氮化铝晶片，设计了多片式双面裸露载盘，同时设计密集小通孔和支架旋转功能，有利于氮化铝晶片双面均达到同等效果的热掺杂，实现氮化铝晶片整体均匀的导电性能。

34、(3)本发明的热掺杂结合紫外光照方法，采用热扩散杂质原理有效促使掺杂物质进入氮化铝晶片并均匀扩散和分布，采用紫外光照方法，有效提高配合物点缺陷形成能，从而有效抑制和减少补偿型点缺陷的产生，有效提高氮化铝晶片的有效掺杂和导电率。以si掺杂为例，紫外线照射旨在产生多余的少数载流子，其存在将val-nsi复合物的形成能量向上转移，降低其密度，从而提高有效掺杂和导电率。

35、(4)本发明装置及工艺，非常适合工业化批量生产，且工艺灵活可控，成本低，操作简单，有效掺杂效果佳。