一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及第三代半导体GaN制造技术领域，且公开了一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，包括石墨基座、支撑杆和退火腔室，所述石墨基座设置在退火腔室内侧，所述石墨基座所在退火腔室内壁设置有用于防止散热的保温材料，石墨基座所在退火腔室外侧壁设置有环形的电阻丝加热器，石墨基座的顶部样本放置面放置有自支撑GaN衬底。该降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置，在高温下GaN会发生分解反应且分解反应会在位错处首先发生，从而减小位错密度，消除应力，经过退火之后，能够大大缓解翘曲，曲率半径可达到10m左右，位错密度可减小至107cm

【技术实现步骤摘要】
一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法


[0001]本专利技术涉及第三代半导体GaN制造
，具体为一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法。

技术介绍

[0002]GaN作为第三代半导体材料因其优异的物理化学性能，被广泛应用在短波长光电子器件和高频微波器件等领域，由于自然界中缺乏天然生长的GaN单晶，目前大部分商用的GaN都是在异质衬底上外延生长获得的。
[0003]在GaN薄膜外延生长技术中，氢化物气相外延(HVPE)结构简单，生长速率快，可达到200μm/h以上，且外延尺寸最大可达到6英寸，在GaN单晶生长商业化应用中最为广泛。
[0004]激光剥离(LLO)是为了得到自支撑GaN自支撑的一种新兴技术，针对HVPE生产的300μm GaN薄膜外延片，利用激光对蓝宝石和GaN薄膜之间的交界面进行局部加热，促进分解为N2和Ga滴，使得GaN和蓝宝石分离，进而获得完整无裂的自支撑GaN衬底，尺寸最大可达到4英寸。
[0005]然而，通过激光剥离得到的自支撑GaN衬底受到在HVPE中引入的生长应力等的影响，会出现翘曲，曲率半径通常在3m左右，在进行后续研磨抛光过程中，由于翘曲的存在极易出现裂片。另外，因为HVPE外延片GaN厚度只有300μm左右，位错密度基本在108cm
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2左右，无法较好满足半导体下游产业对低位错密度的要求。翘曲大和高位错的缺陷使得激光剥离后的自支撑GaN衬底无法作为产品进行后续加工及器件制造，降低自支撑GaN衬底的成品率，因此专利技术人设计了一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，解决上述技术问题。

技术实现思路

[0006](一)解决的技术问题
[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，解决了激光剥离得到的自支撑GaN衬底易出现翘曲和位错的问题。
[0008](二)技术方案
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，包括石墨基座、支撑杆和退火腔室，所述石墨基座设置在退火腔室内侧，所述石墨基座所在退火腔室内壁设置有用于防止散热的保温材料，石墨基座所在退火腔室外侧壁设置有环形的电阻丝加热器，石墨基座的顶部样本放置面放置有自支撑GaN衬底，支撑杆贯穿退火腔室并与石墨基座相连接，石墨基座的镂空内侧通过支撑杆安装有用于实时测温的TC测温元件。
[0010]优选的，所述TC测温元件与电阻丝加热器信号连接，TC测温元件通过信号传输将石墨基座的实时温度数据反馈到电阻丝加热器，进而使得电阻丝加热器能够根据测量的温度对加热输出功率进行实时调整和优化。
[0011]优选的，所述石墨基座顶部的样本放置面为凸型面，石墨基座顶部放置面的加工曲率半径与自支撑GaN衬底的曲率半径相吻合，从而保证自支撑GaN衬底能够均匀稳定受热。
[0012]优选的，所述支撑杆位于石墨基座的正下方，石墨基座位于退火腔室的中心位置。
[0013]一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，该方法包括以下步骤。
[0014]S1、通过激光剥离的方法得到自支撑GaN衬底。在1000℃环境下，采用355nm激光从蓝宝石面对蓝宝石
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GaN交界处进行局部高温分解，使得蓝宝石和GaN完全分离开来；
[0015]S2、自支撑GaN衬底退火前N面清洗。自支撑GaN衬底在S1步骤中激光剥离之后，自支撑GaN衬底的N面会留下大量的Ga滴，若不经过清洗直接进行退火会使得Ga滴污染退火装置，清洗过程如下：样本置于丙酮中超声波清洗去油脂10min，置于乙醇超声波清洗10min，去离子水冲洗后高纯N2吹干为止；
[0016]S3、自支撑GaN衬底退火。根据自支撑GaN衬底的尺寸和翘曲度，选择适配的石墨基座，退火腔室控制温度保持在1350℃，向退火腔室内导入NH3和N2，在充满NH3和N2环境氛围下，在1000℃以上GaN会逐渐分解，NH3和N2可以抑制分解反应的正向进行，从而在高温下保护GaN衬底不被破坏，压力满足120Kpa，自支撑GaN衬底与石墨基座顶部样品放置面完全贴合，退火时间3h，退火结束后关闭电阻丝加热器，慢慢冷却退火腔室至室温后即可取出自支撑GaN衬底。
[0017](三)有益效果
[0018]本专利技术提供了一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法。
[0019]具备以下有益效果：
[0020]1、该降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置，通过设置石墨基座，使得基座能够具有较好的导热和耐高温特性，而石墨基座顶部的样本放置面为凸型，其加工曲率半径与自支撑GaN衬底的曲率半径相吻合，从而保证自支撑GaN衬底能够均匀稳定受热，TC测温元件通过信号传输将石墨基座的实时温度数据反馈到电阻丝加热器，进而使得电阻丝加热器能够根据测量的温度对加热输出功率进行实时调整和优化，稳定至所需温度范围内(1200℃
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1400℃)，保障自支撑GaN衬底退火处理的稳定性，而保温材料的使用有效避免退火腔室的热量散失，降低设备能源消耗。
[0021]2、该降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，在1000℃以上GaN会逐渐分解，NH3和N2可以抑制分解反应的正向进行，从而在高温下保护GaN衬底不被破坏，在高温下GaN会发生分解反应且分解反应会在位错处首先发生，从而减小位错密度，消除应力，经过退火之后，能够大大缓解翘曲，曲率半径可达到10m左右，位错密度可减小至107cm
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2左右，从而达到降低激光剥离后得到的自支撑GaN衬底翘曲和位错的目的。
附图说明
[0022]图1为本专利技术结构示意图；
[0023]图2为本专利技术自支撑GaN衬底激光剥离前示意图；
[0024]图3为本专利技术自支撑GaN衬底激光剥离后示意图。
[0025]图中：1石墨基座、2保温材料、3自支撑GaN衬底、4支撑杆、5TC测温元件、6电阻丝加热器。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]如图1
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3所示，本专利技术提供一种技术方案：一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，包括石墨基座1、支撑杆4和退火腔室，石墨基座1设置在退火腔室内侧，石墨基座1所在退火腔室内壁设置有用于防止散热的保温材料2，石墨基座1所在退火腔室外侧壁设置有环形的电阻丝加热器6，石墨基座1的顶部样本放置面放置有自支撑GaN衬底3，支撑杆4贯穿退火腔室并与石墨基座1相连接，石墨基座1的镂空内侧通过支撑杆4安装有用于实时测温的TC测温元件5，TC测温元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置及方法，包括石墨基座、支撑杆和退火腔室，其特征在于：所述石墨基座设置在退火腔室内侧，所述石墨基座所在退火腔室内壁设置有用于防止散热的保温材料，石墨基座所在退火腔室外侧壁设置有环形的电阻丝加热器，石墨基座的顶部样本放置面放置有自支撑GaN衬底，支撑杆贯穿退火腔室并与石墨基座相连接，石墨基座的镂空内侧通过支撑杆安装有用于实时测温的TC测温元件。2.根据权利要求1所述的一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置，其特征在于：所述TC测温元件与电阻丝加热器信号连接。3.根据权利要求1所述的一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置，其特征在于：所述石墨基座顶部的样本放置面为凸型面，石墨基座顶部放置面的加工曲率半径与自支撑GaN衬底的曲率半径相吻合。4.根据权利要求1所述的一种降低自支撑GaN衬底翘曲和位错的退火装置其特征在于：所述支撑杆位于石墨基座的正下方，石墨基座位于退火腔室的中心位置。...

【专利技术属性】
技术研发人员：方国栋，许柯，郝丽，潘华，庞博，张海涛，
申请(专利权)人：无锡吴越半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：