一种高均一性半导体膜的生长装置及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种高均一性半导体膜特别是金刚石膜的生长装置及制备方法。
背景技术
金刚石作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、热稳定和化学稳定性好、抗辐射、耐腐蚀等优点，是目前最有发展前途的第三代半导体材料。作为半导体材料，金刚石可用作热沉、高温高压高频场效应晶体管二极管、紫外光探测器、辐射探测器等。
多晶金刚石多用作热沉、封装等辅助应用，而单晶金刚石除此之外在半导体器件构成方面有着更加广泛的应用。小面积的金刚石外延膜应用较窄，只有大面积高质量的单晶金刚石才能更加广泛的使用，适应半导体材料的规模化、集成化、标准化要求。故大面积高质量单晶金刚石有着很强的市场需求和应用潜力。
由于微波等离子体化学气相沉积具有以下优点：(1)无内部电极避免电极引起的污染；(2)工作参数可方便控制；(3)工作气压宽、等离子体密度高、能量转化率高，被公认为是获得器件级单晶金刚石材料的最佳方法，它可在同质衬底或者异质衬底上生长金刚石。但是同质外延受到金刚石衬底大小的限制且外延成本高。故采用大面积衬底进行异质外延，是制备大面积高质量单晶金刚石的最佳方式，因而受到越来越多的关注。
异质外延生长方面，目前已取得一些成果特别是Ir衬底上。但是异质外延仍然存在很多问题，如何增强有效成核以及如何增加成核密度是目前面临的重要问题。通过对衬底施加偏压能有效增加成核密度。若天线末端为尖状，则相比于平面天线，其电场线更为密集，更容易形成成核点，更能有效的增加成核密度，故这种尖端天线有极大的优势。但这种成核密度较大的成核区域面积较小，容易造成中间能够有效成核但是边缘却没有成核。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种半导体膜生长装置及制备方法，用于至少部分解决传统生长装置半导体膜层成核区域小、膜层不均匀等技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种半导体膜生长装置，包括：衬底；气源，用于向衬底表面提供反应气体；微波源，用于向衬底表面提供微波，以使反应气体电离；天线单元阵列，包括多个具有独立电压的天线单元，用于向衬底表面多个位置独立放电，以使电离后的气体在天线单元放电端形成等离子体球，进而沉积在衬底表面形成半导体膜层。
进一步地，天线单元由多个独立电源分别控制其电压。
进一步地，天线单元由多个高度调节装置分别控制其在衬底表面上的电压。
进一步地，天线单元阵列包括至少一层的环形阵列，环形阵列的中心点设置一天线单元。
进一步地，同一环形阵列上的天线单元可由一个电源控制其电压大小，不同环形阵列上的天线单元和中心点的天线单元由独立电源分别控制其电压大小。
进一步地，天线单元阵列为矩形阵列，该矩形阵列包含至少一个矩形单元，在矩形单元的每个顶点均设置一天线单元。
进一步地，天线单元为尖端天线，用于向衬底表面放电。
进一步地，天线单元还包括平面天线、环形天线，每个天线单元具有独立的电压，用于向衬底表面多个位置独立放电。
本发明另一方面提供了一种半导体膜制备的方法，包括：S1，使微波源提供微波，以使气源中的反应气体电离；S2，使天线单元等偏压向衬底表面多个位置独立放电，以使电离后的气体在天线单元放电端形成等离子体球，进而沉积在衬底表面形成半导体膜层；S3，获取衬底上半导体膜层成核密度和电压的数据信息；S4，根据数据信息调节相应区域天线单元的电压，在新衬底上重新生长半导体膜层；S5，观察半导体膜层，若均一性未达到要求，则再次操作S3、S4；若均一性达到要求，则半导体膜层生长完成。
进一步地，半导体膜制备的方法包括同质外延生长半导体膜层和异质外延生长半导体膜层。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种半导体膜生长装置及制备方法，通过设置多个具有独立电压的天线单元，向衬底表面多个位置独立放电，使得半导体膜层成核区域面积更大、膜层更均匀且便于调节半导体膜层的厚度。
附图说明
图1示意性示出了单一尖端天线下等离子体状态情况示意图；
图2示意性示出了尖端天线等偏压情况下等离子体状态情况示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例尖端天线非等偏压情况下等离子体状态情况示意图；
图4示意性示出了根据本发明实施例半导体膜生长装置中天线阵列的圆形矩阵示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施例半导体膜生长装置中天线阵列的矩形矩阵示意图；
图6示意性示出了根据本发明实施例半导体膜制备的方法流程图；
图7示意性示出了根据本发明实施例半导体膜制备的工艺流程图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的实施例提供了一种半导体膜生长装置，包括：衬底；气源，用于向衬底表面提供反应气体；微波源，用于向衬底表面提供微波，以使反应气体电离；天线单元阵列，包括多个具有独立电压的天线单元，用于向衬底表面多个位置独立放电，以使电离后的气体在天线单元放电端形成等离子体球，进而沉积在衬底表面形成半导体膜层。
请参见图1，图1为单一尖端天线下等离子体状态情况示意图，该半导体膜生长装置包括Ir衬底、微波、反应气体和单一尖端天线，具体为金刚石膜生长装置；气源，用于向衬底表面提供反应气体，该反应气体包括含碳气体；微波源，用于向衬底表面提供微波，以使反应气体电离；尖端天线在外部电源的控制下放电，以使电离后的气体在尖端天线放电端形成等离子体球，进而沉积在衬底表面形成半导体膜层。该装置通过对衬底施加偏压能有效增加成核密度，天线末端为尖状，相比于平面天线，其电场线更为密集，更容易形成成核点，更能有效的增加成核密度，故这种尖端天线有极大的优势。但这种成核密度较大的区域面积较小，容易造成中间能够有效成核但是边缘却没有成核。因此，本发明提供了一种用于大面积半导体膜层生长的均一性可调节装置。
请参见图2，该示意图为尖端天线等偏压情况下等离子体状态情况示意图。自图中可以看出中间的尖端天线2#生成的等离子体球较大，即该天线附近的等离子体密度较大，也表明该区域成核密度较大；而靠近边缘的尖端天线1#、3#的等离子体密度较小，表明该区域的成核密度较小。故在等偏压情况下，衬底上生成的半导体膜层成核均一性较差。因此，本发明设置了天线单元阵列，包括多个具有独立电压的天线单元，用于向衬底表面多个位置独立放电，形成多个成核点，更能有效的增加成核密度，并通过多次调节各个天线单元电压的大小，以长出大面积且均一性好的半导体膜层。
在上述实施例的基础上，天线单元由多个独立电源分别控制其电压。
本发明将各个天线单元分别连接独立的电源，能够独立调整各个尖端天线的电压，当适当降低中间尖端天线的偏压差时，中间尖端天线所对应的等离子体密度就会和边缘天线对应的等离子体密度接近一致，这样就会改善外延膜层的均一性，请参见图3。
在上述实施例的基础上，天线单元由多个高度调节装置分别控制其在衬底表面上的电压。
本实施例也可以通过调节天线单元放电端到衬底之间的距离，即调节天线单元的高度来控制其在衬底表面上的电压。本发明的核心要点在于该天线阵列的每个单元相互独立，即每个独立的天线单元分别连接可独立控制的电源，或者每个独立的天线单元离衬底的高度可独立调节，或者每个独立的天线单元兼有以上两种特性，或者其它可独立调节天线单元电压的方式都可行，并不限定于只通过控制电源电压大小、天线单元的高度来调节衬底表面的电压。
在上述实施例的基础上，天线单元阵列包括至少一层的环形阵列，环形阵列的中心点设置一天线单元。
请参见图4，这里天线单元阵列可以只包含一层环形阵列也可以包含两层以上的环形阵列，若只包含一层环形阵列，即该环形阵列组成一个圆形，多个天线单元均匀分布在该圆形上，圆形中心点也设置一天线单元，以使得衬底上方形成的电场尽量均匀，等离子体球的分布也更加均匀，使得最终生长的半导体膜层具有良好的均一性；若包含两层以上的环形阵列，多个天线单元均匀分布在每层环形阵列上，呈对称分布。
图4所示的为天线单元阵列包含两层环形阵列的情况，该里面一层环形阵列包含6个天线单元，外面一层环形阵列包含12个天线单元，环形阵列的中心点也设置了1个天线单元，该天线单元阵列的排列方式呈上下对称且左右对称，以尽可能地保持天线单元阵列在衬底上方所形成的等离子体密度一致，使得在衬底上生成的半导体膜层成核均一性较好。
在上述实施例的基础上，同一环形阵列上的天线单元可由一个电源控制其电压大小，不同环形阵列上的天线单元和中心点的天线单元由独立电源分别控制其电压大小。
同一环形阵列上的天线单元由于其相对中心点的距离相同，且呈对称分布，为了保证中心点周围的电场均匀，通常同一环形阵列上的设置的电压大小相同，因此，同一环形阵列上的天线单元可由一个电源控制其电压大小，即同一环形阵列上的天线单元电压大小相同；不同环形阵列上的天线单元和中心点的天线单元由独立电源分别控制其电压大小，即不同环形阵列、中心点的天线单元电压大小还是由独立电源分别控制其电压大小，以方便控制不同位置电场强度，以调节不同位置的半导体膜层厚度的均一性。
在上述实施例的基础上，天线单元阵列为矩形阵列，该矩形阵列包含至少一个矩形单元，在矩形单元的每个顶点均设置一天线单元。
请参见图5，图5示出了根据本发明实施例矩形矩阵示意图。本实施例的天线单元阵列也可以为矩形阵列，天线单元位于矩形阵列的顶角上且呈对称性分布。矩形阵列可以只包含一个矩形单元，也可以包含多个矩形单元，若只包含一个矩形单元，则天线单元为4个，分别设置于该矩形单元的顶点上；若包含多个矩形单元，则天线单元分别设置于每个矩形单元的顶点处，且两个矩形单元重合的顶点只设置一个天线单元，整体上也呈对称分布。
图5所示的为天线单元阵列包含4个矩形单元，4个矩形单元包含16个顶点，除去重复的7的顶点，该阵列共设置了9个天线单元，距离中心点等距离且以中心点为对称点呈对称分布的天线单元可由一个电源控制其电压大小，即同一环形阵列上的天线单元电压大小相同；其余天线单元电压大小由独立电源分别控制。
在上述实施例的基础上，天线单元为尖端天线，用于向衬底表面放电。
尖端天线相比于平面天线，其电场线更为密集，更容易形成核点，更能有效的增加成核密度，故这种尖端天线有极大的优势。为了防止该装置尽量少影响等离子体气流分布，反应气体出气孔原则上设计在尖端天线的下方，若出气孔在天线上面，可设计支撑尖端天线的框架尽可能的小。本发明通过使用其单元相互独立的天线阵列进行调节，使得在利用微波等离子化学气相沉积外延大面积金刚石时，既能利用尖端天线能大幅增强成核密度的特点，又能实现衬底在较大面积区域上等离子体密度大致一致，最终实现大面积高质量的半导体膜层外延生长。
在上述实施例的基础上，天线单元还包括平面天线、环形天线，每个天线单元具有独立的电压，用于向衬底表面多个位置独立放电。
平面天线相比于尖端天线虽然不能有效增强成核密度但平面天线区域内电场更均一，且平面天线更易加工，因此在电压较强的情况下同样能达到分区域控制等离子体密度的技术效果，且能降低成本；
环形天线相比于尖端天线虽然不能有效增强成核密度但环形天线区域内电场更均一，且环形天线更易加工，因此在电压较强的情况下同样能达到分区域控制等离子体密度的技术效果，且能降低成本。
本发明的第二实施例提供了一种半导体膜制备的方法，包括：S1，使微波源提供微波，以使气源中的反应气体电离；S2，使天线单元等偏压向衬底表面多个位置独立放电，以使电离后的气体在天线单元放电端形成等离子体球，进而沉积在衬底表面形成半导体膜层；S3，获取衬底上半导体膜层成核密度和电压的数据信息；S4，根据数据信息调节相应区域天线单元的电压，在新衬底上重新生长半导体膜层；S5，观察半导体膜层，若均一性未达到要求，则再次操作S3、S4；若均一性达到要求，则半导体膜层生长完成。
请参见图6，本实施例以生长金刚石膜为例，微波能量使反应气体电离成含碳基团和原子氢，这里的反应气体为含碳气体，即为操作S1；天线单元等偏压向衬底表面多个位置独立放电，以使电离后的气体在天线单元放电端形成等离子体球，含碳基团在衬底表面进行结构重组，实现半导体膜的成核、增长，即为操作S2；获取衬底成核密度和电压的相对关系的初步数据，即为操作S3；然后根据成核情况调节对应区域的尖端天线的电压，在新衬底上重新生长半导体膜层，即为操作S4。再外延生长一次，若没有达到均一性的要求，则根据观察到的成核情况继续调整偏压情况，直到均一性达到设计要求，即为操作S5。
在上述实施例的基础上，半导体膜制备的方法包括同质外延生长半导体膜层和异质外延生长半导体膜层。
在进行上述操作之前首先对衬底表面进行处理，去除支撑层表面的异物和杂质。同质外延时衬底为金刚石；衬底为异质外延衬底时，应和金刚石不相同的材料，可由以下材料的一种单质材料或两种以上组成的复合材料：碳化硅、硅、蓝宝石、石英、玻璃和金属。
本发明的第三实施例提供了在4H-SiC衬底上异质外延生长大面积半导体膜层的详细方法。
请参见图7。
第一步，对抛光后的4H-SiC衬底进行标准RCA清洗，去除样品表面的有机和无机化学污染物，即为图7中的步骤701；
第二步，在尖端天线等偏压条件下，利用等离子体化学气相沉积在4H-SiC衬底的C面外延半导体膜层，即为图7中的步骤702，这里半导体膜层为金刚石膜层。等偏压绝对值为25V-1000V之间，进行初步生长，观察金刚石膜层的均一性情况，即为图7中的步骤703。
第三步，将成核密度较大位置对应的尖端天线偏压调小，将成核密度较小的位置对应的尖端天线偏压调大，再次利用等离子体化学气相沉积在4H-SiC衬底的C面外延金刚石膜层，即为图7中的步骤704。
第四步，观察金刚石膜层的均一性情况，若均一性未达标，重复第三步直到成长出大面积高质量均一性好的金刚石膜层，即为图7中的步骤705。
该装置虽自大面积金刚石异质外延使用中引出，但也可用于大面积的金刚石同质外延，也可用于在等离子体化学气相沉积的其他膜层的生长。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
