《半导体薄膜制备装备及其应用》

半导体材料是现代能源和信息产业的基础,半导体薄膜作为新型光电子器件和超大规模集成电路的核心材料,在国民经济建设、国家战略新兴产业以及国家安全中发挥着不可替代的作用。半导体薄膜制备是一个典型的多物理场、跨尺度、高精度的复杂工艺过程,集合了精密机械、材料、电子、流体力学、光学、化学、计算机等多学科的知识。在薄膜制备过程中,由于材料之间的晶格常数以及热膨胀系数的失配,不当的制备条件很容易导致薄膜内部产生一系列缺陷,如间隙原子、杂质原子等点缺陷,位错、层错等线缺陷以及孪晶界、共格晶界等面缺陷。这些缺陷的存在大大降低了薄膜材料的性能,进而限制了其在光电器件和集成电路中的应用。开发出一套高可靠性的薄膜制备装备对于减少薄膜缺陷、生产高质量半导体薄膜具有重大意义。在项目开始之初,国内没有成熟的半导体薄膜制备装备,半导体材料的热力学数据库缺失,没有任何验证建模仿真的工具,缺乏正向设计能力,从母机整机到各子系统均依赖进口,单机价格高达两千多万元,大大限制了国内半导体产业的发展。薄膜制备装备技术门槛高、研发周期长,多为专利技术密集型产业,如光电母机、MOCVD设备,其核心技术大多掌握在Veeco、Aixtron等国外企业手中,国外公司的知识产权及其全球专利组合的布局,使得后续进入这一领域的国产厂商想要突破专利技术封锁建立自主创新的国产装备面临着巨大的挑战。国内福建宏芯基金求购德国Aixtron公司被美国政府拒绝,证明了此光电母机的重要性。因此,国内迫切需要发明一种具有自主知识产权高可靠性的半导体薄膜制备装备,以打破国外的技术壁垒,为中国光电子和集成电路产业的发展提供有力支持。

项目成员在“973计划”、国家科技部、广东省科技厅等支持下,历时10余年,取得了以下发明成果:

建立了基于热科学、力学和晶体材料学等多学科原理的多物理场理论,提出了先进的多尺度计算方法,定量预测薄膜热物性、沉积过程界面演化和位错缺陷的行为等,发展了“流动-传热-残余应力控制-晶体成品率”综合的过程优化方法,对氮化镓等晶体的工业生长过程进行了系统的研究和优化,提高了薄膜成品率和质量,取得了显著的经济效益。发明了以托盘温度为基准的红外温度在线监测系统,实现了生长过程中的多点温度实时监控和精确控制,协同三区加热技术,解决了由于温度均匀性与重复性差引起的薄膜成品率低和薄膜生长均匀性差的难题。首创混合式加热器设计,实现了薄膜制备均匀性和生长速率的协同控制优化,并显著提高了加热器的寿命与加热效率。发明了垂直喷淋流动与水平辐射流动补偿的缓冲分布反应腔,并成功研制出首台搭载该反应腔体的自主生产型MOCVD整机设备,且单圆片内波长稳定性达到0.89 nm,与Aixtron相当,优于Veeco的1.2nm。首创高均匀性喷淋头装置的制造和高可靠性设备操作系统,成功应用于高质量LED芯片薄膜材料的制备,并提出了一种金属有机物化学气相沉积设备喷淋盘清洁装置及其方法,保证了薄膜生长的可重复性。对通用照明应用所需要的外延,该MOCVD完全可以替代进口装备,且可降低70%的采购价格。而且该MOCVD不同于Veeco设备构架,最有可能取得单圆片内波长0.5nm稳定性,因此可以开拓将来Micro LED显示市场。同时该设备是国内唯一适合做GaAs、InP材料的国产设备。

该项目取得的成果有:授权发明专利26项,论文47篇,出版50万字中文专著1部(科学出版社),项目成果金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备2012年被广东省科技厅鉴定为达到国际先进水平,形成了具有国际竞争力和自主知识产权的半导体薄膜制备及应用体系,近年累计为6家半导体薄膜制造设备公司及应用企业实现新增销售额超过10000万元,社会经济效益显著。

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