CN101591773A - 气相沉积系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气相沉积系统，其包含：一离子产生区、一反应腔，以及一置于该产生区与该反应腔之间的多孔管。该产生区提供一第一元素的等离子。该多孔管将该第一元素的等离子及一第二元素汇集导入该反应腔。该第一元素的等离子及该第二元素于该反应腔中与一基板进行化学气相磊晶使成长一薄膜层。
Description
技术领域
本发明涉及一种气相沉积系统，尤其是涉及一种等离子气相沉积系统。
背景技术
在半导体领域中，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)技术是最基本也是最重要的薄膜成长方式之一，其基本过程是将反应源以气体形式通入反应腔，其利用扩散经过边界层(boundary layer)到达基板表面；并藉由基板表面提供的能量在基材表面进行氧化、还原或与基板反应等化学反应，其生成物则因内扩散作用沉积于基板表面上。基本上，化学气相沉积技术又分多种，目前产业界广泛应用的是有机金属化学气相沉积(Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)，其广泛运用于各种不同结构的组件上，尤其是III-V族光电组件上。MOCVD可以达到较佳平整度，并且能沉积大部分的三元化合物及四元化合物，例如InGaAs及AlGaInP，以及长出含铝化合物，例如应用广泛的砷化铝镓(AlGaAs)。在一些特别的情况下，如在红外线方面运用极广的材料如InxGa1-xAsyP1-y四元化合物系统上，只能以MOCVD系统加以成长。
然而现有的MOCVD技术也存在诸多缺点，其制作成本高，且不易控制计量比与厚度。尤其是在制造氮化物半导体时，利用MOCVD于发光二极管的基板上成长III-V族缓冲层，须使用氨气(NH3)或联氨(N2H4)气体作为V族元素的反应源。然而该类气体需要在高温才能反应，而升高成长温度势必提高GaXAl1-XN(0＜X≤1)缓冲层成长时对氮的饱和蒸汽压的需求量，相应地将增加反应源的消耗量。因此，有效的反应氮并不会相应增加，却反而促使反应源消耗量增大。另一方面，氨气作为反应源还导致在成长III-V族半导体缓冲层时发生氢覆盖现象，使长成的III-V族氮化物缓冲层呈高绝缘状态，必须进行额外处理才能获得较佳的电性。此外，氨气对于真空管件、石墨、真空油有极大的损耗及伤害，易造成系统的损坏和增加维护的困难度以及时间。
为此，业界又开发出等离子化学气相沉积系统，其借助等离子的辅助能量，使得沉积反应的温度得以降低，且可以直接使用氮气作为反应源而避免氨气对系统的损害。与传统的MOCVD相比，等离子化学气相沉积系统可长时间操作，具有再现性良好，所需温度低，沉积膜的均匀度与品质较好等优点。依产生等离子的不同方法，目前主要有微波等离子CVD法(microwaveenhanced CVD)和电子回转共振微波等离子CVD法(electron cyclotronresonance(ECR))。根据微波等离子CVD法，反应气体由反应槽上方通入微波产生器，经导波管导入反应室；适当调整后微波即在反应室内的基板上方形成驻波而激发产生紫色的球型等离子。然该方法的缓冲层成长速率较低、沉积面积小，而且基材的移动对于等离子的形成有相当敏感的影响。电子回转共振微波等离子CVD法其原理和微波等离子CVD法相同，不同在于其在反应室外围放置两组电磁铁，上面的电磁铁可使电子回转，大幅提高产生等离子的效率。该方法较微波等离子CVD法有较大的控制空间，能扩大成长范围，然而无法克服基材的移动对等离子的形成有相当敏感的影响等其它缺点。
如此，现有的气相沉积技术还存在若干问题，尚需进一步的改进和完善。
发明内容
本发明提供一种气相沉积系统与方法，其可直接使用氮气作为反应源，独立控制所沉积薄膜的应力，而不会对其沉积特性造成重大的影响。
为达到上述目的，本发明提供下述技术方案：一种气相沉积系统，其包含：一离子产生区、一反应腔，以及一置于该产生区与该反应腔之间的多孔管；该离子产生区提供一第一元素的等离子，该多孔管将该第一元素的等离子及一第二元素汇集导入该反应腔。该第一元素的等离子以及该第二元素于该反应腔中与一基板进行化学气相磊晶从而成长一薄膜层。
该离子产生区解离具有第一元素的气体分子。该反应腔为一中频加热器。该中频加热器可将该基板及该气相沉积系统的温度控制在室温至摄氏900度之间。该第一元素为一V族元素。该V族元素是选自氨(NH3)或氮(N2)之一或其混合物。该第二元素为III族有机金属。该III族有机金属为镓的有机金属化合物。该III族有机金属来源为镓的有机金属化合物、铟的有机金属化合物及铝的有机金属化合物的混合物，例如三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、三乙基镓(TEGa)、三乙基铟(TEIn)、三乙基铝(TEAl)。该基板包含选自蓝宝石、GaN、AlN、SiC、GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl2O2、及玻璃所构成的材料组群中的至少一种材料或其它可代替的材料。
本发明的高频等离子化学沉积系统相对于现有技术，具有一般等离子气相沉积系统的优点，而且能够独立地控制所沉积薄膜的应力，不会对其它的沉积特性造成重大的影响。此外，因V族元素等离子产生区和III族元素的有机金属源为呈一线型排列，可以提高起使物的有效使用率。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的高频等离子气相沉积系统。
其中，附图标记说明如下：
1离子产生区
2反应腔
3多孔管
4主管
5气体柜
6芯片传送室
7真空抽气系统
8压力控制器
9气体流量控制器
100高频等离子气相沉积系统
具体实施方式
为更好的理解本发明的精神，以下结合本发明的优选实施例对其作进一步说明。
高频等离子CVD是以线圈式及电容式形成高频率电场，以在反应室中激发反应气体，产生化学活性较高的等离子，同时基板表面受到等离子的撞击其化学活性也得以提高。如此共同作用使得基板表面的化学反应速率提高，在较低的温度下即可在基板附近产生高浓度自由基，使薄膜沉积于其上。该沉积系统在用于沉积合成类钻薄膜时，具有可大面积沉积的优点。其可应用的基板包含选自蓝宝石、GaN、AlN、SiC、GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl2O2、及玻璃所构成的材料组群中的至少一种材料或其它可代替的材料。
如图1所示，根据本发明一实施例的高频等离子气相沉积系统100，包含并排而置的一离子产生区1、反应腔2，以及一个多孔管3。该离子产生区1可经由一种主管4输入V族气体并解离产生等离子，用于提供V族元素的等离子，该V族气体由主管4输入离子产生区1。该V族气体是选自氨(NH3)或氮(N2)之一或其混合物，本实施例中使用氮气。该反应腔2是用于使该V族元素以及一或多种III族元素在其中与基板进行化学气相薄膜层的长成，该第二元素为III族有机金属，如镓的有机金属化合物，或其与铟的有机金属化合物及铝的有机金属化合物的混合物。该多孔管3位于离子产生区1与反应腔2之间，用来导入一种或多种的III族元素源以及由离子产生区1所形成的V族元素等离子气体至反应腔2，从而在基材表面上形成薄膜层。通过调整离子产生区1、主管4及多孔管3的相对位置，可减少高频等离子激发的氮气经由自由碰撞回复稳定分子态。基材由芯片传送室6传送至反应腔2经过其内部中频加热器加热至反应温度后沉积薄膜。该中频加热器可将该基板及该气相沉积系统的温度控制在室温至摄氏900度之间。
V族气体的氨(NH3)或氮(N2)储存于气体柜5中，同时III族有机金属源也储存于气体柜5中不同的气室内。该III族有机金属为镓的有机金属化合物。该III族有机金属来源为镓的有机金属化合物、铟的有机金属化合物及铝的有机金属化合物的混合物，例如三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、三乙基镓(TEGa)、三乙基铟(TEIn)、三乙基铝(TEAl)。气体柜5中V族气体及III族有机金属来源由气体流量控制器9控制输送的流量，并分别供应至主管4及多孔管3的入口2。另外，反应腔2内的真空度是由真空抽气系统7控制，真空抽气系统7和气体流量控制器9的压力是由压力控制器8控制。
具体的，根据本发明的一实施例，在离子产生区1中高频离子产生器的两个电极板间外加一个高频电压，如13.56MHz的射频电压，使两个电极之间产生辉光放射。V族气体由主管4处导入，并以径向流动方式通过辉光放射区域。在两个相对应的金属电极板上施加一高频电压，当两电极板间的气体分子浓度在某一特定的区间(特定区间的要求或标准)，电极板表面因离子轰击(Ion Bombardment)所产生的二次电子(Secondary Electrons)，在电极板所提供的电场下将获得足够的能量，而与电极板间的气体分子因撞击而进行所谓的解离(Dissociation)，离子化(Ionization)，及激发(Excitation)等反应，相应的产生离子、原子、原子团(Radicals)，及更多的电子，以维持等离子内各粒子间的浓度平衡，而在反应腔内沉积于基材表面上。以V族元素中的氮为例，其反应方程式可表示为：
e--+N→N++2e--
高频等离子气相沉积系统具有一般等离子气相沉积系统的普遍优点，如工作温度低、低成本、低污染等，还可独立控制所沉积薄膜的应力，且不会对其它的沉积特性造成重大的影响，例如沉积速率和薄膜均匀性。另外，根据本发明的一实施例，因V族元素等离子产生区和III族元素的有机金属源为一线型排列，可以提高V族元素和III族元素源有效使用率。另一方面，由于基板可以利用中频加热器加热到反应温度，有利于薄膜层的结晶性和品质。在成长发光二极管或是雷射二极管等的固态发光组件，可利用此薄膜层做为原件的缓冲层，以增加元件的结晶质量。
本发明的技术内容及技术特点已描述如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的内容作各种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所描述的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种气相沉积系统，其包含：一离子产生区、一反应腔，以及一置于该产生区与该反应腔之间的多孔管；该离子产生区解离具有第一元素的气体分子而提供一第一元素的等离子，该多孔管将该第一元素的等离子及一第二元素汇集导入该反应腔；该第一元素的等离子及该第二元素于该反应腔中与一基板进行化学气相磊晶使成长一薄膜层。
2.如权利要求1所述的气相沉积系统，其特征在于该离子产生区为一高频离子产生器；该反应腔为一中频加热器。
3.如权利要求2所述的气相沉积系统，其特征在于该中频加热器可将该基板及该气相沉积系统的温度控制在室温至摄氏900度之间。
4.如权利要求1所述的气相沉积系统，其特征在于该第一元素为一V族元素。
5.如权利要求4所述的气相沉积系统，其特征在于该V族元素是选自氨或氮之一或其混合物。
6.如权利要求1所述的气相沉积系统，其特征在于该第二元素为III族有机金属。
7.如权利要求6所述的气相沉积系统，其特征在于该III族有机金属为镓的有机金属化合物。
8.如权利要求6所述的气相沉积系统，其特征在于该III族有机金属来源为镓的有机金属化合物、铟的有机金属化合物、及铝的有机金属化合物中的至少一种材料或其混合物。
9.如权利要求8所述的气相沉积系统，其特征在于该镓的有机金属化合物为TMGa或TEGa，该铟的有机金属化合物为TMIn或TEIn，该铝的有机金属化合物为TMAl或TEAl。
10.如权利要求1所述的气相沉积系统，其特征在于该基板包含选自蓝宝石、GaN、AlN、SiC、GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl2O2、及玻璃所构成的材料组群中的至少一种材料或其它可代替的材料。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: RONGCHUANG ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. Owner name: ZHANJING TECHNOLOGY (SHENZHEN) CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ADVANCED DEVELOPMENT PHOTOELECTRIC CO., LTD. Effective date: 20101119 |
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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: HSINCHU COUNTY, TAIWAN PROVINCE, CHINA TO: 518100 NO. 2, E. RING ROAD 2, INDUSTRY ZONE 10, YOUSONG, LONGHUA SUBDISTRICT OFFICE, BAO AN DISTRICT, SHENZHEN CITY, GUANGDONG PROVINCE |
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Effective date of registration: 20101119 Address after: 518100, Shenzhen, Guangdong, Baoan District province Longhua Street tenth Pine Industrial Zone, No. two, East Ring Road, No. 2 Applicant after: Zhanjing Technology (Shenzhen) Co., Ltd. Co-applicant after: Advanced Optoelectronic Technology Inc. Address before: Hsinchu County, Taiwan, China Applicant before: Advanced Development Photoelectric Co., Ltd. |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20091202 |