CN101819925A - 一种化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积装置，该装置包括多个独立的生长室，该多个独立的生长室位于一箱体之内，使用机械臂进行样品的传递，分别用于n型层外延材料的生长、多量子阱有源层的生长，以及p型层外延材料等不同生长工艺的材料生长。利用本发明，解决了现有化学气相沉积尤其是MOCVD装置单反应室一次生长结构材料导致的化学气相沉积装置复杂、沉积工艺复杂，受到影响因素较多，工艺可重复性差，可推广性差，同时工艺周期长，生产效率低下等问题。

Description

一种化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，是指为了高效率、高稳定地生长复杂的半导体外延材料而设计制造的一种化学气相沉积装置，通过将复杂的结构分解生长，实现单项工艺的最大优化和高度重复，特别是适用于生长LED结构、LD结构、PD结构等包含n型层、有源层、p型层等可能互相影响的半导体复杂外延结构。

背景技术

半导体材料是生产半导体器件必需的材料，是半导体器件应用中的基础，它决定和支撑着整个半导体电子产品的水平和发展。目前半导体材料中最重要的一种就是半导体外延材料，它通常包括很多层有衬底材料、缓冲层(n型、p型或者本征半导体材料)、有源区、接触层(p型或者n型)，其应用范围包括微电子、光电子器件电路，如LED、LD、PD、IC等等。制备半导体外延材料的方法种类很多，其中MOCVD方法是目前产业界制备化合物外延材料尤其是光电子材料的主要手段。

MOCVD方法相对于其他方法如MBE、LPE、PLD等具有生长效率较高、控制精度更好、成本相对较低的优势，是当前产业上普遍采用的方法。但是当前MOCVD设备仍然存在一些的弱点，例如当前的MOCVD都是单室生长复杂结构，生长周期较长，不利于进一步提高生产效率；n、p同室生长，背景掺杂可能互相影响，不利于生产的稳定重复性。这些弱点的存在使得MOCVD技术难度较大，工艺可重复性差，生产效率难以进一步提高。

虽然现在已经有每炉一次生长数十片到近百片的外延片，实际的生产能力依然受到很大限制，单炉生长的时间使得实际生产效率不高，例如氮化物LED外延生长一般在6小时以上，每天生产的量不可能很多；同时单纯扩大每炉生长片数使得设备制造、使用和维护变得越来越困难。例如曾经报道的95片2”的GaAs MOCVD外延炉使用量并不高，而当前氮化物MOCVD外延炉最大的也就Veeco的45片2英寸机和Aixtron的42片2英寸机。

随着对半导体外延材料需求的增加，尤其是对于量大面广的LD、LED等光电子外延材料的需求增加，采用新的设备设计以进一步增加产能、降低成本显得非常重要，本发明正式针对此提出一种新型的化学气相沉积装置设计方案，尤其适用于MOCVD扩大产能和增强工艺的重复稳定性，降低工艺门槛。

本发明以前的化学气相沉积装置尤其是MOCVD装置存在：都是使用单室生长复杂结构，包括缓冲层、n型接触层、有源层、p型接触层等，生长周期较长，往往需要数小时以上生长1炉，而各个厂家也主要是通过多片系统的逐步扩大来实现产能提高和成本降低，该方向已经遇到明显的瓶颈，进一步扩大产能难度逐渐增大，难于进一步提高生产效率和降低生长成本；n型材料和p型材料同室生长，由于半导体材料对于掺杂的敏感性，在生长完某种类型的材料后背景浓度的变化将直接影响下一种类型材料的生长，而且此过程与特定的生长历史相关，可控性将很差，严重影响设备的重复可靠性，使得人为因素在材料生长中的作用凸显，导致材料生长的因人而异、因时而异，不利于工艺的推广因而不利于生产的稳定重复实现。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种化学气相沉积装置，通过在一种装置内搭建多个反应室，不同反应室生长不同的材料结构，以实现越来越复杂的半导体外延材料的高可靠性、低成本、高效率生长。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种化学气相沉积装置，该装置包括多个独立的生长室，该多个独立的生长室位于一箱体之内，使用机械臂进行样品的传递，分别用于n型层外延材料的生长、多量子阱有源层的生长，以及p型层外延材料等不同生长工艺的材料生长。

上述方案中，该多个独立的生长室的数量为3～8个。

上述方案中，该多个独立的生长室中的每个生长室都设有独立的加热源、独立的气体原材料管路、独立的监控系统，以便为专门的外延材料提供更为稳定和优化的生长工艺。

上述方案中，所述用于n型层外延材料生长的生长室，仅配备生长n型材料所需的源材料、加温设施以及监控设施。

上述方案中，所述n型层外延材料生长室配备的源材料，是根据n型材料特定的生长要求为有机源或者卤化物，以及固态、气态或者液态源；加温设施和监控设施都可简化为满足结构材料对于n型层的最低要求设置。

上述方案中，所述用于多量子阱有源层生长的生长室，仅配备生长有源层所需的源材料、加温设施以及监控设施。

上述方案中，配备的源材料满足有源层的扩展需求，加温设施保证有源层的均匀性和一致性，监控设施同样设置为满足材料性能最大化和最好的均匀性。

上述方案中，所述用于p型层外延材料生长的生长室，仅配备生长高质量p型材料所需的源材料、加温设施以及监控设施。

上述方案中，配备的源材料可配置为获得最佳的p型材料，加温设施和监控设施可简化为满足结构材料对于p型层的最低要求设置。

上述方案中，该装置还包括：

一箱体，该箱体为矩形壳体，多个独立的生长室位于箱体之内；

一机械臂，该机械臂位于箱体底面的中部，多个独立的生长室环绕于机械臂的周围。

(三)有益效果

本发明提供的化学气相沉积装置，解决了现有化学气相沉积尤其是MOCVD装置单反应室一次生长结构材料导致的工艺复杂、工艺设备负责，受到影响因素较多，工艺可重复性差，可推广性差，同时工艺周期长，生产效率低下等问题。使用独立的反应室生长相对独立的材料，可以更好的保证材料的稳定性、生长的重复性，并可以更好的优化单项工艺使得各种的材料性能最优、生长效率最高、成本最低；各个反应室相互独立可以避免单一反应室材料性能相互影响，避免生长工艺受工艺设备、工艺人员和工艺历史影响等不利因素。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明提供的多反应室化学气相沉积装置的结构示意图。

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。

为了实现半导体外延材料的高可靠性、低成本、高效率生长，我们设计了一种化学气相沉积装置，在该装置内搭建多个反应室，不同反应室生长不同的材料结构。

以图1为例，本发明设计的化学气相沉积装置包括三个独立的反应室，其中反应室11专用于n型层外延材料的生长(独立n型层外延材料生长室)，反应室12专用于有源层生长(独立有源层生长室)，反应室13专用于p型层外延材料的生长(独立p型层外延材料生长室)。

独立n型层外延材料生长室11只配备必要的生长n型材料所需的源材料、加温设施以及监控设施。配备的源材料根据n型材料特定的生长要求选择有机源或者卤化物；加温设施和监控设施简化为满足结构材料15对于n型层的最低要求设置。

独立有源层生长室12如多量子阱生长室只配备必要的生长有源层所需的源材料、加温设施以及监控设施。配备足够的源材料以保证有源层的复杂性，加温设施设计为足以保证有源层的均匀性和一致性，监控设施也设置为满足材料16性能最优和均匀性最佳。

独立p型层外延材料生长室13配备必要的生长高质量p型材料所需的源材料、加温设施以及监控设施。配备的源材料保证获得最佳的p型材料，加温设施和监控设施简化为满足结构材料17对于p型层的最低要求设置。

化学气相沉积装置的各个独立生长室放置于一个公共的洁净环境10(手套箱、洁净间或者特定的公共洁净腔体)中，通过自动或者手动机械手14在各个生长室之间相互传递，以保证样品传递过程中不造成二次污染，同时通过机械手减少人为造成的沾污。

机械手14是手动、半自动或者全自动的，可手动或者根据程序自动将外延片在各个反应室之间进行传递。为了满足工艺需要如样品温度保持到一定温度以上和节约较低温度时样品的降温时间，机械手可以承受一定的温度能在一定的温度下将衬底在各个独立生长室之间传递。

下面以异质外延生长GaN LED为例来具体介绍该装置的实现。

用于GaN LED生长的化学气相沉积装置包括三个独立的反应室，其中一个反应室用于n型GaN缓冲层的生长，一个反应室用于有源层多量子阱的生长，一个反应室用于p型层外延材料的生长。

n型GaN缓冲层外延生长室只配备必要的生长n型材料所需的源材料、加温设施以及监控设施。配备的源材料包括氨气、n型掺杂剂SiH₄和Ga源，Ga源使用TMGa或者GaCl₃等Ga的卤化物，为了获得足够的晶体质量，需要n行GaN具有一定的厚度，一次无论使用哪种Ga源，都需要保证足够快是生长速率以保证在尽可能短的时间内实现高质量的GaN膜。由于GaCl₃和氨气的反应速度更快，故更适合高效率的生产，可以将原来2个小时以上生长时间缩短到1小时以内甚至更短时间。由于后端结构的生长主要需要n型衬底具有平整的表面，因此对于加温设施和监控设施的需求就简化为形成足够平整的表面，可以通过激光干涉仪的振荡曲线来控制表面平整度，而对于均匀性的要求就降低很多。同时不会受到Mg记忆效应的影响。

有源层多量子阱生长室配备生长多量子阱所需的源材料、加温设施以及监控设施。配备足够的源材料包括TEGa、TMIn、氨气、掺杂剂SiH₄等，加温设施和监控设施都设计为尽量保证多量子阱发光的均匀性和一致性，可以添加更多的加热装置、使用更好的导热层以及设置更多的表面监控设施来实时检测材料的均匀性。同时不会受到Mg记忆效应的影响。

p型GaN层外延材料生长室配备必要的生长高质量p型GaN所需的源材料、加温设施以及监控设施。配备的源材料包括In/Al/Ga/Mg等有机源、氨气，以及用于激活Mg掺杂p型GaN的氧气等以便获得最佳的p型GaN材料，加温设施和监控设施简化为满足GaN LED对于p型GaN的要求。可以在炉体内实现稳定的p型掺杂环境，实现p型工艺的高重复性。

该GaN LED化学气相沉积装置的三个独立生长室放置于一个公共的手套箱内，通过机械手可以在三个生长室之间相互传递，同时可以将生长好的GaN LED取出放置到指定地点。

在生产效率方面，以单炉目前最大的MOCVD设备，Veeco的45片2英寸GaN LED MOCVD，约需要6小时生长1炉，每天可以生长4炉，合计1天可以生产180片2因此GaN LED外延片；我们设计一个三生长室，每室21片2英寸的MOCVD，通过优化n型层、多量子阱层、p型曾的生长，按照约1小时可以分别生长1炉，每天就可以分别生长24炉也即生长24炉21片2英寸GaN LED，合计每天生产504片2英寸GaN LED外延片，生产效率提高至2.8倍。

根据以上描述，本发明采用多个独立反应室，从而区别于已有的化学气相沉积装置如MOCVD，几个独立反应室分别用于生长半导体外延材料的不同结构层，该装置可以避免现有化学气相沉积系统单反应室一次性生长结构材料导致的工艺复杂，受到影响因素较多，工艺可重复性差，可推广性差，同时工艺周期长，生产效率低下等问题，是未来提高化学气相沉积生产效率和实现工艺稳定可靠的可行解决之道。

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。

Claims (10)

1.一种化学气相沉积装置，其特征在于，该装置包括多个独立的生长室，该多个独立的生长室位于一箱体之内，使用机械臂进行样品的传递，分别用于n型层外延材料的生长、多量子阱有源层的生长，以及p型层外延材料等不同生长工艺的材料生长。

2.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，该多个独立的生长室的数量为3～8个。

3.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，该多个独立的生长室中的每个生长室都设有独立的加热源、独立的气体原材料管路、独立的监控系统，以便为专门的外延材料提供更为稳定和优化的生长工艺。

4.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述用于n型层外延材料生长的生长室，仅配备生长n型材料所需的源材料、加温设施以及监控设施。

5.根据权利要求4所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述n型层外延材料生长室配备的源材料，是根据n型材料特定的生长要求为有机源或者卤化物，以及固态、气态或者液态源；加温设施和监控设施都可简化为满足结构材料对于n型层的最低要求设置。

6.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述用于多量子阱有源层生长的生长室，仅配备生长有源层所需的源材料、加温设施以及监控设施。

7.根据权利要求6所述的化学气相沉积装置，其特征在于，配备的源材料满足有源层的扩展需求，加温设施保证有源层的均匀性和一致性，监控设施同样设置为满足材料性能最大化和最好的均匀性。

8.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述用于p型层外延材料生长的生长室，仅配备生长高质量p型材料所需的源材料、加温设施以及监控设施。

9.根据权利要求8所述的化学气相沉积装置，其特征在于，配备的源材料可配置为获得最佳的p型材料，加温设施和监控设施可简化为满足结构材料对于p型层的最低要求设置。

10.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，该装置还包括：

一箱体，该箱体为矩形壳体，多个独立的生长室位于箱体之内；

一机械臂，该机械臂位于箱体底面的中部，多个独立的生长室环绕于机械臂的周围。

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