CN102041485A - 有机金属化学气相沉积装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种有机金属化学气相沉积装置，包括：反应室，在所述反应室中，通过使用第III-V族材料，将氮化物层沉积在衬底上，缓冲室，所述缓冲室连接到反应室，在所述缓冲室中布置有传送机器人，以便将所述衬底传送到反应室中和传送出反应室，气体供应设备，所述气体供应设备被配置为选择性地将氢气、氮气、和氨气中的一种或多种供应到所述缓冲室中，从而当所述缓冲室与所述反应室中的一个连通时，所述缓冲室的气氛与所述反应室的气氛相同；以及设置在所述缓冲室中的加热器。在反应室中，氮化物层沉积在衬底上，并且缓冲室的温度和气体气氛被调节为使得当传送衬底时，可以稳定地保持形成在衬底上的外延层。

Description

有机金属化学气相沉积装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年10月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2009-0097857的权益，其公开在此全部引入作为参考。
技术领域
本发明涉及有机金属化学气相沉积装置和方法，更具体地，涉及包括多个反应室的有机金属化学气相沉积装置和使用该装置的有机金属化学气相沉积方法。
背景技术
众所周知，氮化物是用于制造发光二极管的材料。通常，发光二极管具有堆叠结构，该堆叠结构由以下组成：在蓝宝石衬底上的氮化镓晶体构成的缓冲层，由n-型GaN晶体构成的n-型掺杂层，由氮化铟镓(InGaN)构成的活性层，以及由p-型GaN晶体构成的p-型掺杂层。
这样的发光二极管的沉积过程在同一反应室中连续执行。该过程花费4到10小时。第一过程执行后，必须打扫反应室，然后执行第二过程。通常，反应室由工人手工打扫。因此，有机金属化学气相沉积(metal organic chemicalvapor deposition，MOCVD)装置的效率很低。
发明内容
本发明提供一种有机金属化学气相沉积装置以及使用所述装置的有机金属化学气相沉积方法，所述有机金属化学气相沉积装置包括与多个反应室连接的缓冲室，所述缓冲室被设置为对其温度和内部气体气氛进行调节，从而提高有机金属化学气相沉积过程的效率。
根据本发明的一方面，所述有机金属化学气相沉积装置包括：多个反应室，在所述多个反应室中，通过使用第III-V族材料，将氮化物层沉积在衬底上；缓冲室，所述缓冲室连接到反应室，在所述缓冲室中布置有传送机器人，以便将所述衬底传送到反应室中和传送出反应室；气体供应设备，所述气体供应设备被配置为选择性地将氢气、氮气、和氨气中的一种或多种供应到所述缓冲室中，从而当所述缓冲室与所述反应室中的一个连通时，所述缓冲室的气体气氛与所述反应室的气体气氛相同；以及加热器，所述加热器设置在所述缓冲室中以加热所述缓冲室。
根据本发明的另一方面，所述有机金属化学气相沉积方法包括：将衬底从缓冲室传送到第一反应室；在所述第一反应室中，在所述衬底上生长未掺杂层、n-型掺杂层、和活性层；将衬底从第一反应室传送到第二反应室；以及在所述活性层上生长p-型掺杂层。
根据本发明的另一方面，所述有机金属化学气相沉积装置包括：第一反应室和第二反应室，在所述第一反应室和第二反应室中，通过使用第III-V族材料，将氮化物层沉积在衬底上；缓冲室，所述缓冲室连接到所述第一反应室和第二反应室，在所述第一反应室和第二反应室中布置有传送机器人，以便将所述衬底传送到所述第一反应室和第二反应室中，和将所述衬底传送出所述第一反应室和第二反应室；以及气体供应设备，所述气体供应设备被配置为选择性地将工艺气体供应到所述第一反应室、第二反应室和缓冲室中。
附图说明
通过参考附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的以上和其它特征和优点将变得更明显。在附图中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的有机金属化学气相沉积(MOCVD)装置的平面图；
图2是示出根据本发明的示例性实施例的MOCVD装置的第一反应室、第二反应室和缓冲室的剖视图；
图3是说明用于在根据本发明的示例性实施例的第二反应室中对衬底进行退火的MOCVD方法的流程图；
图4是说明用于在根据本发明的示例性实施例的缓冲室中对衬底进行退火的MOCVD方法的流程图。
具体实施方式
下面将根据本发明的示例性实施例对有机金属化学气相沉积(MOCVD)装置进行描述。图1是示出根据本发明的示例性实施例的MOCVD装置的平面图。
如图1所示，MOCVD装置包括负载锁定(load-lock)室500、缓冲室100、多个反应室200和300。
可以通过负载锁定室500装载或卸载衬底240或基座230。传送机器人110可以安装在缓冲室100中。传送机器人110可以将衬底240或基座230传送到负载锁定室500或反应室200和300中。反应室200和300可以连接到缓冲室100。
在本实施例中，衬底240可以是晶片(wafer)。或者，衬底240可以是可拆卸地置于基座230上的附属基座(satellite susceptor)，并且支撑至少一个晶片。
反应室200和300可以包括第一反应室200和第二反应室300。
在此情形中，缓冲层、n-型掺杂层、未掺杂氮化镓(GaN)层和活性层可以在第一反应室200中的衬底240上顺序沉积，p-型掺杂层可以在第二反应室300中的衬底240的活性层上沉积。
或者，缓冲层、n-型掺杂层、和未掺杂GaN层可以在第一反应室200中的衬底240上顺序沉积，活性层和p-型掺杂层可以在第二反应室300中沉积。
可以设置气体供应设备600，以便向缓冲室100、第一反应室200和第二反应室300供应气体。
如图1所示，气体供应设备600可以包括氮气供应设备604、氢气供应设备605、第III族气体供应设备602、第V族气体供应设备601、n-型掺杂气体供应设备603、和p-型掺杂气体供应设备606。
第III族气体供应设备602可以供应三甲基镓(TMG)和三甲烷基铟(TMI)。第V族气体供应设备601可以供应氨气(NH3)。n-型掺杂气体供应设备603可以供应硅烷(SiH4)和四氢化锗(GeH4)。p-型掺杂气体供应设备606可以供应异环戊二烯基镁(Cp2Mg)。
第一气体分配器710可以将来自气体供应设备600的这些工艺气体供应到第一反应室200；第二气体分配器720可以将来自气体供应设备600的这些工艺气体供应到第二反应室300；第三气体分配器730可以将这些工艺气体供应到缓冲室100。
第一气体分配器710可以将氮气、氢气、第III族、第V族和n-型掺杂气体供应到第一反应室200。第二气体分配器720可以将氢气、第III族、第V族和p-型掺杂气体供应到第二反应室300，第三气体分配器730可以选择性地将氮气和氢气分配到缓冲室100。或者，如果必要，第三气体分配器730可以将氨气(NH3)供应到缓冲室100。
图2是示出MOCVD装置的第一反应室200、第二反应室300和缓冲室100的剖视图。
如图2所示，可以设置喷头260，以在第一反应室中向下喷射工艺气体，基座230可以布置在喷头260的下面。可以设置喷头360，以在第二反应室300中向下喷射工艺气体，基座230可以布置在喷头360的下面。
加热器250和350可以安装在其上可以放置基座230的位置，从而将基座230加热到高温。加热器250和350可以是钨加热器、陶瓷加热器、或者射频加热器。
基座230可以通过旋转设备270和370进行旋转。基座230可拆卸地安装在旋转设备270或370的旋转轴271或371的顶侧上。
门210设置在第一反应室200的壁处，从而可以通过门210传送衬底240或基座230。门310设置在第二反应室300的壁处，从而可以通过门310传送衬底240或基座230。门阀220和320可以设置在门210和310处，以打开或关闭门210和310。反应室200和300通过门210和310连接到缓冲室100。
传送机器人110安装在缓冲室100中，以传送晶片或基座230。传送机器人110可以由耐热材料制成，从而传送机器人110可以在大约1000℃的温度下操作。加热器120可以安装在缓冲室100中以将缓冲室100的内部加热到大约600℃到大约900℃。加热器120可以是感应加热式射频加热器120。
现在将描述根据本发明的示例性实施例的有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法。
图3和图4是用来说明根据本发明的示例性实施例的MOCVD方法的流程图。图3是说明在根据本发明的示例性实施例的第二反应室中进行退火处理的流程图。图4是说明在根据本发明的示例性实施例的缓冲室中进行退火处理的流程图。
首先，将衬底240运送到负载锁定室500中并且放置在适当位置。安装在缓冲室100中的传送机器人110拾取负载锁定室500中未处理的衬底240或基座230，并且运送到缓冲室100中。以下，连接负载锁定室500和缓冲室100的门510关闭(S100，S200)。
此时，由于与负载锁定室500连接，缓冲室100的内部温度会降低。因此，门510关闭后，可能有必要对缓冲室100的内部进行加热以将缓冲室100的内部保持在预定温度(例如，600℃到900℃)。为此，诸如高温计的温度检测器可以安装在缓冲室100上。
当在缓冲室100和第一反应室200之间设置的门210打开时，安装在缓冲室100中的传送机器人110将衬底240或基座230传送到第一反应室200中(S110，S210)。此时，第一反应室200的内部可以保持在大约1000℃到1200℃的温度。在传送机器人110将衬底240或基座230传送到第一反应室200后，传送机器人110返回到缓冲室100。然后，缓冲室100和第一反应室200之间的门210由门阀220关闭(S110，S210)。
此后，第一反应室200的内部填充有氢气，将衬底240或基座230加热约10到20分钟(热处理过程)。该热处理过程是用于去除形成在衬底240上的诸如氧化物层的不必要的层的清理过程。在热处理过程之前，缓冲室100的内部可以填充有氢气或氨气。
在第一反应室200中的热处理过程后，三甲基镓(TMG)气体和氨气被供应到保持在氢气气氛中的第一反应室200中。然后，使氮化镓(GaN)缓冲层生长大约30分钟。在缓冲层生长时，衬底240可以保持在大约450℃到600℃的相对低的温度。缓冲层可以生长到大约20nm厚。
在缓冲层生长后，对第一反应室200的内部进行加热以将衬底240的温度提高到大约1000℃到1100℃，例如，1030℃到1080℃。结果，未掺杂氮化镓(GaN)层生长在缓冲层上。未掺杂GaN层可以在60分钟期间生长到约为3μm厚。形成在衬底240(例如，蓝宝石衬底)上的缓冲层和未掺杂GaN层可以改善氮化镓薄膜的电极特性和晶体生长效率。
接着，在未掺杂GaN层上生长n-型掺杂层。为此，使第一反应室200的内部保持在大约1000℃到大约1100℃的温度。在氢气气氛下，供应三甲基镓(TMG)气体、氨(NH3)气和诸如硅烷(SiH4)气体的掺杂气体作为工艺气体。结果，掺杂有Si的n-型掺杂层生长。该n-型掺杂层可以在大约60分钟期间生长到大约3μm厚。
接着，在n-型掺杂层上生长活性层。活性层的结构可以是单量子阱(SQW)结构或者是具有多个量子阱层的多量子阱(MQW)结构。
第一反应室200的内部气氛被氮气气氛替代以便生长活性层。在大约80分钟期间在大约700℃到900℃的范围内调节衬底240的温度时，活性层生长到约100nm厚。如果活性层具有多量子阱(MQW)结构，具有不同铟含量的量子势垒层和量子阱层交替形成。在此情形中，可以反复变化温度以控制活性层的生长(S120，S220)。
当在第一反应室200中完成活性层的生长后，缓冲室100的内部可以保持在与第一反应室200的内部相同的气体气氛和温度。例如，如果第一反应室200中的内部气氛是氮气，则缓冲室100的内部气氛由氮气气氛代替。
在调整了缓冲室100的内部气体气氛和温度后，将设置在第一反应室200和缓冲室100之间的门210打开。传送机器人110将衬底240或基座230从第一反应室200通过打开的门210传送到缓冲室100中。
由于当传送衬底240时，缓冲室100和第一反应室200的内部保持在相同的气氛和温度下，所以可以稳定地保持形成在衬底240上的氮化层。
此后，设置在第一反应室200和缓冲室100之间的门210关闭。然后，通过传送机器人110将衬底240或基座230传送到第二反应室300的门310。
此后，将缓冲室100和第二反应室300的内部调整为相同的气体气氛和温度。例如，如果第二反应室300的内部保持在形成p-型掺杂层的氢气气氛下，则缓冲室100的内部也保持在氢气气氛下。
在调节了缓冲室100的内部气体气氛和温度后，将设置在第二反应室300和缓冲室100之间的门310打开。然后，传送机器人110将衬底240或基座230传送到第二反应室300中。此后，传送机器人110返回到缓冲室100的内部。然后，设置在缓冲室100和第二反应室300之间的门310关闭。此时，将第二反应室300的内部保持在氢气气氛下(S130，S230)。
当在第二反应室300中执行处理时，在第一反应室200中的新衬底或基座上执行处理，从而提高处理效率。为此，在将衬底240或基座230从缓冲室100传送到第二反应室300后，传送机器人110从负载锁定室500拾取未处理的衬底或基座，并且将未处理的衬底或基座运送到缓冲室100中。然后，传送机器人110将未处理的衬底或基座传送到第一反应室200中(S110，S210)。
在缓冲室100、第一反应室200、第二反应室300中按照预定顺序连续执行处理，从而可以自动地和快速地处理多个衬底240或基座230。
同时，加热第二反应室300的内部，以将衬底240的温度提高到大约900℃到950℃的温度，来连续形成p-型掺杂层。在衬底240的温度达到预设温度后，工艺气体被供应到第二反应室300中。可以供应氨气、三甲基镓(TMG)气、或异环戊二烯基镁(Cp2Mg)气，作为用于形成p-型掺杂层的工艺气体。当将工艺气体供应到第二反应室300中约15分钟，p-型掺杂层生长到约为200nm厚(S140，S240)。
在形成p-型掺杂层后，可以将第二反应室300的内部或衬底240或基座230冷却到大约600℃到700℃。另外，如果必要，第二反应室300的内部气氛可以由氮气气氛代替，并且可以在第二反应室300中执行预定时间的退火处理，如图3所示(S150)。由于退火处理，掺有p-型掺杂剂的p-型掺杂层的电阻会降低。在退火处理后，第二反应室300和缓冲室100之间的门310打开。然后，传送机器人110将衬底240或基座230从第二反应室300通过打开的门310传送到缓冲室100中(S160)。此后，门310关闭。
在另一个实施例中，如图4所示，退火处理可以在缓冲室100中进行。例如，在形成p-型掺杂层后(S240)，设置在第二反应室300和缓冲室100之间的门310打开。传送机器人110将衬底240或基座230从第二反应室300通过打开的门310传送到缓冲室100中(S250)。此后，门310关闭。
缓冲室100的内部气氛已经为氮气。由于缓冲室100的内部保持在大约600℃到900℃的温度，因此设置在第二反应室300和缓冲室100之间的门310关闭后，可以在缓冲室100中执行预定时间的退火处理(S260)。
如图3或图4所示，在执行退火处理后，将衬底240或基座230放到缓冲室100中，将负载锁定室500和缓冲室100之间的门510打开。然后，传送机器人110将衬底240或基座230传送到负载锁定室500(S170，S270)。此后，传送衬底240或基座230来执行发光二级管制造过程。
如上所述，由于氮化物层沉积在多个反应室200和300中，可以提高处理效率。另外，当传送沉积有氮化物层的基座230或衬底240时，缓冲室100的内部气体气氛和温度与连接到缓冲室100的反应室的内部气体气氛和温度相等，从而在传送衬底240或基座230时，可以稳定地保持沉积的氮化物层。
根据本发明，在反应室中，氮化物层沉积在衬底上，调整缓冲室的温度和气体气氛的方式使得在从反应室传送衬底时，可以稳定地保持形成在衬底上的外延层。因此，可以提高处理效率。
虽然本发明参考其示例性实施例而具体示出和描述，但是本领域普通技术人员应该理解，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上进行各种修改。因此，将来对本发明的实施例的修改不背离本发明的技术范围。

Claims (20)

1.一种有机金属化学气相沉积装置，包括：
多个反应室，在所述多个反应室中，通过使用第III-V族材料，将氮化物层沉积在衬底上；
缓冲室，所述缓冲室连接到所述反应室，在所述缓冲室中布置有传送机器人，以便将所述衬底传送到所述反应室中和传送出所述反应室；
气体供应设备，所述气体供应设备被配置为选择性地将氢气、氮气和氨气中的一种或多种供应到所述缓冲室中，从而当所述缓冲室与所述反应室中的一个连通时，所述缓冲室的气体气氛与所述反应室的气体气氛相同；以及
加热器，所述加热器布置在所述缓冲室中以加热所述缓冲室。
2.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，当所述反应室中的一个与所述缓冲室连通时，所述其它反应室与所述缓冲室不连通。
3.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，布置在所述缓冲室中的传送机器人被配置为将基座传送到所述反应室中和传送出所述反应室，所述衬底放置在所述基座上。
4.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，所述缓冲室的传送机器人被配置为仅仅将所述衬底传送到所述反应室中和传送出所述反应室。
5.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，所述缓冲室的传送机器人被配置为将可拆卸地放置在基座上的附属基座传送到所述反应室中和传送出所述反应室，所述衬底放置在所述基座上。
6.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，负载锁定室连接到所述缓冲室。
7.一种有机金属化学气相沉积方法，包括：
将衬底从缓冲室传送到第一反应室；
在所述第一反应室中，在所述衬底上生长未掺杂层、n-型掺杂层、和活性层；
将所述衬底从所述第一反应室传送到第二反应室；以及
在所述活性层上形成p-型掺杂层。
8.根据权利要求7所述的有机金属化学气相沉积方法，其中，在将所述衬底从所述缓冲室传送到所述第一反应室后，所述方法还包括加热所述衬底。
9.根据权利要求7所述的有机金属化学气相沉积方法，其中，在形成所述p-型掺杂层后，所述方法还包括对所述衬底进行退火。
10.根据权利要求9所述的有机金属化学气相沉积方法，其中，在所述第二反应室中执行对所述衬底的退火。
11.根据权利要求9所述的有机金属化学气相沉积方法，其中，在所述缓冲室中执行对所述衬底的退火。
12.根据权利要求7所述的有机金属化学气相沉积方法，其中，将所述衬底从所述第一反应室传送到所述第二反应室包括：
将所述衬底从所述第一反应室传送到所述缓冲室；以及
将所述衬底从所述缓冲室传送到所述第二反应室。
13.根据权利要求7所述的有机金属化学气相沉积方法，其中，在将所述衬底从所述第一反应室传送到所述第二反应室后，所述方法还包括将另一个衬底传送到所述第一反应室中。
14.一种有机金属化学气相沉积装置，包括：
第一反应室和第二反应室，在所述第一反应室和第二反应室中，通过使用第III-V族材料，将氮化物层沉积在衬底上；
缓冲室，所述缓冲室连接到所述第一反应室和第二反应室，在所述第一反应室和第二反应室中布置有传送机器人，以便将所述衬底传送到所述第一反应室和第二反应室中，和传送出所述第一反应室和第二反应室；以及
气体供应设备，所述气体供应设备被配置为选择性地将工艺气体供应到所述第一反应室、第二反应室和缓冲室中。
15.根据权利要求14所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，所述气体供应设备包括第一气体分配器，所述第一气体分配器被配置为选择性地将氮气、氢气、第III族气体、第V族气体和n-型掺杂气体供应到所述第一反应室中。
16.根据权利要求14所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，所述气体供应设备包括第二气体分配器，所述第二气体分配器被配置为选择性地将氢气、第III族气体、第V族气体、和p-型掺杂气体供应到所述第二反应室中。
17.根据权利要求14所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，所述气体供应设备包括第三气体分配器，所述第三气体分配器被配置为选择性地将氮气、氢气和氨气供应到所述缓冲室中。
18.根据权利要求14所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，在所述第一反应室和所述缓冲室之间设置门，以及在所述第二反应室和所述缓冲室之间设置门，
其中，所述传送机器人通过所述门来传送所述衬底。
19.根据权利要求18所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，当所述门中的一个打开并且所述缓冲室与所述第一反应室和第二反应室中的一个连通时，所述缓冲室的气体气氛保持和与所述缓冲室连通的反应室的气体气氛相同。
20.根据权利要求14所述的有机金属化学气相沉积装置，其中，负载锁定室连接到所述缓冲室。
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