CN113025987A - 降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备 - Google Patents
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Abstract
一种降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备。所述设备具有沉积腔体、冷却腔体以及冷却加载互锁腔体。在物理气相沉积制程中，基板于沉积腔体中受到氮化铝的沉积，并在真空环境下于冷却腔体及冷却加载互锁腔体中进行冷却，以避免高温的氮化铝镀膜基板暴露于大气环境而造成其表面氧化物的生成。本发明所述的方法与设备可进一步降低氮化镓沉积于氮化铝的表面氧化物所造成的结晶缺陷。
Description
技术领域
本发明系关于一种降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备，尤其指一种在物理气相沉积制程中，可降低氮化铝的表面氧化物的生成量，以降低后续制程中氮化镓堆栈于氮化铝的表面氧化物之上所造成的缺陷问题的一种方法与设备。
背景技术
在发光二极管（light emitting diode, LED）的制造过程中，需将发光材料「氮化镓（Gallium Nitride, GaN）化合物」镀于基板上。所述基板一般选用蓝宝石基板，其具有三氧化二铝（即，氧化铝 (Aluminum Oxide, Al2O3)）的结晶。由于氮化镓的晶格与三氧化二铝的晶格大小差异较大，若直接使两者堆栈则易发生错位（mismatch）问题，进而导致插排缺陷（dislocation）的问题，并降低发光二极管的发光效率。
一般而言，解决上述问题的方法系于氮化镓与三氧化二铝之间加入一层氮化铝（Aluminum Nitride, AlN）以作为缓冲材料。氮化铝的晶格介于氮化镓与三氧化二铝的晶格之间，故与所述二者皆有良好的堆栈效果，并可有效地降低氮化镓与蓝宝石基板之间的缺陷，以提高发光二极管的发光效率。
因此，一般在发光二极管的制程中，系先将氮化铝镀于三氧化二铝上，再将氮化镓镀于氮化铝上。然而，当氮化铝镀于三氧化二铝之后，却仍发现氮化镓的堆栈发生缺陷，并影响发光二极管的亮度、波长与寿命。由于氮化铝表面常生成氧化物，导致氮化镓实际是堆栈于氮化铝的表面氧化物上，而非堆栈于氮化铝，故氮化镓的堆栈缺陷系来自与不正确的目标物堆栈而产生。
发明内容
因此，为了克服现有技术的不足之处，本发明实施例提供一种降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备。所述方法与设备是使基板在沉积氮化铝后，于真空环境下在冷却腔体及冷却加载互锁腔体使氮化铝镀膜基板进行冷却，以防止氮化铝镀膜基板在高温时接触大气环境而造成表面氧化物的生成，以藉此使后续制程欲沉积的氮化镓可堆栈到正确的目标物，以减低氮化镓堆栈缺陷并提高发光二极管的发光效率。
基于前述目的的至少其中之一者，本发明实施例提供的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法是用于物理气相沉积制程中。所述方法包括步骤A至步骤C。于步骤A中，系于第一真空环境下，对基板沉积氮化铝，以形成氮化铝镀膜基板。于步骤B中，系于第二真空环境下，使氮化铝镀膜基板进行第一阶段冷却。于步骤C中，系于第三真空环境下，使氮化铝镀膜基板进行第二阶段冷却。
可选地，于所述步骤B中，冷却的方法是接触式冷却法、静置冷却法或气体冷却法。
可选地，在所述冷却的方法为气体冷却法时，用以冷却的气体为惰性气体。
可选地，于所述步骤B中，氮化铝镀膜基板进行第一阶段冷却的冷却腔体的冷却温度介于摄氏150-250度。
可选地，于所述步骤C中，氮化铝镀膜基板进行第二阶段冷却的冷却腔体的冷却温度小于摄氏100度。
基于前述目的的至少其中之一者，本发明实施例提供的降低氮化铝的表面氧化物生成的设备是用于物理气相沉积制程。所述设备包括一个脱气加载互锁腔体（load lock）、至少一个沉积腔体、一个冷却腔体以及一个冷却加载互锁腔体。所述脱气加载互锁腔体用以提供真空环境给至少一个基板，所述沉积腔体用以对所述至少一个基板沉积氮化铝，以形成至少一个氮化铝镀膜基板，所述冷却腔体使氮化铝镀膜基板进行第一阶段冷却，以及所述冷却加载互锁腔体使氮化铝镀膜基板进行第二阶段冷却。
可选地，所述冷却腔体更包括至少一个承载盘以及至少一个冷却底座。所述承载盘承载及接触氮化铝镀膜基板以进行第一阶段冷却，以及冷却底座用以提供惰性气体到承载盘的背面，以冷却承载盘。
可选地，所述冷却腔体更包括插槽座。所述插槽座具有复数插槽，用以容置氮化铝镀膜基板以进行第一阶段冷却。
可选地，所述插槽的每一者具有复数垫片，用以减少与氮化铝镀膜基板的接触面积以缓冲氮化铝镀膜基板受到冷却的温度。
可选地，所述降低氮化铝的表面氧化物生成的设备更包括至少一个载出/载入机模块（load port）以及设备前端模块（equipment front end module）。所述载出/载入机模块用以放置装载基板的装载盒。所述设备前端模块具有对准器（aligner），其中对准器用以对准基板的凹口（notch）。
简言之，本发明实施例提供的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备可降低氮化铝的表面氧化物的生成量，藉此使氮化镓系堆栈于正确的目标物「氮化铝」而非「氮化铝的氧化物」，以利于后续制程的氮化镓堆栈缺陷降低，并提高产物的品质，故于对需沉积氮化铝有需求的制程与市场（例如发光二极管）具有优势。
为让本发明的上述和其他目的、特征及优点能更明显易懂，配合所附图示，做详细说明如下。
附图说明
图1A是现有技术的发光二极管的理想沉积结果的示意图。
图1B是现有技术的发光二极管的沉积物的穿透式显微镜影像与能量散射光谱。
图2是本发明实施例的物理气相沉积设备的示意图。
图3A是本发明实施例的第一型冷却腔体内之基板承载架的示意图。
图3B是本发明实施例的一种结构的第一型冷却腔体的内部示意图。
图3C是本发明实施例的另一种结构的第一型冷却腔体的内部示意图。
图4是本发明另一实施例的第二型冷却腔体的示意图。
图5是本发明实施例的降低氮化铝的表面氧化物生成的步骤流程图。
图6是本发明实施例的氮化铝结晶的一X光绕射分析图。
图7是本发明实施例的氮化铝结晶的另一X光绕射分析图。
其中：
2：降低氮化铝的表面氧化物生成的设备201：载出/载入机模块
202：设备前端模块2021：对准器
203：脱气加载互锁腔体204：灯具脱气腔体
205：沉积腔体206：冷却腔体
2061：插槽2062：插槽
206B：第二型冷却腔体207：冷却加载互锁腔体
H206：冷却底座P206：承载盘
P2062：垫片R206：夹环
S501-S503：步骤W2：氮化铝镀膜基板。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，兹藉由下述具体之试验例，并配合所附之图式，对本发明做一详细说明，说明如后。
本发明提供一种降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备，所述方法与设备可解决于发光二极管制程中，经沉积的氮化铝产生氧化物而造成氮化镓堆栈缺陷的问题。请参照图1A，图1A为现有技术的发光二极管之理想沉积结果的示意图。如图1A所示，传统的发光二极管制程中，通常是于三氧化二铝的蓝宝石基板上沉积缓冲材料「氮化铝」，并于氮化铝上沉积发光材料「氮化镓」。
在物理气相沉积（Physical vapor deposition, PVD）制程中，当将氮化铝沉积到蓝宝石基板（三氧化二铝）后，一般是将表面沉积有氮化铝的基板传送到大气环境以进行冷却。然而，高温的氮化铝若暴露于大气环境中，将使其表面容易发生氧化作用，并生成一层氮化铝的氧化物。请参照图1B，图1B是现有技术的发光二极管之沉积物的穿透式显微镜（Transmission electron microscope, TEM）影像与能量散射光谱（Energy DispersiveSpectroscopy, EDS）。如图1B所示，实务的结果显示在氮化铝薄膜（厚度约为20.8奈米，但本发明不以此为限制）的上方具有一层大约6.6奈米的氮化铝氧化物薄膜（本发明不限制氮化铝氧化物薄膜的厚度），而这一层氧化物将导致在后续制程中，欲堆栈于氮化铝的氮化镓实际是堆栈于氮化铝的氧化物上，所述氧化物影响氮化镓沉积时的结晶方向与结晶度，而造成氮化镓的堆栈缺陷，并因此降低发光二极管的发光亮度、波长与寿命。于本发明实施例中，将提供一套方法与设备，以降低氮化铝氧化物的生成量，藉此提高发光二极管的效率。
首先，请参照图2，图2是本发明实施例之物理气相沉积设备的示意图。如图2所示，于物理气相沉积制程中降低氮化铝的表面氧化物生成的设备2具有两个载出/载入机模块（load port）201、一个设备前端模块（equipment front end module）202及其对准器（aligner）2021、一个脱气加载互锁腔体（load lock）203、两个灯具脱气腔体（lamp degaschamber）204、三个沉积腔体205、一个冷却腔体206，以及一个冷却加载互锁腔体207。于本发明实施例中，载出/载入机模块201、灯具脱气腔体204与沉积腔体205皆具有复数个，但本发明不以该等腔体或模块的数量为限制，以及本发明亦不以冷却腔体206的数量为限制。
当即将开始进行氮化铝的物理气相薄膜沉积时，装载蓝宝石基板（三氧化二铝）的装载盒将被放置于载出/载入机模块201并锁住以做固定，接着，装载盒的门被开启，以使置于其内的蓝宝石基板可被传送到设备前端模块202。本发明实施例是以三氧化二铝材料作为基板，但本发明不以基板的类型为限制，任何可受氮化铝沉积的材质皆是本发明所涵盖的范围。
接着，设备前端模块202的对准器2012可根据承载蓝宝石基板的承载盘的凹口（notch）进行对准，使承载盘与蓝宝石基板的角度可被调整至目标角度，但本发明不以此为限制。
进一步地，蓝宝石基板可以依序于脱气加载互锁腔体203创造真空环境，接着进到脱气腔体204脱气，其中在创造真空环境与脱气时，脱气加载互锁腔体203的真空值（压力）可达到不大于100毫托（mTorr），以及灯具脱气腔体204的真空值可达到不大于50毫托，以避免接下来的沉积过程中，大气中的非目标物掉落或沉积于蓝宝石基板。
接着，处于真空环境的蓝宝石基板被传送到沉积腔体205以进行氮化铝的沉积，其中沉积腔体205需提供第一真空环境，使真空值达到不大于5E-6（0.000005）托（Torr）方可进行沉积作用。在沉积的过程中，制程温度大于或等于摄氏300度，而较佳的制程温度大于或等于摄氏350度，以及更佳的制程温度大于或等于摄氏400度，以达到较好的沉积氮化铝的效果。所述沉积作用仅需在其中一个沉积腔体205中进行，且不限制与不固定于某一个特定的沉积腔体205。
进一步地，在蓝宝石基板受氮化铝的沉积作用之后，可获得氮化铝镀膜基板。所述氮化铝镀膜基板被传送到冷却腔体206以进行第一阶段冷却，其中冷却腔体206的结构请参照图3A-图3C以及图4，并请参照以下说明。
图3A是本发明实施例之第一型冷却腔体内之基板承载架的示意图，图3B是本发明实施例之一种态样的第一型冷却腔体的内部示意图，以及图3C是本发明实施例之另一种态样的第一型冷却腔体的内部示意图。如图3A所示，第一型冷却腔体的腔体内部具有插槽座H206，其具有彼此垂直配置的复数插槽，用以容置氮化铝镀膜基板使其进行第一阶段冷却，其中在氮化铝镀膜基板放置到插槽时，氮化铝镀膜基板可以由承载盘承载或不承载。所述插槽可以如图3B所示，即，复数插槽2061无任何凸起的部件，并直接以插槽2061承载及接触氮化铝镀膜基板W2，以使氮化铝镀膜基板W2进行第一阶段冷却。或者，更佳的情况是，所述插槽可以如图3C所示，即，复数插槽2062的每一者具有复数个垫片P2062，其中垫片P2062的材质可以与插槽2062相同或可以是陶瓷，但本发明不以垫片的数量与材质为限制。所述垫片P2062系用以减少与氮化铝镀膜基板W2的接触面积，以缓冲氮化铝镀膜基板W2受到冷却的温度。
透过如图3A-3C等第一型冷却腔体进行第一阶段冷却的方法不限制为静置冷却法或气体冷却法，其中静置冷却法可以是在一次性通气后冷却。当冷却的方法为一次性通气的静置冷却法时，气体仅被一次性的通入第一型冷却腔体，其中通入的气体为惰性气体，且不限制为氩气（Ar）、氦气（He）或氮气（N2）。冷却时的冷却腔体需提供第二真空环境以使氮化铝镀膜基板W2受到冷却。通入的气体的压力介于500毫托至500托之间（更佳的为1-3托）。在通过第一型冷却腔体进行第一阶段冷却时，第一型冷却腔体的压力需达到不大于50毫托，其中冷却的时间大约为2-15分钟，以使第一阶段冷却的冷却腔体的冷却温度可介于摄氏150-250度之间。再者，当冷却的方法为气体冷却法时，气体系被不断地通入第一型冷却腔体，其中通入的气体为惰性气体，且不限制为氩气、氦气或氮气。通入的气体的压力介于500毫托至500托之间（更佳的为1-3托）。在第一阶段冷却时，第一型冷却腔体的压力需达到不大于50毫托，其中冷却的时间大约为2-15分钟，以使第一阶段冷却的冷却腔体的冷却温度可介于摄氏150-250度之间。
再者，本发明亦提供另一种冷却腔体（第二型冷却腔体）以使氮化铝镀膜基板可于其中进行第一次冷却，请参照图4，图4是本发明另一实施例的第二型冷却腔体的示意图。如图4所示，第二型冷却腔体206B具有冷却底座H206、承载盘P206以及夹环R206。所述夹环R206系用以固定冷却底座H206与承载盘P206。所述冷却底座H206的内部可以通有冷却水以降低冷却底座H206的温度（图未示），再者，冷却底座H206可提供气体至承载盘P206的背面以使承载盘P206降温，其中气体可以为惰性气体，且不限制为氩气、氦气或氮气。受到降温的承载盘P206用以承载及接触一个或多个氮化铝镀膜基板W2以对氮化铝镀膜基板W2进行第一阶段冷却，其中承载盘P206所承载的氮化铝镀膜基板W2的数量没有任何限制。所述第二型冷却腔体206B内可具有多组冷却底座H206、承载盘P206与夹环R206（图未示），且每一组可互相为垂直方向配置，但本发明不以此为限制。
通过如图4的第二型冷却腔体进行第一阶段冷却的方法可以是如上所述的接触式冷却法，其中用以接触氮化铝镀膜基板W2的承载盘P206所接受的来自冷却底座H206的气体的流量为1-20 sccm（1-20毫升/分钟），再者，通入冷却底座H206内部的冷却水的温度为摄氏零下40度至摄氏40度之间（较佳的温度为摄氏30度）。相同于第一型冷却腔体，所述第二型冷却腔体206B在冷却时需提供第二真空环境以使氮化铝镀膜基板W2受到冷却。在透过所述第二型冷却腔体206B进行第一阶段冷却时，所述第二型冷却腔体206B的承载盘P206与冷却底座H206之间的压力需达到1-10托（更佳的为3-5托）。
接着，请参照表1以知悉通过第二型冷却腔体对氮化铝镀膜基板进行降温的不同测试条件与结果。如表1所示，测试条件1-4的差异仅在于第一阶段降温的时间不同，其中条件1的状态系相似于传统的降温方法，即，未有额外的冷却腔体可对氮化铝镀膜基板进行降温，而条件2-4则是于第二型冷却腔体中对氮化铝镀膜基板有不同时间长度的降温。测量的数值是取自制程结束的承载盘温度、基板中心温度与基板边缘温度。表1的结果显示，随着氮化铝镀膜基板在第二型冷却腔体所受的降温时间愈长，最终测量出的承载盘温度、基板中心温度与基板边缘温度的温度皆愈低，即，氮化铝镀膜基板在第二型冷却腔体的时间愈长，可获得较佳的降温效果。综合冷却效果与产能的考虑，本发明所归纳的结果为冷却的时间大约介于30-180秒，可同时兼顾产能并使第一阶段冷却达到较佳的效果，其中冷却腔体的冷却温度系介于摄氏150-250度之间。
表1
接着，请继续参照图2，在氮化铝镀膜基板受到第一阶段冷却后，氮化铝镀膜基板被传送到冷却加载互锁腔体207以进行第二阶段冷却，其中冷却加载互锁腔体207可提供第三真空环境，所提供的真空值需达到不大于100毫托，以及于第二阶段冷却的冷却腔体的冷却温度需小于摄氏100度。所述第三真空环境的压力可以大于第二真空环境的压力。
最后，完成两个阶段冷却的氮化铝镀膜基板最终被传送到载出/载入机模块201并回到装载盒，并完成氮化铝于蓝宝石基板的沉积。
接着，将总结物理气相沉积制程中降低氮化铝的表面氧化物生成的方法，请参照图5，图5是本发明实施例的降低氮化铝的表面氧化物生成的步骤流程图。首先，如图5的步骤S501所示，于真空环境下，将基板传送到沉积腔体以沉积氮化铝并形成氮化铝镀膜基板。接着，如步骤S502所示，在冷却腔体对氮化铝镀膜基板进行第一阶段冷却。最后，如步骤S503所示，在冷却加载互锁腔体对氮化铝镀膜基板进行第二阶段冷却后，完成氮化铝对基板的沉积。所述步骤中，第二真空环境的压力小于第三真空环境的压力。
最后，请参照图6和图7，图6和图7是本发明实施例的氮化铝结晶的X光绕射分析图。如图6和图7所示，由X光绕射分析的数据可知，透过本发明所述的真空冷却制程，沉积完成的氮化铝 (002)方向的结晶强度增加约67%（传统方法：大约为15000；本发明所述方法：大约为25000）。
综合以上所述，相较于现有技术，本发明实施例所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备的技术效果，系说明如下。
现有技术中，在发光二极管的物理气相沉积制程中，基板一般在沉积氮化铝后系于大气环境进行降温，导致氮化铝的表面形成一层氧化物，而使在后续制程中，沉积氮化镓的效果与结晶状态受到不良影响，并产生缺陷。反观本发明所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法与设备，可以使氮化铝在沉积后于真空环境下进行两阶段的降温，使氮化铝的氧化物的生成量有效降低，进而降低后续制程之氮化镓的缺陷，以提升发光二极管产品的质量与效能。
本发明在上文中已以较佳实施例揭露，然熟习本项技术者应理解的是，上述试验例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明之范围。应注意的是，举凡与前述试验例等效之变化与置换，均应设为涵盖于本发明之范畴内。
Claims (10)
1.一种于物理气相沉积制程中降低氮化铝的表面氧化物生成的方法，其特征在于，包括：
步骤A，于第一真空环境下，对一基板沉积氮化铝，以形成一氮化铝镀膜基板；
步骤B，于第二真空环境下，使所述氮化铝镀膜基板进行第一阶段冷却；以及
步骤C，于第三真空环境下，使所述氮化铝镀膜基板进行第二阶段冷却；
其中所述第二真空环境的压力小于所述第三真空环境的压力。
2.如权利要求1所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法，其特征在于，其中于所述步骤B中，冷却的方法是接触式冷却法、静置冷却法或气体冷却法。
3.如权利要求2所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法，其特征在于，其中在所述冷却的方法为气体冷却法时，用以冷却的气体为惰性气体。
4.如权利要求1所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法，其特征在于，其中于所述步骤B中，所述氮化铝镀膜基板进行第一阶段冷却的冷却腔体的冷却温度介于摄氏150-250度。
5.如权利要求1所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的方法，其特征在于，其中于所述步骤C中，所述氮化铝镀膜基板进行第二阶段冷却的冷却腔体的冷却温度小于摄氏100度。
6.一种于物理气相沉积制程中降低氮化铝的表面氧化物生成的设备，其特征在于，包括：
一脱气加载互锁腔体，用以给至少一基板提供真空环境；
至少一沉积腔体，用以对所述至少一基板沉积氮化铝，以形成至少一氮化铝镀膜基板；
一冷却腔体，用以使所述至少一氮化铝镀膜基板进行第一阶段冷却；以及
一冷却加载互锁腔体，用以使所述至少一氮化铝镀膜基板进行第二阶段冷却。
7.如权利要求6所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的设备，其特征在于，
其中所述冷却腔体更包括：
至少一承载盘，用以承载及接触所述至少一氮化铝镀膜基板以进行第一阶段冷却；以及
至少一冷却底座，用以提供惰性气体到所述承载盘的背面，以冷却所述承载盘。
8.如权利要求6所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的设备，其特征在于，
其中所述冷却腔体更包括：
一插槽座，具有复数插槽，用以容置所述至少一氮化铝镀膜基板并进行第一阶段冷却。
9.如权利要求8所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的设备，其特征在于，其中所述复数插槽的每一者具有复数垫片，用以减少与所述氮化铝镀膜基板的接触面积以缓冲所述氮化铝镀膜基板受到冷却的温度。
10.如权利要求6所述的降低氮化铝的表面氧化物生成的设备，其特征在于，更包括：
至少一载出/加载机模块，用以放置装载所述基板的一装载盒；以及
一设备前端模块，具有一对准器，用以对准所述基板的一凹口。
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