CN1766159A - 气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明的气相沉积装置具有：具有在其上夹持基板的基板夹持面的基板夹持部件，和用于向基板上提供源气体的气流通道。该气流通道具有上璧和下壁。开孔部分设置在气流通道下壁。基板夹持部件的基板夹持面装入开口部分，同时在基板夹持面和开孔部分之间形成一个空间。提供一种用于减少气体通过开孔部分和基板夹持部件之间的空间泄漏的装置。对于这种结构，由于设置有用于减少气体通过开孔部分和基板夹持部件之间的空间泄漏的装置，因此气体流出的流导性降低，这又减少流出气体的量的变化。这导致具有长寿命和高发光效率的氮化物半导体元件的高产率生产。

Description

气相沉积装置

技术领域

本发明总地涉及气相沉积装置，并且尤其涉及改进的气相沉积装置，用于高产率生产氮化物半导体装置。

背景技术

以GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN等为代表的氮化物基III-V族化合物半导体晶体，具有直接跃迁型带隙，并且有望被应用于半导体激光器。InGaN混合晶体能够进行由红光到紫外光的发射，并且因此作为短波材料特别受到关注。这些晶体已经在实际应用中用作具有波长范围为紫外光到绿光的发光二极管元件，并且用作蓝紫色的激光二极管元件。通常，这些元件是利用CVD装置通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生产的。具体而言，在基板上生长GaN型、InGaN型、AlGaN型、InGaNP型、InGaNAs型和InGaAlN型氮化物半导体薄膜。利用有机金属材料生长这些半导体薄膜的CVD装置被称为MOCVD装置。

图9显示一种常规MOCVD装置(参见，例如日本专利公开文本No.2001-19590)的横截面图。常规MOCVD装置具有反应室31。反应室31内装有向基板33有效提供源气体的气流通道32、在基板夹持面34a上夹持基板33的基板夹持部件34、和加热基板夹持部件34的加热器35。气流通道32具有上壁32a和具有开孔部分36的下壁32b。基板夹持部件34的基板夹持面34a装入开口部分36，同时在基板夹持面34a和开孔部分36之间形成一空间。基板33和基板夹持部件34的基板夹持面34a与气流通道32中的气流接触。如箭头所示，源气体从气体供应口37供应并且流过气流通道32到基板33上，在此处，该气体用于氮化物半导体薄膜的生长。通过旋转轴39的旋转，使基板33和基板夹持部件34旋转。没有用于半导体薄膜生长的源气体从气体出口38释放。还在反应室31内设置自动装入/取出装置(未显示)，以装入并取出基板33和基板夹持部件34(参见，例如日本专利申请公开文本No.2003-17544)。

利用常规MOCVD装置，生产由GaN、AlN、InN及其混合晶体制造的氮化物基半导体激光器存在问题，即生长的薄膜在整个基板上的结晶度和厚度不均匀。同样，基板之间也各不一样。结果是，发现在基板上制备的氮化物基半导体层具有晶体畸变和多条裂纹。

含有裂纹的晶体缺陷充当非发射组合的中心；该缺陷充当导致漏电流的电流路径，造成产量低的问题。尤其是LD元件，该缺陷导致阈值电流密度增加，造成元件寿命缩短的问题。因此，重要的是减少含有裂纹的晶体缺陷。

本发明人研究了导致含有裂纹的晶体缺陷的原因。结果是，发现向基板上提供的源气体的浓度分布和用量发生变化，这是因为气体通过气流通道32的开孔部分36和基板夹持部件34之间的空间的流出量不恒定。在氮化物基半导体的MOCVD生长中，发现这种作用是重要的，并且晶体薄膜的结晶度均匀性和晶体薄膜平面的厚度均匀性没有保障。

本发明人已经发现了源气体供应的浓度分布和用量变化的原因，这在下文中说明。

图10是说明气体通过气流通道的开孔部分和基板夹持部件之间空间的流出量变化的原因的图。在MOCVD装置中，在气流通道32的开孔部分36和基板夹持部件34之间有空间21。设置空间21是因为需要使基板夹持部件34沿着方向R旋转以便使整个基板面上的晶体生长均匀。设置空间21也是因为需要使基板夹持部件34可移动以便能从反应室31外装入基板夹持部件34上的基板33。

基板33按照如下方式装载。首先，将加热器35从气流通道32上分开。然后将具有基板33的基板夹持部件34固定在加热器35上(称为“接合”)。为了定位，啮合处设置在加热器35和基板夹持部件34接触的部分。然后，将加热器35和基板夹持部件34移向气流通道32，并且如此设置，以使基板33相对于气流通道32适当放置。

因为当加热时基板夹持部件34膨胀，或者考虑到基板夹持部件34和加热器35的接合精确性，啮合处需要有一定的公差。同样，在气流通道32的开孔部分36和基板夹持部件34之间的空间21也必须有一定的公差。在自动装入/取出时，如果旋转轴39偏离基板夹持部件34的中心，该区域被称为结合误差。在这种情况下，基板夹持部件34以相对于气流通道32的开孔部分36变化的距离的方式旋转。由于轴加工的精确性，旋转轴39通常有一定程度的偏心。轴的偏心导致气流通道32的开孔部分36与基板夹持部件34之间的空间21发生变化(轴的偏心导致摆动22)。在这些环境下，流出气体23的量发生变化，这又导致源气体的偏流，也就是在基板33上气体浓度分布的偏差。同样，在基板33上的气体浓度分布不稳定。

气流通道32的开孔部分36与基板夹持部件34之间的空间21的变化问题在移开气流通道32和基板夹持部件34进行清洗之后自动重新安装时同样发生。另外，由于气流通道32和基板夹持部件34的加工精确性，难以重复初始的定位，这意味着在更新气流通道32和基板夹持部件34之后具有不同尺寸的空间21。

由于上述问题的程度在各个装置之间不相同，因此对于每一个独立装置必须优化生长条件。在氮化物基半导体上，发生晶体的再次蒸发，因为它的高饱和蒸汽压。相应于浓度分布和源气体供应用量的变化，III源气体和V源气体的比例也发生变化。结果是，在晶体薄膜面上的结晶度会变得不均匀，并且在晶体薄膜面上的厚度变得不均匀。从而，流出气体的量的变化严重影响晶体生长。

发明内容

考虑到上述以及其它问题，本发明的一个目的是提供一种改进的气相沉积装置，用于整个基板上的稳定气体分布。

本发明的另一个目的是提供一种改进的气相沉积装置，用于稳定的流出气体量。

本发明的另一个目的是提供一种改进的气相沉积装置，以防止晶体薄膜平面的结晶度和晶体薄膜平面的厚度发生变化。

本发明的另一个目的是提供一种气相沉积装置，对每一独立装置能省略优化生长条件的需要。

本发明的另一个目的是提供一种气相沉积装置，它实现了具有长寿命和高发光效率的氮化物半导体发光元件的高产率生产。

本发明的另一个目的是提供一种MOCVD装置，它实现了氮化物半导体的长寿命发光元件的高发光效率和高产率生产。

为了实现以上以及其它目的，本发明的气相沉积装置是包括以下部分的气相沉积装置：包括在其上夹持基板的基板夹持面的基板夹持部件；用于向基板上提供源气体的气流通道，该气流通道含有上壁和下壁；和设置在气流通道下壁的开孔部分。基板夹持部件的基板夹持面装入开口部分，同时在基板夹持面和开孔部分之间形成一空间。该装置还包括用于减少气体通过开孔部分和基板夹持部件之间的空间泄漏的装置。

根据本发明，由于用于减少气体通过该空间泄漏的装置设置在开孔部分和基板夹持部件之间，因此可以减少流出气体的量的变化。

用于减少气体泄漏的装置优选通过使该空间从气流通道内部弯曲到其外部形成。

用于减少气体泄漏的装置优选包括：在向上方向凹进的上凹部分，该上凹部分沿开孔部分的外围并且在气流通道下壁厚度部分设置；和从基板夹持部件侧壁横向突出的边缘凸出部分，当基板夹持部件的基板夹持面处于装入开孔部分的状态时，该边缘装入上凹部分同时在边缘和上凹部分之间形成一空间。

由于具有这种结构，在气流通道的开孔部分和基板夹持部件之间形成的空间具有弯曲的通道。该弯曲通道由从气流通道内部向下延伸的第一通道、从第一通道末端横向延伸的第二通道、和从第二通道末端向气流通道外部向下延伸的第三通道组成。

由于该空间由弯曲通道形成，因此相对于流出气体的流导性下降，从而显著降低通过该空间的流出气体的量。

用于减少气体泄漏的装置的另外一个实施方案包括从基板夹持部件侧壁横向突出的边缘，当基板夹持部件的基板夹持面处于装入开孔部分的状态时，同时在该边缘和气流通道的下壁之间形成一空间。

由于具有这种结构，在气流通道的开孔部分和基板夹持部件之间形成的空间具有弯曲的通道，该弯曲通道由从气流通道内部向下延伸的第一通道和从第一通道末端向气流通道外部横向延伸的第二通道组成。

该空间具有以这种方式弯曲的通道时，相对于流出气体的流导性也下降，从而降低通过该空间的流出气体的量。

该气相沉积装置可以具有旋转基板夹持部件的装置。具有这种结构，即使旋转基板夹持部件，也能减少流出气体的量的变化。

气相沉积装置优选包括：用于加热基板的加热器，夹持基板的基板夹持部件安装在加热器上，该加热器在垂直方向可以移动并且设置在气流通道开孔部分以下；用于将基板夹持部件固定在加热器上的安装装置；和用于移动其上固定有基板夹持部件的加热器且同时将基板夹持部件的基板夹持面装入气流通道开孔部分的移动装置。根据这种结构，在自动装入/取出基板时减少了流出气体的量的变化。

该基板夹持部件优选包括其侧壁上设置有边缘的盘。

气相沉积装置优选用作氮化物半导体气相沉积用MOCVD装置。

在本发明的气相沉积装置中，设置了用于减少源气体通过气流通道开孔部分和基板夹持部件之间的空间泄漏的装置。因此，来自于气流通道上游的源气体不能通过气流通道开孔部分和气体夹持部件之间的空间泄漏，或者气体泄漏的量明显减少。这减少了流出气体的变化并且因此确保整个基板面上薄膜的结晶度和层厚度的均匀性。

附图说明

图1是本发明实施方案1的气相沉积装置的横截面图。

图2(a)是本发明实施方案1的气相沉积装置的横截面图，其中该装置具有旋转基板夹持部件的装置和用于自动装入/取出基板夹持部件的装置。

图2(b)是用于装入/取出基板夹持部件的装置的平面图。

图3是装配图1所示的气流通道和基板夹持部件的部分放大横截面图。

图4(a)-(d)为显示根据本发明实施方案1的图1所示的气流通道的三维形状的图。

图5是使用常规MOCVD装置和本发明实施方案1的MOCVD装置生长的GaN层的厚度分布的比较图。

图6是装配本发明实施方案2的气流通道和基板夹持部件的部分放大横截面图。

图7是比较使用常规MOCVD装置和本发明实施方案2的MOCVD装置生长的GaN层的厚度分布的图。

图8是孔结构的另外一个具体实例的示意图。

图9是常规MOCVD装置横截面图。

图10(a)是说明通过气流通道开孔部分和基板夹持部件之间的空间的流出气体的量的变化原因的图。

图10(b)是装配气流通道和基板夹持部件部分的平面图。

具体实施方式

参考附图说明本发明的优选实施方案。应该理解为，本发明不受这些实施方案的限制。

本发明的特征在于提供一种用于减少气体通过开孔部分和基板夹持部件之间的空间泄漏的装置以便减少流出气体的量的变化。这将在下文的实施方案1和2中详细说明。

实施方案1

图1是实施方案1的气相沉积装置的横截面图。如在常规装置中一样，这种气相沉积装置在反应室11中具有向基板13上有效地提供源气体的气流通道12、夹持基板13的基板夹持部件14和加热基板夹持部件14的加热器15。气流通道12具有上璧12a和下壁12b。源气体通过气流通道12从气体供应孔17以平行于基板13的方式向气体出口18流动。气流通道12的下壁12b具有开孔部分16。基板夹持部件14的基板夹持面14a被装入开孔部分16同时在开孔部分16和基板夹持部件14之间形成空间21。基板13和基板夹持部件14的基板夹持面14a与来自于气流通道12的气体接触。源气体从气体供应口17提供并且通过气流通道12流向基板13上，在此处该气体用于氮化物半导体薄膜的生长。未用于半导体薄膜生长的源气体从气体出口18释放。

将这种气相沉积装置设计成减少气体通过空间21泄漏，空间21在气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14之间。用于减少气体泄漏的装置由上凹部分12c和边缘14b的联合组成。上凹部分12c向上方向凹进，并且沿着开孔部分16的外围并在气流通道12的下壁12b的厚度部分设置。边缘14b从基板夹持部件14的侧壁横向突出。这将在下文更详细说明。

如图2所示，本发明的气相沉积装置可以具有用于旋转基板夹持部件14的旋转装置和用于自动装入/取出基板夹持部件14的装置。如图所示，通过连接到固定在加热器15上的旋转轴19的旋转装置使基板夹持部件14旋转。在所示的实施方案中，通过固定在旋转轴19上的齿轮83使基板夹持部件14旋转。又通过旋转装置如电动机84使齿轮83旋转。可以通过代替齿轮83的带等来传输旋转。固定在加热器15上的旋转轴19从反应室11向其外部突出，在此处，该轴与齿轮83连接。

按照如下方式装入基板。如图2所示，旋转轴19可以通过驱动装置(未显示)垂直移动。在装入基板13前，将加热器15从气流通道12移开(例如，移到气流通道12下)。在这种条件下，其上具有基板13的基板夹持部件14被载在叉86上进入反应室11。将叉86停止在使基板夹持部件14处于加热器15上的位置。接着，将旋转轴19向上移动在加热器15上固定基板夹持部件14(接合)，然后旋转轴19临时停止。为了定位，在加热器15和基板夹持部件14接触的部分中提供啮合。旋转轴19向上移动与具有基板夹持部件14的加热器15啮合。接着，将叉86推出反应室11。然后将旋转轴19垂直移动以便固定基板夹持部件14，使用基板夹持部件14的基板夹持面14a装入开孔部分16。对于取出基板13，以相反的次序进行上述过程。

通常，通过气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14之间的空间流出的源气体的量正比于气流通道12的横截面积与该空间面积之间的差。实践说明：气体通过该空间泄漏的量在基板的上游侧特别大。另外，如上所述，该空间的变化导致到基板上的源气体的供应量的变化。

在本实施方案中实现的、减少气体通过气流通道的开孔部分和基板夹持部件之间的空间泄漏的操作将在下文说明。

图3是装配图1所示的气流通道12开孔部分16和基板夹持部件14的部分放大横截面图。如图所示，在这个实施方案中，用于减少气体泄漏的装置是由气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14所限定的孔结构25。

也就是，在气流通道12开孔部分16和基板夹持部件14之间形成的空间21是一种弯曲通道，该弯曲通道由从气流通道12内部向下延伸的第一通道101、从第一通道101末端横向延伸的第二通道102、和从第二通道102末端向气流通道12外部向下延伸的第三通道103组成。更具体地，用于减少气体泄漏的装置由上凹部分12c和边缘14b组成。上凹部分12c向上方向凹进，并且沿着开孔部分16的外围并在气流通道12的下壁12b的厚度部分设置。边缘14b从基板夹持部件14的侧壁横向突出。当基板夹持部件14的基板夹持面14a处于装入开孔部分16的状态时，边缘14b装入上凹部分12c，同时在边缘14b和上凹部分12c之间形成一空间。

甚至当气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14之间的空间21的面积仍然相同时，这种结构也减少了源气体流出的流导性能。这显著地减少源气体通过空间21的流出，或者停止流出，其中该空间21位于气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14之间。由于减少了气体流出的量的变化，所以源气体的流动变得稳定并且整个基板面上薄膜的结晶度和层厚度的均匀性得到了保证。

图4为显示根据实施方案1的图1所示的气流通道12的三维形状的图。图4(a)、4(b)、4(c)和4(d)分别显示气流通道12的上表面、横截面、侧面和底面。如图4所示，实施方案1的气流通道12的下壁12b具有开孔部分16。向上方向凹进的上凹部分12c沿着开孔部分16的外围并且在气流通道12的下壁12b的厚度部分设置。上凹部分12c和基板夹持部件14一起构成孔结构。气流通道12的上璧12a和下壁12b通过两个侧壁12d和12d连接在一起。

图5是比较使用常规MOCVD装置和本发明实施方案1的MOCVD装置生长的GaN层的厚度分布的图。在所示的每一个实例中，在2英寸的基板上生长GaN层。从图中可以看出，这个实施方案的MOCVD装置改善了整个基板上厚度分布。

同样，通过使用该实施方案的MOCVD装置，在基板上生长AlGaN层。在整个基板面上A1组分和层厚度是均匀的。从而，抑制了可能另由基板上薄膜的非均匀组份和层厚度会导致的晶体扭曲，并且因此没有发现裂纹。

在这个实施方案中，如图3所示，基板夹持部件14的底面是盖状的，覆盖加热器15的整个上表面和加热器15侧面的上部分。当基板夹持部件14固定在加热器15时，这容易定位。定位装置不限制于盖状结构，接触面可以构成凹入/凸出的组合。

实施方案2

图6是装配本发明实施方案2的气流通道和基板夹持部件的部分放大横截面图。如图所示，在这个实施方案中，减少气体泄漏的装置由从基板夹持部件14的侧壁横向突出的边缘14b组成，当基板夹持部件14的基板夹持面14a处于装入开孔部分16中的状态时，同时在气流通道12的边缘14b和下壁12b之间形成空间21。气流通道12的下壁12b按照常规设计。也就是，仅仅提供设置有边缘14b的盘状基板夹持部件14，其中边缘14b设置在其外围，形成由气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14所限定的孔结构25。在这种情况下，在气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14之间形成的空间21是一种弯曲通道，该弯曲通道由从气流通道12内部向下延伸的第一通道101和从第一通道101末端向气流通道12外部横向延伸的第二通道102组成。

在这个实施方案中，如在实施方案1中一样，可以设置旋转装置和基板自动装入/取出的装备(尽管没有显示)。虽然在这个实施方案中气流通道的三维形状基本上与实施方案1中的相同，但可以将开孔部分制成类似于常规气相沉积装置的气流通道开孔部分。

甚至当气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14之间的空间21的面积仍然相同时，如实施方案1中的这种结构也减少了源气体流出的流导性能。

图7是比较使用常规MOCVD装置和本发明实施方案2的MOCVD装置生长的GaN层的厚度分布的图。在所示的每一个实例中，在2英寸的基板上生长GaN层。从图中可以看出，这个实施方案的MOCVD装置改善了整个基板上厚度分布。

利用如实施方案1中的这种结构，由于减少了气体流出的量的变化，源气体的流动变得稳定并且整个基板平面上薄膜的结晶度和层厚度的均匀性得到了保证。

虽然在实施方案1和2中显示了孔结构的具体实例，但本发明不受这些实例的限制，不允许气体从中流过的任何孔结构均能应用于本发明中。例如，如图8所示，可方便地使用这种孔结构，即在气流通道12的开孔部分16和基板夹持部件14之间的空间是从气流通道内部向外部弯曲。

应该认为，本文中所述的实施方案在任何方面都是用于说明而不是限制性的。本发明的范围不应由所述实施方案限定，而是由权利要求书确定，并且因此所有落在所附权利要求等同方案的含义和范围内的变化都应该被包含在本发明中。

Claims (10)

1、一种气相沉积装置，包括：

包括在其上夹持基板的基板夹持面的基板夹持部件；

用于向所述基板上提供源气体的气流通道，所述气流通道含有上壁和下壁；

设置在所述气流通道下壁的开孔部分，所述基板夹持部件的基板夹持面装入开口部分，同时在所述基板夹持面和所述开孔部分之间形成一空间；和

用于减少气体通过开孔部分和基板夹持部件之间的空间泄漏的装置。

2、根据权利要求1所述气相沉积装置，其中用于减少气体泄漏的装置通过使所述空间从气流通道内部弯曲到其外部而形成的。

3、根据权利要求1所述气相沉积装置，其中用于减少气体泄漏的装置包括：

在向上方向凹进的上凹部分，所述上凹部分沿开孔部分的外围并且在所述气流通道下壁厚度部分设置；和

从所述基板夹持部件侧壁横向突出的边缘凸出部分，当所述基板夹持部件的基板夹持面处于装入开孔部分的状态时，所述边缘装入上凹部分同时在所述边缘和上凹部分之间形成一空间。

4、根据权利要求3所述气相沉积装置，其中在所述气流通道的开孔部分和基板夹持部件之间形成的空间包括弯曲通道，所述弯曲通道包括：从气流通道内部向下延伸的第一通道、从所述第一通道末端横向延伸的第二通道、和从所述第二通道末端向所述气流通道外部向下延伸的第三通道。

5、根据权利要求1所述气相沉积装置，其中用于减少气体泄漏的装置包括从所述基板夹持部件侧壁横向突出的边缘，当所述基板夹持部件的基板夹持面处于装入开孔部分的状态时，同时在所述边缘和气流通道的下壁之间形成一空间。

6、根据权利要求5所述气相沉积装置，其中在所述气流通道的开孔部分和基板夹持部件之间形成的空间包括弯曲通道，所述弯曲通道包括由从气流通道内部向下延伸的第一通道和从所述第一通道末端向气流通道外部横向延伸的第二通道。

7、根据权利要求1所述气相沉积装置，还包括用于旋转所述基板夹持部件的装置。

8、根据权利要求1所述气相沉积装置，还包括：

用于加热基板的加热器，夹持基板的基板夹持部件安装在所述加热器上，所述加热器在垂直方向可以移动并且设置在气流通道开孔部分以下；

用于将所述基板夹持部件固定在所述加热器上的安装装置；和

用于移动其上固定有所述基板夹持部件的加热器且同时将所述基板夹持部件的基板夹持面装入所述气流通道开孔部分的移动装置。

9、根据权利要求1所述气相沉积装置，所述基板夹持部件包括沿其侧壁上设置有边缘的盘。

10、根据权利要求1所述气相沉积装置，其中所述气相沉积装置用作氮化物半导体气相沉积用的金属有机化学气相沉积装置。

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