TW201122150A - Chemical vapor deposition apparatus and a control method thereof - Google Patents

Description

201122150 六、發明說明：

本申請案主張20 一 第 10-2010-00111 國專利申請案第 在此以引用的方式併入本發明中。 【發明所屬之技術領域】 本發明提供一種化學氣相沈積（CVD)設備及其控制方 法，且更特定而言之，是提供一種具有感測管的化學氣 相沈積设備及其控制方法，溫度計可在不接觸基座或基 板的情況下，透過該感測管來感測溫度。 【先前技術】 化學氣相沈積（CVD)設備是用來在晶圓上沈積薄膜的 設備。特別是，有機金屬化學氣相沈積（MOCVD)設備是 用來藉由供給III及V族化合物至一腔室中，在基板上 沈積氣化鎵（gallium nitride)薄膜的設備。 為了沈積氮化鎵薄膜，有機金屬化學氣相沈積設備需 在600°C至1300°C的高溫下執行製程。因為如此的高 溫，造成很難對基板或基座使用接觸式溫度計。 因此’有機金屬化學氣相沈積（MOCVD)設備使用非接 觸式溫度計，例如紅外線溫度計或光度高溫計。 另外’提供具有感測管的化學氣相沈積（CVD)設備， 201122150 該感測管穿越通過界於非接觸型溫度計與處理室之間， 因此位於處理至外側的非接觸型溫度計可以感測被放置 在處理室内側的基板溫度。 然而，因為感測管與處理室相連接，所以某些製程氣 體在製程期間會回流至感測管中。假如該製程氣體沈積 在感測管的内壁上，會造成感測管内壁阻塞或影響溫度 的感測。 【發明内容】 本發明提供一種化學氣相沈積（CVD)設備及其控制方 法，在此設備中通過感測管將淨化氣體朝基板或基座的 方向注入，以避免製程氣體被導引至感測管中。 在一態樣中，一種化學氣相沈積（CVD)設備包含：一 腔室；一基座，其被提供在該腔室中並且在基座上放置 基板’· 一製程氣體供給單元，其被放置在基座的上方並 且供給製程氣體；一感測管，其被放置在基座的上方且 開口朝向基座或基板；_溫度感測構件，其被設置在感 測管的一端且通過感測管來感測基座或基板的溫度；以 及一淨化氣體供給單元，其將淨化氣體注入感測管中。 在其他態樣申，一種化學氣相沈積（CVD)設備包含： 一腔至，一基座，其被提供在該腔室中並且在基座上放 置基板；一製程氣體供給單元，其被放置在基座的上方 並且供給製程氣體；一感測管，其被放置在基座的上方 201122150 並開口朝向基座或基板；一溫度感測構件，其被設置在 感測管的一端且通過感測管來感測基座或基板的溫度； 一第一淨化氣體供給單元’其將第一淨化氣體注入感測 管中；以及一第二淨化氣體供給單元，其將第二淨化氣 體注入感測管中。 在其他態樣中，一種控制化學氣相沈積（CVD)設備的 方法’其包含：將基板放置在被提供在一腔室内側的基 座上、加熱基板與基座、將製程氣體注入該腔室中、將 淨化氣體注入感測管中、且通過感測管感測基板或基座 的溫度。 【實施方式】 以下詳細說明本發明的較佳實施例以供參考，利用以 下的附圖來說明本發明的實例，其中相同的元件符號代 表相同的兀件。以下所描述的實施例可藉由參考附圖的 方式來解釋本發明。 以下，將根據本發明的第一示例性實施例來描述一種 化學沈積（CVD)設備。 第1圖疋根據本發明的第一示例性實施例來圖示一種 化學氣相沈積（CVD)設備的截面圖。如第1圖所示，在 此實施例中，一種有機金屬化學氣相沈積（M0CVD)設備 包含：形成外部外觀的腔室100。並且，在腔室100的 内側上方提供製程氣體供給單元i i 〇並且將⑴及V族 201122150 氣體注入腔室100中。 藉由噴氣頭（shower head)來執行製程氣體供給單元， 該喷氣頭包含第一製程氣體供給通道114、第二製程氣 體供給通道115以及冷卻通道π 6。第二製程氣體供給通 道115與第一製程氣體供給通道丨14是分開裝備，因此 第一製裎氣體與第二製程氣體不會彼此混合。每一個第 一製程氣體供給通道114與第二製程氣體供給通道115 是與冷卻通道116交叉形成。冷卻水流動通過冷卻通道 116並且降低位於喷氣頭底部的溫度。此可避免製程氣 體在噴氣頭底部反應。 或者，製程氣體供給單元110可以噴嘴（nozzle)的形式 來實現。 在製程氣體供給單元110下方提供一基座。在基座120 上放置複數個基板S。在基座120下方提供一旋轉軸 160’以及在延伸至該腔室100外側的旋轉軸16〇的低端 上裝設馬達1 7 0。在此實例中’當執行製程時，藉由旋 轉轴160及設置在腔室1〇〇外側的馬達170來轉動基座 120 ° 在腔室100中，將用來加熱基座120的加熱器130裝 設在基座120下方。可提供複數個加熱器13〇。加熱器 130可加熱放置在基座120上的基板S達到600 °C至1300 C的溫度。在此使用鶴加熱器（tungsten heater)、射頻加 熱器（radio frequency heater)或類似的加熱器，作為加熱 器 130。 201122150 在基座120與加熱器130的側邊提供一分隔壁15〇並 且延伸至腔室1〇〇的底部。並且，將具有” j”形狀的襯墊 140設置在界於分隔壁150與腔室1〇〇的内壁之間。襯 墊140可避免粒子沈積在腔室1〇〇的内側與分隔壁15〇 上。在此，襯墊140可由石英所製造。在此示例性實施 例中’使用者可選擇是否要使用襯墊！ 4〇。 可在腔室100的較低部分形成排放管19〇，透過排放 管可排放製程完成後所殘留的氣體及粒子。排放管19〇 與形成在襯塾140中的孔洞180連接。因此，可藉由襯 墊140導引殘留的氣體與粒子，並且透過排放管丨9〇來 排放。而且，可在排放管19〇中設置用來淨化排放氣體 等等的幫浦（未圖示）、氣體洗滌器（未圖示）。 同時，如第1圖所示，非接觸式溫度計2〇〇可設置在 製程氣體供給單元11 〇的外側上方，作為用來感測位於 腔至100内側的基板s或基座12〇溫度的溫度感測構 件。即使其未圖示，非接觸式溫度計可設置在腔室（〇〇 的上蓋處。並且，在製程氣體供給單元11〇中提供感測 管1 Π ’因此非接觸式溫度計2〇〇可在處理腔室的外側感 測基板S或基座120的溫度。 以下，將詳細描述根據本發明第一示例性實施例的非 接觸式溫度計200及感測管⑴。第2圖是根據本發明的 第示例丨生貫施例來圖示在化學氣相沈積（cvd)設備中 的感測管的截面圖。 裝矛翊間，將放置基板S或基座120的腔室1〇〇(意 201122150 即，處理室)的内側溫度提高至幫。因此，需使用非 接觸式溫度計200作為感測基板s或基座12〇溫度的溫 度感測構件，如第2圖所示，非接觸式溫度計200被設 置在處理室外側。 可使用光度高溫計作為非接觸式溫度計200,該光度 高溫計是藉由比較目標亮度與參考亮度來測量溫度，或 使用根據目標所放射出的紅外線能量㈣測溫度之紅外 線溫度計，作為非接觸式溫度計2〇〇。 在穿過非接觸式溫度計2〇〇與處理室之間提供感測管 111’因此Μ在處理室外側的非接觸式溫度計可感 測放置在處理室内側ΑΑ # 4c C _v- 4* 的基板S或基座120的溫度。 如第2圖所示，感測答；η叮咖 砍刺& 111可穿過喷氣頭，該喷氣頭 是作為製程氣體供給單元110。 非接觸式溫度計200可被放置在感測管U1的上端。 並且，形成感測管111低端的出口 U2係開π朝向基座 12 〇。感測管1 η的開σ，认古 旳開口 112的直徑可小於感測管lu主 體的内徑。 :而’因為感測管lu的開σ U2與處理室連接，所 版程氣體可通過感測管U1的開口山回流至感測管 中。饭如製程氣體被導引至感測管⑴中，其可能會 沈積在感測管1U的内壁上以 φ ^ 非接觸式溫度計200的 Ρ刀上。更進-步地，其會阻塞感測管m。 ^是’假如被導引至感測管lu中的製程氣體沈積 非接觸式溫度計200的透鏡部分上 刀上’會造成在感測溫 201122150 度上大的誤差》 因此，根據本發明第一示例性實施例提供一種化學氣 相沈積（CVD)設備，其在感測管lu的上部的一側上具有 淨化氣體供給單元2 1 〇 ’以便將淨化氣體注入感測管】工i 中。在製程期間，淨化氣體供給單元21〇連續的供給淨 化氣體至感測管111的内側。通過感測管1 i i的開口 i夏2 連續地釋放被注入感測管1U中的淨化氣體，並且避免 導引製程氣體通過感測管U1的開口 112。在此時，使用 惰性氣體作為淨化氣體，如：氮氣或氫氣。 假如使用惰性氣體作為淨化氣體，其不會影響腔室i 〇 〇 内侧的製程條件。然而’過度大量的淨化氣體可改變製 程條件。換句話說’過度小量的淨化氣體無法充分防止 雜質被導入通過感測管111的開口 112。 因此根據本發明不例性實施例的淨化氣體供給單元 210可配置具有控制器220’例如質流控制器⑽ss fi〇w c〇ntr〇ller)或自動壓力控制器（aut〇咖咖conquer)， 用來控制被注人感測管U1的淨化氣體的流動或壓力。 在此實例中’可依據製程適當地改變淨化氣體的流動或 壓力。可根據使用者的選擇來提供控制器22〇。 同時，作為製程氣體的氨氣可作為淨化氣體，其藉由 淨化氣體供給單元210來供給。因為氨氣本身為製程氣 體，即使將大量的氨氣注人通過感測管ui，對於蟲晶製 程（epitaxial process)也不會有任何影響。 在提供氣氣作為淨化翁體^^1 p H 1匕虱髖的例子中，淨化氣體供給單 201122150 元210可具有控制器22〇，例如質流控制器（MFC)或自動 壓力控制器（APC)，用來控制被注入感測管111的氨氣 量’因此’可根據製程供給適當壓力的氨氣。 在本不例性實施例中’為何氨氣會透過感測管u丨而 注入的原因，其係因為在此示例性實施例的化學氣相沈 積（CVD)設備是藉由使用ΙΠ及v族反應氣體來沈積氮化 鎵層的有機金屬化學氣相沈積（M〇CVD)設備來實施。因 此，假如製程氣體不同，則會注入不同的製程氣體通過 感測管111。 同時’在尚未供給淨化氣體或製程周遭環境改變時， 雜質可被導引以及附接至放置在非接觸式溫度計200前 端的透鏡部分上》 因此’可在感測管111與非接觸式溫度計200之間提 供一視窗113，因此可避免雜質直接附接至物鏡上。 視由113可包含石英或對於化學物質具有良好強度與 抵抗力的類似物。同樣地，非接觸式溫度計2〇〇可分開 地裝在感測管111的上側，並且視窗丨丨3可分開地設 置在界於感測管111頂端與非接觸式溫度計200之間。 在此實例中，將非接觸式溫度計200從感測管i i丨拆卸 後，可藉由分開視窗113來定期的清潔附接在視窗i i 3 上的雜質。 以下，將根據本發明的第二示例性實施例來描述一種 化學氣相沈積（CVD)設備。 第3圖疋根據本發明的第二示例性實施例來圖示一種 201122150 化學氣相沈積（CVD)設備的戴面圖。第4圖是根據本發 明的第二示例性實施例來圖示在化學氣相沈積（CVD)設 備中的感測管的截面圖。當與第一示例性實施例比較 時，相同的符號代表相同的元件，並且為了描述上的方 便’而省略重複性的描述。 在第一示例性實施例中提供的化學氣相沈積（CVD)設 備，在感測管1 11上部的_側上具有淨化氣體供給單元 210，以便將淨化氣體注入感測管lu中（參考第i圖及 第2圖）。並且，藉由淨化氣體供給單元21〇所供給的淨 化氣體可選擇性的使用以下其中一種氣體：氮氣、氫氣 及氨氣。 相反地，在第二示例性實施例中，分開地提供第一淨 化氣體供給單元211及第二淨化氣體供給單元212，使 其個別地注入不同種類的淨化氣體至感測管丨丨1中（參考 第3圖及第4圖）。 在感測管m上部的—側上提供第—淨化氣體供給單 元211，並且將第一淨化氣體注入至感測管m中。可使 用惰性氣體作為第-淨化氣體，例如1氣或氫氣。視需 要’第一淨化氣體供給單元211可具有控制器221，例 如質流控制器(MFC)或自動壓力控制器(Apc)，用來控制 被注入感測管111的第—淨化氣體的流動或壓力，因此 可根據製程來控制第一淨化氣體的流動或壓力。 在感測管111較低部分的一側 耵側上提供第二淨化氣體供 給單元212 ’並且將第二淨化t㈣ 轧體/主入至感測管111中t 12 201122150 可使用製程氣體作為第二淨化氣體，例如氨氣'然而， 假如已經使用製程氣體作為第—淨化氣體，那麼則使用 惰性氣體料第：淨化龍。視需要，第二淨化氣體供 給单凡212亦可具有控制_如，例如質流控制器⑽c) 或自動壓力控制器（APC)，其用來控制被注人感測管ηι 的第二淨化氣體的流動或壓力，因此可根據製程來控制 第二淨化氣體的流動或壓力。 根據本發明的第

示例性實施例的化學氣相沈積 ~起釋放淨化氣體與大 量的氨t，所以可更有效率的避免製程氣體回流至感測 管111中。 根據本發明的第一及第二示例性實施例，化學氣相沈 積（CVD) &又備由感測管U i的内侧連續地釋放淨化氣體 或氨氣至位於感測管U1底端的出口 112，因此避免製程 氣體被導引至感測管1Π中。 因此，非接觸式溫度計200可準確地穿過感測管i 1 j 來感測基板S或基座120的溫度，因此可以高品質來沈 積薄膜。 而且’能夠放大感測管111的出口 112，該出口 112 為了要避免製程氣體被導引至感測管111中，因此形成 越窄的出口越好。當放大感測管111的出口丨丨2時，非 接觸式溫度計200可使用具有較低開口數相對便宜的物 鏡。因此’即使非接觸式溫度計200為相對便宜並且具 有較低性能，但其性能足夠準確的感測溫度。 13 201122150 本發明的第二示例性實施例的實驗結果顯示，具有直 徑為2.6mm的傳統感測管出口在光度高溫計的解析度以 及溫度感測性能上是與以下實施例相似，該實施例放大 出口 112到其具有3.5mm的直徑，並且該光度高溫計具 有與傳統光度尚溫計比較起來低丨〇 %或更多的開口數。 同時，根據本發明的第一及第二示例性實施例，可以 複數型態來設置與形成非接觸式溫度計200與感測管 111，用以感測位於複數個位置上的基板s與基座12〇。 以下，將根據本發明的示例性實施例來描述一種控制 化學氣相沈積（CVD)設備的方法。第5圖是根據本發明 的一示例性實施例的一種控制化學氣相沈積（CVD)設備 的方法的流程圖。 在此示例性實施例中，控制化學氣相沈積（CVD)設備 的方法，其包含：在操作sl〇〇中，將基板s放置在裝設 在腔至100内側的基座120上方；在操作S2〇〇中，加熱 基板S或基座120;在操作S3〇〇中，將製程氣體注入該 腔至1 00中；在操作S4〇〇中，透過感測管1丨丨注入淨化 氣體’在操作S500中，控制淨化氣體的壓力；在操作 S600中’透過感測管111來感測基板S或基座120的溫 度，以及在操作S700中，控制基板s或基座12〇的溫度。 在根據此示例性實施例的化學氣相沈積（CVD)設備 中在操作sl〇〇中，至少一個基板s被放置在腔室100 内側的基座12G上，用以執行與基板s相關的沈積製程。 在操作S200中’用來控制溫度的加熱器ι3〇將基座 14 201122150 120及/或基板S加熱。為了將基座12〇及/或基板s加熱， 根據製程中所需的溫度’加熱器13〇可改變其溫度由6〇〇 °(：至1300°C。在藉由加熱器13〇來加熱基板s的狀態下， 在操作S300中，當使用示例方法將ΙΠ及v族製程氣體 供給至基板S時，在基板S上生長氮化鎵層。 同時，一般是在製造發光二極體（LED)時執行用來生長 氮化鎵層的磊晶製程。在此例子中，改變基板的溫度以 及製程氣體的種類來生長量子井（quantum_well)層。在此 時，改變溫度必需準確地執行以高品質來製造LEd。 儘管溫度是藉由加熱器13〇來調整，為了有效率地達 到加熱器130的溫度調整，溫度感測構件2〇〇必須準確 的感測基板S或基座12〇的溫度。 然而，在製程期間，某些製程氣體會被導引通過感測 管111的出π 112 J_沈積在感測管i i 1的内壁或溫度感 測構件2 0 〇的透鏡都公μ θ Μ 幻达蜆。Ρ刀上。尤其是，假如雜質被沈積在 透鏡部分上，在感測溫度上會產生許多誤差。 因此，在操作S400中’淨化氣體例如氮氣、氫氣或氨 氣(亦即，一部分的製成氣體)被注入感測管m中，並且 透過感測管 穿過感測管 ill的出口 112被釋放，其可避免製程氣體 1 π的出口 112回流至感測管丨J i中。 假如為了避免製程氣體回流，而將氮氣或氣氣大量的 注入感測管m中’導致注入大量的淨化氣體至處理室 中且：擾亂磊晶製程本身。因此，在操作S5〇〇中，根據 製程提供控制器220,例如f流控制器（Mfc)或自動屋力 15 201122150 控制器（APC) ’用來控制被注入感測管}丨丨的淨化氣體的 流動或壓力’藉此控制淨化氣體的流動或壓力。 以前述的配置，在操作S6〇〇中，溫度感測構件2〇〇可 準確地感測基板s或基座120的溫度。而且，在操作S7〇〇 中，加熱器130可根據準確感測的溫度來精確地控制溫 度。結果，可以高品質來製造發光二極體（led)元件。 當參考不例性實施例來詳盡地說明及描述本發明時， 在熟悉此技術領域者應瞭解到，可在不偏離藉由附加申 請專利範圍所界定的本發明精神及範鳴 形式與細節的變化。示例性實施例僅視為描== 意圖作為限制。因此，本發明的範嘴並非以[實施方式] 來界定而是以附加的巾請專利範圍來界定，並且所有在 範疇内的變化將被理解為包含在本發明之中。 【圖式簡單說明】 第1圖是根據本發明的第一示例性實施例來圖示-種 化學氣相沈積（CVD)設備的截面圖。 第2圖是根據本發明的第一示例性實施例來圖示在化 學氣相沈積(CVD)設備中的感測管的截面圖。 =3圖是根據本發明的第二示例性實施例來圖示一種 化千氣相沈積（CVD)設備的截面圖。 J4圖是根據本發明的第二示例性實施例來圖示在化 子氣相沈積(CVD)設備中的感測管的戴面圖。 201122150 第5圖是根據本發明的一示例性實施例的一種控制化 學氣相沈積（CVD)設備的方法的流程圖。 【主要元件符號說明】 100腔室 110製程氣體供給單元 111感測管 112 出口 113視窗 114第一製程氣體供給通道 115第二製程氣體供給通道 11 6冷卻通道 120基座 130加熱器 140襯塾 150分隔壁面 160旋轉軸 170馬達 180孔洞 190排放管 200非接觸式溫度計 210淨化氣體供給單元 211第一淨化氣體供給單元 17 201122150 2 1 2第二淨化氣體供給單元 220控制器 221第一控制器 222 第二控制器 S基板 18

Claims (1)

1. 201122150 七、申請專利範圍： 1. 一種化學氣相沈積（CVD)設備，其包含： 一腔室； 一基座，其被提供在該腔室的内側且在該基座上放置 一基板； 一製程氣體供給單元’其被放置在該基座上方且提供 製程氣體； 一感測管’其被放置在該基座上方且開口朝向該基座 或該基板； 一溫度感測構件’其被裝設在該感測管的—端且穿過 該感測管來感測該基座或該基板的溫度；以及 一淨化氣體供給單元’其將淨化氣體注入該感測管 中。 2·如申請專利範圍第1項之化學氣相沈積（CVD)設備， 其中注入該感測管中的該淨化氣體包含由以下選擇的〆 種氣體：氮氣、氫氣以氨氣。 3·如申請專利範圍第i項之化學氣相沈積（CVD)設備， 其中該淨化氣體供給單元更進一步包含一控制器，用來 控制被注入該感測管中的該淨化氣體供給量。 如申請專利範圍第1項之化學氣相沈積（CVD)設備， 201122150 其中該感測管包含一中空結構穿透該淨化氣體供給單 元。 5.如申請專利範圍第1項之化學氣相沈積（CVD)設備， 其中該感測管包含一出口，其直徑小於該感測管主體的 一内徑。 6·如申靖專利範圍第1項之化學氣相沈積（CVD)設備， 其更進一步包含一視窗’介於該感測管與該溫度感測構 件之間。 7. 如申請專利範圍第6項之化學氣相沈積（CVD)設備， 該視窗包含石英。 8. 如申請專利範圍第1項之化學氣相沈積設備， 其中該溫度感測構件包含一非接觸式溫度計。 9. 一種化學氣相沈積（CVD)設備，其包含： 一腔室； 一基座’其被提供在該腔室内側且在該基座上放置一 基板； 一製程氣體供給單元，其被放置在該基座上方且提供 製程氣體； 一感測管’其被放置在該基座上方且開口朝向該基座 201122150 或該基板； 一溫度感踯構件，其被裝設在該感測管的一端且穿過 該感測管來感測該基座或該基板的溫度； 一第一淨化氣體供給單元，其將第一淨化氣體注入該 感測管中；1¾ & 一第二淨化氣體供給單元，其將第二淨化氣體注入該 感測管中。 10. 如申請專利範圍第9項之化學氣相沈積（CVD)設 備’其中该第一淨化氣體包含氮氣及氫氣之一者，以及 該第二淨化氣體包含氨氣。 11. 如申請專利範圍第9項之化學氣相沈積（CVD)設 備’其中該第一淨化氣體供給單元更進一步包含一第一 控制器，用以控制注入該感測管中的該第一淨化氣體供 給量，以及該第二淨化氣體供給單元更進一步包含一第 二控制器，用以控制注入該感測管中的該第二淨化氣體 供給量。 12. 如申請專利範圍第9項之化學氣相沈積（cvd)設 備，其中該感測管包含一中空結構穿透該淨化氣體供給 單元。 13. 如申請專利範圍第9頊之化學氣相沈積（CVD)設 21 201122150 備，其中該感測管包含一出口，其直徑小於該感測管主 體的一内徑。 * 14.如申請專利範圍第9項之化學氣相沈積（CVD)設 備，其更進一步包含一視窗，其位於該感測管之一上端 處。 15. 如申請專利範圍第14項之化學氣相沈積（CVD)設 備，該視窗包含石英。 16. 如申請專利範圍第9項之化學氣相沈積設 備’其中該溫度感測構件包含一非接觸式溫度計。 17. —種控制化學氣相沈積（cvD)設備的方法，該方法包 含： 將一基板放置在提供在一腔室内側的一基座上； 加熱該基板及/或該基座； 將製程氣體注入該腔室中； 將淨化氣體注入一感測管中；以及 穿過該感測管來感測該基板或該基座的溫度。 18. 如申請專利範圍第17項之方法’其中將該淨化氣體 注入該感測管中，其包含由以下選擇之一種氣體：氣氣、 氫氣以氨氣。 22 201122150 19. 如申請專利範圍第17項之方法，其更進一步包含控 制注入該感測管的該淨化氣體之一供給量。 20. 如申請專利範圍第1 7項之方法，其更進一步包含控 制該基板或該基座的溫度。