TWI755659B

TWI755659B - 降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備

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Publication number: TWI755659B
Application number: TW108144977A
Authority: TW
Inventors: 林俊成; 鄭耀璿
Original assignee: 天虹科技股份有限公司
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2022-02-21
Also published as: TW202122608A

Abstract

本案揭露一種降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備。所述設備具有沉積腔體、冷卻腔體以及冷卻加載互鎖腔體。在物理氣相沉積製程中，基板於沉積腔體中受到氮化鋁的沉積，並在真空環境下於冷卻腔體及冷卻加載互鎖腔體中進行冷卻，以避免高溫的氮化鋁鍍膜基板暴露於大氣環境而造成其表面氧化物的生成。本發明所述的方法與設備可進一步降低氮化鎵沉積於氮化鋁之表面氧化物所造成的結晶缺陷。

Description

降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備

本發明係關於一種降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備，尤其指一種在物理氣相沉積製程中，可降低氮化鋁的表面氧化物的生成量，以降低後續製程之氮化鎵堆疊於氮化鋁的表面氧化物之上所造成的缺陷問題的一種方法與設備。

在發光二極體(light emitting diode,LED)的製造過程中，需將發光材料「氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)化合物」鍍於基板上。所述基板一般選用藍寶石基板，其具有三氧化二鋁(即，氧化鋁(Aluminum Oxide,Al₂O₃))的結晶。由於氮化鎵的晶格與三氧化二鋁的晶格大小差異較大，若直接使兩者堆疊則易發生錯位(mismatch)問題，進而導致插排缺陷(dislocation)的問題，並降低發光二極體的發光效率。

一般而言，解決上述問題的方法係於氮化鎵與三氧化二鋁之間加入一層氮化鋁(Aluminum Nitride,AlN)以作為緩衝材料。氮化鋁的晶格介於氮化鎵與三氧化二鋁的晶格之間，故與所述二者皆有良好的堆疊效果，並可有效地降低氮化鎵與藍寶石基板之間的缺陷，以提高發光二極體的發光效率。

因此，一般於發光二極體的製程中，係先將氮化鋁鍍於三氧化二鋁上，再將氮化鎵鍍於氮化鋁上。然而，當氮化鋁鍍於三氧化二鋁之後，卻仍發現氮化鎵的堆疊發生缺陷，並影響發光二極體的亮度、波長與壽命。由於氮化鋁表面常生成氧化物，導致氮化鎵實際是堆疊於氮化鋁之表面氧化物，而非堆疊於氮化鋁，故氮化鎵的堆疊缺陷係來自與不正確的目標物堆疊而產生。

因此，為了克服昔知技術的不足之處，本發明實施例提供一種降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備。所述方法與設備是使基板在沉積氮化鋁後，於真空環境之下在冷卻腔體及冷卻加載互鎖腔體使氮化鋁鍍膜基板進行冷卻，以防止氮化鋁鍍膜基板在高溫時接觸大氣環境而造成表面氧化物的生成，以藉此使後續製程欲沉積之氮化鎵可堆疊到正確的目標物，以減低氮化鎵堆疊缺陷並提高發光二極體的發光效率。

基於前述目的的至少其中之一者，本發明實施例提供之降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法是用於物理氣相沉積製程。所述方法包括步驟A至步驟C。於步驟A中，係於第一真空環境下，對基板沉積氮化鋁，以形成氮化鋁鍍膜基板。於步驟B中，係於第二真空環境下，使氮化鋁鍍膜基板進行第一階段冷卻。於步驟C中，係於第三真空環境下，使氮化鋁鍍膜基板進行第二階段冷卻。

可選地，於所述步驟B中，冷卻的方法是接觸式冷卻法、靜置冷卻法或氣體冷卻法。

可選地，在所述冷卻的方法為氣體冷卻法時，用以冷卻的氣體為惰性氣體。

可選地，於所述步驟B中，氮化鋁鍍膜基板進行第一階段冷卻的冷卻腔體之冷卻溫度介於攝氏150-250度。

可選地，於所述步驟C中，氮化鋁鍍膜基板進行第二階段冷卻的冷卻腔體之冷卻溫度小於攝氏100度。

基於前述目的的至少其中之一者，本發明實施例提供之降低氮化鋁的表面氧化物生成的設備是用於物理氣相沉積製程。所述設備包括一個脫氣加載互鎖腔體(load lock)、至少一個沉積腔體、一個冷卻腔體以及一個冷卻加載互鎖腔體。所述脫氣加載互鎖腔體用以提供真空環境給至少一個基板，所述沉積腔體用以對所述至少一個基板沉積氮化鋁，以形成至少一個氮化鋁鍍膜基板，所述冷卻腔體使氮化鋁鍍膜基板進行第一階段冷卻，以及所述冷卻加載互鎖腔體使氮化鋁鍍膜基板進行第二階段冷卻。

可選地，所述冷卻腔體更包括至少一個承載盤以及至少一個冷卻底座。所述承載盤承載及接觸氮化鋁鍍膜基板以進行第一階段冷卻，以及冷卻底座用以提供惰性氣體到承載盤的背面，以冷卻承載盤。可選地，所述冷卻腔體更包括插槽座。所述插槽座具有複數插槽，用以容置氮化鋁鍍膜基板以進行第一階段冷卻。

可選地，所述插槽的每一者具有複數墊片，用以減少與氮化鋁鍍膜基板的接觸面積以緩衝氮化鋁鍍膜基板受到冷卻的溫度。

可選地，所述降低氮化鋁的表面氧化物生成的設備更包括至少一個載出/載入機模組(load port)以及設備前端模組(equipment front end module)。所述載出/載入機模組用以放置裝載基板的裝載盒。所述設備前端模組具有對準器(aligner)，其中對準器用以對準基板的凹口(notch)。。

簡言之，本發明實施例提供的降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備可降低氮化鋁的表面氧化物的生成量，藉此使氮化鎵係堆疊於正確的目標物「氮化鋁」而非「氮化鋁的氧化物」，以利後續製程之氮化鎵堆疊缺陷降低，並提高產物的品質，故於對需沉積氮化鋁有需求之製程與市場(例如發光二極體)具有優勢。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，配合所附圖示，做詳細說明如下。

2:降低氮化鋁的表面氧化物生成的設備

201:載出/載入機模組

202:設備前端模組

2021:對準器

203:脫氣加載互鎖腔體

204:燈具脫氣腔體

205:沉積腔體

206:冷卻腔體

2061:插槽

2062:插槽

206B:第二型冷卻腔體

207:冷卻加載互鎖腔體

HP206:插槽座

H206:冷卻底座

P206:承載盤

P2062:墊片

R206:夾環

S501-S503:步驟

W2:氮化鋁鍍膜基板

[圖1A]是昔之技術的發光二極體之理想沉積結果的示意圖。

[圖1B]是昔之技術的發光二極體之沉積物的穿透式顯微鏡影像與能量散射光譜。

[圖2]是本發明實施例之物理氣相沉積設備的示意圖。

[圖3A]是本發明實施例之第一型冷卻腔體內之基板承載架的示意圖。

[圖3B]是本發明實施例之一種態樣的第一型冷卻腔體的內部示意圖。

[圖3C]是本發明實施例之另一種態樣的第一型冷卻腔體的內部示意圖。

[圖4]是本發明另一實施例之第二型冷卻腔體的示意圖。

[圖5]是本發明實施例之降低氮化鋁的表面氧化物生成的步驟流程圖。

[圖6]是本發明實施例之氮化鋁結晶的X光繞射分析圖。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之試驗例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後。

本發明提供一種降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備，所述方法與設備可解決於發光二極體製程中，經沉積的氮化鋁產生氧化物而造成氮化鎵堆疊缺陷的問題。請參照圖1A，圖1A為昔之技術的發光二極體之理想沉積結果的示意圖。如圖1A所示，傳統的發光二極體製程中，通常是於三氧化二鋁的藍寶石基板上沉積緩衝材料「氮化鋁」，並於氮化鋁上沉積發光材料「氮化鎵」。

在物理氣相沉積(Physical vapor deposition,PVD)製程中，當將氮化鋁沉積到藍寶石基板(三氧化二鋁)後，一般是將表面沉積有氮化鋁的基板傳送到大氣環境以進行冷卻。然而，高溫的氮化鋁若暴露於大氣環境中，將使其表面容易發生氧化作用，並生成一層氮化鋁的氧化物。請參照圖1B，圖1B是昔之技術的發光二極體之沉積物的穿透式顯微鏡(Transmission electron microscope,TEM)影像與能量散射光譜(Energy Dispersive Spectroscopy,EDS)。如圖1B所示，實務的結果顯示在氮化鋁薄膜(厚度約為20.8奈米，但本發明不以此為限制)的上方具有一層大約6.6奈米的氮化鋁氧化物薄膜(本發明不限制氮化鋁氧化物薄膜的厚度)，而這一層氧化物將導致後續製程中，欲堆疊於氮化鋁的氮化鎵實際是堆疊於氮化鋁的氧化物，所述氧化物影響氮化鎵沉積時的結晶方向與結晶度，而造成氮化鎵的堆疊缺陷，並因此降低發光二極體的發光亮度、波長與壽命。於本發明實施例中，將提供一套方法與設備，以降低氮化鋁氧化物的生成量，藉此提高發光二極體的效率。

首先，請參照圖2A，圖2A是本發明實施例之物理氣相沉積設備的示意圖。如圖2A所示，所述於物理氣相沉積製程中降低氮化鋁的表面氧化物生成的設備2具有兩個載出/載入機模組(load port)201、一個設備前端模組(equipment front end module)202及其對準器(aligner)2021、一個脫氣加載互鎖腔體(load lock)203、兩個燈具脫氣腔體(lamp degas chamber)204、三個沉積腔體205、一個冷卻腔體206，以及一個冷卻加載互鎖腔體207。於本發明實施例中，載出/載入機模組201、燈具脫氣腔體204與沉積腔體205皆具有複數個，但本發明不以該等腔體或模組的數量為限制，以及本發明亦不以冷卻腔體206的數量為限制。

當即將開始進行氮化鋁的物理氣相薄膜沉積時，裝載藍寶石基板(三氧化二鋁)的裝載盒將被放置於載出/載入機模組201並鎖付以做固定，接著，裝載盒的門被開啟，以使置於其內的藍寶石基板可被傳送到設備前端模組202。本發明實施例是以三氧化二鋁材料作為基板，但本發明不以基板的類型為限制，任何可受氮化鋁沉積之材質皆是本發明所涵蓋之範圍。

接著，設備前端模組202的對準器2012可根據承載藍寶石基板之承載盤的凹口(notch)進行對準，使承載盤與藍寶石基板的角度可被調整至目標角度，但本發明不以此為限制。

進一步地，藍寶石基板可以依序於脫氣加載互鎖腔體203創造真空環境，接著進到脫氣腔體204脫氣，其中在創造真空環境與脫氣時，脫氣加載互鎖腔體203的真空值(壓力)可達到不大於100毫托(mTorr)，以及燈具脫氣腔體204的真空值可達到不大於50毫托，以避免接下來的沉積過程中，大氣中的非目標物掉落或沉積於藍寶石基板。

接著，處於真空環境的藍寶石基板被傳送到沉積腔體205以進行氮化鋁的沉積，其中沉積腔體需提供第一真空環境，使真空值達到不大於5E-6(0.000005)托(Torr)方可進行沉積作用。在沉積的過程中，製程溫度係大於或等於攝氏300度，而較佳的製程溫度係大於或等於攝氏350度，以及更佳的製程溫度係大於或等於攝氏400度，以達到較好的沉積氮化鋁的效果。所述沉積作用僅需於其中一個沉積腔體205中進行，且不限制與不固定於某一個特定的沉積腔體205。

進一步地，在藍寶石基板受氮化鋁的沉積作用之後，可獲得氮化鋁鍍膜基板。所述氮化鋁鍍膜基板被傳送到冷卻腔體206以進行第一階段冷卻，其中冷卻腔體的態樣請參照圖3A-圖3C以及圖4，並請參照以下說明。

圖3A是本發明實施例之第一型冷卻腔體內之基板承載架的示意圖，圖3B是本發明實施例之一種態樣的第一型冷卻腔體的內部示意圖，以及圖3C是本發明實施例之另一種態樣的第一型冷卻腔體的內部示意圖。如圖3A所示，第一型冷卻腔體的腔體內部具有插槽座HP206，其具有彼此垂直配置的複數插槽，用以容置氮化鋁鍍膜基板使其進行第一階段冷卻，其中在氮化鋁鍍膜基板放置到插槽時，氮化鋁鍍膜基板可以由承載盤承載或不承載。所述插槽可以如圖3B所示，即，複數插槽2061無任何凸起的部件，並直接以插槽2061承載及接觸氮化鋁鍍膜基板W2，以使氮化鋁鍍膜基板W2進行第一階段冷卻。或者，更佳的情況是，所述插槽可以如圖3C所示，即，複數插槽2062的每一者具有複數個墊片P2062，其中墊片P2062的材質可以與插槽2062相同或可以是陶瓷，但本發明不以墊片的數量與材質為限制。所述墊片P2062係用以減少與氮化鋁鍍膜基板W2的接觸面積，以緩衝氮化鋁鍍膜基板W2受到冷卻的溫度。

透過如圖3A-3C等第一型冷卻腔體進行第一階段冷卻的方法不限制為靜置冷卻法或氣體冷卻法，其中靜置冷卻法可以是在一次性通氣後冷卻。當冷卻的方法為一次性通氣的靜置冷卻法時，氣體僅被一次性的通入第一型冷卻腔體，其中通入的氣體為惰性氣體，且不限制為氬氣(Ar)、氦氣(He)或氮氣(N₂)。冷卻時的冷卻腔體需提供第二真空環境以使氮化鋁鍍膜基板W2受到冷卻。所述通入之氣體的壓力介於500毫托至500托之間(更佳的為1-3托)。在透過第一型冷卻腔體進行第一階段冷卻時，第一型冷卻腔體的壓力需達到不大於50毫托，其中冷卻的時間大約為2-15分鐘，以使第一階段冷卻的冷卻腔體之冷卻溫度可介於攝氏150-250度之間。再者，當冷卻的方法為氣體冷卻法時，氣體係被不斷地通入第一型冷卻腔體，其中通入的氣體為惰性氣體，且不限制為氬氣、氦氣或氮氣。所述通入之氣體的壓力介於500毫托至500托之間(更佳的為1-3托)。在第一階段冷卻時，第一型冷卻腔體的壓力需達到不大於50毫托，其中冷卻的時間大約為2-15分鐘，以使第一階段冷卻的冷卻腔體之冷卻溫度可介於攝氏150-250度之間。

再者，本發明亦提供另一種冷卻腔體(第二型冷卻腔體)以使氮化鋁鍍膜基板可於其中進行第一次冷卻，請參照圖4，圖4是本發明另一實施例之第二型冷卻腔體的示意圖。如圖4所示，第二型冷卻腔體206B具有冷卻底座H206、承載盤P206以及夾環R206。所述夾環R206係用以固定冷卻底座H206與承載盤P206。所述冷卻底座H206的內部可以通有冷卻水以降低冷卻底座H206的溫度(圖未示)，再者，冷卻底座H206可提供氣體至承載盤P206的背面以使承載盤P206降溫，其中氣體可以為惰性氣體，且不限制為氬氣、氦氣或氮氣。受到降溫的承載盤P206用以承載及接觸一個或多個氮化鋁鍍膜基板W2以對氮化鋁鍍膜基板W2進行第一階段冷卻，其中承載盤P206所承載的氮化鋁鍍膜基板W2之數量沒有任何限制。所述第二型冷卻腔體206B內可具有多組冷卻底座H206、承載盤P206與夾環R206(圖未示)，且每一組可互相為垂直方向配置，但本發明不以此為限制。

透過如圖4的第二型冷卻腔體進行第一階段冷卻的方法可以是如上所述的接觸式冷卻法，其中用以接觸氮化鋁鍍膜基板W2之承載盤P206所接受的來自冷卻底座H206之氣體的流量為1-20sccm，再者，通入冷卻底座H206內部之冷卻水的溫度為攝氏-40度至攝氏40度之間(較佳的溫度為攝氏30度)。相同於第一型冷卻腔體，所述第二型冷卻腔體在冷卻時需提供第二真空環境以使氮化鋁鍍膜基板W2受到冷卻。在透過第二型冷卻腔體進行第一階段冷卻時，第二型冷卻腔體之承載盤P206與冷卻底座H206之間的壓力需達到1-10托(更佳的為3-5托)。

接著，請參照表1以知悉透過第二型冷卻腔體對氮化鋁鍍膜基板進行降溫的不同測試條件與結果。如表1所示，測試條件1-4的差異僅在於第一階段降溫的時間的不同，其中條件1的狀態係相似於傳統的降溫方法，即，未有額外的冷卻腔體可對氮化鋁鍍膜基板進行降溫，而條件2-4則是於第二型冷卻腔體中對氮化鋁鍍膜基板有不同時間長度的降溫。測量的數值是量取製程結束的承載盤溫度、基板中心溫度與基板邊緣溫度。表1的結果顯示，隨著氮化鋁鍍膜基板在第二型冷卻腔體所受的降溫時間愈長，最終測量出的承載盤溫度、基板中心溫度與基板邊緣溫度的溫度皆愈低，即，氮化鋁鍍膜基板在第二型冷卻腔體的時間愈長，可獲得較佳的降溫效果。綜合冷卻效果與產能之考量，本發明所歸納之結果為冷卻的時間大約介於30-180秒，可同時兼顧產能並使第一階段冷卻達到較佳的效果，其中冷卻腔體之冷卻溫度係介於攝氏150-250度之間。

接著，請繼續參照圖2，在氮化鋁鍍膜基板受到第一階段冷卻後，氮化鋁鍍膜基板被傳送到冷卻加載互鎖腔體207以進行第二階段冷卻，其中冷卻加載互鎖腔體207可提供第三真空環境，所提供的真空值需達到不大於100毫托，以及於第二階段冷卻的冷卻腔體之冷卻溫度需小於攝氏100度。所述第三真空環境的壓力可以大於第二真空環境的壓力。

最後，完成兩個階段冷卻之氮化鋁鍍膜基板最終被傳送到載出/載入機模組201並回到裝載盒，並完成氮化鋁於藍寶石基板的沉積。

接著，將總結物理氣相沉積製程中降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法，請參照圖5，圖5是本發明實施例之降低氮化鋁的表面氧化物生成的步驟流程圖。首先，如圖5的步驟S501所示，於真空環境下，將基板傳送到沉積腔體以沉積氮化鋁並形成氮化鋁鍍膜基板。接著，如步驟S502所示，在冷卻腔體對氮化鋁鍍膜基板進行第一階段冷卻。最後，如步驟S503所示，在冷卻加載互鎖腔體對氮化鋁鍍膜基板進行第二階段冷卻後，完成氮化鋁對基板的沉積。所述步驟中，第二真空環境的壓力小於第三真空環境的壓力。

最後，請參照圖6，圖6是本發明實施例之氮化鋁結晶的X光繞射分析圖。如圖6所示，由X光繞射分析的數據可知，透過本發明所述之真空冷卻製程，可使得特定角度所測得光強度增加，得知沉積完成的氮化鋁(002)方向的結晶度增加(傳統方法：大約為15000；本發明所述方法：大約為25000)。

綜合以上所述，相較於昔知技術，本發明實施例所述之降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備之技術效果，係說明如下。

昔知技術中，在發光二極體的物理氣相沉積製程中，基板一般在沉積氮化鋁後係於大氣環境進行降溫，導致氮化鋁的表面形成一層氧化物，而使後續製程中，沉積氮化鎵的效果與結晶狀態受到不良影響，並產生缺陷。反觀本發明所述之降低氮化鋁的表面氧化物生成的方法與設備，可以使氮化鋁在沉積後於真空環境下進行兩階段的降溫，使氮化鋁之氧化物的生成量有效降低，進而降低後續製程之氮化鎵的缺陷，以提升發光二極體之產品的品質與效能。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，上述試驗例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與前述試驗例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。