专利名称：在衬底上沉积多层材料层的方法及化学气相沉积设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多层材料层沉积的方法，及可以适用于该方法的化学气相沉积(CVD)设备，特别是一种有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备。
背景技术：
现阶段，由于发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的各种优势使得其得到了广泛的应用。然而随之而来的就是业内对LED的性能要求越发的苛刻，而LED的制造又是一个需要进行多次材料层沉积的过程，因此，如何保证材料层沉积后能够发挥出应有的作用，将对LED性能的改进有着重大的影响。现有技术中，对各种材料层的沉积都是在一个生长腔室内进行的，譬如，是在金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)设备的同一个生长腔室中进行的，这会导致各种严重的问题:一方面，由于各个材料层的沉积是需要不同的温度范围，故若在同一个生长腔室内沉积各个材料层，则该生长腔室就必须能够提供一个较大的温差，例如可以为480°C 1100°C。通常，这个温度范围是可以达到的，但是却不能够非常精确的控制在沉积某一层时达到所需要的温度，那么这就使得沉积的各个材料层性能不良，进而导致LED的波长、亮度及开启电压等参数的均匀性变差。另一方面，由于在同一个生长腔室内有着多次的温度变动，那么对每个所需的温度范围的可重复性(repeatability)设定将会很乏力，因此这将直接的导致基片的可重复性变差。再者，在同 一个生长腔室内进行各个材料层的生长不可避免的会使得各个材料层之间产生交叉污染。显然的，这将会使得形成的材料层质量变差。因此，有必要提供一种能够提高基片质量且制造效率高的化学气相沉积设备及沉积方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多层材料层沉积的方法及化学气相沉积设备，以解决现有技术中制造的基片性能差和制造效率低的问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种在衬底上沉积多层材料层的方法，利用具有多个生长腔室的化学气相沉积设备进行，包括:步骤一:将一批基片通过一个基座共同传送至第一生长腔室中，在所述第一生长腔室中对所述基片沉积第一材料层；步骤二:将所述第一生长腔室中的基片和基座共同传送至第二生长腔室中，在所述第二生长腔室中对所述基片沉积第二材料层；然后，将另一批基片通过另一个基座共同传送至所述第一生长腔室中，并在所述第一生长腔室中对所述基片沉积第一材料层；步骤三:将所述第二生长腔室中的基片和基座共同取出所述第二生长腔室，然后执行步骤二。一种适用于在衬底上沉积多层材料层的化学气相沉积设备，其包括传送腔室、多个生长腔室及多个门阀，所述多个生长腔室分别位于所述传送腔室的外侧，并皆通过所述门阀与所述传送腔室相接通；其特征在于，化学气相沉积设备进一步包括基座，至少一个基片承载在所述基座上，所述基座携带所述基依次传输到所述多个生长腔室中以在所述基片上完成所述多层材料层的沉积；其中，至少两个所述生长腔室用于生长所述多层材料层的不同层材料层。与现有技术相比，在本发明提供的在衬底上沉积多层材料层的方法及化学气相沉积设备中，将沉积的多层材料层分在多个生长腔室内进行，如此能够使得每个生长腔室的反应条件容易控制，各层材料分别在不同的反应腔中沉积因此，各层之间的沉积不会发生交叉污染，且多批基片依次连续在各个反应腔中沉积不同的材料层，减少了每个生长腔室的等待时间，这就能够极大的提闻生广效率，提闻广量，每一批基片与一对应的基座一同在各个反应腔之间传输，取消了基片在各个基座之间转移过程中消耗的时间，进一步提高生产效率。
图1为本发明第一实施方式的在衬底上沉积多层材料层的方法流程图；图2为本发明第二实施方式的化学气相沉积设备的结构示意图；图3为本发明第三实施方式的化学气相沉积设备的结构示意图。
具体实施例方式由背景技术中所记载的内容可知，现有技术存在着诸如温度、污染和生产效率等各方面的问题。本发明的核心思想在于，将沉积的多层材料层分在多个生长腔室内进行，如此能够使得每个生长腔室的反应条件容易控制，各层材料分别在不同的反应腔中沉积因此，各层之间的沉积不会发生交叉污染，且多批基片依次连续在各个反应腔中沉积不同的材料层，减少了每个生长腔室的等待时间，同时，每一批基片与一对应的基座一同在各个反应腔之间传输，取消了基片在各个基座之间转移过程中消耗的时间，从而提高生产效率。请参考图1，其为本发明第一实施方式提供的在衬底上沉积多层材料层的方法流程图，利用具有多个生长腔室的化学气相沉积设备进行，包括:步骤一:将一批基片通过一个基座共同传送至第一生长腔室中，在所述第一生长腔室中对所述基片沉积第一材料层；步骤二:将所述第一生长腔室中的基片和基座共同传送至第二生长腔室中，在所述第二生长腔室中对所述基片沉积第二材料层；然后，将另一批基片通过另一个基座共同传送至所述第一生长腔室中，并在所述第一生长腔室中对所述基片沉积第一材料层；步骤三:将所述第二生长腔室中的基片和基座共同取出所述第二生长腔室，然后执行步骤二。进一步的，在步骤三中还包括:
将所述第二生长腔室中的基片和基座传送至第三生长腔室中，在所述第三生长腔室中对所述基片沉积第三材料层。由此，本方法给出了在多个生长腔室进行材料层沉积的方法，可以理解的是，本方法中，当所述化学气相沉积设备还包括第四或更多生长腔室时，也可以使得沉积所述多层材料层中一层的生长腔室中的基片与基座完成沉积后传输到沉积下一层材料层的生长腔室中，同时从沉积前一层材料层的生长腔室中获得沉积完成前一层材料层的基片与基座。以LED外延片的生长为例，通常需要沉积的多层材料层包括LED外延片的缓冲层、N型半导体层、量子阱发光层和P型半导体层。那么，具体操作可以为:对基片进行清洗处理，例如可以为在1000°C 1200°C温度下，通入包括氢气(H2)和氮化氢(NH3),本实施方式优选为1100°C，持续IOmin左右。接着，在所述基片上形成缓冲层(即低温缓冲层，low-temperature buffer layer),在本实施方式中，所述缓冲层包括氮化镓层，所述氮化镓层可以在500°C下经由NH3和TMGa反应形成，所述氮化镓层的厚度约为20nm，所述缓冲层可以在所述第一生长腔室中形成，也可以是在所述第一生长腔室、第二生长腔室和第三生长腔室以外的其他腔室中形成。然后，在所述第一生长腔室中，在所述缓冲层上形成第一材料层，所述第一材料 层为N型半导体层，具体的，可以为N型氮化镓层，优选为掺杂硅的氮化镓，所述掺杂硅的氮化镓材料在1000°C 1300°C范围内形成；至此，所述第一生长腔室中的反应完成。完成第一材料层的沉积后，调整第一生长腔室中的温度，调整后的反应腔室的温度可以根据工艺要求或生产经验进行设定和调整，例如使得第一反应腔中的温度降低至300°C 100°C之间，并通入保护气，例如是氮气，以避免所形成的材料层受到损坏。接着，将所述基片在基座的承载下传送到第二生长腔室中，沉积形成第二材料层，在本实施方式中，所述第二材料层为量子讲发光层(quantum-wells layer),所述量子讲发光层的材料优选的为镓铟化氮和氮化镓(GalnN/GaN)，可以在700°C、00°C的范围内形成。与此同时，另一批基片承载在另一个基座被传输到所述第一生长腔室中，进行上述形成第一材料层的过程，在此不作赘述。当第二材料层(本实施方式为量子阱发光层)沉积形成后，同样的，调整所述第二生长腔室中的温度，并通入保护气。然后，将所述基片在基座的承载下传送到第三生长腔室中，形成第三材料层，在本实施方式中，所述第三材料层为P型半导体层，具体的，可以为P型氮化镓层，所述P型氮化镓层的材料包括掺杂镁(Mg)的氮铝化镓(GaAlN)或掺杂镁的氮化镓，可以在800°C、50°C的范围内形成。此时，第一生长腔室和第二生长腔室中分别进行着相应的上述过程。同样的，调整所述第三生长腔室中的温度，并通入保护气，之后将所述基片传送出化学气相沉积设备。需要说明的是，上述方法中所述的第一生长腔室、第二生长腔室和第三生长腔室不限于仅有一个，也就是说例如第一材料层可以在每个第一生长腔室中分别形成一部分，所述第一材料层依次在多个第一反应腔中上涨后形成。这一方面利用不同的生长腔室能够很容易满足不同材料层生长的温度、压强等条件不同的需要，有利于各层材料层的正常生长；另一方面，一层材料层在多个反应腔室中累积形成，可以通过调节生长腔室的数量，使得每个生长腔室的反应时间尽可能的相同，从而使得生产过程中尽可能的避免某一或某些腔室处于等待状态的问题，大大的提闻了生广效率。本发明提供一种适用于在衬底上沉积多层材料层的化学气相沉积设备，例如可以完成有机金属化学气相沉积，并以此化学气相沉积设备进一步阐述本发明实施方式的沉积多层材料层的方法。请参考图2，其为本发明第二实施方式的化学气相沉积设备的结构示意图，本实施方式的化学气相沉积设备100包括传送腔室101、多个生长腔室及多个门阀107，所述多个生长腔室分别位于所述传送腔室101的外侧，并皆通过所述门阀107与所述传送腔室101相接通；其中，至少两个所述生长腔室用于生长所述多层材料层的不同层材料。所述多个生长腔室包括N个所述第一生长腔室1021、X个所述第二生长腔室1022和Y个所述第三生长腔室1023，其中所述N、X和Y均为大于等于I的自然数；所述N个第一生长腔室1021、所述X个第二生长腔室1022和所述Y个第三生长腔室1023皆可以围绕在所述传送腔室101周围。另外，请参考图3，其为本发明第三实施方式的化学气相沉积设备的结构示意图，本实施方式与第二实施方式的区别在于，所述N个第一生长腔室1021、所述X个第二生长腔室1022和所述Y个第三生长腔室1023皆是层叠排列在所述传送腔室101周围。在其他可行的实施方式中，所述第一生长腔室1021、所述第二生长腔室1022和所述第三生长腔室1023的数量可以皆是M个，其中M为大于等于N、X和Y中的最大值的自然数，那么在实际使用时，可以根据需要有目的的选取所需要的第一生长腔室1021、第二生长腔室1022和第三生长腔室1023的数量。一般情况下，所述N个第一生长腔室1021内的环境和设定相同或相近，则所述N个第一生长腔室1021所生长的材料层相同，所述X个第二生长腔室1022和所述Y个第三生长腔室1023同理；而所述第一生长腔室1021、所述第二生长腔室1022和所述第三生长腔室1023内的环境和设定可能不同，故所述第一生长腔室1021、所述第二生长腔室1022和所述第三生长腔室1023优选为适用于分别生长不同的材料层。当然，由于各个生长腔室内的环境和设定是可调节的，因此也可以适用于生长相同的材料层，例如可以是所述N个第一生长腔室1021和所述X个第二生长腔室1022用于生长第一种材料层，所述Y个第三生长腔室1023用于生长第二种 材料层。所述化学气相沉积设备100进一步包括多个基座104，至少一个基片承载在所述基座104上，所述基座104携带所述基片依次传输到所述多个生长腔室中，以在所述基片上完成所述多层材料层的沉积。优选的，所述基座的数量与所述生长腔室的数量相同，这可以使得在每个生长腔室都存在基片时，能够皆存在一个基座用于承载基片在各个生长腔室中传输。本实施方式以LED外延片为例进行说明，对于LED外延片而言，至少需要形成N型半导体层、量子阱发光层和P型半导体层，则可以利用所述N个所述第一生长腔室1021完成N型半导体层的沉积，所述X个所述第二生长腔室1022完成量子阱发光层的沉积，所述Y个所述第三生长腔室1023完成P型半导体层的沉积。在本实施方式中，所述基座104携带一批基片依次传输到所述N个第一生长腔室1021、所述X个第二生长腔室1022和所述Y个第三生长腔室1023，优选为在每个所述第一生长腔室1021中生长N型半导体层厚度的1/N ;在每个所述第二生长腔室1022生长量子阱发光层厚度的1/X ;在每个所述第三生长腔室1023生长P型半导体层厚度的1/Y。这是考虑到通常所述N型半导体层、量子阱发光层和P型半导体层的厚度以及沉积工艺都有着一定的差异，那么若仅分别使用一个生长腔室来完成这三层的生长，将会导致时间上的不一致，即一个生长腔室中已经完成生长，而另一个生长腔室中的生长还远未结束，这势必会降低生产效率，而本实施方式中，通过根据沉积所述N型半导体层、沉积所述量子阱发光层和沉积所述P型半导体层的时间，合理配置所述N、X和Y的数值，从而能够使得基片在各个生长腔室中的生长时间之差控制在小于等于10分钟的范围内，使得每个生长腔的等候时间较少，提高生产效率。优选的，为了使得各个生长腔室的反应时间尽可能的相近或相同，所述第一生长腔室1021、所述第二生长腔室1022和所述第三生长腔室1023的数量之比等于沉积所述N型半导体层，所述量子阱发光层和所述P半导体层的时间之比。具体的，针对所述N型半导体层为N型氮化镓层，所述量子阱发光层为镓铟化氮和氮化镓多量子阱层，所述P半导体层为P型氮化镓层，所述第一生长腔室1021、所述第二生长腔室1022和所述第三生长腔室1023的数量之比为3:5:1。以所述第一生长腔室1021、所述第二生长腔室1022和所述第三生长腔室1023的数量分别为3个、5个和I个为例，在实际操作中，通过一个基座104承载至少一个基片传送到第一个第一生长腔室1021中，形成1/3的N型氮化镓层，接着，此基座104承载其上的基片传送到第二个第一生长腔室1021中，继续形成1/3的N型氮化镓层，然后传送到第3个第一生长腔室1021中，完成所述N型氮化镓层的形成；之后，该基座104承载其上形成N型氮化镓层的基片传送到第一个第二生长腔室1022中，形成1/5的镓铟化氮和氮化镓多量子阱层，如此直至在第五个第二生长腔室1022中完成所述镓铟化氮和氮化镓多量子阱层的形成；之后该基座104承载其上形成N型半导体层、镓铟化氮和氮化镓多量子阱层的基片传送到第三生长腔室1023中，完成所述P型氮化镓层的形成；在上述过程中，在该基座104承载所述基片进入第二个第一生长腔室1021中时，另一个基座104承载另一基片进入第一个第一生长腔室1021，进行同样的过程，如此类推。上述设定能够使得所述基片在每个生长腔室中的时间基本一致，从而所述化学气相沉积设备100的每个腔室始终处于运作状态，极大的提高了生产效率。对于所述LED 外延片的缓冲层，可以在第一生长腔室1021中形成，则优选为增加所述第一生长腔室1021的数量(这也可以引申为在其他的反应腔室或设备中形成)，也可以是在所述N个第一生长腔室1021中的前η (η为大于等于I的自然数，且η < N)个第一生长腔室1021中生长所述缓冲层、在剩余Ν-η个第一生长腔室1021中生长所述N型半导体层。需要说明的是，通常η和N仅在取值为I时相同，其他情况下η < N，也就是说，若所述第一生长腔室1021仅为一个，则所述缓冲层和所述N型半导体层在同一生长腔室中形成，当N > 2时，则将所述缓冲层和所述N型半导体层分于不同的所述第一生长腔室1021中形成。所述化学气相沉积设备100还包括装载腔室，所述装载腔室位于所述传送腔室101的外侧，并通过所述门阀107与所述传送腔室101相接通。具体的，所述装载腔室包括基座装载腔室1031、基片装载腔室1032及成品装载腔室1033。所述基座装载腔室1031用于承载基座104，可以在其内完成对基座104的调整、更换等工作；所述基片装载腔室1032用于从外界接收基片，然后经基座104传送到生长腔室中，所述成品装载腔室1033用于接收完成多层材料层生长后的基片，并经此腔室传送出所述化学气相沉积设备100。所述化学气相沉积设备100还可以包括装载器105，所述装载器105位于所述传送腔室101中，以便将基片承载于所述基座104中，同时可以完成基片的卸载操作；还可以包括机械传输单元106，所述机械传输单元106可以位于所述传送腔室101的中央，从而自动控制诸如装载器105、基座104等的运作状态。综上所述，本发明提供的在衬底上沉积多层材料层的方法及化学气相沉积设备中，将沉积的多层材料层分在多个生长腔室内进行，如此能够使得每个生长腔室的反应条件容易控制，各层材料分别在不同的反应腔中沉积因此，各层之间的沉积不会发生交叉污染，且多批基片依次连续在各个反应腔中沉积不同的材料层，减少了每个生长腔室的等待时间，这就能够极大的提闻生广效率，提闻广量，每一批基片与一对应的基座一同在各个反应腔之间传输，取消了基片在 各个基座之间转移过程中消耗的时间，进一步提高生产效率。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种在衬底上沉积多层材料层的方法，利用具有多个生长腔室的化学气相沉积设备进行，其特征在于，包括: 步骤一:将一批基片通过一个基座共同传送至第一生长腔室中，在所述第一生长腔室中对所述基片沉积第一材料层； 步骤二:将所述第一生长腔室中的基片和基座共同传送至第二生长腔室中，在所述第二生长腔室中对所述基片沉积第二材料层；然后，将另一批基片通过另一个基座共同传送至所述第一生长腔室中，并在所述第一生长腔室中对所述基片沉积第一材料层； 步骤三:将所述第二生长腔室中的基片和基座共同取出所述第二生长腔室，然后执行步骤二。
2.如权利要求1所述的在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，在步骤三中还包括: 将所述第二生长腔室中的基片和基座传送至第三生长腔室中，在所述第三生长腔室中对所述基片沉积第三材料层。
3.如权利要求2所述的进行在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，在所述每个生长腔室中对基片沉积材料层后，皆包括: 调整所述每个生长腔室中的温度，并在所述每个生长腔室中通入保护气。
4.如权利要求2所述的进行在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，所述多层材料层包括LED外延片的缓冲层、N型半导体层、量子阱发光层和P型半导体层，所述第一材料层为所述N型半导体层，所述第二材料层为量子阱发光层，所述第三材料层为P型半导体层。
5.如权利要求4所述的在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，在所述第一生长腔室中对基片沉积第一材料层之前，包括如下工艺步骤: 对所述基片进行清洗处理；及 在所述基片上形成所述缓冲层。
6.如权利要求5所述的在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，所述缓冲层为氮化镓层，所述N型半导体层为N型氮化镓层。
7.如权利要求6所述的在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，对所述基片进行清洗处理为在1000°c 1200°C温度下，通入包括氢气和氮化氢。
8.如权利要求5所述的在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，所述量子阱发光层的材料包括镓铟化氮和氮化镓。
9.如权利要求5所述的在衬底上沉积多层材料层的方法，其特征在于，所述P型半导体层的材料包括掺杂镁的氮铝化镓或掺杂镁的氮化镓。
10.一种适用于在衬底上沉积多层材料层的化学气相沉积设备，其包括传送腔室、多个生长腔室及多个门阀，所述多个生长腔室分别位于所述传送腔室的外侧，并皆通过所述门阀与所述传送腔室相接通；其特征在于，所述化学气相沉积设备进一步包括基座，至少一个基片承载在所述基座上，所述基座携带所述基片依次传输到所述多个生长腔室中以在所述基片上完成所述多层材料层的沉积；其中，至少两个所述生长腔室用于生长所述多层材料层的不同层材料层。
11.如权利要求10所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述多层材料层包括LED外延片的缓冲层、N型半导体层、量子阱发光层和P型半导体层。
12.如权利要求11所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述生长腔室包括第一生长腔室、第二生长腔室和第三生长腔室；所述第一生长腔室用于生长所述N型半导体层，所述第二生长腔室用于生长所述量子阱发光层，所述第二生长腔室用于生长所述P半导体层。
13.如权利要求12所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述生长腔室包括N个所述第一生长腔室、X个所述第二生长腔室和Y个所述第三生长腔室，其中所述N、x和Y均为大于等于I的自然数；在每个所述第一生长腔室生长所述N型半导体层厚度的1/N ;在每个所述第二生长腔室生长所述量子阱发光层厚度的1/X ;在每个所述第三生长腔室生长所述P型半导体层厚度的1/Y。
14.如权利要求13所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述第一生长腔室、所述第二生长腔室和所述第三生长腔室的数量之比使得基片在各个生长腔室中的生长时间之差小于等于10分钟。
15.如权利要求13所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述第一生长腔室、所述第二生长腔室和所述第三生长腔室的数量之比等于沉积所述N型半导体层、所述量子阱发光层和所述P半导体层的时间之比。
16.如权利要求13所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述N型半导体层为N型氮化镓层，所述量子阱发光层为镓铟化氮和氮化镓多量子阱层，所述P半导体层为P型氮化镓层；所述第一生长腔室、所述第二生长腔室和所述第三生长腔室的数量之比为3:5:1。
17.如权利要求10所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述化学气相沉积设备还包括装载腔室，所述装载腔室位于所述传送腔室的外侧，并通过所述门阀与所述传送腔室相接通。
18.如权利要求17所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述装载腔室包括基座装载腔室、基片装载腔室及成品装载腔室，所述基座装载腔室用于承载所述基座，所述基片装载腔室用于从外界接收基片，并经所述基座传送到生长腔室中，所述成品装载腔室用于接收完成所述多层材料层生长后的基片。
全文摘要
本发明公开了一种在衬底上沉积多层材料层的方法及化学气相沉积设备。采用了多个生长腔室，将沉积的多层材料层分在多个生长腔室内进行，至少两个生长腔室用于生长多层材料层的不同层材料层，如此一方面使得不同的生长腔室能够很容易满足不同材料层生长的温度、压强等条件不同的需要，有利于各层材料层的正常生长；另一方面，各个生长腔室可以较佳的控制反应时间，从而使得生产过程中尽可能的避免某一或某些腔室处于等待状态的问题，大大的提高了生产效率。
文档编号C23C16/52GK103074616SQ20121057861
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者梁秉文 申请人:光达光电设备科技(嘉兴)有限公司