一种湿法氧化装置及其方法与流程

本发明涉及在半导体技术领域，尤其涉及一种湿法氧化装置及其方法。

背景技术：

1990年美国伊利诺大学的k.holonyalk等人首先在实验中发现高al组分的alxga1-xas，在较高温度与水蒸气反应生成化学性质稳定的绝缘性能良好的氧化层。进而出现的alas湿氮氧化技术，成为vcsel(垂直腔面发射激光器)及其阵列研制中最广泛且关键的工艺，其关键技术在于，通过氧化反应限制vcsel谐振腔中的高铝层，良好适用于与小尺寸，低阈值电流的vcsel。湿法氧化法是指在vcsel有源层和上下分布式布拉格反射镜(dbr)层之间插入含有高铝组分的algaas氧化层，利用水蒸汽从侧向氧化生成氧化铝，形成高阻值限制区，用来进行电限制和光限制，可以使vcsel极低阈值实现连续发射。氧化孔径的精度与氧化工艺的热稳定性，对提高vcsel的输出功率和光电转换效率至关重要。湿法氧化工艺就是按一定的氧化速率通过氧化时间控制氧化深度，实现氧化限制孔径与出光孔径的精确对准。

简单的湿法刻蚀技术：对载流子进行横向限制，最简单的方法就是将器件的谐振腔及上dbr刻蚀成柱型结构。刻蚀空气柱型的湿法湿法工艺腐蚀深度比较难控制，刻蚀后在柱的底部有凹槽，这限制了器件直径的进一步减小；工艺的可重复性较差，腐蚀液的配比、腐蚀时间和腐蚀温度都会影响到表面的质量。

离子注入法：离子注入工艺就是用高能离子注入设各把具有一定能量的带电粒子掺入到半导体材料中，从而改变半导体材料的电学性质和光学性质。离子从上dbr处注入，与晶体内的电子和原子核发生碰撞，产生晶格空位，并通过自由载流子的补偿在周围形成高阻区，这样就可以使注入电流集中注入到有源区内。离子注入的生产效率低，高温会造成杂质再分布，增加结深以及横向掺杂效应；子注入设备系统复杂，操作需仔细且价格昂贵。

技术实现要素：

要解决的技术问题

本发明要解决的问题是提供一种湿法氧化装置及其方法，以克服现有技术中工艺复杂，质量不稳定，制造成本高的缺陷。

技术方案

为解决所述技术问题，本发明提供一种湿法氧化装置，包括密闭壳体、加热盘、晶圆、恒温水浴、多孔水蒸汽发生器、第一流量控制阀、第二流量控制阀、ccd摄像头和电脑；所述加热盘安装在所述密闭壳体内；所述晶圆设置在所述加热盘上；所述多孔水蒸汽发生器设置在所述恒温水浴内；所述密闭壳体通过管路与所述多孔水蒸汽发生器连通；所述第一流量控制阀的一端通过管路与所述多孔水蒸汽发生器连通，所述第一流量控制阀的另一端通过管路与第一气罐连通，充入氮气；所述第二流量控制阀的一端通过管路与所述密闭壳体连通，所述第二流量控制阀的另一端通过管路与第二气罐连通，充入氮气和氢气的混合气体；所述ccd摄像头设置在所述晶圆的正上方，所述ccd摄像头与所述电脑连接。

优选的，所述湿法氧化装置还包括干燥器，所述干燥器设置在所述密闭壳体与所述多孔水蒸汽发生器之间的管路上。

优选的，所述密闭壳体一侧设置有排气孔。

一种湿法氧化方法，其特征在于，包括如下步骤：

s01，安放：做好器件的晶圆放到加热盘上，确保安放好后，关上密闭壳体；

s02，清气：充入氮气，排出密闭壳体中的空气；

s03，预热：加热盘在密封装壳体内，可以加热，加热温度控制在100-600摄氏度；

s04，保持水温：控制恒温水浴温度在80℃-90摄氏度；

s05，充气：通过氮气携带水蒸汽和一定比例的氢气进入密闭壳体，将干燥水蒸汽也充入密封装壳体，控制器件的氧化速率；氢气作为还原剂；

s06，调压：调节第一流量控制阀和第二流量控制阀，改变充入气体的流量，进而改变密封装壳体腔内气压并改变氧化反应速率；

s07，调温：观察加热盘温度，并根据理想状态升降温，以此控制反应速率达到理想水平；

s08，观测：通过ccd摄像头，实时将晶圆的氧化情况的图片上传到电脑，电脑通过图像对比的方式来确认氧化效果；

s09，停止供气：达到氧化效果后，停止对密封装壳体注入蒸汽；

s10，降温：关闭加热盘，使密封装壳体恢复室温；

s11，排气：排气口作用，排出密封装壳体气体和杂质，恢复室温气压；

s12，取件：气压温度恢复后，取出晶圆。

优选的，所述s05中，氢气的比例控制在0.1％-10％的范围内。

优选的，所述s03中，加热温度优选400-500摄氏度。

优选的，所述s04中，控制恒温水浴温度优选80摄氏度。

有益效果为：本发明的湿法氧化装置及其方法，质量稳定，制造成本低，避免酸性等腐蚀液体的加入，提高设备安全性和寿命使器件氧化层可以不断扩大，提高加工范围；提高器件的加工生产效率，操作较简单，有效防止多余杂质干扰；具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。

附图说明

图1为本发明一种湿法氧化方法的流程图；

图2为本发明一种湿法氧化装置的结构示意图；

图3为晶圆和vcesl的结构示意图；

图4为图3中a的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本发明的一种湿法氧化装置，包括密闭壳体1、加热盘2、晶圆3、恒温水浴5、多孔水蒸汽发生器6、第一流量控制阀7、第二流量控制阀8、ccd摄像头9和电脑10；所述加热盘2安装在所述密闭壳体1内；所述晶圆3设置在所述加热盘2上；所述多孔水蒸汽发生器6设置在所述恒温水浴5内；所述密闭壳体1通过管路与所述多孔水蒸汽发生器6连通；所述第一流量控制阀7的一端通过管路与所述多孔水蒸汽发生器6连通，所述第一流量控制阀7的另一端通过管路与第一气罐13连通，充入氮气；所述第二流量控制阀8的一端通过管路与所述密闭壳体1连通，所述第二流量控制阀8的另一端通过管路与第二气罐12连通，充入氮气和氢气的混合气体；所述ccd摄像头9设置在所述晶圆3的正上方，所述ccd摄像头9与所述电脑10连接。

所述湿法氧化装置还包括干燥器4，所述干燥器4设置在所述密闭壳体1与所述多孔水蒸汽发生器6之间的管路上。

所述密闭壳体1一侧设置有排气孔11。排气孔11与通断阀连接，使排气孔11可以进行打开和关闭。

如图1所示，一种如权利要求1所述的湿法氧化装置的湿法氧化方法，其特征在于，包括如下步骤：s01，安放：做好器件的晶圆3放到加热盘2上，确保安放好后，关上密闭壳体1；s02，清气：充入氮气，排出密闭壳体1中的空气；s03，预热：加热盘2在密封装壳体1内，可以加热，加热温度控制在100-600摄氏度，本实施例优选400摄氏度；s04，保持水温：控制恒温水浴5温度在80℃-90摄氏度，本实施例优选80摄氏度；s05，充气：通过氮气携带水蒸汽和一定比例的氢气进入密闭壳体1，将干燥水蒸汽也充入密封装壳体1，控制器件的氧化速率；氢气作为还原剂；s06，调压：调节第一流量控制阀7和第二流量控制阀8，改变充入气体的流量，进而改变密封装壳体1腔内气压并改变氧化反应速率；s07，调温：观察加热盘2温度，并根据理想状态升降温，以此控制反应速率达到理想水平；s08，观测：通过ccd摄像头9，实时将晶圆3的氧化情况的图片上传到电脑10，电脑10通过图像对比的方式来确认氧化效果；s09，停止供气：达到氧化效果后，停止对密封装壳体1注入蒸汽；s10，降温：关闭加热盘2，使密封装壳体1恢复室温；s11，排气：排气口11作用，排出密封装壳体1气体和杂质，恢复室温气压；s12，取件：气压温度恢复后，取出晶圆3。

所述s05中，氢气的比例控制在0.1％-10％的范围内，本实施例优选3％。

图4所示，因为在400-500℃温度下的湿氮氧化对alas和高al组分的algaas具有很强的选择性，而且形成的氧化层15性能稳定，电绝缘性能好，折射率低，非常适合于电流限制和光学限制，所以这种湿法氧化工艺在半导体器件的制备和光电领域中有着很好的前景。

本工艺针对垂直腔面发射激光器(vcesl14)研究应用，vcesl14以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于led(发光二极管)和ld(激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。

如图3和图4所示，若干个vcesl14均布在晶圆3上。

本发明工作时：本工艺通过n2携带氢气和水蒸汽，在密闭环境中对vcesl14上的alas半导体材料进行氧化反应。氮气和氢气的混合气体通过第二气罐12释放，通过管路充入密闭壳体1中；另一个第一气罐13的氮气罐释放，通过管路，气体进入多孔水蒸气发生器6，水蒸汽被氮气携带，经过干燥器4进入密闭壳体1。因alas易与水反应，但在常温下的氧化会发生破坏性水解，故反应温度应通过加热盘升温到300℃～400℃。(本装置加热盘最高可加热到600℃)alas在高温下，与水蒸汽发生反应，生成al的氧化物和as的氧化物，具体化学方程式如下：2alas+6h2o(g)＝al2o3+as2o3+6h2↑，as2o3+3h2＝2as+3h2o(g)；alas的高温氧化反应会材料圆边缘开始氧化，氧化部分为al的氧化物，高阻，可很好的进行电流限制和光学限制。在晶圆3上方放置一显微镜ccd摄像头9，连接到电脑10，观察此晶圆3的氧化程度。氧化程度在电脑10上反映出为晶圆3半径不断缩减的光圈，当达到预期光圈大小，停止水蒸汽的释放。

流量控制阀：控制气体流量；气罐：存放氮气和氢气混合器，存放氮气；多孔水蒸气发生器6：制备恒温的水蒸汽；密闭壳体1：是晶圆3在不受影响的密闭空间下反应；加热盘2：为氧化反应的高温提供条件；排气口11：排出尾气及杂质；ccd摄像头9:观察器件上高阻区半径大小；干燥器4作用是：多孔水蒸汽发生器6会携带水珠，目的排除水珠，只保留气态。

本发明的原理：因alas易与水反应，但在常温下的氧化会发生破坏性水解，故反应温度应通过加热盘升温到300℃～400℃。(本装置加热盘最高可加热到600℃。)alas在高温下，与水蒸气发生反应，生成al的氧化物和as的氧化物，具体化学方程式如下：2alas+6h2o(g)＝al2o3+as2o3+6h2↑，as2o3+3h2＝2as+3h2o(g)；alas的高温氧化反应会材料圆边缘开始氧化，氧化部分为al的氧化物，高阻，可很好的进行电流限制和光学限制，两侧变成搞阻值的，基本不透光，起到限制光的作用。

动作：通过流量控制阀改变充入气体的流量，第一气罐13即n2罐的充入首先通过多孔水蒸气发生器6，目的携带水蒸汽进入密闭壳体1。当所需气体充入后，可通过调节第一流量控制阀7，进而控制装置内的氧化反应速率；调节加热盘2温度，其目的也是为了通过温度影响反应速率，进而达到理想状态。

工作路线：第二气罐12即混合气体罐充入密闭壳体1，并通过第二流量控制阀8调节；多孔水蒸气发生器6在恒温水浴5中制备恒温水蒸气；打开与多孔水蒸气发生器6相连的第一气罐13，使氮气充入其中，将水蒸汽带进密闭壳体1；在密闭壳体1中，在温度和气压合理的情况下，水蒸汽和alas发生反应，且充入的少量氢气与生成的氧化物继续反应，一方面控制氧化速率，一方面还原无用氧化物。

综上所述，上述实施方式并非是本发明的限制性实施方式，凡本领域的技术人员在本发明的实质内容的基础上所进行的修饰或者等效变形，均在本发明的技术范畴。