腔室分离型外膜生长装置的制作方法

1.本发明涉及一种能够使晶片外膜生长的外膜生长装置。


背景技术：

2.一般而言，在使非常薄的半导体薄膜外膜层生长的装置中，具有代表性的有：分子束外延装置(molecular beam epitaxy:mbe)，金属有机气相沉积设备(metal organic chemical vapor deposition:mocvd)，离子束沉积装置(ion
‑
beam assisted deposition:ibad)，脉冲激光沉积装置(pulsed laser deposition:pld)等。
3.作为这些混合形态的外膜生长装置中的一种，氧化物蒸发源和电子束蒸发装置，利用激光的氧化物蒸发装置和蒸发源，氧气和砷供应装置等，同时设置于一个腔室之内，氧化物蒸发源和氧气供应装置以及砷离子供应装置在物理上并不分开，作为适合小面积工艺的装置，处理最大两张2英寸基板的工艺，这样的装置是可进行的。
4.利用如上所述的装置来制造具有高品质外膜层，对于外膜层生长的真空腔室内的压力需要维持在10
‑
8至10
‑
11torr的超高真空环境水平，这是十分重要的。但是，如果蒸发源全部消耗完毕需要进行更换时，超高真空状态的真空腔室的环境需要变成常压后，进行蒸发源的更换，然后需要再次转化成超高真空的状态。这里，1m以上的大面积工艺是可行的，例如40张4英寸的基板同时安装的外膜层生长装置的真空腔室体积最大可达到3600m3，在常压下需再次调整至10
‑8‑
10
‑
11torr的超高真空水平的环境，这需要至少30小时的时间。
5.并且，真空环境的变化如果经常发生时，真空腔室上安装的零部件会老化的十分迅速，真空腔室自身也会因为积累的磨损导致遗漏现象发生，进而使寿命缩短的问题产生。并且后续也会因此产生反应腔室的真空状态难以维持在10
‑8‑
10
‑
11torr的超高真空水平状态的难题。
6.进一步说，为了使外膜层生长而使用氧气时，发生氧化现象导致对蒸发源产生不利影响。用于确保生产效率的超过1m以上的大面积基板上能执行够在外膜层生长的工艺，外膜生长装置上氧气的使用量因为很多，导致包括蒸发源的各安装部品产生了氧化的问题，并逐渐越来越严重。


技术实现要素：

7.(要解决的问题)
8.本发明其中一个目的在于，提供一种腔室分离性外膜生长装置，在进行大面积或者大量基板的取下的同时，蒸发源更换时，所需真空调节的时间能够划时代缩减。
9.本发明的另一个目的在于，提供一种腔室分离性外膜生长装置，在大面积或者大量的基板上，即使为了外膜生长而供应大量的氧气，也能防止主要部品被氧气氧化，具有这样的效果。
10.(解决问题的手段)
11.为了实现如上所述的课题，本发明中基于实施例所得到的腔室分离型外膜生长装置，包括有：反应腔室，具备生长空间；基板安装单元，配置于所述生长空间，用于安装基板；金属氧化物处理单元，在独立于所述生长空间上处理金属氧化物，使所述金属氧化物上产生的金属离子和氧离子供应至所述基板；砷供应单元，与所述基板相对配置，向所述基板供应砷离子；氧自由基供应单元，与所述基板相对配置，向所述基板额外提供氧自由基；真空调节单元，能独立地对所述反应腔室和所述金属氧化物处理单元的真空状态进行调节。
12.这里，所述金属氧化物处理单元可包括：金属氧化物处理腔室，具备有独立于所述生长空间的蒸发空间；安装台，配置于所述蒸发空间，与所述生长空间相对，并安装有所述金属氧化物的氧化锌板；电子束照射器，向所述氧化锌板照射电子束，使所述氧化锌板上的锌离子和氧离子蒸发；阀门，将所述蒸发空间与所述生长空间相连通，使蒸发的所述锌离子和所述氧离子向位于所述生长空间内的所述基板移动。
13.这里，所述真空调节单元可包括：第一真空泵，对所述生长空间作用；第二真空泵，对所述蒸发空间作用；其中，所述第二真空泵，在所述阀门关闭的状态下，能独立于所述生长空间对所述蒸发空间的真空状态进行调节。
14.这里，所述阀门与所述基板的尺寸成一定比例而设置。
15.这里，所述金属氧化物处理腔室还包括：更换准入门，允许所述安装台的接近靠近，用于所述蒸发源的更换。
16.这里，所述基板安装单元和所述电子束照射器，可位于与所述反应腔室相应的水平位置处；所述安装台位于与所述反应腔室的下侧相应的水平位置处。
17.这里，所述金属氧化物处理单元，还可包括：摄像头，设置于所述蒸发空间，对所述氧化锌板的蒸发状态进行摄像。
18.这里，所述砷供应单元，为了砷的离子化，在500至1100℃的范围内运转，所述砷离子以as2 形式供应。
19.这里，以所述基板安装单元为基准，所述氧气供应单元和所述砷供应单元位于相反的两侧。
附图说明
20.图1是图示本发明中一实施例的腔室分离型外膜生长装置100的概念图。
21.图2是图示图1中的腔室分离型生长装置100从一个方向上切开的截面图。
22.图3是图示图1中的腔室分离型生长装置100从另一个方向上切开的截面图。
23.图4是图示图1中的金属氧化物处理单元150的透视立体图。
24.(附图标记的说明)
25.100：腔室分离型外膜生长装置
26.110：反应腔室
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
130：基板安装单元
27.150：金属氧化物处理单元
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
170：氧气供应单元
28.180：砷供应单元
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
190：驱动单元
29.210：加热单元
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
230：真空调节单元
具体实施方式
30.以下，针对本发明的优选实施例中的腔室分离型外膜生长装置，将参照下文的附图进行具体说明。在本说明书中即使是相互不同的实施例，对于相同或相似的结构，将使用相同或相似的附图标记，对其说明只需参照最初的说明即可。
31.图1是图示本发明中一实施例的腔室分离型外膜生长装置100的概念图。图2是图示图1中的腔室分离型生长装置100从一个方向上切开的截面图。图3是图示图1中的腔室分离型生长装置100从另一个方向上切开的截面图。
32.参照本附图，腔室分离型外膜生长装置100可以有选择性地包括：反应腔室110，基板安装单元130，金属氧化物处理单元150，氧气供应单元170，砷供应单元180，驱动单元190，加热单元210，以及真空调节单元230。
33.反应腔室110设置有生长空间111，高纯度氧化锌薄膜生长工艺在生长空间111上完成。为了使生长空间111容纳有大量或者大面积的晶元，最少应该具有3600l的体积。从压力的角度来讲，生长空间111基本上要满足10
‑
8～10
‑
9torr，成膜进行时10
‑
5～10
‑
6torr水平的真空状态。为此，真空调节单元230的第一真空泵231与生长空间111相连通，第一真空泵231有一对组成，分别设置于生长空间111的两侧。
34.上述反应腔室111可以与预抽真空腔室(loadlock chamber，未图示)相连接。预抽真空腔室被分隔为两个空间，分别是维持10
‑
3torr水平真空度的基板保管领域和维持10
‑
8～10
‑
9水平真空度的基板移送领域。所述预抽真空腔室可以包括：用于安装基板w的基板安装单元130移送，自动搬运装置；将金属氧化物的排气(outgasing)时间缩短的预热单元，可至少保管5个基板容纳器的狭缝等。预抽真空腔室的真空度在工艺进行的期间，反应腔室110的真空水平可维持在10
‑
8～10
‑
9torr。预抽真空腔室和反应腔室间的基板w移送由机器人来完成进行。
35.基板安装单元130设置于生长空间111，是基板w安装的结构。基板安装单元130具有1m以上的大面积基板，或者大量(例如40张以上)的4英寸蓝宝石基板可以安装的尺寸。基板安装单元130从预抽真空腔室搬运，最后附着与在反应腔室110设置的吊架上。为此，吊架和基板安装单元130的连接部位处设置有4个电磁石。在电磁石附着后外膜生长层形成时，基板安装单元130可向上移动，靠近位于上部的加热单元210，到达使基板w的温度维持在550
‑
800℃的位置。为了使基板安装装置130移送至预抽真空腔室，外膜层生长工艺完成后，将吊架下降80mm，然后解除电磁石的磁场，从而使所述基板安装单元130可以安装至移送系统上。同时在移送上述结构时，可以将其保管在设置于预抽真空腔室的狭缝处。为了控制基板安装单元130的位置，也为了基板安装单元130附着在吊架的位置和外膜层生长工艺，可在应该向上部移动的位置处安装位置传感器，这样就可以准确地控制基板安装单元130的位置。
36.金属氧化物处理单元150对作为蒸发源的金属氧化物进行处理，使所述金属氧化物上产生的金属离子和氧离子供应至基板w上。金属氧化物处理单元150在结构上与反应腔室110相分离，设置于反应腔室110的外侧。基于上述结构，对所述金属氧化物的处理是在独立于生长空间111的空间里进行的，因此生成的金属离子和氧离子被供应至生长空间111并附着于基板w上。
37.氧气供应单元170，是对气体状态的氧分子进行解离，并将氧自由基(o)供应至基
板w的结构。所述氧气供应单元170设置于反应腔室110，并与所述基板相对。
38.氧化锌单结晶在生长时，从理论上讲锌氧原子比率应为1：1，但如果分析实际氧化锌薄膜的特性上的实际成分，氧原子比率相比于锌原子要低，这是自然发生的现象。因此，氧化锌的比率为了调整至1：1，是通过氧气供应单元170向基板w供应氧自由基来完成的。供应的氧气不应该是氧分子o2状态，应该是供应通过热或者等离子体的解离状态的氧自由基。
39.氧气供应单元170优选可以采用rf等离子解离装置，此部分是安装于反应腔室110下部的结构。rf plasma解离装置在供应氧自由基的初期为了防止喷溅(spitting)现象或者阻塞(clogging)现象，在其末端还可设置百叶窗。并且，其还可以具备有喷嘴，用于将氧自由基喷射至生长空间111之内，还可具备用于使氧气解离的rf等离子源和电源供应装置和阻抗匹配系统。在使用等离子系统上，使用直接等离子体或者远程等离子体都无妨，在本实施例中，为了使等离子体的影响最小而选择了远程等离子体的方式来进行。
40.为了使o2能够高效解离，rf plasma power可以使用300
‑
750w的范围，如果是同时处理40张4英寸基板的工艺而言，优选为100w合适。用于氧自由基供给的氧气供应单元170的排出口和基板w间的距离为800
‑
1400mm，可优选为800mm的距离。
41.进一步而言，为了防止从氧气供应单元170供应的氧自由基造成周边部品的氧化，金属氧化物处理单元150与反应腔室110的生长空间111相分离，设置于反应腔室110的外侧，在其生长空间(蒸发空间152，图4)上完成蒸发。因此，用于金属氧化物蒸发的空间和氧自由基供应的空间(生长空间111)相互不重叠，形成空间分离的结构，这样可以使供应至用于蒸发结构处的氧气达到最小化。
42.砷供应单元180是用于向基板w供应砷离子的结构。其设置于反应腔室110的底部，与基板w相对配置。
43.所述砷供应单元180，例如可以采用knudsen cell(k
‑
cell)，其在常温状态下将固体的砷在500～1100℃的温度范围内将其分解，优选为600
‑
1100℃之间，以as2 的离子状态供应至基板w。在砷离子中如果将as4 供应至基板w，则zn
‑
o
‑
as之间的结合就不能正常进行，高质量的p型氧化锌薄膜就无法正常生长。因此，在上述温度范围内，制造出as2 来供应是十分重要的。所述砷供应单元180还可以具备调节阀门，通过调节砷离子的量(根本上来说是as2 ，doping concentration)在1017
‑
1021个/cm3的范围之内，使其能够符合外延薄膜的特性。
44.将砷分解后供应至基板的初期，as2 接受体的喷溅(spitting)现象导致的杂质浓度增加，为了对其进行控制，砷供应单元180其自身还具备百叶窗，且还具备加热单元，用于砷的分解而机型加热的结构。并且，砷供应单元180还可具备用于将砷储存的储存器。
45.砷供应单元180以基板安装单元130为基准，位于氧气供应单元170的相反一侧。由此，就可以相对性地保护其不受从氧气供应单元170排出的氧自由基的氧化影响。
46.驱动单元190是用于驱动基板安装单元130的结构。驱动单元190连接着基板安装单元130，同时设置于反应腔室110。具体而言，驱动单元190使基板安装单元130沿垂直方向v，从反应腔室110的底部逐渐远离或者逐渐靠近的方向进行移动。更进一步讲，驱动单元190可以将基板安装单元130沿着旋转方向r进行旋转。
47.具体而言，驱动单元190可以使基板安装单元130沿垂直方向v上下移动50
‑
100mm，
优选为移动80mm。并且为了使基板w上能够附着均匀的薄膜，驱动单元190可以使基板安装单元130以5
‑
50rpm的速度进行旋转，优选为10rpm的速度。在上述情形下，驱动单元190只将所述支架旋转，实际上也可以对基板安装单元130的整体进行旋转。
48.加热单元210的设置是用于加热基板w，且与所述基板安装单元130相对应。加热单元210可设置于反应腔室110或者驱动单元190，位于生长空间111上。加热单元210在运转时可以达到750℃至1000℃之间，从而可以使成膜过程中基板w的温度保持在550至800℃之间。为了使基板w的整体温度能够均匀保持，加热单元210可以设置1
‑
4个，并且加热单元210分别各自独立控制温度。加热单元210在真空状态下通过辐射的方式向基板w传递热量。
49.真空调节单元230是用于分别独立地调节反应腔室110和金属氧化物处理单元150的真空状态的结构。为此，真空调节单元230具备对生长空间111作用的第一真空泵231。并且，真空调节单元230还具备第二真空泵(未图示)，其可以对金属氧化物处理单元150的金属氧化物处理腔室(151，图4参照)作用。这里，第一真空泵和第二真空泵在相互独立的情况下运转和调节。
50.以下将针对金属氧化物处理单元150参照图4进行更具体地说明。图4是图示图1中的金属氧化物处理单元150的透视立体图。
51.参照本附图(以及图1至图3)，金属氧化物处理单元150可选择性地包括：金属氧化物腔室151，安装台153，电子束照射器155，阀门157以及监控器159。
52.在本实施例中，对金属氧化物的处理是指对其进行照射电子束，使金属离子和氧离子蒸发而向基板w移动。如上所述的处理是在金属氧化物处理腔室151，具体而言是在其内部空间的蒸发空间152内进行的。金属氧化物处理腔室151是独立于反应腔室110的外侧的结构，蒸发空间152和生长空间111也是相互独立的空间。蒸发空间152相比于生长空间111其尺寸要小，大致来说，前者的体积是后者体积的四分之一。
53.上述金属氧化物的具体一实施例是氧化锌板t，其可以通过烧结氧化锌粉而制成。因此，金属离子为zn2 ，氧离子为o2
‑
。氧化锌板t的直径为8英寸，厚度为2英寸，如果假定能够100％汽化就能具有900cm3的容量。这是可以适用数个月之久的容量，因此对于量产工艺来说是合适的量。在氧化锌板t上，在电子束的照射下由固体状态升华至气体状态的氧化锌领域的温度在1000
‑
1500℃范围内，熔点为1950℃。
54.氧化锌板t可设置于安装台153上。安装台153设置于蒸发空间152，具体而言，生长空间111与基板安装单元130相对设置。为此，安装台153位于与反应腔室110下侧相平行的位置上。
55.在氧化锌板t上基于电子束照射而产生的锌和氧气气体在供应初期产生喷溅(spitting)现象或者阻塞(clogging)现象，为了防止此现象，可在其末端设置百叶窗。百叶窗可通过马达来进行控制，使其对应于电子束照射的领域移动，其大小可为2
‑
9英寸，优选为具有4英寸大小的圆形结构。
56.氧化锌作为陶瓷系列的物质，其热传导效率还达不到金属的14％，即5w/mk，是热传导效率较低的物质。通过照射电子束使得局部温度升高的蒸发领域以及除此之外的领域产生温度差异，因此需要防止氧化锌板上产生的热压导致的变形。为此，可在氧化锌板t的周围设置一个加热单元(未图示)，使其温度斜率最小。这样的加热单元设置于安装台151，包裹氧化锌板t，优选为通过差别加热的方式，使得氧化锌板t的温度领域至少被区分成5个
以上，并且各个领域之间的温度差异不超过300℃。
57.还可以额外将机构154设置于安装台151上，使用时按照一定间隔周期对氧化锌板t进行旋转，这是用于在氧化锌板y上形成的均匀侵蚀剖面(erosion profile)从而使氧化锌板t的使用效率增加的方法。氧化锌板t的旋转角度为45
°
，到更换它为止总共可以旋转8次。
58.向氧化锌板t照射电子束的电子束照射器155设置于蒸发空间152的上部。上述电子束照射器155作为与基板安装单元130基本处于同一水平位置的结构，位于与反应腔室110的上部相应的水平位置上。
59.电子束照射器155是将电子束以直射(direct)的方式照向氧化锌板t的结构，上述照射角度可优选为20
°
以内的角度。电子束的加速电压较高时，照射至氧化锌板t之后产生二次电子(secondary electron)。将二次电子的产生量降至最低是十分重要的；如果电子束的照射角度超过40
°
，产生的二次电子的比率会集聚增加而达到50％的水平，从而对氧化锌的蒸发效率、氧化锌板t的使用效率、反应腔室110的腔室壁受污染等产生消极影响，因此优选为对照射角度要调节至20
°
以内。
60.从电子照射器155照射的电子束在使用5
‑
30kv的范围的加速电压和最大2a的放电电流条件下，最大可达到60kw的功率。优选为使用30kv的加速电压和1a的放电电流，最大可达到30kw的功率。
61.为了使在金属氧化物处理腔室150产生的锌离子和氧离子能顺利地供应至反应腔室110，氧化锌板t应该按照一定的角度设置，优选为沿倾斜度为15
‑
30
°
的方向，其倾斜方向与反应腔室110和金属氧化物处理腔室150的连接通路，即与阀门157相对。
62.氧化锌板t和电子束照射器155之间的距离可以设置在600至1800mm之间，最大不应该超过1800mm。并且，在基板安装单元130上如果安装了多个基板(比如4英寸108张)，氧化锌板t和基板w之间的距离维持在800至1800mm之间比较合适。如果距离在800mm以下，在整个基板w上保持均匀的外膜层是不可能的，如果距离在1800mm以上，虽然是可以保持均匀外膜层，但是附着速度太慢的劣势就会产生。
63.阀门157设置在区分生长空间111和蒸发空间152的分隔壁上，是有选择性地将蒸发空间152与生长空间111相连通的结构。氧化锌板t上蒸发的锌离子和氧离子只有在阀门157打开的时候，会移动至生长空间111。阀门157的尺寸可以与基板w的尺寸呈一定比例。例如，阀门157可以根据金属氧化物处理腔室151的尺寸选择5英寸左右大小，但1m以上的大面积基板上(例如40张大小为4英寸的基板)外膜层在生长时，可以选择14英寸以上的大小，用于提高成膜的效率。
64.摄像头159，设置于蒸发空间152上，对氧化锌板t的蒸发状态进行拍摄的结构。以摄像头159获取的图像为根据，管理者可以对氧化锌板的更换时期进行特别指定。进一步说，金属氧化物处理腔室151上可设置有更换准入门，其为了使氧化锌板t能顺利更换，而允许作业者接近安装台153。
65.进一步说，在真空调节单元230上，与第二真空泵(未图示)相连接的泵口235、236设置于金属氧化物处理腔室151上。
66.根据上述结构，生长空间111和蒸发空间152分别独立地被第一真空泵231和第二真空泵控制，在工艺进行时，两个空间全部都应维持10
‑
8torr以下的超高真空状态水平。
67.附着工艺进行时，应该打开阀门157，并打开分隔壁之后再进行相关工艺，使得在蒸发空间152的氧化锌板t上产生的气体能够顺利地向生长空间111移动。在更换氧化锌板t时，在维持着生长空间111的超高真空状态下，将阀门157关闭，只有蒸发空间152的真空状态变换到常压状态后，更换作业才可以进行。
68.具体而言，40张4英寸的基板安装在外膜生长装置时，现有的一体型腔室体积最小需要3600l，如本实施例所述的腔室分离性结构，反应腔室110和金属氧化物处理腔室151的体积比率为78:22，分别为2808l和792l。一体型腔室的结构中，为了将具有3600l体积的腔室从常压再次转换至10
‑
9torr的超高真空水平状态，需要30小时以上，但本实施例中的腔室分离性结构中，将金属氧化物处理腔室151从常压状态转换至超高真空状态，仅仅需要两个小时左右。反应腔室110由于可以一直维持超高真空状态，金属氧化物处理腔室151从常压状态转变至超高真空状态的两小时后，后续工艺便可以继续进行。
69.并且，从反应腔室110注入的大部分氧气和离子大部分都移动至了位于上部的基板w，而移动至位于金属氧化物处理腔室151内的氧化锌板t、安装台153、电子束照射器155等结构的量就非常少了。这样通过防止氧气和离子倒流至蒸发空间152，就可以保护氧化锌板t等不受氧化。由此，氧化锌板t就可以使用得更久。
70.如上所述的腔室分离性外膜生长装置，并不局限于上述说明的实施例结构和运转方式。上述各实施例中，对其中全部或者一部分进行有选择性地组合后就可以构成多种多样的变形实施例。