一種第ⅲ族元素和第v族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法

專利名稱：一種第ⅲ族元素和第v族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生長(zhǎng)第III族元素和第V族元素化合物薄膜的裝置和方法，尤其涉及 一種第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法及反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)方 法。
背景技術(shù)：
作為一種典型的第III族元素和第V族元素化合物薄膜，氮化鎵(GaN)是一種廣 泛應(yīng)用于制造藍(lán)光、紫光和白光二極管、紫外線檢測(cè)器和高功率微波晶體管的材料。由于 GaN在制造適用于大量用途的低能耗裝置(如，LED)中具有實(shí)際和潛在的用途，GaN薄膜的 生長(zhǎng)受到極大的關(guān)注。GaN薄膜能以多種不同的方式生長(zhǎng)，包括分子束外延(MBE)法、氫化物蒸氣階段外 延(HVPE)法、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法等。目前，MOCVD法是用于為生產(chǎn) LED得到足夠質(zhì)量的薄膜的優(yōu)選的沉積方法。MOCVD工藝通常在一個(gè)具有較高溫度控制的環(huán)境下的反應(yīng)器或反應(yīng)腔內(nèi)通過熱工 藝(thermal processing)的方式進(jìn)行。通常，由包含第III族元素(例如鎵(Ga))的第一 前體氣體和一含氮的第二前體氣體(例如氨(NH3))被通入反應(yīng)腔內(nèi)反應(yīng)以在被加熱的基 片上形成GaN薄膜。一載流氣體(carrier gas)也可以被用于協(xié)助運(yùn)輸前體氣體至基片上 方。這些前體氣體在被加熱的基片表面混合反應(yīng)，進(jìn)而形成第III族氮化物薄膜(例如GaN 薄膜)而沉積在基片表面。然而，在前述MOCVD工藝過程中，GaN薄膜或其他反應(yīng)產(chǎn)物不僅會(huì)生長(zhǎng)或沉積在基 片上，也會(huì)生長(zhǎng)或沉積在反應(yīng)腔內(nèi)的其他反應(yīng)腔部件上，例如，在反應(yīng)腔的側(cè)壁上、在基片 的支撐座(SUS(^ptor)上、在氣體分布裝置上、或其他地方。這些不希望出現(xiàn)的反應(yīng)腔內(nèi)的 沉積物積聚(undesired deposits or residues)會(huì)在反應(yīng)腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)(particles)，并 可能會(huì)從附著處剝落開來，隨著反應(yīng)氣體的氣流在反應(yīng)腔內(nèi)到處擴(kuò)散，最后會(huì)落在被處理 的基片上，而造成基片產(chǎn)生缺陷或失效，同時(shí)還會(huì)造成反應(yīng)腔的污染，并對(duì)下一次MOCVD工 藝質(zhì)量產(chǎn)生壞的影響。因而，在經(jīng)過一段時(shí)間的MOCVD薄膜薄膜生長(zhǎng)工藝后，必須停止薄膜 生長(zhǎng)工藝，專門實(shí)施一個(gè)反應(yīng)腔清潔過程來將這些附著在反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物積聚清除掉。目前，業(yè)內(nèi)采用的一種反應(yīng)腔清潔的方式是“手工清潔”。即，操作人員必須先停止 薄膜生長(zhǎng)工藝，等待反應(yīng)腔內(nèi)部溫度降低至一定溫度后，再打開反應(yīng)腔，用刷子將附著在反 應(yīng)腔內(nèi)部(如反應(yīng)腔側(cè)壁、氣體分布裝置)上的沉積物積聚從其附著表面上“刷”下來并 移出至反應(yīng)腔內(nèi)部；當(dāng)沉積物積聚很厚時(shí)，操作人員還需要通過一種工具將它們從其附著 表面上“刮”下來并移出至反應(yīng)腔內(nèi)部。操作人員還可以將某些附著有沉積物積聚的反應(yīng) 腔部件(如基片基座)從反應(yīng)腔內(nèi)取出，并換上新的、“干凈”的反應(yīng)腔部件。這種清潔方 式的缺點(diǎn)是清潔反應(yīng)腔必須要停止原薄膜薄膜生長(zhǎng)工藝，并且要等待相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間使反 應(yīng)腔內(nèi)部溫度降低至適合人工清潔的溫度，還必須在打開反應(yīng)腔的情況下進(jìn)行，由于這些
4CN 102108495 A
說明書
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操作需要在“停機(jī)”的狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于反應(yīng)腔使用者而言，每一次反應(yīng)腔清潔都會(huì)導(dǎo)致薄 膜生長(zhǎng)工藝被迫停止，而這將導(dǎo)致反應(yīng)腔的工藝生產(chǎn)的吞吐量(throughput)減少、增加生 產(chǎn)者的使用成本。而且由于這種清潔方式是“手工清潔”，因而清潔得并不徹底，每次清潔的 結(jié)果也不一致，導(dǎo)致后續(xù)的薄膜生長(zhǎng)工藝可能產(chǎn)生工藝品質(zhì)的偏移和缺陷。同時(shí)，業(yè)內(nèi)還面臨的一個(gè)技術(shù)難題是在對(duì)反應(yīng)腔清潔處理后，由于反應(yīng)腔內(nèi)會(huì)集 聚或在反應(yīng)腔表面吸附一些清潔氣體殘余或清潔過程中產(chǎn)生的反應(yīng)副產(chǎn)物，這些清潔氣體 殘余或反應(yīng)副產(chǎn)物的存在，會(huì)對(duì)下一次薄膜生長(zhǎng)工藝產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的薄膜 均一性不穩(wěn)定或產(chǎn)生瑕疵。因而，有必要開發(fā)一種有效的、省時(shí)的方式將所述第III族元素和第V族元素化合 物從反應(yīng)腔內(nèi)清除掉，并保證每次清潔的質(zhì)量和一致性，且不對(duì)后續(xù)薄膜生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影 響。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種成本節(jié)約地、有效地清 除第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物積聚的方法，并且減少該 反應(yīng)腔清潔對(duì)后續(xù)薄膜生長(zhǎng)工藝的影響。根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供了一種第III族元素和第V族元素化合物薄膜 生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法，包括以下步驟反應(yīng)腔清潔步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入清潔氣體，在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該清 潔氣體的等離子體，維持所述清潔氣體的等離子體一第一時(shí)間段，以清除所述反應(yīng)腔內(nèi)部 的沉積物積聚；反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入包含第111族元素和第V族元素 的反應(yīng)氣體，并在所述反應(yīng)腔內(nèi)作用一第二時(shí)間段，以在所述反應(yīng)腔內(nèi)部的表面上形成第 III族元素和第V族元素化合物的涂層。其中，在實(shí)施所述反應(yīng)腔清潔步驟之前，還包括將反應(yīng)腔內(nèi)的基片從反應(yīng)腔內(nèi)移 出的步驟。其中，所述清潔氣體包括含H或含鹵族元素的氣體。其中，所述清潔氣體包括含Cl或含F(xiàn)或含Br的氣體。其中，所述含H的氣體包括H2、HCl、NH3、HBr、HI、CH4、CHF3、CH2F2中的一種或至
少兩種混合氣體。其中，所述含Cl 的氣體包括HCl、C12、ClF、ClF3、ClF5、BC13、SiC14、CHC13、CH3Cl
中的一種或至少兩種混合氣體。其中，所述含F(xiàn) 的氣體包括C1F、C1F3、CC12F2、C1F5、NF3、SF6、CF4、C2F6、C3F8、 C4F6、C4F8、CHF3、CH2F2、NF3中的一種或至少兩種混合氣體。其中，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該第III族元素的反應(yīng) 氣體或/和第V族元素的反應(yīng)氣體的等離子體，維持所述等離子體至所述第二時(shí)間段。其中，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括加熱所述反應(yīng)腔內(nèi)部至500°C至1400°C，使 所述第III族元素和第V族元素的反應(yīng)氣體在熱的作用下化學(xué)反應(yīng)。其中，所述涂層包括GaN。
其中，所述沉積物積聚包括第III族元素和第V族元素化合物。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種第III族元素和第V族元素化合物薄 膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法，包括以下步驟反應(yīng)腔清潔步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入清潔氣體，在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該清 潔氣體的等離子體，維持所述清潔氣體的等離子體一第一時(shí)間段，以清除所述反應(yīng)腔內(nèi)部 的沉積物積聚；反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體，所述反應(yīng) 腔狀態(tài)恢復(fù)氣體與反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體反應(yīng)，將反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體反應(yīng)去除。其中，在實(shí)施所述反應(yīng)腔清潔步驟之前，還包括將反應(yīng)腔內(nèi)的基片從反應(yīng)腔內(nèi)移 出的步驟。其中，在實(shí)施所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟之后，還包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入包含第 III族元素和第V族元素的反應(yīng)氣體，所述反應(yīng)氣體在所述反應(yīng)腔內(nèi)在等離子體作用下或 在熱化學(xué)氣相沉積的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)，以在所述反應(yīng)腔內(nèi)部的表面上形成第III族元素和 第V族元素化合物的涂層。其中，所述清潔氣體包括含H或含鹵族元素的氣體。其中，所述清潔氣體包括含Cl或含F(xiàn)或含Br的氣體。其中，所述含H的氣體包括H2、HCl、NH3、HBr、HI、CH4、CHF3、CH2F2中的一種或至
少兩種混合氣體。其中，所述含Cl 的氣體包括HCl、C12、ClF、ClF3、ClF5、BC13、SiC14、CHC13、CH3Cl
中的一種或至少兩種混合氣體。其中，所述含F(xiàn) 的氣體包括C1F、C1F3、CC12F2、C1F5、NF3、SF6、CF4、C2F6、C3F8、 C4F6、C4F8、CHF3、CH2F2、NF3中的一種或至少兩種混合氣體。其中，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體包括H2、CH4、N2、NH3、Ar、He中的一種或至少兩種 混合氣體。其中，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體 的等離子體，維持所述等離子體至一第二時(shí)間段。其中，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括加熱所述反應(yīng)腔內(nèi)部至300°C至1400°C，使 所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體在熱的作用下化學(xué)反應(yīng)。其中，所述沉積物積聚包括第III族元素和第V族元素化合物。其中，所述第III族元素選自鎵、銦、鎵和銦的組合、鎵和鋁的組合、銦和鋁的組 合、以及鎵和銦和鋁的組合。其中，所述第V族元素選自氮、磷、砷、銻、以及前述元素的至少兩種元素的組合。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式所提供的用以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的清潔方法的裝置10。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明。本發(fā)明提供一種快速、有效地清除第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物積聚的方法。使用該方法對(duì)生長(zhǎng)反應(yīng)腔清潔處理，不僅保證每次清潔的質(zhì) 量和一致性，而且不會(huì)對(duì)后續(xù)的第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)工藝產(chǎn)生不利 的影響。如圖1所示，圖1為根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式所提供的用以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的清潔方 法的裝置10，該裝置10實(shí)際上也構(gòu)成第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)裝置的一 部分，亦即，該裝置10的反應(yīng)腔11同時(shí)也是第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反 應(yīng)腔或?yàn)槠湟徊糠?，用于在該裝置10的反應(yīng)腔內(nèi)部18生長(zhǎng)第III族和第V族元素化合物薄膜。具體而言，圖1中，裝置10包括反應(yīng)腔11，其包括接地的側(cè)壁12和腔底13。反應(yīng) 腔11的內(nèi)部18設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)基片基座17。在MOCVD薄膜生長(zhǎng)工藝過程中，一片或多 片基片W可以直接地被放置在基片基座17上，或者，這些若干片基片W也可以通過放置在 一整個(gè)載片盤(未圖示)上，然后再被放置在基片基座17上，從而于基片W的表面上生長(zhǎng) 所述第III族元素和第V族元素化合物薄膜?？蛇x擇地，基片基座17可以通過設(shè)置于其下 方的連接機(jī)構(gòu)M及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未圖示)帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)基片W旋轉(zhuǎn)，以增強(qiáng)工藝結(jié) 果的均一性。當(dāng)然，基片W也可以以其他的已知的或未來開發(fā)出來的旋轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn)。為了 向反應(yīng)腔11內(nèi)通入反應(yīng)氣體源或清潔氣體，作為一種實(shí)施方式，在圖1所示的裝置10中， 頂部15上還可以設(shè)置一氣體分布裝置(gas distributionshowerhead) 30o例如，一種可行 的實(shí)施方式是，在其上設(shè)置相互連接的氣體擴(kuò)散空間32和多個(gè)氣體分布孔34，氣體擴(kuò)散空 間32與氣體傳輸管道42相連接，氣體傳輸管道42又與氣體源40(包括反應(yīng)氣體源40a 或清潔氣體源40b)相連接。所述氣體源4(K40a，40b)通過所述氣體分布孔34被輸入至所 述反應(yīng)腔內(nèi)部18。在基片基座17的內(nèi)部、或下方、或附近的其他位置可以設(shè)置各類常用的 或未來可能采用的溫度加熱和控制裝置(未圖示)，這樣可以在工藝的過程中，保持基座17 上方的基片溫度控制在約500°C至約1400°C之間。反應(yīng)腔11的內(nèi)部18通過設(shè)置于其下方 的排氣裝置16而被維持成一真空的處理環(huán)境。在進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)工藝時(shí)，反應(yīng)腔11是采用熱薄膜生長(zhǎng)工藝(thermalprocessing) 或其他等離子體輔助的方式進(jìn)行的。舉例說明，在采用熱薄膜生長(zhǎng)工藝時(shí)，反應(yīng)腔內(nèi)部18 的基片基座17和基片W會(huì)被加熱至約500°C至約1400°C之間，薄膜生長(zhǎng)工藝所用的反應(yīng)氣 體源會(huì)從反應(yīng)腔11的適當(dāng)位置處通入反應(yīng)腔內(nèi)部18，反應(yīng)氣體源在熱的作用下起化學(xué)反 應(yīng)而在基片W上沉積薄膜或外延生長(zhǎng)薄膜，基片基座17在薄膜生長(zhǎng)過程中保持旋轉(zhuǎn)，以提 高薄膜生長(zhǎng)的均一性。在該裝置10的反應(yīng)腔11運(yùn)行一段時(shí)間的薄膜生長(zhǎng)工藝后，所述反 應(yīng)腔內(nèi)部18的各種反應(yīng)腔部件上會(huì)沉積一定量的沉積物積聚，因而有必要對(duì)該反應(yīng)腔內(nèi) 部進(jìn)行清潔。如前所述，在MOCVD工藝過程中，GaN薄膜或其他反應(yīng)產(chǎn)物(以下統(tǒng)稱為反應(yīng)腔 內(nèi)的沉積物積聚)不僅會(huì)生長(zhǎng)或沉積在基片上，也會(huì)生長(zhǎng)或沉積在反應(yīng)腔內(nèi)的其他零部件 上，例如，在反應(yīng)腔11的內(nèi)側(cè)壁上、在基片基座17上等等。由于MOCVD工藝會(huì)涉及很多層 的沉積以及很長(zhǎng)時(shí)間的沉積，這些沉積物積聚通常包括第III族元素和第V族元素化合物。 例如，可能是如下薄膜金屬化合物Hfi^n，GaN、InN、AlN、InGaN、AWaN)沉積物殘、少量的 碳?xì)浠衔?hydrocarbon)沉積物殘余等。在運(yùn)用裝置10薄膜生長(zhǎng)后，裝置10能夠直接利用反應(yīng)腔11實(shí)現(xiàn)原位清潔(in-situ cleaning)，也就是說，該清潔方式不用如現(xiàn)有技術(shù)那樣需要打開反應(yīng)腔，而是直 接在反應(yīng)腔內(nèi)部18形成清潔氣體的等離子體P，從而與反應(yīng)腔內(nèi)部18積聚的沉積物反應(yīng)， 生成氣態(tài)的副產(chǎn)品并被排氣裝置16抽離反應(yīng)腔內(nèi)部18。如圖1所示，作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的一種實(shí)施方式，裝置10包括反應(yīng)腔11， 反應(yīng)腔11包括頂部15、側(cè)壁12和腔底13。側(cè)壁12包括金屬材料部分1 和由電介質(zhì)材 料組成的電介質(zhì)部分12b?；?7位于所述反應(yīng)腔內(nèi)部18，一片或多片基片W位于所 述基片基座17上并可以在反應(yīng)腔用于薄膜生長(zhǎng)時(shí)于其表面上沉積所述第III族元素和第V 族元素化合物。反應(yīng)腔11還包括一電感線圈對(duì)，其環(huán)繞在所述側(cè)壁12的電介質(zhì)部分12b 的外側(cè)。一射頻供應(yīng)源20通過一射頻匹配裝置22與所述電感線圈M相連接，用于向反應(yīng) 腔內(nèi)部18提供射頻功率。一清潔氣體源40b與所述反應(yīng)腔11相連接，用于向所述反應(yīng)腔 內(nèi)部18提供清潔氣體，所述清潔氣體在所述反應(yīng)腔內(nèi)部18受所述射頻功率激勵(lì)而形成等 離子體P，用于清潔所述反應(yīng)腔內(nèi)的第III族元素和第V族元素化合物沉積物積聚。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)，本發(fā)明提供的一種第III族元素和第V族元素化 合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法，包括以下步驟反應(yīng)腔清潔步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入清潔氣體，在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該清 潔氣體的等離子體，維持所述清潔氣體的等離子體一第一時(shí)間段，以清除所述反應(yīng)腔內(nèi)部 的沉積物積聚；反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入包含第III族元素和第V族元素 的反應(yīng)氣體，并在所述反應(yīng)腔內(nèi)作用一第二時(shí)間段，以在所述反應(yīng)腔內(nèi)部的表面上形成第 III族元素和第V族元素化合物的涂層。可選擇地，在實(shí)施所述反應(yīng)腔清潔步驟之前，還包括將反應(yīng)腔內(nèi)的基片從反應(yīng)腔 內(nèi)移出的步驟。應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)施本發(fā)明所述反應(yīng)腔清潔步驟時(shí)，原先位于反應(yīng)腔內(nèi)的用于放置 基片的支撐座可以被一起清潔；或者，利用本發(fā)明的方法和裝置，也可以將其他反應(yīng)腔內(nèi)被 污染的支撐座放入本發(fā)明的反應(yīng)腔內(nèi)，利用本發(fā)明的清潔方法對(duì)其清潔，清潔成功后，再將 其從反應(yīng)腔內(nèi)取出。所述清潔氣體包括含H或含鹵族元素的氣體。優(yōu)選地，所述清潔氣體包括含H或含Cl或含F(xiàn)或含Br的氣體。作為一種實(shí)施方式，前述含H的氣體包括H2、HCl、NH3、HBr、HI、CH4、CHF3、CH2F2 中的一種或至少兩種混合氣體。作為一種實(shí)施方式，前述含Cl的氣體可以為HC1、C12、C1F、C1F3、C1F5、BC13、 SiC14中的一種或至少兩種混合氣體。作為一種實(shí)施方式，前述含F(xiàn)的氣體可以為C1F、C1F3、CC12F2、C1F5、NF3、SF6、 CF4、C2F6、C3F8、C4F6、C4F8、CHF3、CH2F2、NF3 中的一種或至少兩種混合氣體。前述反應(yīng)腔清潔步驟是在等離子體作用的環(huán)境下進(jìn)行的。該等離子體的形成可以 在如圖1所示的裝置內(nèi)部形成，該裝置10是通過電感耦合的方式形成等離子體的。在利 用裝置10清潔反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物積聚時(shí)，基片W已經(jīng)從反應(yīng)腔內(nèi)部的基片基座17上取走 (圖中以虛線表示基片W)。實(shí)施清潔時(shí)，先向反應(yīng)腔內(nèi)部18通入清潔氣體40b，優(yōu)選地，所 述清潔氣體的成份為包括含H或含Cl或含F(xiàn)的氣體。射頻功率源20經(jīng)過與其相連接的射
8頻匹配裝置22向電感線圈M施加射頻能量。射頻能量通過反應(yīng)腔側(cè)壁12的電介質(zhì)部分 12b被耦合至反應(yīng)腔內(nèi)部18，并在反應(yīng)腔內(nèi)部18形成感應(yīng)電場(chǎng)。清潔氣體40b在感應(yīng)電場(chǎng) 的作用下形成等離子體P，維持所述清潔氣體的等離子體P—段時(shí)間Tl，該清潔氣體40b的 等離子體P和反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物積聚進(jìn)行反應(yīng)，使之變成為氣態(tài)的副產(chǎn)品，再被反應(yīng)腔下 方的排氣裝置16抽離反應(yīng)腔11以達(dá)到清除所述沉積物積聚的目的。所述時(shí)間段Tl可以 根據(jù)實(shí)際工藝的需要人為設(shè)定或調(diào)整，比如，5秒或10秒或更長(zhǎng)時(shí)間?？蛇x擇地，在清潔反 應(yīng)腔時(shí)可以保持所述反應(yīng)腔內(nèi)的壓力大約在IOOmTorr至IOTorr之間。本發(fā)明所提供的方法還可以適用于本申請(qǐng)人申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?01020599487. 7， 申請(qǐng)日為2010年11月9日，專利名稱為“一種原位清潔第III族元素和第V族元素化合 物沉積反應(yīng)腔的裝置”的專利中所公開的其他的裝置。該等離子體的形成也可以適用于本申請(qǐng)人申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?01020600531. 1，申 請(qǐng)日為2010年11月9日，專利名稱為“一種原位清潔第III族元素和第V族元素化合物 沉積反應(yīng)腔的裝置”的專利中所公開的各種裝置。這些裝置是通過電容耦合的方式產(chǎn)生等 離子體的。如前所述，在對(duì)反應(yīng)腔進(jìn)行上述反應(yīng)腔清潔步驟后，反應(yīng)腔內(nèi)會(huì)集聚或在反應(yīng)腔 表面吸附一些清潔氣體殘余或清潔過程中產(chǎn)生的反應(yīng)副產(chǎn)物，這些清潔氣體殘余(如，吸 附性很強(qiáng)的Cl》或反應(yīng)副產(chǎn)物的存在，會(huì)對(duì)下一次薄膜生長(zhǎng)工藝產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致生產(chǎn) 出來的薄膜均一性不穩(wěn)定或產(chǎn)生瑕疵。因而，本發(fā)明提供了后續(xù)的反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟來 克服這種問題。作為一種實(shí)施方式，該反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括向反應(yīng)腔內(nèi)10通入包含第III族 元素和第V族元素的反應(yīng)氣體40a，并在所述反應(yīng)腔11內(nèi)作用一第二時(shí)間段(例如，5至10 秒)，以在所述反應(yīng)腔內(nèi)部的表面上形成第III族元素和第V族元素化合物的涂層。該涂層 會(huì)覆蓋在反應(yīng)腔內(nèi)的各種表面上，從而將在先被清潔過的吸附有清潔氣體殘余或反應(yīng)副產(chǎn) 物的表面覆蓋住，使它們不會(huì)在后續(xù)的薄膜生長(zhǎng)過程中釋放出來影響后續(xù)工藝的薄膜生長(zhǎng) 質(zhì)量，由于該涂層的材料與接下來要進(jìn)行的薄膜生長(zhǎng)工藝中要生產(chǎn)的薄膜一樣，因而也不 會(huì)對(duì)后續(xù)的薄膜生長(zhǎng)過程產(chǎn)生不利的影響。應(yīng)當(dāng)理解，前述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟也可以在等離子體的作用下實(shí)現(xiàn)。亦即，在所 述反應(yīng)腔11內(nèi)以前述的各種方式形成該第III族元素的反應(yīng)氣體或/和第V族元素的反 應(yīng)氣體40a的等離子體，維持所述等離子體至所述一特定時(shí)間段，以等離子體輔助的方式 形成第III族元素和第V族元素化合物的涂層。前述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟也可以在熱工藝的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。亦即，該步驟包括加熱 所述反應(yīng)腔11內(nèi)部至一特定的溫度，如500°C至1400°c之間的某一溫度，使所述第III族 元素和第V族元素的反應(yīng)氣體在熱的作用下化學(xué)反應(yīng)，從而沉積形成第III族元素和第V 族元素化合物的涂層。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，前述第III族元素和第V族元素的反應(yīng)氣體40a反應(yīng) 所形成的涂層包括GaN。根據(jù)本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)，本發(fā)明還提供一種第III族元素和第V族元素化合物 薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法，包括以下步驟反應(yīng)腔清潔步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入清潔氣體，在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該清
9潔氣體的等離子體，維持所述清潔氣體的等離子體一第一時(shí)間段，以清除所述反應(yīng)腔內(nèi)部 的沉積物積聚；反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體，所述反應(yīng) 腔狀態(tài)恢復(fù)氣體與反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體反應(yīng)，將反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體反應(yīng)去除?？蛇x擇地，在實(shí)施所述反應(yīng)腔清潔步驟之前，還包括將反應(yīng)腔內(nèi)的基片從反應(yīng)腔 內(nèi)移出的步驟。同樣地，應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)施本發(fā)明所述反應(yīng)腔清潔步驟時(shí)，原先位于反應(yīng)腔內(nèi)的用 于放置基片的支撐座可以被一起清潔；或者，利用本發(fā)明的方法和裝置，也可以將其他反應(yīng) 腔內(nèi)被污染的支撐座放入本發(fā)明的反應(yīng)腔內(nèi)，利用本發(fā)明的清潔方法對(duì)其清潔，清潔成功 后，再將其從反應(yīng)腔內(nèi)取出。其中，所述反應(yīng)腔清潔步驟和所述清潔氣體與前述圖1裝置中所涉及的反應(yīng)腔清 潔步驟和清潔氣體相同，在此不再贅敘。其中，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體是能夠與反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體(如C12)發(fā) 生反應(yīng)并將它們?nèi)コ臍怏w。優(yōu)選的，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體包括H2、CH4、N2、NH3、Ar、 He中的一種或至少兩種混合氣體。類似地，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟可以在等離子體作用下進(jìn)行，例如，該步驟包括 在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體的等離子體，維持所述等離子體至一第二時(shí)間 段(例如，5-10秒或更長(zhǎng))，使該反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體的等離子體與與反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔 氣體發(fā)生反應(yīng)，所生成的副產(chǎn)品氣體被排出反應(yīng)腔。為了提高等離子體的轟擊效果，所述反 應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體還可以包括Ar或He。類似地，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟也可以在熱工藝處理的環(huán)境下進(jìn)行，例如，該步 驟包括加熱所述反應(yīng)腔內(nèi)部至50(TC至1400°C或300°C至140(TC，使所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù) 氣體在熱的作用下與反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體發(fā)生反應(yīng)，從而將其從反應(yīng)腔內(nèi)清除。為了達(dá)到更佳的反應(yīng)腔恢復(fù)狀態(tài)，優(yōu)選地，在實(shí)施前述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟之后， 還可以包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入包含第III族元素和第V族元素的反應(yīng)氣體，所述反應(yīng)氣 體在所述反應(yīng)腔內(nèi)在等離子體作用下或在熱化學(xué)氣相沉積的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)，以在所述反 應(yīng)腔內(nèi)部的表面上形成第111族元素和第V族元素化合物的涂層。同樣地，該涂層會(huì)覆蓋在 反應(yīng)腔內(nèi)的各種表面上，減少由于前述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體(如，前述的H2、CH4、N2、NH3、 Ar, He)在反應(yīng)腔內(nèi)的存在對(duì)后續(xù)的薄膜生長(zhǎng)工藝產(chǎn)生的不良影響。應(yīng)當(dāng)理解的是，利用本發(fā)明的方法，可以清潔各種第III族元素和第V族元素化合 物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物積聚。這些各種沉積物積聚包括第III族元素和第V族元素 化合物。所述第III族元素選自鎵、銦、鎵和銦的組合、鎵和鋁的組合、銦和鋁的組合、以及 鎵和銦和鋁的組合。所述第V族元素選自氮、磷、砷、銻、以及前述元素的至少兩種元素的組 合。例如，本專利中所提及的沉積物積聚可以是如下所列化合物中的一種或至少兩種的混 合物:GaN, InGaN,AlGaN, GaAs, InP，GaAsP，InGaAs、AlSb、A1N、AlP、RN、RP、BAs、GaSb、GaP、 InSb, InAs, InN、InP、AlGaAs、InGaP、AlInAs、AlInSb、GaAsN、GaAsSb、(ialnNAsSb 等。應(yīng)當(dāng)理解的是，本專利中所提及的“清潔氣體”、“反應(yīng)氣體”不限于指只包括一種 氣體，也包括由多種氣體組成的混合氣體。綜上所述，本發(fā)明提供了一種有效地清除第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物積聚的方法。該裝置同時(shí)也構(gòu)成第III族元素和第V族元素化合 物薄膜生長(zhǎng)裝置的一部分。在化合物薄膜薄膜生長(zhǎng)工藝進(jìn)行到一定時(shí)間后，反應(yīng)腔內(nèi)部會(huì) 累積一定量的沉積物積聚，利用本發(fā)明提供的裝置可以在無需打開反應(yīng)腔的情況下有效地 對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原位清潔(in-situ cleaning)，并能保證反應(yīng)腔回復(fù)至準(zhǔn)備后續(xù)薄膜生 長(zhǎng)的狀態(tài)，不會(huì)因反應(yīng)腔清潔對(duì)后續(xù)薄膜生長(zhǎng)造成不利的影響。本發(fā)明的清潔方法簡(jiǎn)單、有 效，能大大地節(jié)省生產(chǎn)者的成本和提高整個(gè)MOCVD生產(chǎn)裝置的有效工藝時(shí)間(uptime)。
以上對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明。需要說明的是，上述實(shí)施例僅是示 范性的，而非對(duì)本發(fā)明的限制。任何不背離本發(fā)明的精神的技術(shù)方案均應(yīng)落入本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。此外，不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求；“包括” 一詞不排除其它權(quán)利要求或說明書中未列出的裝置或步驟；“第一”、“第二”等詞語(yǔ)僅用來 表示名稱，而并不表示任何特定的順序。
權(quán)利要求
1.一種第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法，包括以下步驟反應(yīng)腔清潔步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入清潔氣體，在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該清潔氣 體的等離子體，維持所述清潔氣體的等離子體一第一時(shí)間段，以清除所述反應(yīng)腔內(nèi)部的沉 積物積聚；反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入包含第III族元素和第V族元素的反 應(yīng)氣體，并在所述反應(yīng)腔內(nèi)作用一第二時(shí)間段，以在所述反應(yīng)腔內(nèi)部的表面上形成第III 族元素和第V族元素化合物的涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在實(shí)施所述反應(yīng)腔清潔步驟之前，還包括將 反應(yīng)腔內(nèi)的基片從反應(yīng)腔內(nèi)移出的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述清潔氣體包括含H或含鹵族元素的氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述清潔氣體包括含Cl或含F(xiàn)或含Br的氣體。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述含H的氣體包括H2、HCl、NH3、HBr、HI、 CH4、CHF3、CH2F2中的一種或至少兩種混合氣體。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述含Cl的氣體包括HC1、C12、C1F、C1F3、 ClF5、BC13、SiC14、CHC13、CH3Cl中的一種或至少兩種混合氣體。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述含F(xiàn)的氣體包括C1F、C1F3、CC12F2、 C1F5、NF3、SF6、CF4、C2F6、C3F8、C4F6、C4F8、CHF3、CH2F2、NF3 中的一種或至少兩種混合氣 體。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括在所述反應(yīng) 腔內(nèi)形成該第III族元素的反應(yīng)氣體或/和第V族元素的反應(yīng)氣體的等離子體，維持所述 等離子體至所述第二時(shí)間段。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括加熱所述反 應(yīng)腔內(nèi)部至500°C至1400°C，使所述第III族元素和第V族元素的反應(yīng)氣體在熱的作用下 化學(xué)反應(yīng)。
10.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述涂層包括GaN。
11.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述沉積物積聚包括第III族元素和 第V族元素化合物。
12.—種第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法，包括以下步驟反應(yīng)腔清潔步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入清潔氣體，在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該清潔氣 體的等離子體，維持所述清潔氣體的等離子體一第一時(shí)間段，以清除所述反應(yīng)腔內(nèi)部的沉 積物積聚；反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體，所述反應(yīng)腔狀 態(tài)恢復(fù)氣體與反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體反應(yīng)，將反應(yīng)腔內(nèi)殘余的清潔氣體反應(yīng)去除。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在實(shí)施所述反應(yīng)腔清潔步驟之前，還包括 將反應(yīng)腔內(nèi)的基片從反應(yīng)腔內(nèi)移出的步驟。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在實(shí)施所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟之后，還 包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入包含第III族元素和第V族元素的反應(yīng)氣體，所述反應(yīng)氣體在所 述反應(yīng)腔內(nèi)在等離子體作用下或在熱化學(xué)氣相沉積的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)，以在所述反應(yīng)腔內(nèi) 部的表面上形成第III族元素和第V族元素化合物的涂層。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述清潔氣體包括含H或含鹵族元素的氣體。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述清潔氣體包括含Cl或含F(xiàn)或含Br的氣體。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述含H的氣體包括H2、HCl、NH3、HBr、 HI、CH4、CHF3、CH2F2中的一種或至少兩種混合氣體。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述含Cl的氣體包括HC1、C12、C1F、 C1F3、C1F5、BC13、SiC14、CHC13、CH3C1中的一種或至少兩種混合氣體。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述含F(xiàn)的氣體包括C1F、C1F3、CC12F2、 C1F5、NF3、SF6、CF4、C2F6、C3F8、C4F6、C4F8、CHF3、CH2F2、NF3 中的一種或至少兩種混合氣 體。
20.如權(quán)利要求12或15所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體包括H2、 CH4、N2、NH3、Ar、He中的一種或至少兩種混合氣體。
21.如權(quán)利要求12或20所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括在所 述反應(yīng)腔內(nèi)形成該反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體的等離子體，維持所述等離子體至一第二時(shí)間段。
22.如權(quán)利要求12或20所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟包括加熱 所述反應(yīng)腔內(nèi)部至300°C至1400°C，使所述反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)氣體在熱的作用下化學(xué)反應(yīng)。
23.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述沉積物積聚包括第III族元素和第V 族元素化合物。
24.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第III族元素選自鎵、銦、鎵和銦的組 合、鎵和鋁的組合、銦和鋁的組合、以及鎵和銦和鋁的組合。
25.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第V族元素選自氮、磷、砷、銻、以及前 述元素的至少兩種元素的組合。
全文摘要
一種第III族元素和第V族元素化合物薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)腔的清潔方法，包括以下步驟反應(yīng)腔清潔步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入清潔氣體，在所述反應(yīng)腔內(nèi)形成該清潔氣體的等離子體，維持所述清潔氣體的等離子體一第一時(shí)間段，以清除所述反應(yīng)腔內(nèi)部的沉積物積聚；反應(yīng)腔狀態(tài)恢復(fù)步驟，包括向所述反應(yīng)腔內(nèi)通入包含第III族元素和第V族元素的反應(yīng)氣體，并在所述反應(yīng)腔內(nèi)作用一第二時(shí)間段，以在所述反應(yīng)腔內(nèi)部的表面上形成第III族元素和第V族元素化合物的涂層。本發(fā)明的清潔方法有效、省時(shí)，不僅能保證每次清潔的質(zhì)量和一致性，而且不會(huì)對(duì)后續(xù)薄膜生長(zhǎng)工藝產(chǎn)生不利影響。
文檔編號(hào)C23C16/34GK102108495SQ20101059357
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者孟雙, 尹志堯 申請(qǐng)人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司