CN1782142A - 晶片导向器,mocvd装置和氮化物半导体生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及减小III族氮化物沉积物影响的MOCVD装置用晶片导向器。晶片支架(15)包括一个或多个第一区域(15a)和围绕第一区域(15a)的第二区域(15b)。每个第一区域(15a)包括用于支撑其上沉积有氮化物半导体的晶片(19)的表面。在MOCVD设备(11)和(13)中，将晶片导向器(17)提供在晶片支架(15)第二区域(15b)上。晶片导向器(17)配备有用于覆盖第二区域(15b)的防护罩(17a)和用于接纳在第一区域(15a)上的晶片(19)的一个或多个开口(17b)。防护罩(17a)具有限定开口(17b)并引导晶片(19)的侧表面(17c)，并且将晶片(19)接纳于每个开口(17b)中。将晶片(19)装载在暴露于该开口(17b)中的每个晶片支架(15)第一区域(15a)的支撑表面上。

Description

晶片导向器，MOCVD装置和氮化物半导体生长方法
技术领域
本发明涉及晶片导向器、金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置和氮化物半导体生长方法。
背景技术
日本未审查专利申请公开2003-174235描述了一种半导体发光器件的制作方法，其中在GaAs衬底和GaInNAs活性层之间提供AlGaAs半导体层。GaInNAs活性层和AlGaAs半导体层是使用金属-有机气相沉积(MOCVD)设备生长的。在GaAs衬底上生长AlGaAs半导体层时采用基座盖，而在生长GaInNAs活性层时没有使用基座盖。使用这种半导体发光器件，由于活性层中的铝杂质含量低，所以发光特性得以极大改善。
专利申请公开2003-174235中，在使用GaInNAs活性层和AlGaAs包层制造发光设备时，使用如上所述的基座盖来减小活性层中的铝杂质含量。
使用用于生长GaAs半导体材料以及InP半导体材料的MOCVD设备，对典型地由石墨制成的基座进行如下处理，以除去形成在基座上的沉积物：
(1)由于石墨基座不能被湿法蚀刻，因此使用卤化氢气体(例如氯化氢气体)对它们进行气相蚀刻。在MOCVD设备中提供有氯化氢气体进料管线，使基座在除去其上沉积有薄膜的衬底之后能够被气相蚀刻。尽管基座的代替不是必须的，但是气相蚀刻步骤的加入却降低了生产率。为了避免降低生产率，则需要装配气相蚀刻用反应器，而不使用MOCVD设备，这将导致成本增加。
(2)将石墨基座从MOCVD设备中取出，并在真空下烘焙以除去沉积物。在沉积物除去过程中，MOCVD设备不能用于半导体-薄膜的生长，这就意味着生产率降低。可以使用单独的基座或晶片托盘，但是各个基座或晶片托盘之间在加工精度和材料上的差别造成外延薄膜之间缺乏均匀性，使产量降低。
(3)石墨基座在被气相蚀刻或在真空下烘焙时可能变形。在这种情况下，其上已经沉积了一定程度的沉积物的基座将被扔掉(抛弃)。这样的抛弃使成本增加，另外，新基座和旧基座之间的个体差异产生的均匀性缺乏也导致产量下降。
(4)如果将石英晶片托盘放置在石墨基座上，通过使用王水的化学蚀刻，可以很容易地除去GaAs和InP沉积物。
日本未审查专利申请公开2003-174235中所述的半导体发光器件采用一种GaInNAs半导体，其中氮只占GaInNAs半导体的很小的百分比。因此，该GaInNAs半导体不是以如下通式表示的所谓III族氮化物半导体：AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)。
同时，在用于生长III族氮化物的MOCVD装置中，基座不是由涂布有抗NH3渗透的材料(例如SiC、TaC，BN等)的石墨形成的，就是在基座上提供由石英等形成的晶片托盘。基座和晶片托盘都具有用于接纳晶片的口袋。当使用这样的MOCVD装置进行外延生长时，多晶体沉积在除了口袋(凹槽)外的基座和晶片部分上。当这种沉积物变大时，它们脱落并附着到沉积衬底上，造成表面缺陷。因而，根据需要，需要替换基座和晶片托盘，以消除这种沉积物的影响。在沉积物清除过程中，不能生长III族氮化物薄膜，从而降低了生产率。可以使用其它基座和晶片托盘，但是加工精度、材料等方面的个体差异可能造成产品之间均匀度的缺乏或产量下降。
由于III族氮化物沉积物是化学稳定的，所以它们不易清除。形成在石英夹具上的III族氮化物沉积物可以通过用加热的磷酸溶液或磷酸和硫酸混合液蚀刻除去。但是，由于加热到150-300℃的蚀刻剂是高活性的，石英随着每次蚀刻也渐渐被蚀刻。结果，例如，晶片托盘口袋平直度的精度随着每次蚀刻而降低。这种降低影响到半导体器件的性能，或者使产量下降。更甚者，蚀刻缩短了晶片托盘的使用期限。
正如刚刚指出的，石墨基座是用SiC、TaC等涂布的。这些材料是相对化学稳定的；但是，由于它们对上述蚀刻剂的耐腐蚀性仍没有建立，优选不使用上述蚀刻剂来蚀刻III族氮化物沉积物。另外，使基座-涂膜没有(befreer of)针孔是一个挑战。当在涂膜上存在针孔等时，蚀刻剂渗透多孔石墨，并且这样渗透的蚀刻剂不容易清除。因而，为了除去形成在石墨基座上的III族氮化物沉积物，在可加热的蚀刻设备中采用氯化氢气体蚀刻。
在MOCVD装置中提供氯化氢气体进料管线，使在除去其上生长有薄膜的衬底之后能够进行气相蚀刻。但是，当用氯化氢气体分解氮化物沉积物时，由解离的氮生成氨，并且氨和氯化氢反应生产氯化铵。氯化铵为粉末形式，并且造成如下问题，如：沉积在沉积装置的基座和排气***上，可能造成排气管线阻塞；或者以颗粒形式结合到外延沉积层中，从而造成缺陷。而且，在氮化物沉积物清除过程中不能进行氮化物生长，降低了生产率。如果为此而提供另一种蚀刻设备，则导致成本增加。通过在真空中烘焙不容易使氮化物沉积物脱落——该方法对GaAs和InP沉积物是有效的——从而烘焙处理基座以除去氮沉积物需要非常长的处理时间。
在MOCVD装置中提供氯化氢气体进料管线增加了成本。此外，由于氯化氢是腐蚀性气体，而且有和氨混合并容易产生粉末形式的氯化铵的危险，这难以把握。因此，在高温下，氢气中进行简单烘焙。在氢气中烘焙在一定程度上分解并除去氮化物沉积物；但是完全清除是困难的。特别是，含有Al的氮化物沉积物(AlN、AlGaN、InAlGaN等)难以通过氢气烘焙除去，并且将残留在基座上。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个目的是使氮化物半导体沉积方法成为可能，通过该方法能够减小III族氮化物沉积物影响而不必担心反应副产物。本发明的再一个目的是使能够减小III族氮化物沉积物影响的MOCVD装置成为可能，并且使用于这种MOCVD装置的晶片导向器成为可能。
涉及本发明第一方面的晶片导向器是MOCVD装置中使用的晶片支架用晶片导向器，所述的MOCVD装置用于生长氮化物半导体，其中所述的晶片支架具有一个或多个用于支撑其上生长氮化物半导体的晶片的第一区域，以及围绕着第一区域的第二区域，并且将所述晶片导向器提供在MOCVD装置的晶片支架上，所述晶片导向器包含：(a)防护罩，用于覆盖第二区域；和(b)一个或多个开口，用于接纳第一区域上的其上生长氮化物半导体的晶片，所述防护罩包含限定开口并引导晶片的侧表面。
使用这种晶片导向器，当用MOCVD装置进行外延生长时，III族氮化物沉积物不在晶片支架上累积，而是在晶片导向器上累积。因此，晶片导向器保护晶片支架使之免于III族氮化物的累积。
根据本发明的晶片导向器还可以包含：(c)定位区，用于可拆地将晶片导向器相对于晶片支架定位。
使用这种晶片导向器，在薄膜生长的必要轮数之后，将晶片导向器从晶片支架上取出，以致只是替换晶片导向器。因此，晶片支架不会由于其上的III族氮化物累积而退化。而且，生产率不受影响。
根据本发明的晶片导向器优选由耐磷酸溶液或含有磷酸和硫酸混合物的溶液腐蚀的材料制成。使用这种晶片导向器，即使用上述蚀刻剂来清除III族氮化物沉积物，对晶片导向器也很少磨损。而且，薄膜生长对晶片导向器磨损也不如其对晶片支架磨损那样敏感。
另外，优选晶片导向器是由耐氨气和氢气腐蚀并且耐磷酸溶液或含有磷酸和硫酸混合物的溶液腐蚀的材料制成。使用这种晶片导向器，即使用上述蚀刻剂来清除III族氮化物沉积物，对晶片导向器也很少磨损。
根据本发明的晶片导向器优选由石英、碳化硅、碳化钽和氮化硼制成。石英、碳化硅、碳化钽和氮化硼都是在半导体生长的技术领域中可获的。
使用根据本发明的晶片导向器，晶片支架的第一区域具有对应于晶片形状而突出的平台，并且防护罩的侧表面沿着第一区域平台的边缘延伸。
使用这种晶片导向器，由于防护罩开口的侧表面沿着晶片支架底板的边缘延伸，防护罩保护晶片支架使之免于和供应到MOCVD装置中的气体反应。因此，晶片支架的使用期限更长。
使用根据本发明的晶片导向器，防护罩的侧表面可以包括对应于晶片定向平面的平坦表面和对应于晶片弧形的弯曲表面。
使用这种晶片导向器，晶片支架上的晶片不易由于旋转而移位，因而晶片导向器保护晶片支架使之免于供应到MOCVD装置中的气体的反应。因此晶片支架使用期限更长。
使用根据本发明的晶片导向器，防护罩的侧表面可以包括对应于晶片弧形的弯曲表面和对应于晶片定向平面的突起。
使用这种晶片导向器，由晶片在MOCVD装置中在高温下进行热膨胀，晶片支架的晶片承受与热膨胀的定向一致的来自晶片支架的力。但是，由于防护罩突起引导晶片定向，晶片导向器没有对晶片施加大的力。
使用根据本发明的晶片导向器，防护罩包含多个保护部件(parts)，每个保护部件包含多个保护部分，每个保护部分部分地覆盖第二区域，晶片导向器结合所有保护部件以覆盖第二区域，而且晶片导向器结合所有保护部件划定出所有开口的界限并引导晶片。
使用这种晶片导向器，由于每个保护部件都可以携带或蚀刻，蚀刻时不必需要大的蚀刻槽，并且处理损害的可能性也小。此外，大于或等于一定大小的晶片导向器本身容易破裂。
使用根据本发明的晶片导向器，防护罩包含用于覆盖第一区域支架表面的周边的延伸部分，并且防护罩的侧表面安置在延伸部分。
使用这种晶片导向器，均匀加热晶片的大支架表面的周边被防护罩延伸部分所覆盖。
本发明的另一方面是一种用于生长氮化物半导体的MOCVD设备。所述MOCVD设备包含：(a)晶片支架，该晶片支架具有多个用于支撑其上生长氮化物半导体的晶片的第一区域和围绕着第一区域的第二区域；和(b)提供在所述晶片支架上的任何一种上述晶片导向器。
使用这种MOCVD设备，当进行外延生长时，III族氮化物不在晶片支架上沉积，而是在晶片导向器上沉积。因此，晶片导向器保护晶片支架使之免于III族氮化物沉积。
本发明的再一方面中，一种用于生长氮化物半导体的MOCVD设备包含：(a)晶片支架，所述的晶片具有其上安装晶片导向器和晶片的安装表面；和(b)提供在该晶片支架上的任何一种上述晶片导向器，所述晶片支架具有多个用于支撑其上生长氮化物半导体的晶片的第一区域，和围绕着第一区域的第二区域。
使用这种MOCVD设备，由于晶片支架具有简单的构造，容易形成晶片支架，并且由于晶片支架使用晶片导向器的平坦表面来提供支撑，防止了晶片支架表面由于和台阶(step)接触造成的磨损，所述台阶是由晶片支架和晶片导向器之间的高度差形成的。晶片支架表面磨损可以是，例如晶片支架涂层劣化形式的。
根据本发明这方面的MOCVD设备还包含：(c)提供在晶片导向器每个开口中的垫片，这种垫片安装在晶片支架安装表面上。
使用这种MOCVD设备，使用垫片以使晶片表面高度和晶片导向器表面高度匹配。可以使晶片导向器更厚，便于其处理。例如，在清洗过程中不易破裂。
在根据本发明另一方面的MOCVD设备中，晶片导向器的高度和晶片支架上晶片的高度相匹配。
使用这方面中的MOCVD设备，晶片表面高度和晶片导向器高度基本上是相同的，从而抑制沉积气流的干扰。结果，可以生长出具有良好的均匀晶体特性的氮化物半导体。
本发明的再一方面是一种使用MOCVD设备的氮化物半导体沉积方法，其中该方法包括：(a)将第一批晶片放置在晶片支架上的步骤，所述晶片支架上已经放置了任何一种上述晶片导向器；和(b)使用晶片导向器在晶片上沉积第一种III族氮化物半导体的步骤，其中在沉积步骤中，III族氮化物沉积物形成在晶片导向器上。
采用这种方法，当使用所述MOCVD设备进行外延生长时，III族氮化物沉积物不在晶片支架上累积，而是在晶片导向器上累积。结果，晶片导向器保护晶片支架使之免于III族氮化物的累积。因此，可以不受III族氮化物沉积物影响地沉积III族氮化物半导体。
在根据本发明的MOCVD设备中，优选III族氮化物半导体是氮化镓半导体材料。采用这种方法，可以不受III族氮化物沉积物影响地沉积III-氮化镓半导体材料。
在本发明的再一方面中，MOCVD设备使用方法还包括：(c)用另一晶片导向器替换使用过的晶片导向器的步骤，(d)移走第一批晶片并在晶片支架上放置已经安置了晶片导向器的第二批晶片的步骤，和(e)使用另一晶片导向器在晶片上沉积第二种III族氮化物半导体的步骤。第一种III族氮化物半导体和第二种III族氮化物半导体在元素构成、元素杂质种类或层压结构方面可以不同。
采用这种方法，无论第一种III族氮化物半导体的元素构成、其中所含元素杂质种类或层压结构如何，并且不受III族氮化物沉积物影响，能够沉积多种III族氮化物半导体。
使用根据本发明的方法，可以使第一种III族氮化物半导体含有作为掺杂物的镁，而第二种III族氮化物半导体不含作为掺杂物的镁。
采用这种方法，能够进行不含镁的III族氮化物半导体的沉积而不受III族氮化物沉积物影响。
根据本发明的方法还包括：(f)用另一晶片导向器替换晶片导向器的步骤，这种晶片导向器是任何一种上述晶片导向器；和(g)在晶片导向器替换之前，每次将第三批晶片放置在其上已经安置了晶片导向器的晶片支架上，使用晶片导向器在第三批晶片上重复第一种III族氮化物半导体的沉积的步骤。
采用这种方法，将晶片导向器顺序地用其它晶片导向器替换，能够重复晶片上的III族氮化物半导体的沉积而不用更换晶片支架。
根据本发明的方法还包括：(h)在对其上已经形成了III族氮化物沉积物的晶片导向器进行蚀刻之后，将第四批晶片放置在其上已经安置了蚀刻的晶片导向器的晶片支架上的步骤；和(i)使用晶片导向器在第四批晶片上沉积第四种III族氮化物半导体的步骤。
采用这种方法，不用更换晶片支架，将用过的晶片导向器用新生的晶片导向器替换，能够在晶片上重复III族氮化物半导体的沉积。
如上所述，本发明提供一种氮化物半导体沉积方法。采用这种方法，能够减小III族氮化物沉积物影响而不必担心反应副产物。本发明还提供一种能够减小III族氮化物沉积物影响的MOCVD装置和一种用于该MOCVD装置的晶片导向器。
本发明的上述目的以及其它目的、特征和优点将随着参照附图进行的如下本发明优选实施方案的详细描述而变得更加清晰。
附图说明
图1A是图示晶片支架和晶片导向器的附图，而图1B图示了晶片支架，安装在晶片支架上的晶片导向器，以及在晶片支架上的晶片导向器中引导的晶片；
图2是图示用于生长氮化物半导体的MOCVD设备的一个实例的附图；
图3是描绘用于生长氮化物半导体的MOCVD设备的一个实例的附图；
图4A和4B是图示晶片导向器的一个改进实例的附图；
图5A和5B是描绘用于具有定向平面的晶片的晶片支架和晶片导向器的附图；
图6A和6B是描述晶片支架的一个改进实例的附图；
图7A和7B是图示晶片导向器一个改进实例的附图；
图8A和8B是图示晶片导向器一个改进实例的附图，图8C是其片断截面图，而图8D是描绘晶片导向器一个单独改进实例的片断截面图；
图9A和9B是图示晶片支架和晶片导向器的一个改进实例的附图；
图10A和10B是描绘晶片支架和晶片导向器使用垫片的一个改进实例的附图；
图11A和11B是图示晶片支架和晶片导向器的一个改进实例的附图；
图12A和12B是图示晶片支架和晶片导向器的一个改进实例的附图，而12C是沿着图12B所示II-II线的截面图；
图13是解释沉积氮化物半导体方法的图表；
图14是解释沉积氮化物半导体方法的一个改进实例的图表；和
图15是解释沉积氮化物半导体方法的另外步骤的图表。
具体实施方式
通过对如下详细说明加以考虑同时参照作为实例给出的相应附图，可以容易地理解本发明之后的构思。参考所附的附图，将对涉及晶片导向器、MOCVD装置和氮化物半导体沉积方法的本发明的实施方案进行解释。可能时，相同的部分已经用相同的参考符号表示。
[第一实施方案]
图1A描绘了一种晶片支架和晶片导向器。图1B表现出晶片支架，安装在晶片支架上的晶片导向器，以及被晶片支架上的晶片导向器引导的晶片。图2描绘了用于生长氮化物半导体的MOCVD设备的一个实例。图3描绘了用于生长氮化物半导体的MOCVD设备的另一实例。MOCVD设备11和13包括晶片支架15和晶片导向器17。
参照图1A和图1B，晶片支架15包括一个或多个第一区域15a和围绕着第一区域15a的第二区域15b。每个第一区域15a包括用于支撑其上将要沉积氮化物半导体的晶片19的表面。在MOCVD设备11和13中，将晶片导向器17安置晶片支架15的第二区域15b上。晶片导向器17装备有用于覆盖第二区域15b的防护罩17a和一个或多个用于接纳第一区域15a上的晶片19的开口17b。防护罩17a包括用于限定开口17b并引导晶片19的侧表面17c，并且具有第一表面17d和第二表面17e，其中III族氮化物沉积在第一表面17d上，而第二表面17e位于和第一表面17d相反的一侧上。第二表面17e被晶片支架15的第二区域15b的平坦表面支撑着。每个开口17b从第一表面17d延伸到第二表面17e。晶片导向器17在每个开口17b中接纳晶片19，其中晶片19装载到暴露于每个开口17b中的晶片支架15每个第一区域15a的支撑表面上。第一区域15a和第二区域15b之间存在高度差异，形成台阶15c。使晶片导向器17的第一表面17d的高度和安装在晶片支架15上的晶片19的表面19a的高度相匹配。因此，晶片导向器17不会干扰穿过晶片导向器17和晶片19的反应气体流。由于抑制了气流干扰，可以生长出具有均匀和优良晶体特性的氮化物半导体。
使用这种晶片导向器17，当使用MOCVD设备11和13进行外延生长时，III族氮化物沉积在晶片19的表面19a和覆盖晶片支架15的整个上表面的晶片导向器17上。因而晶片导向器17保护了晶片支架15，使其免于III族氮化物的累积。
晶片支架15可以是例如基座或晶片托盘。晶片支架15优选是由涂布有抗NH3渗透的材料的碳(例如SiC或TaC)形成的。
优选晶片导向器17由耐磷酸溶液腐蚀或耐含有磷酸和硫酸混合物的溶液腐蚀的材料形成的，或由在高温下耐氨和氢气腐蚀并且耐磷酸溶液或含有磷酸和硫酸混合物的溶液腐蚀的材料形成的。这样的晶片导向器尽管用于生长III族氮化物半导体薄膜，并且尽管使用上述蚀刻剂来清除III族氮化物沉积物，也很少磨损。备选地，优选晶片导向器17由如下可用于III族氮化物半导体生长技术领域的材料中的至少一种形成的：石英、碳化硅(SiC)、碳化钽(TaC)或氮化硼(BN)。
下面将参考图2解释MOCVD设备11。MOCVD设备11包括提供在室21中的第一、第二和第三气流道23、25和27。第一、第二和第三气流道23、25和27是沿着预定轴安置的。第一气流道23将先导气体引到第二气流道25。第一气流道23包括，例如其中氮气和氢气流动的第一管线23a，其中III族金属有机气体和载气流动的第二管线23b，以及其中氨和载气流动的第三管线23c。第二气流道25具有用于接纳晶片支架15和晶片导向器17的开口25a。先导气体在位于该开口25a中的晶片支架15和晶片导向器17之上流动。先导气体的反应使III族氮化物薄膜生长载晶片上。先导气体残余物和反应副产物气体通过第三气流道27排出。在晶片支架15的底侧，提供用于调节晶片温度的加热器29。来自加热器29的热通过晶片支架15传导到晶片。如果需要，MOCVD设备11装备有旋转驱动机械装置，用于旋转晶片支架15。
下面将参考图3解释MOCVD设备13。MOCVD设备13具有位于室31内的晶片支架15和晶片导向器17。室31包括第一管线33a，其中流动的是例如氮气和氢气；第二管线33b，其中流动的是III族金属有机气体和载气；和第三管线33c，其中流动的是氨和载气。第一到第三气体管线33a-33c的进料口位于晶片支架15和晶片导向器17上。来自第一到第三气体管线33a-33c的气体穿过网31a进入到室31内部。室31中提供有水冷却夹套35。在晶片支架15的底侧，提供用于调节晶片温度的加热器39。来自加热器39的热由晶片支架15传导到晶片。先导气体残余物和反应副产物气体通过排气孔进入排气装置41。如果需要，将MOCVD设备13装备有旋转驱动机械装置43，用于旋转晶片支架15。
回到图1A和图1B，第一区域15a和第二区域15b是通过台阶15c划分的。由于晶片支架15的第一区域15a每一个都包含和晶片19形状一致的突出的平台15e，并且由于防护罩17a的侧表面17c沿着平台15e的侧表面15f延伸，所以使用这种晶片导向器17，防护罩17a保护了晶片支架15，使其不受供应到MOCVD设备11、13中的先导气体的影响。结果，晶片支架15具有更长的使用期限。
图4A和4B表示晶片导向器的一个改进的实例。晶片导向器47的防护罩47a包括多个保护部件49。每个保护部件49提供有保护部分49a，其中保护部分49a部分地覆盖第二区域15b的表面15d。通过将所有保护部件49组合在一起，晶片导向器47覆盖第二区域15b，而且划定出所有开口49b的界限并引导所有晶片19。使用这种晶片导向器47，由于每个保护部件49都可以取走或蚀刻，蚀刻时不需要大的蚀刻槽；而且，处理时晶片导向器47破裂的可能性也小。(当晶片导向器达到一定大小时，容易破裂。)
更详细描述如下：保护部件49具有用于接纳晶片的开口49b。开口49b由弯曲表面49c、49e划定界限。保护部件49包括当将保护部件组合时用于和相邻保护部件49配合的定位表面49h、49i。晶片导向器47中的开口47f是通过三个保护部件49的组合而产生的。开口47f是通过三个保护部件49的弯曲表面49e的组合而划定界限的。
使用这种晶片导向器47，当使用MOCVD设备11和13进行外延生长是，III族氮化物沉积在晶片19的表面19a和完全覆盖晶片支架15上表面的多个保护部件49上。因而，晶片导向器47保护了晶片支架15，使其免于III族氮化物的累积。
需要时，晶片导向器47可以配备有定位区49g，用于可拆地定位晶片导向器47相对于晶片支架15的位置，并且晶片支架15也可以配备有定位区15g，用于可拆地定位晶片导向器47。使用这种晶片导向器47，在薄膜生长进行了必要次数后，从晶片支架15上取下晶片导向器47，从而替换的只是晶片导向器47。结果，不会有因为由于其上的沉积物而造成的晶片支架15的劣化，而且生产率不受影响。
如图5A和5B所描绘的，晶片支架15和晶片导向器47(17)可用于具有定义平面51a的晶片51。
图6A和6B描述了晶片支架和晶片导向器的一个改进实例。晶片支架55包括一个或多个第一区域55a，以及围绕第一区域55a的第二区域55b。第二区域55b的第一区55d、55e，55f各自承载相应的保护部件49。每个第一区域55a都具有用于支撑其上将要沉积氮化物半导体的晶片51的支撑表面55h，并且支撑表面55h具有对应于晶片51定向平面51a的线形角55g。第一区域55a被切割成和定向平面51a相一致的形状，并且侧表面(平坦表面)是从角55g向第二区域55b延伸而形成的。晶片导向器47被提供在晶片支架55的第二区域55b上。
如图6B所示，将晶片51放置到开口47b中，使定向平面51a对准第一区域55a的角55g。晶片导向器47的侧表面47c沿着晶片支架55每个第一区域55a的台阶55c(除了沿着角55g外)延伸，并且沿着晶片51的边缘(除了沿着定向平面51a外)延伸。由于角55g和定向平面51a，晶片支架55的部分第二区域55b暴露在晶片导向器47的每个开口47b中。由于第一区域55a被切割成和定向平面51a相一致的形状，增加了第二区域55b的暴露表面和晶片导向器47的正表面之间的距离，从而使先导气体中的活性气体难以到达晶片支架55的暴露区域。
图7A和7B描述了晶片导向器的一个改进实例。晶片导向器57被提供在晶片支架55的第二区域55b上。晶片导向器57配备有用于覆盖第二区域55b的保护部件59，以及一个或多个用于接纳第一区域55a上的晶片51的开口57b。保护部件59具有限定开口57b并引导晶片51的侧表面57c、57f。保护部件59具有第一表面57g和第二表面57h，其中III族氮化物沉积在第一表面57g上，而第二表面57h位于和第一表面57g相反的一侧上。第二表面57h被晶片支架55的第二区域55b的支撑表面支撑着。晶片导向器57将晶片51接纳在每个开口57b中，并且将晶片51装载在暴露于每个开口57b中的晶片支架55每个第一区域55a的支撑表面上。
如图7B所示，将晶片51放置在开口57b中，使定向平面51a和第一区域55a的线形角55g对准。每个开口57b包括沿着各自晶片51的弧形延伸的晶片导向器57的侧表面57c，以及沿着各自定向平面51a延伸的晶片导向器57的侧表面57f。晶片导向器57的侧表面57c、57f沿着晶片支架55的每个第一区域55a的台阶55c和各自晶片51的边缘延伸。
由于开口57b被切割成和定向平面51a相一致的形状，没有晶片支架55的第二区域55b部分暴露在外，从而防止了活性气体侵入晶片支架55。
使用这种晶片导向器57，晶片支架55上的晶片51不易因为旋转而位移。同样，晶片导向器47保护了晶片支架55，使其免受供应到MOCVD装置中的反应气体的影响。因此，晶片支架55具有更长的使用期限。
图8A和8B描绘了晶片支架和晶片导向器的一个改进实例。图8C是沿着线I-I的截面图。晶片导向器67被提供在晶片支架55的第二区域55b上。晶片导向器67配备有用于覆盖第二区域55b的防护罩67a，以及一个或多个用于接纳第一区域55a上晶片51的开口67b。防护罩67a配备有限定开口67b并引导晶片51的侧表面67c。防护罩67a包括III族氮化物沉积其上的第一表面67d和位于与第一表面67d相反一侧的第二表面67e。第二表面67e由晶片支架55第二区域55b的支撑表面支撑。
如图8B和图8C所示，将晶片51放置在开口67b中，使定向平面51a和第一区域55a的线形角55g对准。晶片导向器67的侧表面67c沿着晶片支架55每个第一区域55a的台阶55c(处理沿着角55g外)延伸，并且沿着晶片51的边缘(除了沿着定向平面51a外)延伸。由于角55g和定向平面51a，晶片支架55的部分第二区域55b暴露在晶片导向器67的每个开口67b中。晶片导向器67具有从侧表面67c伸向开口中心的定位突起67f。晶片51的定向是由定位突起67f和定向平面51a确定的。由于晶片支架55，晶片51和晶片导向器67在MOCVD装置中在高温下经历热膨胀，依照热膨胀方向，对晶片支架55上的晶片51施加来自晶片导向器67和晶片支架55的力。但是，由于晶片51的定向是由防护罩67上的突起67f引导的，晶片51不会在薄膜生长过程中自由旋转，而被保持使定向平面51a的定向基本上和角55g对准；而且，由于突起67环具有沿着定向平面51a延伸的线形形式，所以晶片51有旋转方向的自由度，从而它们可以响应接受自晶片支架55和晶片导向器67的力而移动。因此，没有大的力施加在晶片51和晶片导向器55之间，并且晶片51和晶片导向器55在生长过程中破裂不成为一个问题。
同样，将第一区域55a切割成和定向平面51a相一致的形状，增加了第二区域55b的暴露表面和晶片导向器67表面之间的距离，从而防止了活性气体侵入晶片支架55的暴露区域。此外，如图8D所示，如果定位突起67g的厚度约等于晶片51的厚度，则晶片导向器67可以和晶片支架55组合使用而无论第一区域55a是否有切除区域。
图9A和9B图示了晶片支架和晶片导向器的一个改进实例。晶片导向器61可以具有除厚度外和晶片导向器17相同的构造。晶片支架63可以包括用于支撑晶片导向器61的平坦表面63a。如图9B所示，如在上述实施方案中的，晶片支架63包括第一区域63b和第二区域63c。晶片导向器61的厚度和晶片19基本上相同。因此，晶片支架63可以具有便于其形成的简单构造。由于晶片支架63的平坦表面63a被用于支撑晶片导向器61，防止了由于晶片支架63上的台阶和晶片导向器61之间的接触造成的晶片支架63上涂层的退化。
优选晶片导向器61配备有用于可拆地相对于晶片支架63定位晶片导向器61的定位区61g，并且优选晶片支架63配备有用于可拆地定位晶片导向器61的定位区63g。
图10A和10B表示使用垫片的晶片支架和晶片导向器的一个改进实例。MOCVD设备11和13可以配备有被晶片导向器17中每个开口17b所接纳的垫片65。晶片支架63包括其上安装有垫片65的第一区域63b和其上安装有晶片导向器17的第二区域63c。垫片65的直径A1粗略地和晶片导向器17的开口17b的直径A2相同。垫片65可以是，例如单晶或多晶SiC板，或者涂布有SiC或TaC的碳板，这些板具有抗NH3渗透性和优良的导热性。垫片65用于使晶片导向器17的表面高度和晶片19的高度匹配。这使得晶片导向器17更厚，便于处理。例如晶片导向器17将不易在清洗过程中破裂。
图11A和图11B显示了晶片支架和晶片导向器的一个改进实例。除了第一区域75a的大小外，晶片支架75具有和晶片支架15相同的构造。晶片支架75第一区域75a的最大直径D1大于晶片19的最大直径D2。晶片导向器77的防护罩79覆盖了整个第二区域75b，并且包括用于覆盖第一区域75a支撑表面75h的周边的延伸部分77j。每个第一区域75a的整个支撑表面75h都被各自的晶片19和延伸部分77j覆盖。延伸部分77j包括用于引导晶片19的侧表面77c。延伸部分77j变得更薄，以与第一区域75a和第二区域75b之间的台阶75c相匹配。使用这种晶片导向器77，沿着每个大的支撑表面75h，提供用于均匀加热晶片19的周边75i被防护罩79的延伸部分77j所覆盖。
图12A和12B图示了晶片支架和晶片导向器的一个改进实例。图12C是沿着图12B中所示II-II线的截面图。将晶片导向器81安装在晶片托盘83上，而将晶片托盘83安装在基座85上。
晶片托盘83包括第一区域83a和围绕第一区域83a的第二区域83b。第一区域83a包括用于支撑其上将要沉积氮化物半导体的晶片87的表面。在MOCVD设备11和13中，将晶片导向器81提供在晶片托盘83的第二区域83b上。晶片导向器81配备有用于覆盖第二区域83b的防护罩81a和用于接纳第一区域83a上的晶片87的开口81b。防护罩81a包括限定开口81b并引导晶片87的侧表面81c。防护罩81a包括III族氮化物沉积其上的第一表面81d和位于和第一表面81d相反一侧上的第二表面81e。第二表面81e由晶片托盘83第二区域83b的支撑表面支撑。开口81b从第一表面81d延伸到第二表面81e。晶片导向器81将晶片87接纳在开口81b中，而将晶片87装载在暴露于开口81b中的晶片托盘83第一区域83a的支撑表面上。如图12C所示，晶片导向器81第一表面81d的高度和晶片87的高度相匹配。
[第二实施方案]
图13是解释氮化物半导体沉积方法的图表。氮化物半导体是使用包括根据第一实施方案的晶片导向器和晶片支架的MOCVD装置沉积的。在流程图100的步骤S101中，将第一批晶片放置在其上安置有晶片导向器15的晶片支架上。在步骤S102中，使用晶片导向器将由第III族氮化物组成的第一种半导体沉积在第一批晶片上。在这步沉积中，III族氮化物半导体薄膜生长在第一批晶片上，而III族氮化物沉积物形成在晶片导向器上。
采用这种方法，当使用MOCVD装置进行外延生长时，由于III族氮化物沉积物不是形成在晶片支架上，而是形成在晶片导向器上，所以晶片导向器保护了装置基座，使其不受III族氮化物沉积物影响。因而，可以不受III族氮化物累积影响地沉积III族氮化物半导体。III族氮化物半导体优选是氮化镓半导体，如GaN、AlGaN、InGaN或InAlGaN，并且优选由至少一种这些氮化物半导体层构成；而其结构可以是通过多个这样的层的层压而获得作为半导体的功能性的结构。根据半导体器件的功能，优选将III族氮化物半导体掺杂以控制传导性。例如，第一种III族氮化物半导体可以采用生长在单晶GaN衬底上的蓝光发光二极管(LED)结构。在典型的蓝光LED结构中，从表面侧开始的各层为：Mg-掺杂的GaN/Mg-掺杂的AlGaN/InGaN/GaN量子势阱/Si-掺杂的GaN/GaN单晶衬底。
步骤S102之后，在步骤S103中，用另一晶片导向器代替用过的晶片导向器。在步骤S104中，移走第一批晶片并将第二批晶片放置在其上安置有晶片导向器的晶片支架上。在步骤S105中，使用所述的另一晶片导向器将第二种III族氮化物半导体沉积在第二批晶片上。第二种III族氮化物半导体在元素构成或元素杂质的种类方面、或者在层压结构方面可以不同于第一种III族氮化物半导体的。例如，第二种III族氮化物半导体可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)。典型的HEMT结构是未掺杂的MGaN/未掺杂的GaN/蓝宝石衬底。由于HEMT不需要p-型导电性，所有没有Mg-掺杂层。在HEMT中，为了获得高迁移率，必须保持低的杂质浓度。Mg据说具有记忆效果，并且如果在预先的生长中使用Mg作为掺杂物，即使不在下次生长中使用，Mg也混入其中。为了避免这种现象，采取诸如延长在氢气中烘焙或更换基座和反应管的措施。Mg主要包含在沉积在基座上的氮化物沉积物中，并且据信在沉积过程中结合到薄膜中。但是，由于基座之间个体差异等等造成均匀度的缺乏和产量减少，不优选更换基座。采用本发明的方法，过去累积在基座上的沉积物只累积在晶片导向器上。通过更换晶片导向器就可以简单地除去沉积物。即使在掺杂Mg后，也不需要更换基座，因而提高了生产率和产量。当需要掺杂Mg的半导体器件—如LED或激光二极管—和不需要掺杂Mg的半导体—如HEMT—都使用相同的MOCVD装置生长时，这种方法特别有效。
步骤S105之后，在步骤S106中，将用过的晶片导向器再用另一晶片导向器替换。在步骤S107中，更换晶片并将第三批晶片固定在位；而在步骤S 108中，可以沉积均匀的第三种III族氮化物半导体。第三种III族氮化物半导体在元素构成或元素杂质的种类方面、或者在层压结构方面可以不同于第二种III族氮化物半导体的。采用这种方法，仅通过更换晶片导向器，不用更换晶片支架，就可以在晶片上重复沉积各种III族氮化物半导体。
图14是解释氮化物半导体沉积方法的一个改进实例的图表。在流程图102的步骤S101、S102、S103之后，在步骤S109中，在将第四种晶片固定在其上安置有晶片导向器的晶片支架上的每一种情况下，使用晶片导向器重复在第四批晶片上的III族氮化物半导体的沉积。如此重复更换和在晶片上的沉积，导致晶片导向器上沉积物数量的增加，而如果沉积物脱落并落到晶片上，将造成III族氮化物半导体中的表面缺陷。在这种情况下，在步骤S110中，将晶片导向器用另一晶片导向器替换。在步骤S111中，在将晶片放入另一晶片导向器的开口中后，使用所述的另一晶片导向器将III族氮化物半导体沉积在晶片上。由于将晶片导向器用另一晶片导向器替换，这种方法可以在不更换晶片支架的情况下，将III族氮化物半导体重复沉积在晶片上。步骤S109-S111可以在步骤S108之后进行。
图15是解释氮化物半导体沉积方法的一个改进实例的图表。在图104的步骤S102、S108，S111之后，在步骤S112中，将其上已经形成了III族氮化物沉积物的晶片导向器进行蚀刻，并将用过的晶片导向器用蚀刻的晶片导向器代替。在步骤S113中，将第五批晶片放置在其上已经安置有蚀刻的晶片导向器的晶片支架上。在步骤S114中，使用蚀刻的晶片导向器将第五种III族氮化物半导体沉积在第五批晶片上。采用这种方法，不用更换晶片支架，使用新生晶片导向器进行替换，可以将III族氮化物半导体重复沉积在晶片上。
本发明的技术实质已经参考作为优选实施方案的附图进行了解释。本领域技术人员应当认识到，在不偏离这种技术实质的情况下，沉积和细节的各种更改都是可能的。本发明不限于实施方案中所解释的特定构造。例如，晶片导向器的用途不限于实施方案中所述的具有特定构造的MOCVD装置。因此，申请人保留衍生自权利要求和权利要求的精神的所有修改和更改的权利。

Claims (24)

1、一种晶片导向器，该晶片导向器是用于生长氮化物半导体的MOCVD装置中使用的晶片支架用的晶片导向器，所述的晶片支架具有一个或多个用于支撑其上生长氮化物半导体的晶片的第一区域，以及围绕着所述一个或多个第一区域的第二区域，所述晶片导向器用于安装在MOCVD装置的晶片支架上，并且包含：
防护罩，用于覆盖所述晶片支架的第二区域；和
一个或多个开口，用于将其上生长氮化物半导体的晶片接纳到所述一个或多个晶片支架第一区域上；其中
所述防护罩具有一个或多个侧表面，所述的一个或多个侧表面在其中限定一个或多个开口并用于引导晶片。
2、根据权利要求1所述的晶片导向器，所述晶片导向器还包含定位区，用于可拆地将晶片导向器相对于晶片支架定位。
3、根据权利要求1或2所述的晶片导向器，其中所述晶片导向器由耐磷酸溶液或含有磷酸和硫酸混合物的溶液腐蚀的材料形成的。
4、根据权利要求3所述的晶片导向器，其中所述晶片导向器是由耐氨气以及氢气腐蚀的材料形成的。
5、根据权利要求1到4任何一项所述的晶片导向器，其中所述晶片导向器是由碳化硅形成的。
6、根据权利要求1到4任何一项所述的晶片导向器，其中所述晶片导向器是由碳化钽形成的。
7、根据权利要求1到4任何一项所述的晶片导向器，其中所述晶片导向器是由氮化硼形成的。
8、根据权利要求1到4任何一项所述的晶片导向器，其中所述晶片导向器是由石英形成的。
9、根据权利要求1到8任何一项所述的晶片导向器，其中所述的一个或多个晶片支架第一区域每个都具有对应于晶片形状的突出的平台，并且所述防护罩中的一个或多个侧表面沿着所述一个或多个第一区域突起的边缘延伸。
10、根据权利要求9所述的晶片导向器，其中所述防护罩包含用于覆盖所述一个或多个平台的上表面周边的一个或多个延伸部分，并且将所述防护罩中的一个或多个侧表面安置在所述一个或多个延伸部分上。
11、根据权利要求1到10任何一项所述的晶片导向器，其中所述防护罩中的一个或多个侧表面每一个都包括对应于晶片定向平面的平坦表面和对应于晶片弧形的弯曲表面。
12、根据权利要求1到10任何一项所述的晶片导向器，其中所述防护罩的一个或多个侧表面每一个都包括对应于晶片弧形的弯曲表面和对应于晶片定向平面的突起。
13、根据权利要求1到12任何一项所述的晶片导向器，其中：
所述防护罩包含多个防护罩部件；
每个防护罩部件包含用于部分覆盖所述第二区域的保护部分；
所述防护罩部件全部组合在一起能够使晶片导向器覆盖所述第二区域；并且
所述保护部件全部组合在一起而限定一个或多个晶片支架开口并引导晶片。
14、一种用于生长氮化物半导体的MOCVD设备，所述MOCVD设备包含：
晶片支架，该晶片支架具有多个用于支撑其上生长氮化物半导体的晶片的第一区域，以及围绕所述第一区域的第二区域；和
根据权利要求1到13任何一项所述的晶片导向器，所述的晶片导向器被提供在所述晶片支架上。
15、一种用于生长氮化物半导体的MOCVD设备，所述MOCVD设备包含：
晶片支架，该晶片支架具有用于承载晶片导向器和氮化物半导体生长晶片的承载表面；和
根据权利要求1到8或权利要求11到13任何一项所述的晶片导向器，所述的晶片导向器提供在所述晶片支架上；其中
所述晶片支架包括多个用于支撑晶片的第一区域和围绕着第一区域的第二区域。
16、根据权利要求15所述的MOCVD设备，所述MOCVD设备还包含提供在晶片导向器一个或多个开口的每个开口中的垫片，其中所述垫片装载到所述晶片支架的承载表面上。
17、根据权利要求14到16任何一项所述的MOCVD设备，其中使所述晶片导向器的高度与在所述晶片支架上时的晶片的高度相匹配。
18、一种使用MOCVD装置的氮化物半导体沉积方法，所述方法包括：
将一个或多个第一批晶片放置在晶片支架上的步骤，其中所述晶片支架上安置有根据权利要求1到13任何一项所述的晶片导向器；和
利用晶片导向器，在第一批晶片上沉积第一种III族氮化物半导体的步骤，其中
在所述沉积步骤中，III族氮化物累积在所述晶片导向器上。
19、根据权利要求18所述的方法，其中所述的III族氮化物半导体是氮化镓半导体材料。
20、根据权利要求18或19所述的方法，所述方法还包括：
用根据权利要求1到13任何一项所述的不同的晶片导向器替换已安装的晶片导向器的步骤；
在用所述不同的晶片导向器替换已安装的晶片导向器之后，将一个或多个第二批晶片放置在其上已经安置了不同的晶片导向器的晶片支架上的第一步骤；和
使用所述的不同的晶片导向器，在一个或多个第二批晶片上沉积第二种III族氮化物半导体的步骤。
21、根据权利要求20所述的方法，其中所述第二种III族氮化物半导体的元素构成、其中的元素杂质类型或者层压结构不同于第一种III族氮化物半导体的元素构成、其中的元素杂质类型或者层压结构。
22、根据权利要求18到21任何一项所述的方法，其中所述第一种III族氮化物半导体含有掺杂有镁的层，而所述第二种III族氮化物半导体不含掺杂有镁的层。
23、根据权利要求18到22任何一项所述的方法，所述方法还包括：
用根据权利要求1到13任何一项所述的不同的晶片导向器替换已安装的晶片导向器的第二步骤；和
在晶片导向器上已经累积有第一种III族氮化物半导体，并且每次都将一个或多个第三批晶片放置在其上已经安置了晶片导向器的晶片支架上之后，替换晶片导向器之前，使用所述晶片导向器，在第三批晶片上重复第一种III族氮化物半导体的沉积的步骤。
24、根据权利要求18到23任何一项所述的方法，所述方法还包括：
在对其上已经形成了III族氮化物沉积物的晶片导向器进行蚀刻之后，将一个或多个第四批晶片放置在其上已经安置了蚀刻的晶片导向器的晶片支架上的步骤；和
使用所述蚀刻的晶片导向器，在第四批晶片上沉积第四种III族氮化物半导体的步骤。
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