專利名稱：膜生長(zhǎng)期間的特性改變的制作方法
膜生長(zhǎng)期間的特性改變 政府資助
本文中描述的發(fā)明在由AF0SR授予的、授權(quán)號(hào)為F49620-03-1-0330 的美國(guó)政府的支持下完成。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明享有一定的權(quán)利。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體制造工藝中，局部材料特性的改變通常在跟隨材料生長(zhǎng)步驟 之后的工藝中進(jìn)行。使用光致抗蝕劑的平板印刷術(shù)通常限定用于蝕刻或 沉積的圖案。執(zhí)行半導(dǎo)體器件形貌(semiconductor device feature) 的圖案化(patterning)，以用于限定有源器件和互聯(lián)。電學(xué)和光學(xué)器 件以及互聯(lián)是通過將材料除去并加入其它金屬、半導(dǎo)體或介電材料而 產(chǎn)生的。


圖1是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的經(jīng)調(diào)整的MBE儀的方框圖，該MBE 儀使得可以在層的生長(zhǎng)期間通過激光寫入圖案。
圖2是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的用于圖l所示儀器的激光源的方 框圖。
圖3是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的用于圖l所示儀器的激光寫入系 統(tǒng)的方框圖。
圖4A和4B是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的作為距離的函數(shù)的光斑尺
寸和光通量密度的曲線圖。
圖5是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的曝光圖案的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)布局。
圖6示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的另一種曝光圖案和層結(jié)構(gòu)。 圖7是基于圖6所示的曝光圖案所形成的層在二次電子發(fā)射模式下
獲得的掃描電子顯微鏡圖像。
圖8示出了通過對(duì)基于圖6所示的曝光圖案所形成的層進(jìn)行波長(zhǎng)色
散譜分析而確定的銦組分分布，所述分布圖被疊加至背散射電子像上。圖9示出了基于圖6的曝光圖案而形成的層的寫入?yún)^(qū)域的線掃描高 度變化。
圖10示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的、在層的生長(zhǎng)期間發(fā)生和未 發(fā)生曝光的區(qū)域上的光致發(fā)光。
圖11示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的作為一直線路徑上的位置 的函數(shù)的光致發(fā)光強(qiáng)度。
圖12說明了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的作為多個(gè)直線路徑的函數(shù) 的光致發(fā)光強(qiáng)度，其中暗形貌(dark feature)為最高強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式
以下描述中參照了作為本文一部分的附圖，這些圖通過圖例的方式 示出了可實(shí)施的具體實(shí)施方案。這些實(shí)施方案被足夠詳細(xì)地描述，以使 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)理解，也可使用其它實(shí)施方案， 并且可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下做出結(jié)構(gòu)、邏輯和電學(xué)方面的改 變。因此，以下描述不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán) 利要求書限定。
材料的生長(zhǎng)表面被暴露于局域化的加熱或輻射中(例如通過被指向 控制位置的小直徑的激光束)，通過例如掃描鏡等可使激光束指向受控位 置。材料的特性或特征可在曝光點(diǎn)上被改變。下文中首先描述了具有激 光寫入能力的改進(jìn)的分子束夕卜延儀(molecular beam epitaxy machine )， 然后描述了一種使用該儀器的方法和實(shí)施例。還描述了其它實(shí)施方案。
在一個(gè)實(shí)施方案中，諸如InGaN的材料的生長(zhǎng)表面，被暴露于一個(gè) 通過例如掃描鏡而指向受控位置的小直徑的激光束中。膝光點(diǎn)處的材料 的特性可被改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，在激光照射發(fā)生處，選定材料中 銦的摩爾分?jǐn)?shù)降低。
在另 一個(gè)實(shí)施方案中，銦從曝光的區(qū)域擴(kuò)散開以在曝光處生成更小 的In分?jǐn)?shù)并在緊鄰曝光區(qū)域處形成更大的In分?jǐn)?shù)。厚度的變化似乎與 質(zhì)量轉(zhuǎn)移一致，說明極少的銦被蒸發(fā)掉。在所研究的條件下，局部激光 照射或加熱的作用似乎增強(qiáng)了表面擴(kuò)散，但未引起燒蝕(ablation)或蒸 發(fā)。
將生長(zhǎng)材料曝光在聚焦的輻射下可具有許多不同的用途。圖1示出一種在生長(zhǎng)期間促進(jìn)基底105圖案化的改進(jìn)的分子束外延 儀IOO。使用束流控制系統(tǒng)110以受控的方式發(fā)射激光或其它聚焦的輻 射至基底上，以在生長(zhǎng)期間曝光所選圖案。可提供對(duì)正在生長(zhǎng)的材料的 側(cè)向組分控制(Lateral composition control)或者增強(qiáng)的光致發(fā)光效 率。激光通過真空窗115進(jìn)入MBE儀，然后穿過觀察端口 120?？杉訜?觀察端口 120,以防止材料在窗上凝結(jié)，材料在窗上凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致光的傳 輸強(qiáng)度降低。
MBE儀可具有一個(gè)可移開的氣帽(gas bonnet),以及一個(gè)快門前部 安裝板和經(jīng)改進(jìn)以使其盡可能接近光源罩而不會(huì)妨礙爐的移開的快門 臂。后部安裝板也可移動(dòng)以允許光學(xué)頭安裝在安裝板之間。還可縮短氣 動(dòng)快門臂以使激光寫入頭具有需要的透鏡與晶片(wafer)間的間距。在 一個(gè)實(shí)施方案中，該間距約為19.8英寸。
圖2從第二個(gè)視角示出了光束路徑以及對(duì)障礙的挑戰(zhàn)。圖中示出透 鏡210與光觀察口 215的距離約為三英寸。晶片照射的面積是透鏡焦距、 晶片if巨離、熱窗口節(jié)流口 (hot window restriction)的尺寸、以及與 熱窗口節(jié)流口的距離的函數(shù)。在一種特定的MBE儀中，這些因素使得能 在兩英寸的晶片面積內(nèi)進(jìn)行寫入。在光斑覆蓋率和光斑尺寸上應(yīng)有取舍， 所述光斑尺寸是由開口尺寸、聚焦前的光束尺寸、與晶片的距離以及 F-Theta透鏡210的有效性確定的。F-Theta透鏡210被校正以提供表面 平坦的場(chǎng)(field )覆蓋。這種透鏡廣泛用于需要獲得最大直徑的曝光像 場(chǎng)而光束尺寸不會(huì)改變的激光加工系統(tǒng)中。市場(chǎng)上僅可以獲得少數(shù)幾種 的商用F-Theta焦距。在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)100使用一個(gè)焦距為 480mm的F-Theta透鏡。還可4吏用生長(zhǎng)期間可在基底上形成輻射光斑的 其它透鏡和方法。
圖3是一種用于在生長(zhǎng)期間對(duì)基底圖案化的擴(kuò)束器和反射鏡配置 300的示意圖。激光器310提供一束光，該束光的直徑通過一個(gè)擴(kuò)束器 315由一^J、尺寸(幾分之一mm)擴(kuò)大至幾mm。 一個(gè)實(shí)施方案中，激光束可 由光學(xué)纖維提供。經(jīng)擴(kuò)展的光束由一個(gè)或多個(gè)透鏡320聚焦至基底325 上。在基底的生長(zhǎng)期間， 一個(gè)或多個(gè)反射鏡330， 335為受控的基底圖案 化提供擴(kuò)展束的x、 y定位。反射鏡被連至伺服裝置(servo)上，該伺 服裝置用于旋轉(zhuǎn)反射鏡來控制光束在基底325上的位置。市售的激光寫
6入控制工具，如WinLase Professional是可獲取的，并可用于控制激光 光斑在基底上的位置。寫入速度和激光功率可針對(duì)每條線設(shè)定，并且線 速度可顯著不同，例如從5至256410mm/秒或所需的其它速度。
一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)展束的聚焦優(yōu)先于反射鏡偏轉(zhuǎn)，但不是在反射 鏡偏轉(zhuǎn)之前將擴(kuò)展束聚焦。如圖3所示的在反射鏡偏轉(zhuǎn)后再聚焦，會(huì)使 反射鏡上的功率密度更低，以及使反射鏡更不易于受到損傷。這樣的系 統(tǒng)可能需要大的反射鏡O10mm)來處理一個(gè)10mm直徑的光束。當(dāng)放大光 束的直徑時(shí)，可能需要更大直徑的反射鏡。更大的反射鏡由于其較大的 質(zhì)量因而需要更大的電動(dòng)機(jī)。實(shí)踐中在反射鏡直徑和掃描速度之間需要 權(quán)衡。
一般而言
"光斑尺寸 /1=激光的波長(zhǎng) /=透鏡的焦距 ^=擴(kuò)展束直徑
下文中描述了這些參數(shù)之間的權(quán)衡，并對(duì)儀器上的一個(gè)實(shí)施進(jìn)行比 較探討。結(jié)果可能因使用其它儀器和不同的實(shí)施方案而有變化。
所有的比較和分析都假設(shè)了兩個(gè)用于x， y定位的反射鏡?？尚械氖牵?通過將伺服裝置驅(qū)動(dòng)的反射鏡改成微鏡陣列，考慮大得多的有效反射鏡 和光束直徑。微鏡陣列的一個(gè)實(shí)例是德州儀器陣列(Texas Instruments array),它被用于禮堂/會(huì)議室的計(jì)算機(jī)光投影儀(computer light projector)中的的數(shù)字光投影(DLP)中以及被用于一些現(xiàn)代大屏幕電視中。
各實(shí)施方案并不受限于一種波長(zhǎng)?？杀欢ㄏ虻娜魏涡问降母邚?qiáng)度光 都是合適的，只要其功率足夠高。 一個(gè)實(shí)施方案中，可使用一個(gè)通過一 聚焦透鏡投影的數(shù)字投影儀來制造小形貌。 一個(gè)實(shí)施方案中， 一個(gè)$50, 000的激光器可由一個(gè)$1, 000的投影儀和多個(gè)$1， 000的透鏡代替。另一 個(gè)實(shí)施方案中，使用10W的平均功率，但在脈沖過程中具有高得多的峰 值功率。另一個(gè)實(shí)施方案中，可從DLP中獲取幾瓦特。其它變型包括將 光投影裝置安裝在MBE系統(tǒng)內(nèi)以使與晶片的間距更小。 一個(gè)實(shí)施方案中，
7可4吏用加熱的透鏡以避免亂真沉積(spurious deposition)。氣源可比熱 源與晶片具有更近的間距。氣源MBE是一種相當(dāng)常見的技術(shù)。0MVPE反 應(yīng)器具有從外部到晶片的更為接近的路徑。因此這種技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn) 更小的形貌。針對(duì)特大面積(多個(gè)晶片或非常大的晶片)的另一種方法包 括一次在晶片的一部分上寫入?？扉T和膝光條件可被同步，以在不同的 次下在不同的區(qū)域中基本繼續(xù)和重復(fù)該過程。
另一個(gè)實(shí)施方案中，可在基底旋轉(zhuǎn)過程中在晶片上寫入，并還應(yīng)考 慮到機(jī)械空程(backlash)?？赏ㄟ^將光激發(fā)和基底位置測(cè)量同步而將基 底擺動(dòng)效應(yīng)減至最小。由于每個(gè)晶片的安裝可能引入獨(dú)特的擺動(dòng)，因此 可使用光學(xué)編碼器來追蹤基底位置，以實(shí)現(xiàn)同步。另一個(gè)實(shí)施方案中， 基底可被安裝至一個(gè)x-y光柵系統(tǒng)上，該光柵系統(tǒng)可進(jìn)一步增加可被寫 入的基底面積。
材料沉積期間的原位圖案化(in-situ patterning)可代替一個(gè)或 多個(gè)加工步驟，并在結(jié)構(gòu)制造中節(jié)省成本。不能通過常規(guī)的非原位 (ex-situ)加工產(chǎn)生的新結(jié)構(gòu)可在使用定向輻射光束進(jìn)行外延的過程中 原位構(gòu)成。
上述實(shí)施方案中，對(duì)于預(yù)定的幾何形狀，光斑的尺寸相當(dāng)于波長(zhǎng)的 線性函數(shù)。例如，通過將1. 06 pm的YAG波長(zhǎng)改變成四倍頻YAG的0. 254 jam,貝'J光斑尺寸可由59 jim變成12 pm。
使用相同的激光波長(zhǎng)時(shí)，光斑的尺寸還相當(dāng)于為透鏡焦距的線性函 數(shù)。如果MBE儀的幾何形狀被改變以使寫入頭透鏡更接近于晶片的表面， 則若可達(dá)到小于50mm的間距，光束的直徑可小于5 jim。這對(duì)于氣源設(shè) 備更容易。在上述特定的幾何形狀下，光斑尺寸在約10pm至50nm之 間變化，對(duì)應(yīng)于透鏡與晶片的間距約為100mm至500mm。
光斑的尺寸也可隨擴(kuò)展束直徑而改變。更大的光束直徑的缺點(diǎn)在于 由更大質(zhì)量的反射鏡引起的更慢的反射鏡運(yùn)動(dòng)，并且需要更大的開口以 在光束進(jìn)入設(shè)備時(shí)使光束穿過。 一個(gè)實(shí)施方案中， 一個(gè)一英寸的開口使 得能夠?qū)蟽捎⒋绲膮^(qū)域進(jìn)行寫入。這些參數(shù)可隨不同的實(shí)施方案 而改變。光斑的尺寸還可隨透鏡至晶片的距離的改變而變化，更短的距 離通常對(duì)應(yīng)于更小的光斑尺寸。另 一種增加晶片上可被寫入的面積的方 法是增加進(jìn)入腔內(nèi)的開口的尺寸。一個(gè)實(shí)施方案中，激光的波長(zhǎng)應(yīng)選擇為比材料的帶隙更大?？蓪?duì)激 光進(jìn)行泵浦以獲得具有更高功率的短脈沖。如果使用其功率足以用于在 正在生長(zhǎng)的材料上獲取所需效應(yīng)的激光，則不需要泵浦。 一個(gè)實(shí)施方案 中，激光的發(fā)射能量可比生長(zhǎng)材料的帶隙更短?？墒褂脴O短的脈沖，如 飛秒范圍內(nèi)的脈沖。這種極短的脈沖可產(chǎn)生大的電場(chǎng)，并引起生長(zhǎng)材料 的結(jié)構(gòu)改變。這種結(jié)構(gòu)改變的確切機(jī)理或原因可能還未被完全理解，因 此對(duì)于這種機(jī)理或原因的任何解釋或起因都未作為事實(shí)來加以描述。
使用聚焦的輻射對(duì)生長(zhǎng)材料上圖案化的方法可實(shí)施于許多不同的材
料上和實(shí)施于許多不同的生長(zhǎng)材料的方法上。除生長(zhǎng)材料的MBE法以外， 其它方法可包括化學(xué)氣相沉積(CVD),如M0CVD和HPCVD。不同類型的材 料生長(zhǎng)包括取向外延的、非晶態(tài)的、多晶態(tài)的和單晶態(tài)的生長(zhǎng)。其它可 生長(zhǎng)的材料包括ni-氮化物、多種半導(dǎo)體、非半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、陶瓷和
塑料，或者其它可使用多種不同的生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)的材料。
一個(gè)實(shí)施方案中，在通過分子束外延(MBE)進(jìn)行的InxGai-xN生長(zhǎng)期間 向局部區(qū)域施加定向的激光加熱。局部加熱的作用是在曝光的區(qū)域和與 膝光區(qū)域緊鄰的區(qū)域改變InxGa^N合金的組分。 一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)在 540nm厚的緩沖層上進(jìn)行名義上的78nm的沉積的過程中，這種曝光產(chǎn)生 至少三種不同的In摩爾分?jǐn)?shù)l)曝光區(qū)x-O. 75， 2)與啄光區(qū)相鄰的部 分x-O. 85， 3)遠(yuǎn)離啄光區(qū)的均勻組分x—. 81。曝光區(qū)比平衡值 (equilibrium)薄20nm，相鄰區(qū)比平衡值厚20nm，這i兌明了 In從熱區(qū)域 向冷區(qū)域擴(kuò)散。其它工藝條件可產(chǎn)生被埋入進(jìn)一步的沉積物中的形貌。 In的摩爾分?jǐn)?shù)的三維圖案化可通過如在生長(zhǎng)發(fā)生時(shí)改變局部區(qū)域的尺 寸和/或位置來實(shí)施。
定向?qū)懭虢M分圖案化(direct write composition patterning)提 供了一種新的生成不能由蝕刻和再沉積法制成的結(jié)構(gòu)的方法，所述結(jié)構(gòu) 如本文中所描述。已證明諸如光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可在被直徑50jam的掃描激 光束定向的區(qū)域內(nèi)通過原位組分控制(in-situ composition control) 而生成。由于InGaN的電導(dǎo)率是摩爾分?jǐn)?shù)的強(qiáng)函數(shù)(strong function), 因此，預(yù)計(jì)被寫入的形貌也可用作電學(xué)互聯(lián)。
原位的定向?qū)懭雸D案化的另一個(gè)特征是光致發(fā)光效率的增強(qiáng)。相對(duì) 于未曝光的區(qū)域，PL(光致發(fā)光)效率增加了 7倍。為理解PL增強(qiáng)的起因而進(jìn)行的簡(jiǎn)單試驗(yàn)說明，主要作用可能不是由高溫退火引起的增加的輻 射效率(通過對(duì)正面和背面的光致發(fā)光的比較推斷得出)，而可能是源于
曝光區(qū)域表面形態(tài)的改變。表面形態(tài)的改變已成為在基于GaN的LED中 獲得更高LED輸出功率的一個(gè)重要因素?？缮稍谖展夥矫姹绕教贡?面更有效率的表面形態(tài)，所述平坦表面的吸光效率要低得多。應(yīng)注意， 更適合于吸收光的表面也可被制造成可更有效地收集光。這種特征對(duì)于 太陽(yáng)能電池非常重要。這種新技術(shù)對(duì)于多結(jié)太陽(yáng)能電池非常重要。由于
efficiency),因此激光定向?qū)懭雸D案化將提供一種通過優(yōu)化多結(jié)結(jié)構(gòu)的
光傳輸性能而提高太陽(yáng)能電池效率的方法。
激光定向?qū)懭胍惨驯挥糜贏lN在Si上的生長(zhǎng)。首先，將100nm的 AIN層沉積在Si上。由于它對(duì)IR激光是透明的，因此激光不會(huì)加熱A1N， 但會(huì)加熱下面的Si。 Si上的AlN發(fā)生脫落，伴隨著大于l微米Si的蝕 刻。然后，A1N生長(zhǎng)回曝光區(qū)域中。這類結(jié)構(gòu)可用作互聯(lián)中的光波導(dǎo)。
激光定向?qū)懭胍舱故境龌叶刃蚊?。具有這種不能通過二次電子顯微 鏡見到的細(xì)微外觀的圖案可具有清晰限定的組分形貌，如通過背散射電 子成像檢測(cè)到的。組分中的灰度變化可應(yīng)用于反射鏡、透鏡和其它光學(xué) 過程中。例如，可以在一個(gè)垂直腔激光器的上部為該激光器集成一個(gè)透 鏡，用于晶片生長(zhǎng)期間的光瞄準(zhǔn)。
外延生長(zhǎng)定向?qū)懭胼^之于蝕刻和再生長(zhǎng)技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，晶 片表面從不暴露在來自空氣或光刻膠的污染物中。組分控制在無污染下 進(jìn)行，并且不會(huì)導(dǎo)致不需要的電學(xué)和光學(xué)特性。
另 一種潛在的應(yīng)用是通過激光定向?qū)懭肷刹煌臉O化晶體取向。 通過所驗(yàn)證的過程可阻止或允許不同的極化材料生成。這些被圖案化的 極化材料可用來產(chǎn)生用于開關(guān)和激光能量倍增器的較大的光學(xué)非線性。 這些性能可在半導(dǎo)體或陶瓷、如鉭酸鋰或其它極性材料中實(shí)現(xiàn)。這使得 可以以一種蝕刻和再生長(zhǎng)技術(shù)無法完成的方式產(chǎn)生集成的激光器和開關(guān) 或者倍增器。
另一種應(yīng)用是形成對(duì)高蒸汽壓下難于控制的摻雜劑的控制。由于激 光可加熱局部區(qū)域并引起原子遷移而不是蒸發(fā)，因此，可以以二維生長(zhǎng) 不可能達(dá)到的方式更好地控制Mg、 Mn和Zn之類的原子到氮化物半導(dǎo)體中的加入。
該技術(shù)已通過使用ni-氮化物半導(dǎo)體(和si基底)得到了證明，但
其一般而言適用于所有的半導(dǎo)體材料系統(tǒng)。容易預(yù)見SiGe組分控制和無 線電通訊半導(dǎo)體，如GalnAs、 AlGalnP等。這些已有系統(tǒng)中的商業(yè)機(jī)會(huì) 最初將比至今還未被商業(yè)化地用于所研究的組分中的InGaN大得多。更 短波長(zhǎng)的激光適合于如GaAs、 GaP、 GaN和其它具有更大帶隙的半導(dǎo)體材 料。所述材料系統(tǒng)中從LED中更有效地吸收光是一個(gè)商業(yè)上的優(yōu)勢(shì)。
定向?qū)懭虢M分圖案化的優(yōu)點(diǎn)不只是在于節(jié)省了平版印刷步驟的成 本，它能夠構(gòu)建不能由任何其它技術(shù)制備的新結(jié)構(gòu)，并改進(jìn)了現(xiàn)有結(jié)構(gòu) 的在諸如光吸收效率方面的性能。該技術(shù)將具有廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用 是過去僅能獲得2維工具的設(shè)計(jì)者未曾想到的。用于簡(jiǎn)單的二維晶片制 造的外延生長(zhǎng)預(yù)計(jì)將被所示的三維技術(shù)代替。
一個(gè)實(shí)施方案中，激光圖案化在外延生長(zhǎng)期間同時(shí)進(jìn)行。組分的圖 案化和光致發(fā)光的改進(jìn)是在生長(zhǎng)期間使用聚焦的輻射下所觀察到的兩個(gè) 效應(yīng)。其它的應(yīng)用可包括用于半導(dǎo)體和其它材料的所有光電子技術(shù)，尤 其是新的二維和三維結(jié)構(gòu)的形成，體電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率的控制、費(fèi)米 能級(jí)改變、111/V比例的改變、組分和沉積速度的控制、蝕刻和質(zhì)量轉(zhuǎn) 移。
一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，借助于可如上地加以改進(jìn)的較陳舊的儀器，InGalH吏 用In、 Ga和Al熱蒸發(fā)源通過分子束外延而生長(zhǎng)。氮?dú)庥傻图兌鹊囊旱?汽化來提供，并經(jīng)過除顆粒和氧氣/水汽三個(gè)階段。樹脂過濾器在質(zhì)量流 量控制器之前，該樹脂過濾器后跟著一個(gè)位于氮?dú)庠刺幍奈鼩膺^濾器 (getter filter)。應(yīng)注意，這些僅是對(duì)實(shí)驗(yàn)行為的記錄，而不是想要以 任何方式限制本發(fā)明，除非明確要求。
生長(zhǎng)腔是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)3英寸基底的Varian GEN II，之前有9年 用于砷化物/磷化物生長(zhǎng)，然后有8年用于氮化物生長(zhǎng)。砷、磷和砷氧化 物的殘留仍可見，并可從烘開和基底加熱期間的剩余氣體分析儀上看出。 針對(duì)一微米或更厚的層，以常規(guī)的方式測(cè)量具有SIM背景檢測(cè)限(~ 5 x 10"cm"3)水平的氧和碳的GaN和InN。對(duì)于GaN，不出乎意料的是，其中 高基底溫度(~ 7500增強(qiáng)氧的解吸(desorption),而對(duì)于InN,預(yù)計(jì) 其會(huì)對(duì)未預(yù)想到的氧背景更靈敏。氧可通過侵襲性技術(shù)(aggressivetechnique )從MBE環(huán)境中除去水汽和氧而降至最低。在一個(gè)典型的焙燒 過程中，第一天儀器溫度升高至1501C。第二天，基底加熱器的功率在 10個(gè)小時(shí)內(nèi)被增加至425W ，產(chǎn)生約IOOOIC的熱電偶讀數(shù)。該步驟從基 底加熱器組件中除去污染物，并使儀器的溫度進(jìn)一步升高。再經(jīng)過一天 烘烤后，余下的數(shù)天中小腔的溫度被升高至4001C。
于拋光的藍(lán)寶石基底背側(cè)上用濺射的鴒金屬化約l微米厚。晶片在 沒有表面處理下直接加載至一個(gè)制備腔，在3001C下的UHV中烘烤。使 溫度緩慢改變以避免藍(lán)寶石晶片由于熱應(yīng)力而破碎。基底加載至生長(zhǎng)腔 中以曝光于RF等離子體源中。200X:下，以500W曝光45分鐘有助于將 藍(lán)寶石的表面改變成一種預(yù)計(jì)具有一些A1N表面結(jié)構(gòu)的表面，盡管RHEED 測(cè)量沒有持續(xù)地指示改變。然后，將晶片溫度逐漸升至800匸用于A1N 生長(zhǎng)。當(dāng)使用GaN緩沖層時(shí)，在750t:下生長(zhǎng)GaN之前，A1N厚度約為 300nm。
Veeco RF等離子體源被用于產(chǎn)生活性的原子氮，它們以約0. 5微米 /小時(shí)的生長(zhǎng)速率被加入氮化物層中。等離子體功率是400W，氮?dú)饬鞯?速率是O. 8至lsccm。未對(duì)InN特性和RF源狀況進(jìn)行具體比較；它們的 相關(guān)性不是一目了然的。對(duì)于InGaN，基底的熱電偶溫度接近530"C并且 未在反饋中校正。加至基底加熱器上的DC電壓在A1N、 GaN或InN生長(zhǎng) 期間保持一個(gè)固定值。這種模式使基底的溫度恒定，如通過R服ED圖案 和高溫計(jì)所觀察到的，尤其對(duì)于高溫GaN和A1N生長(zhǎng).':由高溫計(jì)測(cè)量得 出，A1N緩沖層在約800X:下生長(zhǎng)，GaN在約750X:下生長(zhǎng)。
圖4A和4B顯示出在距晶片不同距離下的光束尺寸的筒單計(jì)算。該 實(shí)施方案中，激光至晶片的距離約為480mm。圖4A和4B顯示出3mm的 放置誤差將使光束尺寸加倍(并使光束的強(qiáng)度降低了 4倍)。在初始測(cè)試 中常常遇到在使激光工具透鏡和晶片達(dá)到理想的平整狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)的一些 誤差。從圖案化的晶片上的形貌中可看出，光束的強(qiáng)度可沿晶片變化， 并引起不同的效果。這易于通過小心地定位來克服，但已經(jīng)給出一開始 通過不同的焦距改變位置處的強(qiáng)度的能力。
另一個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)行機(jī)械化安裝以使激光頭移動(dòng)，接近和遠(yuǎn)離 晶片以在焦距、進(jìn)而是光密度方面產(chǎn)生大的變化。距離上的小變化也可 用于獲得更寬的激光功率密度動(dòng)態(tài)范圍。上述實(shí)施例使用 一種具有下述特征的激光來實(shí)施 為此項(xiàng)目選定的1063nm激光波長(zhǎng)
等同的光功率密度下更低的激光成本
針對(duì)1064和532nm操作涂覆鏡片，以允許之后532nm下的操 作可行
一些GalnN合金范圍的亞帶隙(sub-bandgap )波長(zhǎng)，以允許 非吸收性的epi窗口 IPG光子脈沖光纖激光器 型號(hào)為YLP-O. 5/100/20 IOW平均功率
0. 5mJ脈沖能量
20KHz， 100ns 進(jìn)入聚焦透鏡時(shí)光束直徑為10mm 晶片上光束直徑為50|im。
圖5示出一個(gè)可被寫入的示例性的CAD圖案。線由激光功率和掃描 速度以及其尺寸和位置確定。區(qū)分不同的區(qū)域以在不同的生長(zhǎng)層區(qū)域進(jìn) 行寫入，并且任何線可在生長(zhǎng)序列期間的任何一刻被寫入。形貌可被寫 入并埋入生長(zhǎng)層中。該實(shí)施例使外層圖案作為第一層，它只在生長(zhǎng)的初 始幾分鐘存在。暗形貌在第一層寫入，而較亮的形貌在生長(zhǎng)的晚期寫入。
圖6示出CAD圖案600和層結(jié)構(gòu)620,說明了該方法的多個(gè)方面。 形貌在材料沉積期間的不同深度下被寫入。 一些形貌625被寫入幾次然 后通過進(jìn)一步的沉積被埋入。其它形貌630更頻繁地被寫入并可在圖7 的SEM圖像中更顯著地看出。
圖8是In組分改變的定量測(cè)量。圖中顯示出In從圖案化的區(qū)域遷 移出來進(jìn)入稍冷的區(qū)域。波長(zhǎng)分散譜(WDS)分析的絕對(duì)數(shù)僅是在接近表面 處發(fā)生的In組分改變的實(shí)際值的下限。光束的滲透深度比發(fā)生表面擴(kuò)散 的區(qū)域更深?？赡艿氖牵钚〉腎n含量比寫入?yún)^(qū)域的75%還要小很多，， 比周圍區(qū)域的85%高得多。這可通過掃描俄歇電子能謙(Auger electron spectroscopy)更精確地效'J量。
圖9示出了激光寫入發(fā)生時(shí)的高度變化。激光照射似乎不會(huì)以任何 形式的激光燒蝕將材料蒸發(fā)掉。晶片在激光束下進(jìn)行局部加熱，并引起In向未照射的、較冷區(qū)域的表面擴(kuò)散的增加。通過肉B艮觀察，似乎In 在較冷區(qū)域聚積的量與被移出膝光區(qū)的整體材料的量相等。相對(duì)于蝕刻 方法中簡(jiǎn)單地將材料吹走，這是更精細(xì)的效應(yīng)。這種效應(yīng)還可在適當(dāng)?shù)?激光波長(zhǎng)和曝光條件下見于諸如GalnAs、 AlGaAs、 GalnN、 AlGaN、 GalnP、 AlInP的材料中。類似的作用可在其它的材料中發(fā)生。
圖IO示出發(fā)生激光寫入時(shí)的光致發(fā)光(PL)改進(jìn)。線掃描(圖11和 12)中更詳細(xì)地示出這種改進(jìn)，以淺顯易懂的方式給出了該效應(yīng)是如何再 現(xiàn)的——它不是晶片的兩個(gè)位置上的"幸運(yùn)的"行為，而是數(shù)千個(gè)點(diǎn)進(jìn) 入了這些圖像。這種PL強(qiáng)度的增加是顯著的。2維生長(zhǎng)未能控制生成這 種大量的增加。2維晶片在較寬的生長(zhǎng)條件參數(shù)范圍內(nèi)在效率上可能僅 具有較小的變化。通過激光曝光獲得如此大的增加是完全未預(yù)料到的。
還可獲得精細(xì)的組分。在平版印刷領(lǐng)域中已開發(fā)了灰度平版印刷， 用于生產(chǎn)諸如菲涅耳透鏡的用于光學(xué)信號(hào)路徑的結(jié)構(gòu)。本文中描述的生 長(zhǎng)中曝光的方法相對(duì)于使用不同的抗蝕劑在蝕刻的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生高度分布 方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。高度和組分可以以能給予透鏡和光學(xué)傳遞路線設(shè) 計(jì)更多靈活性的方式加以控制。再者，這可不止應(yīng)用在一體化的半導(dǎo)體 光電子設(shè)備中，它已成為現(xiàn)有技術(shù)中主要的新工具。
由已闡明的通過在聚焦的輻射中爆光以在生長(zhǎng)期間影響生長(zhǎng)的能力 將引起許多新的應(yīng)用是可預(yù)見的。已培養(yǎng)出一整代專業(yè)人員使用2維方 法解決問題。只要形貌被生成帶有該增加的維度，則能夠提供三維的潛 力的能力是非常有價(jià)值的。
權(quán)利要求
1. 一種方法，包括使用分子束外延或化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)一個(gè)層；并在所述層正在形成時(shí)將其選定部分曝光于輻射下。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述層包括一種III氮化物、半導(dǎo)體、塑料或陶瓷。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中所述層包括InGaN。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中一個(gè)激光束被用于將所述層的選定部分
5. 權(quán)利要求1的方法，還包括控制掃描鏡以通過激光進(jìn)行局部曝光。
6. 權(quán)利要求5的方法，其中所述層包括In,GanN。
7. 權(quán)利要求5的方法，其中所述掃描鏡提供對(duì)所述層上的曝光光斑的x， y控制。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中曝光光斑的速度可在約5至256410 mm/秒的范圍內(nèi)改變。
9. 權(quán)利要求7的方法，其中所述層上的所述曝光光斑的尺寸約為50iam或更小。
10. 權(quán)利要求5的方法，其中所述激光為脈沖激光。
11. 權(quán)利要求10的方法，其中所述激光為飛秒范圍內(nèi)的脈沖激光。
12. 權(quán)利要求5的方法，其中所述激光的發(fā)射能大于正被形成的材料的帶隙。
13. 權(quán)利要求l的方法，其中所述曝光部分具有下述特征中的一個(gè)或多個(gè)，所述特征包括變化的摩爾分?jǐn)?shù)、灰度形貌、光致發(fā)光和光學(xué)非線性。
14. 一種方法，包括生長(zhǎng)一個(gè)層；以及并在所述層正在形成時(shí)將其選定部分曝光于激光束光斑下。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中正被形成的層上的所述激光束光斑的位置被控制，以在層上產(chǎn)生需要的三維形貌。
16. 權(quán)利要求15的方法，其中使用一組反射鏡來控制激光束光斑的位置。2
17. 權(quán)利要求16的方法，其中所述反射鏡將激光束由腔的外部通過腔的觀察端口引入。
18. —種用于在生長(zhǎng)腔內(nèi)生長(zhǎng)在基底上的材料層上產(chǎn)生三維特征的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)激光源，用于提供激光束；一個(gè)透鏡，用于將所述激光束在生長(zhǎng)層上聚焦成一個(gè)光斑；以及一組反射鏡，它們被放置以從激光源接收激光束并用于控制激光束光斑在正在生長(zhǎng)的層上的位置。
19. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)可被放置在生長(zhǎng)腔的外部，以將激光束通過一個(gè)窗口定向至生長(zhǎng)層上。
20. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述激光源包括光導(dǎo)纖維，并且所述系統(tǒng)還包括連接至光導(dǎo)纖維上的用于提供激光束的擴(kuò)束器。
21. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述透鏡為一個(gè)放置在所述擴(kuò)束器和所述透鏡之間的F-Theta透鏡。
全文摘要
將諸如InGaN的材料的生長(zhǎng)表面曝光于一個(gè)被定向至受控位置的小直徑的激光束下，所述定向例如通過掃描反射鏡。在曝光位置上，材料的特征可被改變。一個(gè)實(shí)施方案中，在發(fā)生激光曝光之處，選定材料的摩爾分?jǐn)?shù)被降低。一個(gè)實(shí)施方案中，材料在MBE或CVD腔中生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)C23C16/04GK101501243SQ200780013589
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者W·J·沙夫, 陳曉東 申請(qǐng)人:康乃爾研究基金會(huì)有限公司