專利名稱：在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制造設(shè)備，尤其涉及ー種能在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜的裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，全世界正興起規(guī)模宏大的節(jié)能減排運(yùn)動(dòng)，半導(dǎo)體照明(即使用發(fā)光二極管(LED)照明)是其中一種有效措施，但是，若要走進(jìn)中國(guó)的千家萬(wàn)戶，還要大大降低成本。降低成本的一個(gè)有效措施就是提高外延生產(chǎn)的可控性。為此，在線監(jiān)測(cè)外延生產(chǎn)各種參數(shù)是非常重要的。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備(MOCVD)是目前制備半導(dǎo)體材料的ー種重 要設(shè)備。目前外延的溫度、外延層的厚度、外延層的應(yīng)力狀態(tài)均可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，但發(fā)光波長(zhǎng)還沒(méi)有在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，往往要等外延片取出后才能測(cè)量光致發(fā)光光譜，若這些外延片的波長(zhǎng)超出質(zhì)量控制的范圍，則這些外延片就基本上報(bào)廢了，每報(bào)廢一爐動(dòng)輒幾萬(wàn)元，根本沒(méi)辦法挽救。由于波長(zhǎng)偏差導(dǎo)致報(bào)廢的原因有以下兩種第一個(gè)原因是有機(jī)源用完了或開(kāi)錯(cuò)了有機(jī)源或相應(yīng)閥門出了問(wèn)題；第二個(gè)原因是外延生長(zhǎng)溫度發(fā)生了變化。此時(shí)，如果能在線監(jiān)測(cè)外延片光致發(fā)光譜(PU，一旦發(fā)現(xiàn)異常，還可及時(shí)挽救，或提前放棄生長(zhǎng)，減少損失。但是，要實(shí)現(xiàn)在線光致發(fā)光光譜的測(cè)量，有ー些技術(shù)難題需要攻克。第一個(gè)原因是高溫下的PL比較弱，難以測(cè)量；第二個(gè)原因是以前沒(méi)有合適的用于激發(fā)的激光器；第三個(gè)原因就是外延片光致發(fā)光信號(hào)處于反應(yīng)室內(nèi)，發(fā)光光譜的激發(fā)與收集都很困難。因?yàn)檫@些原因，目前還沒(méi)有看到這方面的科研報(bào)道，更無(wú)這方面的儀器設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種能在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外延片在反應(yīng)室內(nèi)的生長(zhǎng)情況、保證外延片能夠正常生長(zhǎng)、減少經(jīng)濟(jì)損失、檢測(cè)方便快捷的裝置。一種在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，包括反應(yīng)室和控制系統(tǒng)，在放置于手套箱內(nèi)的反應(yīng)室內(nèi)安裝有MOCVD加熱器，在MOCVD加熱器的上面依次從下至上安裝有石星基座和外延片，MOCVD加熱器對(duì)石星基座進(jìn)彳了加熱控溫，石星基座再加熱外延片，在反應(yīng)室的頂端安裝有正對(duì)著外延片且與外延片間隔放置的MOCVD噴頭，特征是在MOCVD噴頭上加工有ー個(gè)垂直于外延片且貫通的石英棒組件孔，石英棒組件由石英棒和套在石英棒外壁的石英棒外套組成，在MOCVD噴頭的外壁頂部、石英棒組件孔的周圍設(shè)有外密封金屬管，石英棒和石英棒外套一齊從上至下穿過(guò)外密封金屬管插入石英棒組件孔中；在光纖分支塊中的分光棱鏡上分別安裝有呈“T”字形排布的激光發(fā)射準(zhǔn)直頭、激發(fā)接收準(zhǔn)直頭和光譜準(zhǔn)直頭；激發(fā)接收準(zhǔn)直頭和光譜準(zhǔn)直頭在同一條直線上，激光發(fā)射準(zhǔn)直頭與激發(fā)接收準(zhǔn)直頭、光譜準(zhǔn)直頭垂直，激光光纖連接在激光器的激光輸出孔和激光發(fā)射準(zhǔn)直頭的激光輸入孔之間，復(fù)用光纖連接在激發(fā)接收準(zhǔn)直頭和石英棒的上端面之間，光譜光纖連接在光譜準(zhǔn)直頭的光譜導(dǎo)出孔和光纖光譜儀的光譜導(dǎo)入孔之間；控制系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)室、激光器和光纖光譜儀進(jìn)行控制；激光器發(fā)出的激光通過(guò)激光光纖和激光準(zhǔn)直頭導(dǎo)入到光纖分支塊的分光棱鏡上，經(jīng)分光棱鏡反射后依次進(jìn)入激發(fā)接受準(zhǔn)直頭、復(fù)用光纖和石英棒，然后導(dǎo)入到反應(yīng)室內(nèi)。從石英棒射出的激光直射外延片并激發(fā)外延片,外延片產(chǎn)生的激發(fā)光譜再由石英棒收集并通過(guò)復(fù)用光纖、激發(fā)接收準(zhǔn)直頭導(dǎo)入到分光棱鏡上，穿過(guò)分光棱鏡后經(jīng)過(guò)光譜準(zhǔn)直頭、光譜光纖進(jìn)入到光纖光譜儀，光纖光譜儀會(huì)顯示出光致發(fā)光光譜；控制系統(tǒng)能接收光纖光譜儀的光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)光譜強(qiáng)度，在生長(zhǎng)完ー層發(fā)光材料后，能主動(dòng)停止生長(zhǎng)，將外延片的生長(zhǎng)溫度從730°C降至330°C進(jìn)行光致發(fā)光光譜檢測(cè)，再回升到730°C繼續(xù)生長(zhǎng)。為了保證反應(yīng)室的氣密性，漏氣率應(yīng)優(yōu)于10-8mbarl/s，為此，在石英棒與石英棒外套之間安裝有內(nèi)密封圈，在石英棒外套和外密封金屬管之間安裝有外密封圏。石英棒的下端面高于石英棒外套的下端面，石英棒外套的下端面高于MOCVD噴頭的內(nèi)壁底面。本發(fā)明使用氮化鎵激光器(其它激光器也可)作為激發(fā)源，和外延片生長(zhǎng)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)人為降低外延片的溫度來(lái)提高光致發(fā)光的信號(hào)強(qiáng)度，再通過(guò)伸入到反應(yīng)室內(nèi)的石英棒來(lái)激發(fā)和收集光致發(fā)光光譜，并在光纖光譜儀上顯示出光致發(fā)光光譜。本發(fā)明能測(cè)量LED結(jié) 構(gòu)InGaN層中In的含量，In的含量多，則光致發(fā)光光譜紅移，另外，還可給出n層黃帶的信息，從而判斷n層生長(zhǎng)是否正常，從而達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)InGaAlN半導(dǎo)體藍(lán)光LED外延片在反應(yīng)室內(nèi)的生長(zhǎng)情況、達(dá)到保證外延片能夠正常生長(zhǎng)的目的。因此，本發(fā)明具有能在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外延片在反應(yīng)室內(nèi)的生長(zhǎng)情況、保證外延片能夠正常生長(zhǎng)、減少經(jīng)濟(jì)損失、檢測(cè)方便快捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng) 圖2是圖I中A區(qū)域的放大 圖3是圖I中B區(qū)域的放大 圖4是圖I中C區(qū)域的放大圖。圖5是使用Y形光纖下的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合實(shí)施例并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步的說(shuō)明。實(shí)施例I :
一種在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，包括反應(yīng)室7和控制系統(tǒng)4，在放置于手套箱5內(nèi)的反應(yīng)室7內(nèi)安裝有MOCVD加熱器I。在MOCVD加熱器I的上面依次從下至上安裝有石墨基座6和外延片8，MOCVD加熱器I對(duì)石墨基座6進(jìn)行加熱控溫，石墨基座6對(duì)外延片8進(jìn)行加熱。在反應(yīng)室7的頂端安裝有正對(duì)外延片8且與外延片8間隔放置的MOCVD噴頭9，在MOCVD噴頭9上加工有ー個(gè)垂直于外延片8且貫通的石英棒組件孔14，石英棒組件由石英棒16和套在石英棒16外壁的石英棒外套15組成，在MOCVD噴頭9的外壁頂部、石英組件孔14的周圍設(shè)有外密封金屬管20，石英棒16和石英棒外套15 —齊從上至下穿過(guò)外密封金屬管20插入石英棒組件孔14中；在光纖分支塊12中的分光棱鏡26上分別安裝有呈“T”字形排布的激光發(fā)射準(zhǔn)直頭24、激發(fā)接收準(zhǔn)直頭23和光譜準(zhǔn)直頭25。激發(fā)接收準(zhǔn)直頭23和光譜準(zhǔn)直頭25在同一條直線上。激光發(fā)射準(zhǔn)直頭24與呈直線排列的激發(fā)接收準(zhǔn)直頭23、光譜準(zhǔn)直頭25垂直。激光光纖11連接在激光器3的激光輸出孔和激光發(fā)射準(zhǔn)直頭23的激光輸入孔之間，復(fù)用光纖10連接在激發(fā)接收準(zhǔn)直頭23的激光導(dǎo)出孔和石英棒16的上端面之間。光譜光纖13連接在光譜準(zhǔn)直頭25的光譜導(dǎo)出孔和光纖光譜儀2的光譜導(dǎo)入孔之間；控制系統(tǒng)4對(duì)反應(yīng)室7、激光器3和光纖光譜儀2進(jìn)行控制；激光器3發(fā)出的激光通過(guò)激光光纖11和激光準(zhǔn)直頭24導(dǎo)入到光纖分支塊12的分光棱鏡26上，經(jīng)分光棱鏡26反射后進(jìn)入激發(fā)接受準(zhǔn)直頭23、復(fù)用光纖10和石英棒16導(dǎo)入到反應(yīng)室7內(nèi)，從石英棒16射出的激光直射外延片8并激發(fā)外延片8，外延片8產(chǎn)生的光致激發(fā)光向四周輻射，其中很少一部分輻射由石英棒16收集并通過(guò)復(fù)用光纖10、激發(fā)接收準(zhǔn)直頭23導(dǎo)入到分光棱鏡26上，穿過(guò)分光棱鏡26后經(jīng)過(guò)光譜準(zhǔn)直頭25、光譜光纖13進(jìn)入到光纖光譜儀2，在光纖光譜儀2將光致發(fā)光光譜數(shù)據(jù)送到計(jì)控制系統(tǒng)4 ;控制系統(tǒng)4能根據(jù)光譜強(qiáng)度，在生長(zhǎng)完ー層發(fā)光材料后，主動(dòng)將外延片8的生長(zhǎng)溫度由730°C降至330°C進(jìn)行光致發(fā)光光譜檢測(cè)，再回升到730°C繼續(xù)生長(zhǎng)。這一升降過(guò)程要花去400秒的時(shí)間，雖有些浪費(fèi)，但相比整個(gè)9小時(shí)的外延生長(zhǎng)周期，只増加了 I. 2%的機(jī)吋。為了保證反應(yīng)室7的氣密性(要求漏氣率優(yōu)于10_8mbarl/s),在外密封金屬管20與石英棒外套15之間安裝有外密封圈22，在石英棒16和石英棒外套15之間安裝有內(nèi)密封 圈21。石英棒16的下端面17高于石英棒外套15的下端面18，石英棒外套15的下端面18高于MOCVD噴頭9的內(nèi)壁底面19。外延片8和MOCVD噴頭9之間的間距為11mm。為了能使激發(fā)的激光從石英棒16出來(lái)后聚焦照射到外延片8的表面，石英棒16的下端面17要做成有利于聚焦及發(fā)射光譜收集的球面或平面狀。手套箱5的空間有限，MOCVD噴頭9還要運(yùn)動(dòng)，本實(shí)施例只有ー根復(fù)用光纖10位于手套箱5內(nèi)，使用此復(fù)用光纖10 —方面可保證足夠的靈活性，另ー方面可保證整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗電磁干擾特性，并保證有足夠的微弱光譜檢測(cè)靈敏度。本實(shí)施例的激光器3為氮化鎵激光器，其波長(zhǎng)約405nm。石英棒16也可是藍(lán)寶石棒，也可是自聚焦透鏡，它們的特點(diǎn)是圓棒狀，側(cè)面可密封。實(shí)施例2
實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I基本相同，不同之處在于
在圖5中，用Y形光纖塊28來(lái)代替整個(gè)圖4部分中的光纖分支塊12，Y形光纖塊28由干光纖27、光譜光纖11和激光光纖13組成，干光纖27實(shí)際上就是將光譜光纖11、激光光纖13合并而成，然后共同和石英棒16的端面實(shí)現(xiàn)耦合，甚至取消石英棒16，將兩光纖直接伸到反應(yīng)室7中，此時(shí)要對(duì)光纖和反應(yīng)室之間進(jìn)行真空密封。使用Y形光纖塊28的耦合效率會(huì)降低至少I倍之多，雖然方便。為了避免外延片8反射的激光(含有外延片膜厚信息)進(jìn)入光纖光譜儀2，可在光纖光譜儀2的前面或內(nèi)部增加濾光片來(lái)濾去激光，還可在光纖光譜儀2的前面加一塊只對(duì)激光絕大部分都反射、又不影響光致發(fā)光通過(guò)的分光鏡，此分光鏡后面再接光電ニ極管即可擴(kuò)展成膜厚儀。應(yīng)當(dāng)理解是，上述實(shí)施例只是對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制，任何不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的非實(shí)質(zhì)性的替換或修改的發(fā)明創(chuàng)造均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，包括反應(yīng)室和控制系統(tǒng)，在放置于手套箱內(nèi)的反應(yīng)室內(nèi)安裝有MOCVD加熱器，在MOCVD加熱器的上面依次從下至上安裝有石墨襯底基座和外延片，MOCVD加熱器對(duì)石墨襯底基座進(jìn)行加熱控溫，在反應(yīng)室的頂端安裝有正對(duì)外延片且與外延片間隔放置的MOCVD噴頭，其特征在于在MOCVD噴頭上加工有一個(gè)垂直于外延片且貫通的石英棒組件孔，石英棒組件由石英棒和套在石英棒外壁的石英棒外套組成，在MOCVD噴頭的外壁頂部、石英棒組件孔的周圍設(shè)有外密封金屬管，石英棒和石英棒外套一齊從上至下穿過(guò)外密封金屬管插入石英棒組件孔中；在光纖分支塊中的分光棱鏡上分別安裝有呈“T”字形排布的激光發(fā)射準(zhǔn)直頭、激發(fā)接收準(zhǔn)直頭和光譜準(zhǔn)直頭；激發(fā)接收準(zhǔn)直頭和光譜準(zhǔn)直頭在同一條直線上，激光發(fā)射準(zhǔn)直頭與激發(fā)接收準(zhǔn)直頭、光譜準(zhǔn)直頭垂直，激光光纖連接在激光器的激光輸出孔和激光發(fā)射準(zhǔn)直頭的激光輸入孔之間，復(fù)用光纖連接在激發(fā)接收準(zhǔn)直頭和石英棒的上端面之間，光譜光纖連接在光譜準(zhǔn)直頭的光譜導(dǎo)出孔和光纖光譜儀的光譜導(dǎo)入孔之間；控制系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)室、激光器和光纖光譜儀進(jìn)行控制；激光器發(fā)出的激光通過(guò)激光光纖和激光準(zhǔn)直頭導(dǎo)入到光纖分支塊的分光棱鏡上，經(jīng)分光棱鏡反射后依次進(jìn)入激發(fā)接受準(zhǔn)直頭、復(fù)用光纖和石英棒，然后導(dǎo)入到反應(yīng)室內(nèi)；從石英棒射出的激光直射外延片并激發(fā)外延片，外延片產(chǎn)生的激發(fā)光譜再由石英棒收集并通過(guò)復(fù)用光纖、激發(fā)接收準(zhǔn)直頭導(dǎo)入到分光棱鏡上，穿過(guò)分光棱鏡后經(jīng)過(guò)光譜準(zhǔn)直頭、光譜光纖進(jìn)入到光纖光譜儀，光纖光譜儀會(huì)顯示出光致發(fā)光光譜；控制系統(tǒng)能接收光纖光譜儀的光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)光譜強(qiáng)度，在生長(zhǎng)完ー層發(fā)光材料后，能主動(dòng)停止生長(zhǎng)，將外延片的生長(zhǎng)溫度從730°C降至330°C進(jìn)行光致發(fā)光光譜檢測(cè)，再回升到730°C繼續(xù)生長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，其特征在于在外密封金屬管處的石英棒和石英棒外套之間安裝有內(nèi)密封圈，在石英棒外套和外密封金屬管之間安裝有外密封圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，其特征在于石英棒的下端面高于石英棒外套的下端面，石英棒外套的下端面高于MOCVD噴頭的內(nèi)壁底面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，其特征在于石英棒的下端面為球面或平面狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，其特征在于外延片和MOCVD噴頭之間的間距為11mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，其特征在于使用Y形光纖塊來(lái)代替權(quán)利要求I中的光纖分支塊，Y形光纖塊由干光纖、光譜光纖和激光光纖組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在線測(cè)量發(fā)光二極管外延片光致發(fā)光光譜裝置，它包括反應(yīng)室和控制系統(tǒng)，在反應(yīng)室安裝有MOCVD加熱器、石墨襯底基座、外延片和，MOCVD噴頭，特征是在MOCVD噴頭的石英棒孔中安裝有石英棒和石英棒外套；激光光纖連接在激光器和激光發(fā)射準(zhǔn)直頭之間，復(fù)用光纖連接在激發(fā)接收準(zhǔn)直頭和石英棒之間，光譜光纖連接在光譜準(zhǔn)直頭和光纖光譜儀之間；控制系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)室、激光器和光纖光譜儀進(jìn)行控制。本發(fā)明通過(guò)人為降低外延片的溫度來(lái)提高光致發(fā)光的信號(hào)強(qiáng)度，再通過(guò)石英棒來(lái)激發(fā)和收集光致發(fā)光光譜，并在光纖光譜儀上顯示出光致發(fā)光光譜。本發(fā)明具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外延片在反應(yīng)室內(nèi)的生長(zhǎng)情況、保證外延片能夠正常生長(zhǎng)、減少經(jīng)濟(jì)損失等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/443GK102778295SQ20121029710
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者劉苾雨, 方文卿, 江風(fēng)益 申請(qǐng)人:南昌黃綠照明有限公司