CN101310043A - 原子层沉积反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ALD反应器的反应室，其包括限定了反应室的内部部分(28)的底壁、顶壁和在底壁与顶壁之间延伸的侧壁。该反应器进一步包括一个或多个用于将气体送入反应室的送入口(30)和一个或多个用于将送入反应器的气体从反应室排出的排出口(40，50)。该反应室的特征在于，反应室的每个侧壁包括一个或多个送入口(30)，在这种情况下，反应室的所有侧壁都参与气体交换。

Description

原子层沉积反应器
背景技术
[0001]本发明涉及ALD(原子层沉积)反应器的反应室和在ALD反应器的反应室中处理衬底的方法。更具体而言，发明涉及一种根据权利要求1前序部分的ALD反应器的反应室，该反应室包括盖板和底板，这两个板形成反应室中的内部部分、底壁、顶壁和在底壁与和顶壁之间延伸的侧壁，该反应器进一步包括用于将气体送入反应室的一个或多个进入口和用于将送入到反应器的气体从反应室中排出的一个或多个排出口。
[0002]反应室是放置待处理的衬底的ALD反应器的主要部件。ALD处理是以顺序的饱和表面反应为基础的，在这些反应中，表面控制薄膜生长。在处理过程中，使每个反应部件分别与表面接触。在反应室中，反应气体被顺序地供应到衬底上方，在中间有冲洗气体脉冲。因此，反应室的流体动力学形态必须良好。由石英管制成的常规型现有技术的馈通(feed-through)反应室具有第一端和第二端，反应气体从第一端送入，而从第二端泵出。这种管状反应室的流体动力学形态(流分布)照这样是不够良好的，而且该反应器必须具有单独的流导向器。即使在这种情况下，这种反应室的材料效率仍很差，并且衬底上产生的薄膜的厚度是不均匀的。此外，在这种反应室中处理过程是缓慢的。例如，这种结构的一个实例示于美国专利US 4,389,973的图2中。馈通反应室还可由石英板制成，在这种情况下通过处理石英板来制造送入管、流导向器、混合管、出口和衬底所用的空间。在那种情况下，通过将处理后的板连在一起而形成反应室及其流动系统，在这种情况下，可自由设计流动系统并更好地控制流分布。另外，在这些技术方案中，从一侧向另一侧在衬底上方引导反应气体和清洗气体的流动，由此吸收气体。这容易在反应室的边缘处产生流动的死端(dead end)以及在靠近壁处的流动中产生侧壁效应，这降低了流体动力学形态。此外，按照这种结构，反应室的形成产生需要密封在反应室及其周围环境之间的几个表面。如上所述结构的实例示于US6,572,705的图1和2中。现有技术还包括带有“顶部莲蓬头”的喷嘴结构，其中要被送入反应室的气体流被直接导向衬底，在这种情况下，沿径向方向使得死表面的数量最小化。与该莲蓬式反应室有关的一个问题是气流撞击衬底表面并且作用于衬底中间部分的起始材料浓度强于作用于其边缘部分的浓度。此外，当使用该流动系统时，很难设计同时处理几个衬底的室。所述结构的实例示于US 6,902,624的图6和7中。
[0003]在如上所述的所有反应室中，目的是改进流体动力学形态，但是结果却是复杂的结构或不利的流分布，在这种情况下反应室不能最佳地实现功能。此外，没有气体送入或排出的反应室的不起作用的表面易于润湿。关于这一点，润湿意味着由于气体在反应室中流动的影响，表面受到起始材料化学试剂影响，而这又会降低处理的材料效率并引起反应器表面的腐蚀。
[0004]在本文中，衬底指的是反应器中的待处理的材料，例如其可是硅盘或由实心的(密实的)、多孔的或粉末状材料制成的三维物体。反应空间通常设置在真空室内部，或者实际真空室的内表面形成所需的反应空间，并可将其加热到几百度的温度。通常的反应温度范围为200℃到500℃。
发明内容
[0005]发明的目的是提供一种反应室以便解决如上所述的问题。通过如权利要求1特征部分所述的反应室来实现根据本发明的技术方案，该反应室特征在于反应室的每个侧壁包括一个或多个送入口，在这种情况下，反应室的所有侧壁都参与气体交换。
[0006]本发明的优选实施例公开于从属权利要求中。
[0007]本发明是以提供馈通反应室为基础的，其中气体通过该反应室的每个侧壁送入或排出。换句话说，使得所有侧壁都有效作用，因此气体可通过所有侧壁送入反应室。通过同一侧壁送入和排出气体也是可行的。根据本发明的这种技术方案可以通过为每个侧壁提供一个或多个送入口来实现，所述送入口连接到气体进口。在一种极端情况下，反应室不包括具体的侧壁，而是送入和排出口形成反应室的侧壁。
[0008]在本文中，送入和排出口指的是通入反应室并且气体可通过其流入反应室和/或从反应室流出的开口。此外，在本文中，进口和出口指的是用于将要被引入反应室中的气体供应到送入口和通过排出口将要从反应室排出的气体排出的所有通道、管道等等。侧壁指的是在反应室的端壁之间延伸的反应室壁。例如，在圆筒形反应室中，外壳形成侧壁，而在立方体形的反应室中，在两个相对壁之间延伸的壁形成侧壁。在另一种多边形的反应室中，在多边形端壁之间延伸的壁形成反应室的侧壁，用于将气体送入反应室中。一般说来，所有侧壁平行地并垂直于端壁延伸，但是在圆锥形技术方案中，侧壁会聚。
[0009]根据本发明的方法和系统的一个优点在于通过使反应室的所有侧壁有效用于气体送入而使润湿的表面数量和区域可以显著地减少，这改进了所用气体的材料效率，因为在反应室的壁上不会发生材料生长。此外，也将改进反应室的流体动力学形态，在这种情况下，送入反应室的气体的分布是良好的，并且材料在衬底之上均匀地混合和/或沉淀。由于使得所有壁有效作用，还基本上消除了反应室内部的回流和死端空穴。在本文中，侧壁还指其切线与平面衬底的表面的切线垂直的壁。还应注意，在本文中，上、下壁指的是端壁，而不管反应空间或反应室的位置如何。换句话说，在某些实施例中，例如如果反应室处于水平位置而板状衬底位于竖直位置，上壁和下壁可能处于竖直位置。在板状或盘状衬底的情况下，侧壁是大体上垂直于衬底表面的壁。
附图说明
[0010]现在参考附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中
图1A和1B示出了根据本发明的反应室。
具体实施方式
[0011]图1A和1B示出了根据本发明的ALD反应器的圆筒形反应室1，该反应室包括盖板2和底板4。盖板2和底板4限定了反应室的内部部分28的底壁、顶壁和侧壁。在图1中所示的实施例中，盖板2是环形凸缘状板，该盖板可放在和/或紧紧固定在底板4之上以便形成反应室的内部部分28。反应室的侧壁设有送入口30和排出口40，通过这些口气体可以送入反应室的内部部分28和从反应室的内部部分28排出。此外，底板4设有进口12和14以及出口16，气体可沿进口12和14供应到送入口30，并且气体可沿出口16通过排出口40从反应室的内部部分28排出。可有一个或多个进口12、14和出口16。例如，可有两个进口14，其中一个用于反应气体而另一个用于一组起始材料，在这种情况下，如有必要，进口可进一步包括用于关闭所要求进口14的阀装置等等。
[0012]在图1A和1B的实施例中，将送入口30和排出口40设置成使得在盖板2和底板4之间留有间隙，该间隙沿反应室的内部部分28侧壁的整个圆周延伸。在那种情况下，该间隙至少部分地形成内部部分28的侧壁。该间隙进一步与进口12、14和出口16流体连通，在这种情况下，该间隙形成用于反应室内部部分28的送入口30和排出口40。
[0013]正如从图1A所见，底板具有穿孔板10，该穿孔板包括按预定间隔隔开的孔12。穿孔板10的孔与进口14流体连通，在这种情况下要被送入反应室的内部部分28的气体均匀分布到沿圆周延伸的进入口30。因此穿孔板10的长度决定了进入口30相对于排出40的尺寸，因为气体只可在穿孔板10长度上通过孔12送入到内部部分28中。该穿孔板的端部进一步设有密封件，该密封件基本上防止气体从穿孔板10端部之间的区域流向别处而不是通过进入口流入内部部分28。然而，为了防止流动空穴的形成，有利的是在某些情况下留有一定量渗漏。在图1A的情况下，穿孔板10从圆筒形内部部分28的侧壁延伸180度，在这种情况下进入口也是180度。这意味着排出口40也是180度。然而，穿孔板10包括用于调整穿孔板10长度的销调整装置26。例如，通过将穿孔板10的尺寸调整从而将进入口30的尺寸调整到220度，在这种情况下，排出口的尺寸相应地减少到140度，可加强向反应室内部部分28的气体送入。如果穿孔板10的尺寸从而进入口的尺寸被调整到140度，在这种情况下排出口的尺寸增加到220度，可加强从反应室的内部部分28的气体排出。这种可调整能力的一个优点是可对流动情况进行调整以更好地与每种起始材料的要求相对应。根据图1A，这种可调整的穿孔板10可由两个重叠的部分组成，当调整时，这两个部分可以滑动以便相互重叠。可以通过向下按压销26进行调整，在这种情况下穿孔板的两部分可相对于彼此移入重叠位置。气体通过穿孔板10的孔12流入进入口30，穿孔板10的孔12能够容纳销26，因此销26不需要单独的孔。此外，孔12以相同的预定间隔设置在穿孔板10的两部分中，在这种情况下，当一个部分在另一个部分之上滑动时，这些孔沿竖直方向对准。
[0014]出口16在靠近底板4的边缘处开口为沿圆周延伸的槽，该出口进一步通到排出口40。出口并非必须需要穿孔板，因为以与进入流相同的方式沿侧壁长度均匀分配排出流往往是不必要的。当然，如果需要实现更均匀的抽吸，出口也可设有穿孔板。
[0015]按照如上所述方式使得圆筒形反应室的整个圆周侧壁有效作用，在这种情况下侧壁的整个长度用于将气体送入反应室内部部分和将气体从反应室内部部分排出。换句话说，侧壁的整个长度包括进入口或排出口，在这种情况下，进入口或排出口沿侧壁的整个长度延伸。在那种情况下，在侧壁中基本上没有不有效作用的部分。
[0016]根据图1B，底板4设有用于容纳衬底的支座22。在这个实施例中，支座22是形成在底板4的上表面中的凹槽，例如在该处可以放置要处理的薄硅盘。当硅盘放在支座22中时，它形成反应室内部部分28的底壁的基本部分。在这个实施例中，盖板2包括圆形开口32，圆形开口32的边缘用作用来容纳另一个衬底的另一个支座22。在那种情况下，例如硅盘可放在边缘20之上，因此该硅盘形成反应室内部部分28的顶壁的基本部分。在那种情况下，在反应室中可以同时处理两个硅盘，以便处理放在底板4的支座22中的硅盘的上表面和相应地处理放在盖板2的支座20中的硅盘的下表面。在那种情况下，硅盘形成反应室的将会润湿的表面的大部分，这使实际盖板2和底板4的润湿的表面数量最小化，而这样又使所用气体对底板4和盖板2的不希望作用最小化。
[0017]在不脱离权利要求所限定的本发明范围的情况下，根据图1A和1B的技术方案可以按多种方式进行变化。可自由选择反应室的内部部分的形状，其可是立方体形、矩形棱柱、多边形或具有椭圆截面或其它合适的几何形状。例如，如果反应室内部部分是立方体形，它包括四个侧壁，在这种情况下，至少一个侧壁设有进入口而其它侧壁设有排出口。反应室的内部部分的尺寸还可以根据待处理物体或产品来调整。例如当处理三维物体时，可增加侧壁的高度以使物体适配在反应室的内部部分中。在那种情况下，例如，根据图1A和1B的反应室的圆周侧壁可以通过增加盖板2和底板4之间的距离而进行延展，在这种情况下反应室变成管状结构，其外壳形成反应室的侧壁。在反应室的这种管状技术方案中，通过使外壳的内壁设有用于送入气体的开口或由多孔材料(例如透气的烧结金属/陶瓷材料)制造外壳的内壁，而在外壳的内壁中形成送入口。在多孔侧壁的情况下，气体在侧壁后面引入，气体从该侧壁穿过多孔材料透入反应室的内部部分中。相应地，外壳可设有排出口，或者通过经由多孔侧壁吸收气体而进行排出。在多孔材料的情况下，反应室可由两个彼此嵌套的管道形成。管道中靠内的那个由多孔材料制成并且反应空间形成在其内部。外壳可设有送入口或多孔材料，以便使得气体可沿外壳的整个圆周和长度或仅仅沿长度或圆周的一部分送入反应室。例如，气体可沿外壳的整个长度仅仅沿着外壳圆周的一半送入。相应地，排出口可沿外壳的整个圆周和长度或仅仅沿外壳的圆周和/或外壳的长度的一部分设置。一个备选方案是在圆筒形体的一个或两个端壁中设置排出口，在这种情况下，有利的是沿反应室的外壳的整个圆周和长度将气体送入反应空间。此外，外壳中的送入部分与排出部分的比率可根据结合穿孔板所描述的原理来划分，在这种情况下，可通过调整外壳的送入和排出面积的比率来调整气体送入和气体排出的比率。这种细长的反应室可具有230mm的内径和300mm到350mm的外径以使其可以容纳具有200mm直径的硅盘。此外，反应室可设有可以容纳一个或多个硅盘或者另一个衬底以便同时处理的支承装置。如果反应室的长度增加，其可用来同时处理几百个硅盘。此外，硅盘可放置成使得它们之间的间隙起到收缩气流的间隙的作用。在那种情况下，不需要多孔/穿孔的内管。这进一步简化了结构。
[0018]反应室的每个侧壁设有一个或多个进入口和/或排出口。例如，立方体形反应室的内部部分的相对侧壁可分别包括进入口和排出口。替代地，两个相邻的壁可包括进入口而另两个相邻的壁包括排出口。另外，仅仅设置一个带有进入口的壁和另三个带有排出口的壁是可行的，或者反之亦然。同一个侧壁还可既设有排出口又设有进入口。需要进一步指出的是，可按与管状反应室的情况下同样的方式增加反应室的长度，而不管反应室的形状如何。例如立方体形的反应室可以如上所述地延展。
[0019]进口和出口可按照所要求的方式进一步设置并且根据需要选择其数量。此外，进口和出口还可以按与底板中相同的方式设置在盖板中。代替穿孔板，可使用另一种类似的装置来在侧壁所要求的长度上均匀地分配进入流。穿孔管、底板或者盖板也可设有分叉沟槽等等。用来调整进口和/或出口和/或进入口和/或排出口的调整装置还可以包括其它类型的装置，例如以可控方式将进入口和排出口或进口和出口彼此分开的节流门、阀或活动式密封件。调整装置可以在每个侧壁中或所有侧壁中或相对于彼此侧壁调整送入口和/或排出口的位置和/或尺寸和/或数量和/或送入管和/或出口的数量和/或位置。
[0020]还可显著地改变用于衬底的支座。在图1A所示的情况下，盖板2还可以制成封闭的，在这种情况下，只有底板4中的支座22可以使用。相应地，还可以只有设置在盖板中的支座20可以使用。图1A和1B还示出了第二出口18和排出口50。该排出口50和出口18只有在处理要被放入盖板中的硅盘2时才能使用。在那种情况下，气体可沿侧壁的整个长度引入反应室的内部部分28。换句话说，侧壁不包括排出口而是包括绕整个侧壁即360度延伸的进入口。在那种情况下，气体从每个方向径向进入内部部分28并通过位于底板4中部的排出口50流出内部部分28。相应地，排出口50和出口18可设置在盖板2的中部，在这种情况下只有底板4的支座22可用来容纳衬底。在这个实施例中，气体流过衬底上方并通过位于中部的排出口排出。
[0021]在图1A和1B的情况下，位于内部部分28的侧壁中的进入口30和排出口40是一致的，因此基本上形成了内部部分28的侧壁。例如进入口30延伸过侧壁长度的180度而排出口延伸过其余180度，在这种情况下，侧壁沿其整个长度都有效作用。替代地，进入口和排出口可形成为孔、切成适当尺寸的间隙或以预定间隔设置在侧壁中的类似开口。
[0022]对发明来说必要的是气体可通过至少一个侧壁送入反应室的内部部分并通过其它侧壁排出。在那种情况下，侧壁既设有进入口又设有排出口。替代地，气体可通过所有的侧壁送入，在这种情况下气体通过底壁或顶壁排出。在那种情况下，每个侧壁都设有进入口而底壁和顶壁设有排出口。这提供了所有侧壁都有效作用的反应室。
[0023]对所属技术领域的专业人员来说很明显的是，随着技术进步，本发明性构思可以按多种方式实现。因此本发明及其实施例不限于如上所述的实例而是可以在权利要求的范围内进行变化。

Claims (19)

1.一种ALD反应器的反应室，包括限定了反应室的内部部分(28)的底壁、顶壁和在底壁与顶壁之间延伸的侧壁，该反应器进一步包括一个或多个用于将气体送入反应室的送入口(30)和一个或多个用于将送入反应器的气体从反应室排出的排出口(40，50)，其特征在于，反应室的每个侧壁包括一个或多个送入口(30)，在这种情况下，反应室的所有侧壁都参与气体交换。
2.根据权利要求1所述的反应室，其特征在于，该反应室设有一个或多个与送入口(30)流体连通的进口(14，12)和一个或多个与排出口(40，50)流体连通的出口(16，18)。
3.根据权利要求1或2所述的反应室，其特征在于，每个侧壁包括一个或多个送入口(30)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的反应室，其特征在于，至少一些侧壁进一步包括一个或多个排出口(40)。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的反应室，其特征在于，送入口(30)或者送入口(30)与排出口(40)沿侧壁的整个长度延伸并且至少部分地形成反应室的侧壁。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的反应室，其特征在于，出口(16，18)和进口(14，12)设置在底板(4)中。
7.根据权利要求2到6中任一项所述的反应室，其特征在于，该反应室进一步包括调整装置(10，26)，用于调整送入管道(14，12)和/或送入口(30)和/或出口(16，18)和/或排出口(40，50)以便调整待送入反应室的内部部分(28)和/或从反应室的内部部分(28)排出的气体量。
8.根据权利要求7所述的反应室，其特征在于，调整装置(10，26)设置成调整送入口(30)和/或排出口(40，50)的位置和/或尺寸和/或数量。
9.根据权利要求7所述的反应室，其特征在于，调整装置(10，26)设置成调整送入管道(14，12)和/或出口的数量和/或位置。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的反应室，其特征在于，调整装置(10，26)包括设置在进口(14)中的穿孔板(10)，用于通过穿孔板的孔(26)将气体供给到送入口(30)，该穿孔板的孔(26)的长度和/或数量是可调整的。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的反应室，其特征在于，反应室的内部部分(28)是圆筒形的，在这种情况下包括一个圆周侧壁。
12.根据权利要求11所述的反应室，其特征在于，进口(14，12)和/或送入口(30)设置成使得气体能沿圆周侧壁的整个长度送入反应室的内部部分(28)。
13.根据权利要求11或12所述的反应室，其特征在于，出口(16，18)和/或排出口(40，50)设置在底板(4)或盖板(2)的中部。
14.根据权利要求11所述的反应室，其特征在于，进口(14，12)和/或送入口(30)与出口(16，18)和/或排出口(40，50)设置成使得气体能沿圆周侧壁的整个长度送入反应室和/或从反应室排出。
15.根据权利要求11所述的反应室，其特征在于，进口(14，12)和/或送入口(30)与出口(16，18)和/或排出口(40，50)设置成使得气体能沿圆周侧壁的长度的一部分送入反应室和/或从反应室排出。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的反应室，其特征在于，反应室的内部部分(28)是立方体形的。
17.根据权利要求1到10中任一项所述的反应室，其特征在于，反应室的内部部分(28)具有矩形棱柱形状。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的反应室，其特征在于，底板(4)和盖板(2)都设有用于衬底的支座(22，20)，在这种情况下，能同时处理两个衬底。
19.根据权利要求18所述的反应室，其特征在于，设置在盖板(2)中的支座(20)设置成使得置于其中的衬底形成反应室的顶壁的至少一部分，而设置在底板中的支座(22)设置成使得置于其中的衬底形成反应室的底壁的至少一部分。
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