CN102057079B - 与原子层沉积反应器相连接的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与包括反应腔室的原子层沉积反应器相连接的装置，该装置包括用来向反应腔室(2)供给反应气体并且用来回吸反应气体的部件，以及用来供给阻隔气体的部件。用来供给与回吸反应气体和用来供给阻隔气体的部件包括具有延伸通过其中的多个相平行的通道(4至7)的中间元件(3)，以及被布置在通道(4至7)开口于其中的中间元件(3)的两端的第一回流元件和第二回流元件(8，9)，回流元件(8，9)被布置成结合中间元件(3)中的通道以便于提供通道间的流动。

Description

与原子层沉积反应器相连接的装置

技术领域

本发明涉及一种与包括反应腔室的原子层沉积反应器相连接的装置，该装置包括用来向反应腔室供给反应气体并且用来回吸反应气体的部件，以及用来供给阻隔气体(barrier gas)的部件。

背景技术

反应腔室是ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积)反应器的主要部件，待处理的基片被设置所述反应腔室中。原子层沉积工艺是基于间歇的、饱和的表面反应，其中所述表面控制膜的生长。每个反应成分在那里分别与表面进行接触。这样，在反应腔室里，各反应气体和其间的冲洗(flushing)气体脉冲被顺序地引到基片上。

在原子层沉积反应器的设计中，实现良好的流动动力和尖锐脉冲是重要的。为了锐化脉冲并且有时也作为仅有的阻隔，其中使用被称为惰性气体的阀式调节(inert gas valving)的原理，通过惰性气体适当的供给和流动，来阻止反应腔室中反应气体向基片的流动。

上述功能将被实现成尽可能地靠近反应腔室以避免供给管道或者供给通道的后置阻隔段(post-barrier length)导致反应成分脉冲的拖尾(tail)，即，从表面释放的分子，这些分子在与下一个脉冲混合时，导致CVD(Chemical Vapour Deposition，化学气相沉积)增长。这种由于拖尾产生的化学气相沉积增长是绝对不允许在基片上存在的，因为那样的话，将不再发生由表面控制的根据原子层沉积的沉积，这种情况下，所沉积的薄膜的特性将发生改变。

最早的阻隔管道是用玻璃通过所谓唇管制成的，藉此阻隔流被同轴线的管道部件带到指定位置。这些解决方案是庞大的、昂贵的和脆弱的。一种后来的解决方案是使用设置在平板上的凹槽，通过将这样的带凹槽平板相对于彼此上下叠置来提供三维的管道系统。更为优选的是，将这样的凹槽直接制作在反应腔室的壁中；这是现有技术的最常用的实施方式。问题是：要提供多个阻隔凹槽和容纳在所述阻隔凹槽中的阻隔供给部，并且要对于多种初始物料(starting materials)对称地并且均等地抽吸。作为这样的组装方式的结果，平板的数量和/或尺寸增大。当希望在小的或者扁平的空间中用阻隔材料填充反应腔室时，平板解决方案变得难以实施。此外，在多个源的情况下，要连接的气体连接部数量很大，并且在大面积上连接这些气体连接部是困难的。污染气体(contaminating gas)凹槽的长度也易于趋向增大。在现有技术中提供解决这个问题的另一种尝试是这样的：通过例如在装置下面保留空间，在该空间中通过折叠一段长度的普通管道而形成所需的流动路径，以期实现预期解决方案。这是一种能起作用的方案，但它需要空间，而且无法观察到被折叠的管道的里面以判断是否需要清洗。

在PCT公开文本WO 2006/000643、美国专利公报4,413,022以及FI专利申请20055612与20055613中描述了原子层沉积工艺概况、上述惰性气体的阀式调节原理以及原子层沉积反应器，这些文献作为现有技术的几个示例，在本发明中加以参引。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服从上文所知的现有技术的不足之处的装置。该目的通过根据本发明的装置而得以实现。根据本发明的装置的特征在于，用来供给与回吸所述反应气体和用来供给所述阻隔气体的部件包括：中间元件，该中间元件具有延伸通过该中间元件的多个相平行的通道；以及第一回流元件和第二回流元件，所述第一回流元件和第二回流元件被布置在所述中间元件的两端，所述通道通到所述第一回流元件和第二回流元件中，所述第一回流元件和第二回流元件被布置成将所述中间元件中的各通道加以组合从而提供通道间的流动。

本发明的优点主要是其能够提供良好的流动动力(flowdynamics)和尖锐脉冲(sharp pulses)。这能够消除上述的在与下一个脉冲混合时将导致化学气相沉积增长的不利的脉冲拖尾。本发明也使得各气体通道在被引至反应腔室之前能够以有利的方式相结合，从而，可能的化学气相沉积增长被形成在供给通道中，而不是基片表面上。在根据本发明的解决方案中，来自不同气体源的各种气体也可以用有利的方式被混合成尽可能均匀的气流。不均匀性将导致对基片提供的剂量(dosage)不均匀，这又将导致速度缓慢、材料效率差和不均匀的膜。本发明的另一个优点是：阻隔通道的造型和布置可制成对于所有初始气体(starting gas)尽可能地相同，藉此它们的性态能够被标准化。本发明的结构也可以用有利的方式制成，以使得通道的清洗与其清洗的检查变得很容易。在本发明中，角落和内表面的数量也可以被最小化，并且能够以有利的方式对惰性阻隔气体的供给和回吸加以调节。

附图说明

下面将通过在附图中展示的例示性实施例对本发明进行更具体地描述，图中：

图1是示意性剖视图，示出了根据本发明的装置；

图2是根据图1的装置的立体图；

图3是从图1中的箭头III-III处获得的剖视图；

图4是从图1中的箭头IV-IV处获得的剖视图；

图5是从图1中的箭头V-V处获得的剖视图；而

图6是从图1中的箭头VI-VI处获得的剖视图。

具体实施方式

图1至图6示意性地示出根据本发明的装置。图1示意性地示出一个实施例，其中原子层沉积反应器包括减压室1和布置在减压室中的抽真空的反应腔室2。如上所述，在原子层沉积工艺中，待处理的基片被设置在反应腔室2中，并且在该工艺中，各反应气体和各反应气体之间的惰性气体被间断地顺序引至待处理基片的表面。在图1的示例中，反应腔室在减压室内，然而也可行的是，减压室同时作为反应腔室。

减压室1以及与原子层沉积反应器连接的反应腔室的结构和功能以及上述各气体的供给对于本领域技术人员而言是完全常规的操作，因此这方面内容在本文中不作更详细的讨论。在此，可以参考上述在对现有技术进行描述时所列举的公开出版物。

根据本发明的装置包括：第一装置，例如部件，该部件形成用来将至少一种反应气体间歇地供给到反应腔室2并且用来将该反应气体回吸的流动路径；以及第二装置，例如部件，该部件形成用来在反应气体的各供给周期之间供给阻隔气体脉冲的流动路径。对于本发明而言，重要的是：上述部件包括：中间元件3，该中间元件3具有延伸通过该元件的多个平行通道4至7；以及第一回流元件和第二回流元件8、9，所述第一回流元件和第二回流元件8、9布置在中间元件的两端，通道4至7通到所述第一回流元件和第二回流元件中，各回流元件被布置成将中间元件中的通道4至7加以组合从而提供通道间的流动。

中间元件3优选由块状工件所形成，通过在其中钻孔而设置通道4至7。由块状材料制成的工件优选可以是由棒状材料制成的工件，从而使得中间元件的外形大体是圆柱形。

第一回流元件和第二回流元件可以分别由大致法兰状的元件形成，这些元件的尺寸与中间元件的尺寸相匹配，如各图中所示。

在根据依照图1和图2的本发明的解决方案中，各种气体，即各种反应气体和例如氮气的惰性阻隔气体，经由一个法兰结构10被带到减压室1，并进一步被带到反应腔室2。法兰结构10的上表面被成形为使第一回流元件8的下表面紧密地坐置在其上，使这些表面彼此相对。法兰结构的气体连接部11、12和例如贯通的钻孔13、14的第一回流元件8的连接部形成均匀的流动路径，作为它们的共同延伸部分，在中间元件中还设置有通道4至7。在需要时，对于在通道、连接部和钻孔之间以及在法兰结构10和第一回流装置8之间的所有连接而言，可以在上述各部件之间设置密封。

例如，如在图1中所示以及如上所述的那样，中间元件3被布置在第一回流元件8的上部。面向中间元件的一个端部的第一回流元件8的表面设置有第一凹槽15，该第一凹槽15和中间元件3的表面一起，在贯通的钻孔14和中间元件的通道之间形成流动通道。例如在图1中可以看到，凹槽15形成在贯通的钻孔14和通道5之间的流通连接。

在图示的例子中，通道5作为回吸通道使用，换言之，通过通道15，为每种反应剂气体连接部形成用于回吸的侧方连接部。该回吸连接部通过上述凹槽15而从反应剂连接部的侧面附近与之连接。中间件设置有用于实现反应剂供给和反应剂回吸这两个功能的特别通道。为每种反应剂提供这样的布置。在图1中，通道4是用于一种反应剂的供给通道，而通道5是相应的回吸通道。图2以立体图的方式示出根据图1的装置，其中示出了，在这个实施例中，为反应气体提供6个气体连接部12，并且为阻隔气体提供一个气体连接部11。自然，这些数量可根据需要而改变。

可以通过在回吸通道15中设置一个用于提供流动调节的调节元件16或者缩小部分(reduction)，而对回吸的量进行有利的调节。调节元件16可以由例如阻滞螺钉形成，所述阻滞螺钉也就是在其中具有钻出的通道的螺纹构件，所述钻出的通道用以产生所需的阻滞效果。缩小部分可以例如通过使通道局部地变窄而形成，从而实现所需的阻滞效果。阻隔流(barrier flow)可以通过例如氮气而形成。通过连接到排放部件23的泵装置提供回吸。

在中间元件3的上部设有第二回吸元件9，在其中设置的第二凹槽17被用来使气体调转方向，向下方回流。第二凹槽17还设有第二钻孔18，该第二钻孔的目的是用来将惰性阻隔气体传送到通道系统，从而周期性地阻止反应气体流向反应腔室。

阻隔气体以如下方式被供给到装置中：该阻隔气体经由气体连接部11被供给到第一回流元件的第一贯通钻孔13，从那里进一步被供给到中间元件3的通道6，接着，经由第二回流元件的连接部19(例如是钻孔)而被供给到凹槽20，该凹槽20设置在第二回流元件9的背对着中间元件的表面上。在第二回流元件9的顶部设有封盖元件21，该封盖元件21的底部表面与凹槽20一起，形成阻隔气体的流动路径。由凹槽20和封盖元件21所形成的流动路径将阻隔气体引至第二钻孔18，该第二钻孔18将阻隔气体引至上述第二凹槽17。钻孔18可设有调节元件22或者缩小部分，以实现流动阻滞。调节元件22可以是例如阻滞螺钉，所述阻滞螺钉也就是在其中具有钻出的通道的螺纹构件，所述钻出的通道用以产生所需的阻滞效果。缩小部分可以例如通过使通道局部地变窄而形成，从而实现所需的阻滞效果。凹槽20与通过装置的所有调节元件22接收到的供给流相连接，也就是说，装置的所有的通道18都与连接部19流通连接，以便使得从该连接部19流出的阻隔气体可以流到装置的所有的通道18。各个调节元件22(例如阻滞螺钉)的尺寸优选是相等的，从而，阻隔流在装置的所有的通道18之间被等分。如果对不同反应气体，需要不同大小的阻隔流，自然可以对阻滞螺钉的尺寸做出不同选择，以实现所需的效果。

被向下回转的反应气流通过第二回流元件9被传送回到第一回流元件8，在此，反应气流流到凹槽24，经由该凹槽24，反应气流被转向而进入收集通道7，该收集通道7位于中间元件3的中部，气体沿该收集通道7进一步流动到在上方设置的反应腔室2供给开口。各反应气体的所有供给线路(feed lines)都设置有相应的钻孔和凹槽，并且优选地，这些供给线路围绕着收集通道7对称地布置。收集通道的结构使得，当来自不同气体连接部12的气体到达其中时，这些气体被充分地相互混合。这种效果可以通过对通道的底部形状以及气体被带到收集通道的角度进行设计而实现。

通过平面、球面或者对应的结构而实现与反应腔室的连接。各个回吸部也可以与泵送线路直接连接，所述连接或者通过采用本装置的结构——例如通过设置在本装置中的凹槽以及由封盖着所述凹槽的部件所形成的流动部件而实现，或者直接通过管道而实现。在根据各附图的解决方案中，通过第二回流元件9上的凹槽25，将各个回吸通道5汇集到排放部件23中，其采用的原理与通过凹槽20与各个通道18的配合而实现的供给布置的原理相似。

配备有根据本发明的装置的反应器被驱动，以使得例如氮的阻隔气体经由如上所述的部件11被连续地供给。经由通道5的回吸部被持续地打开。当来自反应气体连接部12的气流被中断时，从该连接部流出的只有扩散流(diffusion flow)，阻隔气流产生阻隔作用，从而反应气体的拖尾部分(tail)被传送到回吸部。当受到载流气体的帮助或者没有受到载流气体的帮助的反应气体脉冲被引导通过装置时，反应气体中的一些被舍弃到回吸部，但是反应气体中的绝大部分，基本上约为90％，会继续径直传送至反应腔室。作为阻隔气体的氮气也与该气流相混和。当反应气流和可能的加强流动的载流气体的供给被终止时，装置自动地回转到关闭反应气流的状态。

当希望加强运行并且降低回吸损失时，例如氮气的阻隔气体的供给可以与反应气体供给的脉冲进行如下所述的同步操作。在一个脉冲期间，阻隔氮气(barrier nitrogen)以该阻隔流的最小量被供给到连接部5以使得没有反应剂被浪费。类似地，氮气阻隔流也可以减少到仅能够阻止反应剂流进氮气供给通道的程度。

仅仅通过利用连续阻隔剂流的简单实施方式，就能带来极其有利的效果，从而完全可以实现上述的附加特性。

根据本发明的装置，用很少一些构件就能够实现各个反应气体的供给以及阻隔气体的供给，这些构件可以通过简单的方式进行拆解以便清洗和检修。本发明的装置的结构小巧而又匀称。所有气体被同样地处理，并且如果需要，本解决方案可以采用单设的废气管道(contaminating sacrifice pipes)，这些管道在需要时能够被替换。通常，容易发生阻塞的位置是各个回吸流相交汇的位置。

在根据本发明的结构中，可以采用有利的方式将回吸流分别传送至可被称为例如吸入箱26的反应腔室后置(post)空间，藉此降低维护的需要。也可以用不同的密封方式通过例如一个密封件27将该结构相对于中间空间(intermediate space)方便地加以密封。这样的密封可以用例如诸如O型环的弹性体，或者通过在每一对法兰的边界表面上设置密封槽来实现，凹槽被钻孔而连接到回吸部或者相应地连接到氮气供给部。在第一种情况下，密封槽带有负压，藉此可能泄漏的气体被抽吸并排放而不管它们是源自结构内的管道还是源自结构外部。相应地，在第二种情况下，气体从密封槽向外部和内部泄漏。

根据本发明的装置可以通过采用有利的方式而被结合到反应器的减压室和/或经减压的反应腔室的其它布置线路(lead-through)中，其就整体情况而言给出有利的解决方案。上述有利的解决方案的事实的例子，包括例如由布置线路所导致的结构问题被最小化，等等。

根据本发明的装置的热量管理是特别有利的。本发明的装置也可以作为穿过冷的腔室的辅助加热设备的一部分。除了金属材料之外，根据本发明的装置有利地可以用更为非常规的材料来制造，所述材料甚至是玻璃或者陶瓷材料。

上述的本发明的例示性实施例决不是用来限制本发明，可以在权利要求的范围内完全自由地修改本发明。因而，根据本发明的装置的尺寸、部件数量、位置、设备的驱动方式等可以按照需要而进行相当自由的变化。

Claims (14)

1.一种与原子层沉积反应器相连接的装置，所述原子层沉积反应器包括反应腔室，所述装置包括用来将反应气体供给到所述反应腔室（2）并且用来回吸所述反应气体的部件，以及用来供给阻隔气体的部件，其特征在于，

用来供给与回吸所述反应气体的部件和用来供给所述阻隔气体的部件包括：中间元件（3），该中间元件具有延伸通过该中间元件的多个相平行的通道（4至7）；以及第一回流元件和第二回流元件（8，9），所述第一回流元件和第二回流元件被布置在所述中间元件（3）的两端，所述通道（4至7）通到所述第一回流元件和第二回流元件中，所述第一回流元件和第二回流元件（8，9）被布置成将所述中间元件（3）中的各通道加以组合从而提供通道间的流动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，面对着所述中间元件（3）的所述第一回流元件和第二回流元件（8，9）的表面设有凹槽（15，24，17），这些凹槽与所述中间元件（3）的表面一起，形成将所述通道相连接的流动路径。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一回流元件和第二回流元件（8，9）设有用来供给阻隔气体的连接部（13，19）。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，背对着中间元件（3）的第二回流元件（9）的表面设有凹槽（20），所述凹槽与设置在第二回流元件（9）的顶部的封盖元件（21）一起，形成用于所述阻隔气体的流动路径。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二回流元件（9）设有第二钻孔（18），这些第二钻孔被布置为形成从在背对着所述中间元件的表面上的凹槽（20）流到在面对着所述中间元件的表面上的凹槽（17）的阻隔气体流的连接部。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述第二钻孔（18）内设有用以提供流动阻滞的调节元件（22）或者缩小部分。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在延伸通过所述中间元件（3）的至少一个通道（5）内设有用以提供流动阻滞的调节元件（16）或者缩小部分。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间元件（3）的中部设有收集通道（7），供给通道（4）、回吸通道（5）和阻隔气体流入通道（6）辐射状地并且对称地围绕该收集通道，从而当沿径向方向观察时，每个通道被布置成与相邻的通道流通连接并且还与所述收集通道流通连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间元件（3）用块状工件形成，所述通道（4至7）通过在所述块状工件上钻孔而形成。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由所述中间元件（3）以及所述第一回流元件和第二回流元件（8，9）形成的实体通过一个法兰结构（10）被固定到气体源，从而所述法兰结构的气体连接部（11，12）和第一回流元件的钻孔（13，14，19）形成从所述气体源经由所述中间元件（3）到所述反应腔室（2）的均匀流动路径。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，回吸通道（5）被布置成通过在所述第二回流元件（9）中形成的凹槽（25）而与共用的排放部件（23）流通连接。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，设有用于密封整个装置的共用密封构件（27），该共用密封构件被布置成与所述法兰结构（10）相连接。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置被结合到所述反应器的其它布置线路中。

14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置被布置成作为所述反应器的辅助加热设备的一部分。

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