CN102560421A

CN102560421A - 用于薄膜沉积的方法和系统

Info

Publication number: CN102560421A
Application number: CN2011104343736A
Authority: CN
Inventors: 申雄澈; 白敏�; 崔圭政
Original assignee: NCD CO Ltd
Current assignee: NCD Corporation
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN102560421B; TWI475129B; EP2465972A2; EP2465972B1; EP2465972A3; TW201235505A

Abstract

本发明公开一种薄膜沉积系统，包括处理室，其构造成在反应气和吹净气连贯供入处理室内时提供层流状气流并且虚拟划分成多个空间，在虚拟划分的空间在处理室内移动时，针对多个基片实现原子层沉积，减少处理时间。薄膜沉积系统还包括料盒，其内装载多个基片，以使得基片之间隔开恒定的距离，且基片之间的距离为层流之间的距离；接收料盒的处理室，以使得料盒与处理室内壁之间的距离为层流之间的距离，且在处理室内基片经受原子层沉积；供气单元，其安置在处理室的一侧壁上且将气体沿与基片布置平行的方向供至料盒内安置的基片，从而气体层流状提供至基片的前端、基片之间的空间、以及基片与处理室壁之间的空间；以及排气单元，其在处理室内安置在与供气单元相反的侧部上且通过在基片的后侧抽吸气体而将气体从处理室排出。

Description

用于薄膜沉积的方法和系统

技术领域

本发明的实施例涉及用于薄膜沉积的方法和系统，并且更具体地讲，本发明涉及这样的用于薄膜沉积的方法和系统，其包括处理室，所述处理室被构造成在反应气和吹净气依次被供入到处理室中时提供分层式气流，并且所述处理室被虚拟地划分成多个空间，从而所述各虚拟的空间在处理室内移动时，针对多个基片能够完成原子层沉积，因而减少了处理进行时间。

背景技术

大体上，半导体器件或平板显示器通过多个工序被制造。特别地，在晶片或玻璃(此后称为“基片”)上沉积薄膜的工序不可避免地被完成。通过溅射、化学蒸镀(CVD)、原子层沉积(ALD)等实现这种薄膜沉积。

具体地，原子层沉积(ALD)是这样一种过程，即通过连续地将反应剂输入到用于形成薄膜的处理室内而通过两种或多种反应剂的分解与吸收将薄膜分单位地沉积为原子层。具体地，第一反应气以脉冲化的方式被供应到处理室内，从而在处理室内化学沉积至基片的下层，并且与其物理耦合的剩余的第一反应气以吹净(purging)的方式被排出。然后，第二反应气也通过脉冲化和吹净的方式被供应并被排出，从而通过第二反应气与第一反应气(即、第一反应剂)之间的某种化学反应，所期望的薄膜能够沉积在基片上。通过原子层沉积所制造的薄膜的实施例包括Al₂O₃、Ta₂O₃、TiO₂以及Si₃O₄薄膜。

因为原子层沉积使得甚至在600℃或更低的低温也能够形成具有良好台阶覆盖率(step coverage)的薄膜，所以所期望的是原子层沉积将广泛应用于下一代半导体器件的制造。在如上所述的原子层沉积中，相应的气体完成脉冲化与吹净处理一次所需的时间段被称为一循环。

然而，因为用于原子层沉积的传统设备通过扩散板的喷嘴孔以点式方式而非平面的方式供应气体，所以气体在处理室内并没有被均匀地分布，因而使得薄膜的均匀性变差。

发明内容

本发明旨在解决如上所述的问题，并且本发明的各方面为提供用于薄膜沉积的方法和系统，其包括处理室，所述处理室被构造成在反应气和吹净气被连贯地供入处理室内时提供层流状气流(laminar gasflow)并且虚拟地划分成多个空间，从而在虚拟划分的空间在处理室内移动时，针对多个基片能够实现原子层沉积，因而减小了处理时间。

根据本发明的一个方面，薄膜沉积系统包括包括外室，在其一侧上具有开口；处理室，其在所述外室内安置，并且在所述处理室的一侧上具有开口；第一门，该第一门打开或关闭所述处理室的开口；料盒保持件，其连接至所述第一门的内壁，并且在所述料盒保持件上装载至少一个料盒；第二门，该第二门打开或关闭所述外室的开口；连接构件，其将所述第一门连接至所述第二门；以及移动单元，其使得所述第一门和所述料盒保持件与所述第二门一起水平地往复运动。

根据本发明的另一个方面，薄膜沉积系统可以包括料盒，其装载多个基片，以使得各基片之间彼此隔开恒定的距离，并且相应的基片之间的距离为层流(分层的流)之间的距离；处理室，其中所述处理室接收所述料盒，以使得所述料盒与所述处理室的内壁之间的距离为层流之间的距离，并且，在所述处理室内，所述各基片经受原子层沉积；供气单元，其中所述供气单元安置在所述处理室的一个侧壁上并且将气体沿与所述基片的布置平行的方向供至在所述料盒内安置的所有基片，从而所述气体以层流状被提供至各基片的前端、各基片之间的空间、以及基片与处理室的壁之间的空间；以及排气单元，其中所述排气单元在所述处理室内安置在与供气单元相反的侧部上，并且所述排气单元通过在所述各基片的后侧抽吸气体而将气体从所述处理室排出。

附图说明

通过结合附图给出的实施例的以下说明将清楚本发明的上述和其它方面、特定和优点，其中：

图1是根据本发明一个实施例的薄膜沉积系统的透视图；

图2是根据本发明示意性实施例的薄膜沉积系统的剖视图；

图3是根据本发明实施例的薄膜沉积系统的连接构件的剖视图；

图4是根据本发明实施例的薄膜沉积系统的处理室内装载的料盒的剖视图；

图5是根据本发明实施例的薄膜沉积系统的剖视图；

图6是根据本发明实施例的薄膜沉积系统的剖视图；并且

图7和图8是根据本发明实施的薄膜沉积系统的处理室的视图；

图9和10示出了本发明的操作过程。

具体实施方式

现在，参照附图将说明本发明的示意性实施例。

参看图1和图2，根据本发明一个实施例的薄膜沉积系统1包括外室10；处理室20；门11、21；料盒保持件30；连接构件70；以及移动单元60。

外室10在其一侧上形成开口12，料盒C被传送经过该开口。外室10接收/容纳多个处理室20。

每个处理室20接收料盒C，其中，基片被装载在所述料盒上，从而在所述处理室内，详细如下所述地在基片上实现原子层沉积。

处理室形成有开口22；并包括用于打开或关闭该开口的第一门21以及用于打开或关闭外室的开口12的第二门11。第一门21通过连接构件70连接至第二门11。接着，将更加详细地说明这种结构。在此，第一门21与第二门11之间的距离t1大于外室的开口12与处理室的开口22之间的距离t2，即t1＞t2。

另外，在第一门21的内壁上设有能够装载多个料盒C的料盒保持件30。

这样，第二门11、第一门21和料盒保持件30固定地彼此相连，并且处理室还包括移动单元60，其中该移动单元使得第一与第二门以及料盒保持件同时沿水平方向往复运动。

移动单元60包括诸如传统滚珠丝杠构件的丝杠61；在所述丝杠61旋转时往复运动的螺母构件62；夹具63，其将所述螺母构件62连接至第二门11；以及用于使得所述丝杠61旋转的驱动源(未示出)。

系统还包括供气单元40，其中该供气单元将源气和吹净气通过外室10供入处理室20内；以及排气单元50，其使得气体从处理室20排出。

尽管图中未示出，但是系统还可以包括位于外室10与处理室20之间的加热器。加热器将处理室20维持在恒定的温度。

根据该实施例的薄膜沉积系统的主要部件将参照图3进行说明。参看图3，将第一门21连接至第二门11的连接构件70由弹性可扩展的伸缩探针(pogo pin)构件制成。具体地，连接构件70包括固定至第二门11的大直径区段71；固定至第一门21的小直径区段72；以及压缩弹簧73，其中该压缩弹簧在大直径区段71内弹性支承小直径区段72。此外，通过伸缩探针构件所实现的连接构件70在其外周上还设有附加的压缩弹簧74，其中该附加的压缩弹簧具有与压缩弹簧73相比更高的弹性系数。因而，第一门21与第二门11之间的距离能够是改变的而并非是固定的，从而第一门21和第二门11能够彼此相互接近或彼此相互远离。

此外，第一门21和第二门11中的每个设有密封构件11a或21b，其通过机械密封件、O形环或现有技术中已知的其它密封构件实现。例如，第一门21的密封构件21a是机械密封件，而第二门的密封构件11a是O形环。

图4示出了在处理室20内装载的料盒C。参看图4，多个基片以直立的姿态(沿竖直方向地或者相对于竖直方向以特定的角度倾斜地)在料盒C内被装载。

接着，将参照图2、5和6说明薄膜沉积系统的操作。

首先，随着第一门21和第二门11的打开，多个接收基片的料盒C被安装在料盒保持件30上，其中所述料盒保持件30连接至第一门21的一侧(见图2)。

接着，在丝杠61通过主要地使得驱动源驱动而被旋转时，螺母构件62直线地移动，以使得彼此相连的第一和第二门21、11移动，从而第一门21关闭处理室的开口22。同时，料盒保持件30进入处理室20，从而料盒C通过料盒保持件被转移到处理室20内。在此阶段中，第二门11并未接触外室10的侧壁(见图5)。

接着，在丝杠61通过辅助地使得驱动源驱动而被旋转时，第二门11通过如上所述同一方法直线地移动，从而第二门11关闭外室10的开口12。然而，第一门21和料盒保持件30处于如图6所示的同一状态，并且在压缩弹簧73、74被收缩时，将第一门21连接至第二门11的料盒保持件30被收缩(如图6所示)。

这样，随着料盒C被转移到处理室20内并且外室10和处理室20被关闭，源气和吹净气被交替地供入到处理室内，以针对基片实现原子层沉积。

因而，在该实施例中，料盒(或基片)的转移以及外室和处理室的关闭在同时完成。

明显地，该实施例的上述说明仅仅出于示意性的目的提供，并且在不脱离本发明的前提下可以实现各种不同的改型和改变。例如，第一门和第二门之间的距离可以小于处理室的开口与外室的开口之间的距离。在这种情况中，第二门通过驱动源的主要驱动被移动以关闭外室的开口，并且第一门然后通过驱动源的辅助驱动被移动以关闭处理室。

在另一实施例中，薄膜沉积系统可以取消外室。在这种情况中，用于打开或关闭外室的第二门以及用于将第二门连接至第一门的连接构件也被取消，并且移动单元可以直接连接至第一门。在该实施例中，料盒保持件连接至第一门的内壁。因而，在第一门关闭处理室时，料盒可以被转移到处理室内。因而，在该实施例中，料盒(或基片)的转移与处理室的关闭也是同时完成的。

接着，参见图7和8，将详细说明根据该实施例的处理室20。在处理室20内，多个料盒C以串联(in-line)布置的方式被转移，从而允许同时处理多个基片，其中每个料盒C接收以直立的姿态(沿竖直方向地或者相对于竖直方向以特定的角度倾斜地)布置的基片S。

换句话说，多排基片在处理室内以串联布置结构的方式安置。此外，各排的基片之间的相应的空间提供了气流通道。

具体地，在该实施例中，在料盒C在处理室20内安置时，料盒C安置成每个料盒与处理室的侧壁之间的距离或者在每个料盒C内所接收的相应的基片之间的距离为层流之间的距离。

正如在此所用，术语“层流”指的是供入到窄空间内并沿特定的方向没有弥散且显著不扩散地移动的气体的流。

此外，正如在此所用，术语“层流之间的距离”指的是两股气体的层流之间的距离。在该实施例中，层流之间的距离可以是0.2至10mm。如果层流之间的距离小于0.2mm，则系统不仅很难进行处理和生产，而且很难控制气体供应。如果层流之间的距离超过10mm，则气体的层流不被维持，造成了气体的自由弥散。

根据该实施例，不仅每个料盒C内的各基片S之间的空间还有每个料盒C与室的每个壁之间的空间以及料盒C或基片S的前端与直供气凹槽之间的空间根据层流之间的距离被设定。

在处理室20的一个侧壁28上形成气体扩散供应区段42，以在气体通过供气端口27被供应时沿侧壁将气体传输至侧壁的前端。

气体扩散供应区段42包括在处理室的一个侧壁28的外表面上以台阶的方式形成的凹部41；以及关闭该凹部41的盖43。当然，尽管凹部41由盖43覆盖，但是盖43与凹部41的底表面隔开，以限定使得气体在凹部41与盖43之间流动的空间。

气体扩散供应区段42可以在处理室20的任何侧壁上、例如在上侧壁23、下侧壁24、右侧壁28或左侧壁29上形成。

气体扩散供应区段42被形成为具有从侧壁28上的供气端口27朝向侧壁的前端逐渐增加的横截面面积。这种结构允许气体经过气体扩散供应区段42到达处理室20的前侧之前实现气体的均匀分布。此外，在经过气体扩散供应区段42时，经由供气端口27供应的气体维持实现层流状态。因而，气体扩散供应区段42与盖43之间的距离设定成维持层流状的气流。

接着，将说明该实施例的处理室的操作。

首先，在气体从供气单元被供应至在处理室20的一个侧壁上形成的供气端口27时，气体沿气体扩散供应区段42流至处理室的前侧(即侧壁的前端)，同时气体通过气体扩散供应区段42被均匀地扩散。

然后，沿气体扩散供应区段42被足够扩散的气体作为层流状的气流沿在处理室20的前侧上形成的直供气凹槽朝向相反的侧壁移动。

在到达基片的前侧、即直供气凹槽之后，气体在每个基片上形成薄膜，同时作为层流而移动经过各排的基片之间的空间。

因此，相应的排的基片之间的空间构成流道，该流道维持层流之间的间距，从而允许气体像层流那样在处理室内移动。此外，在处理室内，多个料盒C1至C4彼此相邻地以串联布置的结构安置，并且在相邻的料盒内接收的基片S1至S4也彼此相邻地布置，从而气体均匀地流到多个料盒内，同时维持层流。

在该实施例中，并非是在定制第一反应气的供应之后就实现自处理室泵送或吹净第一反应气的操作，吹净气在第一反应气进入处理室之后立刻被供应，从而第一反应气和吹净气在单个真空室内共存，同时虚拟地划分了真空室的内部空间。

在该实施例中，第一反应气空间指的是处理室的充满第一反应气的想象的空间，并且第一吹净气空间指的是处理室的充满吹净气且与第一反应气空间连续的想象的空间。此外，第二反应气空间指的是处理室的充满第二反应气的想象的空间，并且第二吹净气空间指的是处理室的充满吹净气且与第二反应气空间连续的想象的空间。根据该实施例，第一反应气空间、第一吹净气空间、第二反应气空间和第二吹净气空间同时沿预定的方向以特定的速度移动，而并不是维持在特定的位置。

具体地，此后将说明形成各气空间的过程。首先，在第一反应气被供至处理室时，充满第一反应气的想象的第一反应气空间在真空期内创建，并且在处理室内从一个场所移动至另一个场所。

然而，在停止第一反应气的供应之后供应吹净气时，与第一反应气空间连续的第一吹净气空间在真空室内被创建，并且在沿第一反应气的方向推动第一反应气时跟随在第一反应气空间之后。在此，第一反应气空间与第一吹净气空间之间的界面并没有明显地形成，在界面处可以出现第一反应气与吹净气之间的混合部分。此外，第一反应气的浓度朝向第一反应气空间的中心逐步增加，并且吹净气的浓度朝向第一吹净气空间的中心逐步增加。

如上所述，根据该实施例，为了实现第一反应气从处理室的完全吹净，形成第一吹净气空间的吹净气以比第一反应气大得多的量被供应，从而第一反应气由于第一吹净气的移动而沿相对于直供气凹槽相反的方向移动。

然后，第二反应气空间通过供应第二反应气而与第一吹净气空间连续地被形成。此外，第二吹净气空间通过供应大量的吹净气而与第二反应气空间连续地被形成，从而第二反应气能够通过第二吹净气空间的移动而被完全地排出。

这样，根据该实施例，在第一反应气空间、第一吹净气空间、第二反应气空间和第二吹净气空间依次在处理室内移动时，实现原子层沉积。因而，根据该实施例，反应气供应与吹净像在单个处理室内扫描基片的过程那样连贯地完成，与反应气供应和吹净相对于处理室的总内空间被间歇地实现的传统的过程相比，因而显著减少了处理室时间同时明显增加了产量。

此外，上述过程能够按照需要被反复实现多个循环。应该理解的是，在各气体供应的过程中实现排气操作。

如上所述，根据该实施例，薄膜沉积系统包括处理室和料盒，其中所述料盒布置成在处理室内形成层流状的气流，在反应气和吹净气随后被供入到处理室内时，所述处理室内的气流虚拟地被划分成多个空间，从而在各虚拟地被划分的空间以扫描的方式在处理室内移动时，在处理室内装载的多个基片上实现原子层沉积，因而减小了处理时间。

也就是说，根据该实施例的薄膜沉积系统允许连贯地实现原子层沉积，同时反应气和吹净气被依次地供入到单个处理室内，而并不是针对处理室内的每种反应气单独实现泵送或吹净操作。

另外，在根据该实施例的沉积系统内，各基片以多个排的方式布置，从而将气体供至各基片之间的空间，因而实现均匀薄膜的沉积。

此外，在根据该实施例的沉积系统中，用于打开或关闭处理室的门与料盒保持件一体形成，从而各料盒能够在打开或关闭处理室的同时被装载或卸载。

尽管已经说明了一些实施例，但是本领域技术人员应该清楚，这些实施例是示意性给出的，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以实现各种不同的改型、添加、改变和更改。因此，本发明的范围仅仅由权利要求书限定。

Claims

1.一种薄膜沉积系统，包括：

料盒，其装载多个基片，以使得各基片之间彼此隔开恒定的距离，并且相应的基片之间的距离为层流之间的距离；

处理室，其中所述处理室接收所述料盒，以使得所述料盒与所述处理室的内壁之间的距离为层流之间的距离，并且，在所述处理室内，所述各基片经受原子层沉积；

供气单元，其中所述供气单元安置在所述处理室的一个侧壁上并且将气体沿与所述基片的布置平行的方向供至在所述料盒内安置的所有基片，从而所述气体以层流状被提供至各基片的前端、各基片之间的空间、以及基片与处理室的壁之间的空间；以及

排气单元，其中所述排气单元在所述处理室内安置在与供气单元相反的侧部上，并且所述排气单元通过在所述各基片的后侧抽吸气体而将气体从所述处理室排出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供气单元包括在所述处理室的其上安置有所述供气单元的侧壁上形成的直供气凹槽，并且允许气体通过所述直供气凹槽以层流的方式从所述侧壁的一侧流至包括其另一侧的区域。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述供气单元包括：

气体扩散供气区段，其中所述气体扩散供应区段在所述处理室的与所述其上安置有所述供气单元的侧壁相邻的侧壁上形成，并且通过使得气体在侧壁的一侧的入口处均匀扩散而将气体供应至所述直供气凹槽；以及

供气端口，其设置于所述气体扩散供应区段的一个端部，并且通过所述供气端口将所述气体供应至所述气体扩散区段。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，层流之间的距离是0.5至10mm。

5.一种薄膜沉积系统，包括：

外室，在其一侧上具有开口；

处理室，其在所述外室内安置，并且在所述处理室的一侧上具有开口；

第一门，该第一门打开或关闭所述处理室的开口；

料盒保持件，其连接至所述第一门的内壁，并且在所述料盒保持件上装载至少一个料盒；

第二门，该第二门打开或关闭所述外室的开口；

连接构件，其将所述第一门连接至所述第二门；以及

移动单元，其使得所述第一门和所述料盒保持件与所述第二门一起水平地往复运动。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述连接构件包括弹性压缩构件，其朝向所述处理室弹性压缩所述第一门。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一门与所述第二门之间的距离大于所述处理室的开口与所述外室的开口之间的距离。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括位于所述外室内的加热器，以加热所述处理室。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，两个或多个处理室在所述外室内沿竖直的方向或沿水平的方向安置。

10.一种薄膜沉积方法，包括：

1)将装载有多个基片的料盒安置在处理室内，以使得各基片之间的距离和所述料盒与所述处理室之间的距离为随后将从所述处理室排出的气体的层流之间的距离；

2)将第一反应气供入所述处理室内，从而由所述第一处理气所占据的第一处理气空间在所述处理室内依次从一个场所移动至另一个场所；

3)将吹净气供入所述处理室内同时阻挡所述第一反应气，以使得第一吹净气空间与所述第一反应气空间连续地被形成，并且所述第一吹净气空间沿与所述第一反应气空间相同的方向移动；

4)将第二反应气供入所述处理室内同时阻挡所述吹净气，以使得第二反应气空间与所述第一吹净气空间连续地被形成，并且所述第二反应气空间沿与所述第一吹净气空间相同的方向移动；并且

5)将吹净气供入所述处理室内同时阻挡所述第二反应气，以使得第二吹净气空间与所述第二反应气空间连续地被形成，并且所述第二吹净气空间沿与所述第二反应气空间相同的方向移动，

其中，在所述操作1)至5)的过程中，沿与供应所述反应气和吹净气的方向相反的方向没有停止地进行排气操作，这是通过从所述处理室抽吸并排出所述气体实现的。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，完成所述操作1)至5)的循环被反复地实现。