CN103031545A - 一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体工艺设备，尤其是涉及一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备。所述原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和容积可调节的沉积室；控制部件分别与真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件相连接，真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件分别与容积可调节的沉积室相连接。本发明可提供不同容积的沉积室，能够较好的适应不同体积的待加工器件，沉积室和待加工器件合理的体积比，可以有效的降低沉积反应周期时间，减少劣质膜的生长，降低膜层的颗粒度，提供沉积质量，满足半导体器件到膜层精度的要求。

Description

一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备

技术领域

 本发明涉及一种半导体工艺设备，尤其是涉及一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备。

背景技术

传统的原子层沉积设备只包括一个沉积腔室，如图1所示。在使用原子层沉积设备时，不同体积的器件都是在这个容积固定的腔室中进行沉积反应。对于每个原子层沉积周期来说，原子层沉积处理可沉积出厚度为大约0.1nm的膜，对于绝大部分的半导体应用场合来说，可用的和经济上可行的周期时间必须要能提供厚度介于大约3nm-30nm的膜，并且对于其他应用场合来说甚至要能提供更厚的膜。工业产量标准规定基板应在2分钟至3分钟的时间范围内处理完，这就意味着原子层沉积周期时间必须在大约0.6秒至6秒的时间范围内。如果待加工器件的体积相对沉积腔室过小的话，则会导致腔室暴露给化学试剂的区域增大，膜的生长发生在接触化学试剂的反应室壁和基板上，而膜在腔室壁上的生长倾向性与反应室壁的表面积成正比，劣质多孔膜沉积物的生长会引起腔室壁表面积增大，表面积的增大又会进一步延长沉积室的记忆效应。记忆效应是由于化学试剂吸附在沉积室壁上并且会在随后的一段时间内逐渐从腔室壁上释放，这种现象往往会增加沉积室中的痕量化学试剂的停留时间，进而增大去除化学试剂所需的清理时间。而如果待加工器件的体积相对沉积腔室过大的话，则会对工艺过程产生影响，增加沉积时间，不能或很难满足工业产量标准。

因此，在化学试剂清理时间和沉积反应时间之间，需要做出权衡，以达到最小沉积周期时间，合适的反应腔室体积成为较恰当的选择。然而现有沉积腔室的体积都是固定的，很难适应多种不同体积的待加工器件，具有更强适应性的沉积腔室的原子层沉积设备成为新的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原子层沉积设备，该设备具有容积可变的沉积腔室，能够针对不同体积的器件选择容积相对合适的沉积室。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和容积可调节的沉积室；所述控制部件分别与所述真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件相连接，所述真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件分别与所述容积可调节的沉积室相连接。

上述方案中，所述容积可调节的沉积室包括容积不同的第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室；所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室之间通过密封提升头连接，所述各个沉积室均设有独立的基板保持器和加热器。

上述方案中，当选择所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室其中一个沉积室进行沉积反应时，关闭相应的所述密封提升头，使被选择的沉积室处于密闭状态，另外两个腔室则作为气路系统的一部分；当通入化学试剂和清理气体时，所述密封提升头全部打开，使所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室形成通路。

上述方案中，所述第一沉积室的容积为所述第二沉积室的0.6倍，所述第三沉积室的容积为所述第二沉积室的1.5倍。

上述方案中，所述容积可调节的沉积室包括基板保持器、加热器和可移动的腔壁，所述可移动的腔壁包括第一预定位置、第二预定位置和第三预定位置；所述可移动的腔壁移动至所述第一预定位置时，形成第一沉积室；所述可移动的腔壁移动至所述第二预定位置时，形成第二沉积室；所述可移动的腔壁移动至所述第三预定位置时，形成第三沉积室；所述各个沉积室共用所述基板保持器和所述加热器。

上述方案中，所述第一沉积室的容积为所述第二沉积室的0.6倍，所述第三沉积室的容积为所述第二沉积室的1.5倍。

上述方案中，所述控制部件包括计算机和数据处理模块；所述计算机与所述数据处理模块连接，所述数据处理模块分别与所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件连接；

其中，所述计算机，用于显示系统操作界面、接收外部命令、显示系统各部件运行中的参数，向数据处理模块发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析；所述数据处理模块，用于对所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件发送的数据进行处理。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明可提供不同容积的沉积反应室，能够较好的适应不同体积的待加工器件，反应腔室和待加工器件合理的体积比，可以有效的降低沉积反应周期时间，减少劣质膜的生长，降低膜层的颗粒度，提供沉积质量，满足半导体器件到膜层精度的要求。

附图说明

图1为现有技术中原子层沉积设备的原理框图；

图2为本发明实施例1提供的原子层沉积设备的原理框图；

图3为本发明实施例2提供的原子层沉积设备的原理框图

图4为本发明实施例2中容积可调节的沉积室的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的原子层沉积设备的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和容积可调节的沉积室。控制部件分别与真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件相连接，真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件分别与容积可调节的沉积室相连接。

如图2所示，容积可调节的沉积室包括容积不同的第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室；第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室之间通过封闭性能良好的密封提升头连接，各个沉积室均设有独立的基板保持器和加热器。第二沉积室的容积为常用尺寸，第一沉积室的容积为第二沉积室的0.6倍，第三沉积室的容积为所述第二沉积室的1.5倍，这种比例已经能满足绝大多数客户需求。当选择所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室其中一个沉积室进行沉积反应时，关闭相应的所述密封提升头，使被选择的沉积室处于密闭状态，另外两个腔室则作为气路系统的一部分；当通入化学试剂和清理气体时，所述密封提升头全部打开，使所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室形成通路。

实施例2：

本实施例提供一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和容积可调节的沉积室。控制部件分别与真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件相连接，真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件分别与容积可调节的沉积室相连接。

如图3和图4所示，容积可调节的沉积室包括基板保持器1、加热器和可移动的腔壁2，可移动的腔壁包括第一预定位置101、第二预定位置102和第三预定位置103；可移动的腔壁移动至第一预定位置101时，形成第一沉积室；可移动的腔壁移动至第二预定位置102时，形成第二沉积室；可移动的腔壁移动至第三预定位置103时，形成第三沉积室；各个沉积室共用基板保持器1和所述加热器。第二沉积室的容积为常用尺寸，第一沉积室的容积为第二沉积室的0.6倍，第三沉积室的容积为所述第二沉积室的1.5倍，这种比例已经能满足绝大多数客户需求。当选择某个沉积室时，沉积室的腔壁2可移动到预定的位置，形成固定的沉积室。

上述两个实施例中的控制部件包括计算机25和数据处理模块26，计算机25与数据处理模块26连接，数据处理模块26分别与真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件连接。其中，计算机25，用于显示系统操作界面、接收外部命令、显示系统各部件运行中的参数，向数据处理模块发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析；数据处理模块26，用于对真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件发送的数据进行处理。

本发明在计算机25的基础上，加入了数据处理模块26，用于实时快速处理数据，目的是缓解计算机的运算压力，提高设备运行速度。

计算机25作为原子层沉积设备中的控制中枢，对原子层沉积设备的真空部件、加热部件、气路部件 、等离子体产生部件进行控制操作，控制设备各个部件之间的信息交流，是整个设备的调度中心，负责设备中涉及的数据处理的主要部分，完成设备中指令分析和发送、接收和处理其它部件的请求，实现控制功能，保证设备良好运行。

数据处理模块26作为原子层沉积设备中的辅助数据处理中心，负责对原子层设备的真空部件、加热部件、气路部件 、等离子体产生部件发送的数据进行处理，数据处理模块中固化了具体的数据处理程序，通过分析各个部件的请求，启用相应的处理程序，实时快速的返回处理结果。在此之前，需要做的工作是对原子层沉积设备中全部涉及数据处理的任务进行详细分析，将只需要计算结果以及可以延时处理的数据处理类型分配给数据处理模块，其它的任务则全部需要通过计算机完成。数据处理模块除了进行数据处理外，还可作为原子层设备的真空部件、加热部件、气路部件 、等离子体产生部件和计算机之间交流的通道，数据处理模块可以将这四个部件中不涉及数据处理的请求直接传送给计算机，计算机作为响应，将响应结果通过数据处理模块发送给其它部件。数据处理模块具有强大的数据处理功能，分担了计算机发送、接收指令和数据和对指令、数据进行分析处理的计算压力，承担很大一部分原子层设备运行过程中的处理数据的操作，使计算机可以专注于协调和控制真空部件、加热部件、气路部件 、等离子体产生部件之间的运行，让原子层沉积设备稳定快速的工作，满足薄膜（或薄层）的沉积生长所要求的处理速度。

如图5所示，本发明中计算机25和数据处理模块26连接，计算机25用于显示系统操作界面、接收外部命令、显示系统各部件运行中的参数，向数据处理模块26发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块26接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析，协调和控制整个原子层沉积设备运行在正常工作状态。加热部件中的温控器24通过RS232串口与数据处理模块26连接，真空部件中的压力传感器和真空计27分别通过RS232和RS485串口与数据处理模块26连接，数据处理模块26作为射频电源16、质量流量控制器1、质量流量控制器23、电压电流放大模块29和数据处理模块26的数据信息交流处理通道，使得整个控制部件结构清晰，便于生产。数据处理模块26和电压电流放大模块29连接，电压电流放大模块29和继电器28连接，继电器28下端为泵组电源22。数据处理模块26和气路部件中的电磁阀2至电磁阀9相连。

使用本发明时，先启动计算机25，根据待加工器件的尺寸，操作人员设置参数以使用体积合适的反应腔室进行沉积，参数设置完毕后，设备将完成如下操作：

（1）计算机25通过数据处理模块26发送开启命令，电源电流放大模块29输出高电压，控制继电器28的接通，进而开启控制泵组电源22，启动机械泵21和分子泵20。数据处理模块26和气路部件中的电磁阀2至电磁阀9相连，对电磁阀2至电磁阀5的控制是为了调节气路通断，对电磁阀6至电磁阀9的控制分别是为了调节气路部件中的源瓶10至源瓶13的通断。数据处理模块26将计算机25的指令、数据传送到质量流量控制器和电磁阀中，打开手动阀门14和手动阀门15，对沉积室19和管路进行抽气，抽本底真空（约到5×10-4torr）；数据处理模块26对温控器24、热电偶提供的温度信息进行分析处理，将结果返回给计算机25，计算机25监控加热盘、源瓶、管路、腔壁的温度，决定各个待加热部件继续加热或停止加热，使它们工作在设置的温度状态，完成对气路部件、加热部件的控制。

（2）通过计算机25设置流量计大小，并保存该值，打开质量流量控制器1、质量流量控制器23、电磁阀2、电磁阀3，气体30、气体31将进入气路，对气路部件进行充气，计算机25对系统压强实时监控，当系统达到所需工作压强时，关闭上述质量流量控制器和电磁阀，停止充气。

（3）设置沉积工作所需要的参数，计算机25将参数加入控制命令中，发送到数据处理模块26，数据处理模块26作为信息通道，将计算机25的指令发送到射频电源16的接收部件中，控制射频电源16的开启以及对输出功率的设定，同时，射频电源匹配器17保证射频电源16为等离子体产生系统18提供稳定的功率。射频电源16的输出功率作为数据处理模块26的接收量反馈给计算机25，计算机25对该功率进行分析，以使等离子体产生部件中的等离子体产生系统18工作在稳定的状态，从而完成对等离子体产生部件的控制并进行沉积。

（4）沉积结束后，计算机25控制整个设备空运行n个周期，对原子层沉积设备进行吹扫净化，发送指令，打开电磁阀5至电磁阀9，开启源瓶10至源瓶13，对沉积室19进行净化。

（5）吹扫结束后，关闭程序，完成原子层沉积的全部工作。

本发明在进行原子层沉积时，可确保原子层沉积设备在规定时间内完成沉积反应，并具有较强的适应性，可根据器件尺寸的不同，由操作人员选择合适的反应腔室体积，较之传统的单一沉积室固定的体积，具有更多的可选择范围，能够有效降低沉积反应周期时间，减少记忆效应和气体清理时间，减少膜层颗粒度，提供产品质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种沉积室容积可调节的原子层沉积设备，其特征在于：包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和容积可调节的沉积室；所述控制部件分别与所述真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件相连接，所述述真空部件、加热部件、气路部件和等离子体产生部件分别与所述容积可调节的沉积室相连接。

2.如权利要求1所述的沉积室容积可调节的原子层沉积设备，其特征在于：所述容积可调节的沉积室包括容积不同的第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室；所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室之间通过密封提升头连接，所述各个沉积室均设有独立的基板保持器和加热器。

3.如权利要求2所述的沉积室容积可调节的原子层沉积设备，其特征在于：当选择所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室其中一个沉积室进行沉积反应时，关闭相应的所述密封提升头，使被选择的沉积室处于密闭状态，另外两个腔室则作为气路系统的一部分；当通入化学试剂和清理气体时，所述密封提升头全部打开，使所述第一沉积室、第二沉积室和第三沉积室形成通路。

4.如权利要求2所述的沉积室容积可调节的原子层沉积设备，其特征在于：所述第一沉积室的容积为所述第二沉积室的0.6倍，所述第三沉积室的容积为所述第二沉积室的1.5倍。

5.如权利要求1所述的沉积室容积可调节的原子层沉积设备，其特征在于：所述容积可调节的沉积室包括基板保持器、加热器和可移动的腔壁，所述可移动的腔壁包括第一预定位置、第二预定位置和第三预定位置；所述可移动的腔壁移动至第一预定位置时，形成第一沉积室；所述可移动的腔壁移动至第二预定位置时，形成第二沉积室；所述可移动的腔壁移动至第三预定位置时，形成第三沉积室；所述各个沉积室共用所述基板保持器和所述加热器。

6.如权利要求5所述的沉积室容积可调节的原子层沉积设备，其特征在于：所述第一沉积室的容积为所述第二沉积室的0.6倍，所述第三沉积室的容积为所述第二沉积室的1.5倍。

7.如权利要求1所述的沉积室容积可调节的原子层沉积设备，其特征在于：所述控制部件包括计算机和数据处理模块；所述计算机与所述数据处理模块连接，所述数据处理模块分别与所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件连接；

其中，所述计算机，用于显示系统操作界面、接收外部命令、显示系统各部件运行中的参数，向数据处理模块发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析；所述数据处理模块，用于对所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件发送的数据进行处理。

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