CN103031546A - 一种原子层沉积设备及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种原子层沉积设备。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、控制部件和沉积室；所述沉积室内设有膜厚测量模块，所述膜厚测量模块与所述控制部件电连接。本发明还提供一种原子层沉积设备的使用方法。本发明通过采用沉积时间和膜层厚度测量模块，提高了原子层沉积设备的膜厚控制能力，减少设备故障，使得加工出的膜层更加接近所需厚度，有效降低膜层厚度漂移，提高了设备的利用率，且能够满足半导体加工越来越精细化的要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种原子层沉积设备及其使用方法。
背景技术
传统的原子层沉积设备工作步骤一般为：已知待加工器件需要的膜的厚度，沉积工作开始前，计算所需反应时间和通入气体的体积，打开控制阀门通入前驱体气体至预设量，关闭阀门，进行反应。反应时间到达预设量后，停止沉积，通入清理气体，对设备气路系统和沉积室进行清洗。即在设备工作过程中，沉积反应过程都是依靠预先设定的时间进行控制，而时间的设置则依赖于工作人员的经验估计。这种经验依赖于工作年限，对原子层沉积设备的使用熟练程度，对不同类型的待加工器件性能的把握以及膜层生长规律的总结，是一种比较主观的工作方式，膜层厚度难以得到有效控制，容易变厚或变薄，与实际需求产生一定偏差。现有技术中使用原子层沉积设备制备薄膜的流程如图1所示。
但是，随着半导体工艺技术的不断发展，半导体器件向微型化发展，介质层等膜厚也在不断减小，对膜层厚度的精度要求也越来越高。现有原子层沉积设备都是通过预设沉积反应时间对膜层厚度进行控制，理论上虽然可以做到对膜层厚度的精准控制，但实际生产过程中，往往由于待加工器件的受污染程度以及气相前驱体的纯度，导致膜层的均匀性不好，厚度存在一定量的漂移。因而通过设置反应时间控制膜层厚度，已不能满足现代半导体工艺对器件厚度的精细要求。仅仅依赖计算出的反应时间或工作人员对反应时间的估计，在对膜层厚度及均匀性要求极精准的场合，传统的原子层沉积设备很难达到应用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原子层沉积设备，提高了制备薄膜的膜厚控制能力，使得加工出的膜层更加接近所需厚度，有效降低膜层厚度漂移。
本发明的另一目的在于提供一种原子层沉积设备的使用方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室；所述沉积室内设有膜厚测量模块，所述膜厚测量模块与所述控制部件电连接。
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膜厚测量模块、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，用于对所述膜厚测量模块、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。
上述方案中，所述加热部件中的温控器通过RS232串口与所述数据处理模块连接。
上述方案中，所述真空部件中的压力传感器和真空计分别通过RS232和RS485串口与所述数据处理模块连接。
上述方案中，所述数据处理模块和所述真空部件中的电压电流放大模块连接，所述电压电流放大模块和继电器连接，所述继电器下端为泵组电源。
上述方案中，所述数据处理模块与所述等离子体产生部件中的射频电源连接。
上述方案中，所述数据处理模块与所述气路部件中的质量流量控制器以及各个电磁阀相连。
一种原子层沉积设备的使用方法，包括如下步骤：
（1）向控制部件的计算机输入预计沉积反应时间及需要达到膜层厚度，且在沉积室中对待加工器件做高度标记；
（2）所述计算机向控制部件中的数据处理模块发送开启命令，启动真空部件、气路部件、加热部件和等离子体产生部件，使所述原子层沉积设备工作在稳定的状态；
（3）所述原子层沉积设备在一个反应周期结束后，启动膜厚测量模块，对待加工器件的标记位置进行膜层高度测量，将得到的高度数据的平均值作为此时膜层的高度值，与需要达到的膜层厚度进行比较，判断是否需要继续进行沉积反应；
（4）若需继续进行沉积反应，则重复步骤（3）；否则，结束沉积反应；
（5）吹扫所述原子层沉积设备。
上述方案中，所述步骤（3）中将得到的高度数据的平均值作为此时膜层的高度值，与需要达到的膜层厚度进行比较，判断是否需要继续进行沉积反应，具体包括如下步骤：如果所述膜层的高度值与需要达到的膜层厚度相等，则比较设备运行时间和预计沉积反应时间，若设备运行时间和预计沉积反应时间相等则停止沉积工作，若设备运行时间和预计沉积反应时间不等则提醒操作人员继续或停止沉积；如果所述膜层的高度值与需要达到的膜层厚度不等，且设备运行时间未达到预计沉积反应时间，则继续沉积，若设备运行时间超过预计沉积反应时间，则向操作人员发送继续或停止沉积的信息。
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：
本发明通过采用沉积时间和膜层厚度测量模块，提高了原子层沉积设备的膜厚控制能力，减少设备故障，使得加工出的膜层更加接近所需厚度，有效降低膜层厚度漂移，提高了设备的利用率，且能够满足半导体加工越来越精细化的要求。
附图说明
图1为现有技术中原子层沉积设备的工作流程图；
图2为本发明实施例提供的原子层沉积设备的系统结构图；
图3为本发明实施例提供的原子层沉积设备的工作流程图。
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。
本发明实施例提供一种原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室19；沉积室19内设有膜厚测量模块，膜厚测量模块与控制部件电连接，膜厚测量模块不与待加工器件直接接触，不会对器件造成损坏，可以将器件准确对焦，不会出现人为的操作误差。膜厚测量模块在测量器件膜层厚度的同时，会对器件不同位置的膜层进行高低测量，由此可简单判断膜层的均匀性。在本发明中，加入膜厚测量模块，作为沉积时间控制膜厚的辅助手段，实时检测加工器件表面所镀膜层的厚度，与所需厚度进行比较，在设定的工作时间范围内，若达到需要厚度则提醒操作人员是否停止沉积，如果超过工作时间且膜厚未达到规定，则向操作人员发送停止或继续沉积的信息，这样可以有效杜绝重新对器件加工，避免由于工作时间已经到达但膜厚未到要求而停止加工，使得器件加工后不能满足要求。通过加入膜层厚度测量模块，能够减少器件和镀膜原料的浪费，降低原子层沉积设备的损耗，提供设备的有效使用寿命。
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分别与膜厚测量模块、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，用于对膜厚测量模块、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。
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膜厚测量模块、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膜厚测量模块、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。
如图2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。
如图3所示，本发明实施例还提供一种原子层沉积设备的使用方法，包括如下步骤：
（1）启动计算机，进入原子层沉积设备控制系统界面，设置预计沉积反应时间、需要达到的膜层厚度和设备其它工作参数，且在沉积室中对待加工器件做高度标记；
（2）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；
（3）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；
（4）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；
（5）设备加入第一种反应前驱体，待反应充分后，通入清洗气体，清洗结束后加入第二种反应前驱体进行反应，反应完毕后通入清洗气体，这样就完成一个反应周期；原子层沉积设备在一个沉积反应周期结束后，启动膜厚测量模块，对待加工器件的标记位置进行膜层高度测量，将得到的高度数据的平均值作为此时膜层的高度值，与需要达到的膜层厚度进行比较，判断是否需要继续进行沉积反应；如果所述膜层的高度值与需要达到的膜层厚度相等，则比较设备运行时间和预计沉积反应时间，若设备运行时间和预计沉积反应时间相等则停止沉积工作，若设备运行时间和预计沉积反应时间不等则提醒操作人员继续或停止沉积；如果所述膜层的高度值与需要达到的膜层厚度不等，且设备运行时间未达到预计沉积反应时间，则继续沉积，若设备运行时间超过预计沉积反应时间，则向操作人员发送继续或停止沉积的信息；同时，通过分析器件标记位置的膜层高度（如方差），可判断该膜层的均匀性，并将这个均匀性指标提供给操作人员；
（6）在每一次沉积反应周期结束后，都进行上述步骤（5）的工作，直至沉积工作完成；
（7）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。
（8）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精确控制待加工器件的膜层厚度，并具有均匀性分析功能，能够有效避免由于膜层厚度不满足要求而造成的重新加工，提高原子层沉积设备的利用率并降低损耗，较好的满足现代半导体器件的精细化要求。
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 (9)
1.一种原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室，其特征在于：所述沉积室内设有膜厚测量模块，所述膜厚测量模块与所述控制部件电连接。
2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，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膜厚测量模块、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，用于对所述膜厚测量模块、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。
3.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述加热部件中的温控器通过RS232串口与所述数据处理模块连接。
4.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述真空部件中的压力传感器和真空计分别通过RS232和RS485串口与所述数据处理模块连接。
5.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述数据处理模块和所述真空部件中的电压电流放大模块连接，所述电压电流放大模块和继电器连接，所述继电器下端为泵组电源。
6.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述数据处理模块与所述等离子体产生部件中的射频电源连接。
7.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述数据处理模块与所述气路部件中的质量流量控制器以及各个电磁阀相连。
8.一种原子层沉积设备的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）向控制部件的计算机输入预计沉积反应时间及需要达到膜层厚度，且在沉积室中对待加工器件做高度标记；
（2）所述计算机向控制部件中的数据处理模块发送开启命令，启动真空部件、气路部件、加热部件和等离子体产生部件，使所述原子层沉积设备工作在稳定的状态；
（3）所述原子层沉积设备在一个反应周期结束后，启动膜厚测量模块，对待加工器件的标记位置进行膜层高度测量，将得到的高度数据的平均值作为此时膜层的高度值，与需要达到的膜层厚度进行比较，判断是否需要继续进行沉积反应；
（4）若需继续进行沉积反应，则重复步骤（3）；否则，结束沉积反应；
（5）吹扫所述原子层沉积设备。
9.如权利要求8所述的原子层沉积设备的使用方法，其特征在于，所述步骤（3）中将得到的高度数据的平均值作为此时膜层的高度值，与需要达到的膜层厚度进行比较，判断是否需要继续进行沉积反应，具体包括如下步骤：如果所述膜层的高度值与需要达到的膜层厚度相等，则比较设备运行时间和预计沉积反应时间，若设备运行时间和预计沉积反应时间相等则停止沉积工作，若设备运行时间和预计沉积反应时间不等则提醒操作人员继续或停止沉积；如果所述膜层的高度值与需要达到的膜层厚度不等，且设备运行时间未达到预计沉积反应时间，则继续沉积，若设备运行时间超过预计沉积反应时间，则向操作人员发送继续或停止沉积的信息。
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