CN103046030B - 基于压力测量模块的原子层沉积设备的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种基于压力测量模块的原子层沉积设备。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、控制部件和沉积室；沉积室内设有压力测量模块，压力测量模块与控制部件电连接。本发明还提供一种基于压力测量模块的原子层沉积设备的使用方法。本发明通过采用压力测量模块可使气体流量和化学试剂利用率得到极好的平衡，减少化学试剂的浪费以及后期尾气可能造成的污染；同时通过对清理气体流量的调节，可有效的降低清除气体停留时间和化学试剂的去除时间，进而降低沉积反应周期时间，在短时间内加工出所需厚度的膜层。

Description

基于压力测量模块的原子层沉积设备的使用方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种基于压力测量模块的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，工作人员根据时间和加热的温度，计算一个沉积周期所需的化学试剂的流量，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，沉积反应过程中所需的化学试剂量都是依靠预先设定的时间和温度进行控制，而沉积反应的工作时间往往是由工作人员设定，取决于操作人员的工作经验，如图1所示。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和总结，是一种比较主观的工作方式，因而气体流量较难以得到有效控制，对清理气体的停留时间和化学试剂的去除时间都有直接的影响，也可能导致膜层的生长与实际需求产生偏差。这种时间控制方法被普遍使用于沉积工作中，虽然依然能够满足一些器件加工的需求，但随着半导体行业越来越精确的要求，以及后期尾气的处理难度，使得对沉积反应周期时间以及化学试剂的利用率都有极高的要求。

为了在任何给定的反应温度下均能使原子层沉积设备反应达到自行终止所需用的时间最小化，进入沉积室的化学试剂的流量必须达到最大化，因而需要在惰性气体的稀释作用最小和高的压力的条件下将分子前体导入沉积室。短的沉积周期时间则要求这些分子前体必须快速从沉积室中去除，即要求沉积室中的气体停留时间最小化。气体停留时间 与沉积室容积和反应室中的压力成正比，与流量成反比，即。从该公式可以看出，降低压力有利于降低气体停留时间以及增大化学试剂前体的清理速度。使沉积室反应时间最小化要求通过反应室的流量最大化，气体停留时间和化学试剂的利用效率与流量成反比。因此，虽然降低流量可增大化学试剂的利用率，但又会增大气体停留时间，进而增大沉积反应周期时间。

在缩短反应时间和提高化学试剂利用率以及清理气体停留时间和化学试剂去除时间最小化这两方面的折中平衡问题，传统的原子层沉积设备无法很好解决。因而能够实现短的反应时间和良好的化学试剂利用率，且能够使清理气体停留时间和化学试剂去除时间最小化，是现在原子层沉积设备发展的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压力测量模块的原子层沉积设备，提高了原子层沉积设备的化学试剂的利用率，减少清理气体停留时间和化学试剂的去除时间，进而降低沉积反应周期时间。

本发明的另一目的在于提供一种基于压力测量模块的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：

一种基于压力测量模块的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室；所述沉积室内设有压力测量模块，所述压力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压力测量模块、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，用于对所述压力测量模块、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。

一种基于压力测量模块的原子层沉积设备的使用方法，包括如下步骤：

（1）启动计算机，设置预计沉积反应时间和设备工作参数；

（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进入沉积状态，在沉积周期的各个阶段开始前压力测量模块对沉积室内部进行压力测量，并将压力值通过所述数据处理模块反馈给所述计算机，所述计算机通过判断准则控制源瓶的气体流量输出。

（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）中所述计算机通过判断准则控制源瓶的气体流量输出，具体为：若所述压力测量模块测得的压力值较大，则所述计算机控制源瓶以小流量输出气体；若测得的压力值适中，则所述计算机控制源瓶以大流量输出气体；若测得的压力值较小，则所述计算机控制源瓶以中等流量输出气体。

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：

本发明通过采用压力测量模块可使气体流量和化学试剂利用率得到极好的平衡，减少化学试剂的浪费以及后期尾气可能造成的污染；同时通过对清理气体流量的调节，可有效的降低清除气体停留时间和化学试剂的去除时间，进而降低沉积反应周期时间，在短时间内加工出所需厚度的膜层。

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基于压力测量模块的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室15；沉积室15内设有压力测量模块，压力测量模块与控制部件电连接，压力测量模块不与待加工器件直接接触，不会对器件造成损坏。压力测量模块用于对沉积室中的压力进行直接、实时的测量，目的是提高化学试剂的利用率的同时能够使反应时间保持最低值，以及清理气体停留时间和化学试剂去除时间能够达到相对较低，进而提高沉积反应周期的速度，降低化学试剂的使用量，使产品品质和生产效率都得到提高。

控制部件包括计算机21和数据处理模块22，计算机21与数据处理模块22连接，数据处理模块22分别与压力测量模块、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21，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22，用于对压力测量模块、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21作为原子层沉积设备中的控制中枢，对原子层沉积设备的压力测量模块、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22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压力测量模块、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21和数据处理模块22连接，计算机21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22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22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20通过RS232串口与数据处理模块22连接，真空部件中的压力传感器和真空计23分别通过RS232和RS485串口与数据处理模块22连接，数据处理模块22作为射频电源12、质量流量控制器1、质量流量控制器19、电压电流放大模块25和数据处理模块22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22和电压电流放大模块25连接，电压电流放大模块25和继电器24连接，继电器24下端为泵组电源18。数据处理模块22和气路部件中的电磁阀2至电磁阀7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21，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和设备其它工作参数；

（2）计算机21通过数据处理模块22发送开启命令，电源电流放大模块25输出高电压，控制继电器24的接通，进而开启控制泵组电源18，启动机械泵17和分子泵16；数据处理模块22和气路部件中的电磁阀2至电磁阀7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和电磁阀7的控制分别是为了调节气路部件中的源瓶8和源瓶9的通断；数据处理模块22将计算机21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10和手动阀门11，对沉积室15和管路进行抽气，抽本底真空（约到5×10^-4torr）；数据处理模块22对温控器20、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21，计算机21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21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19、电磁阀2、电磁阀3，气体26、气体27将进入气路，对气路部件进行充气，计算机21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21将参数加入控制命令中，发送到数据处理模块22，数据处理模块22作为信息通道，将计算机21的指令发送到射频电源12的接收部件中，控制射频电源12的开启以及对输出功率的设定，同时，射频电源匹配器13保证射频电源12为等离子体产生系统14提供稳定的功率。射频电源12的输出功率作为数据处理模块22的接收量反馈给计算机21，计算机21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14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）完成上述设备启动工作后，进入沉积状态，具体工作过程如下：

一次沉积反应周期一般包括四个阶段：第一化学反应气体反应、第一清理气体清理、第二化学反应气体反应和第二清理气体清理，在每个阶段开始之前，压力测量模块对沉积室15内的压力进行测量，实时的将测得的压力值通过数据处理模块22反馈给计算机21，计算机21对当前压力值进行分析，控制源瓶的气体流量输出；以第一化学反应气体反应阶段为例，如果压力值较大，则控制第一反应气体源瓶以小流量输出气体，如果压力值适中，则控制源瓶以大流量输出气体，如果压力值较小，则控制源瓶以中等流量输出气体；

若压力测量模块测得的压力值过大，则控制源瓶输入小流量的第一种反应前驱体，这样虽然增加了气体停留时间，但提高了试剂的利用率；待反应充分后，测量当前沉积室的压力，并将值反馈给计算机，计算机对该值分析后，通入适量的清洗气体，清洗结束后，同样对沉积室进行压力测量，根据压力值判断加入第二种反应前驱体的流量，待第二反应前驱体气体反应完毕后，进行相同的压力测量步骤，通入合适的清洗气体，这样就完成一个反应周期；

（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21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6和电磁阀7，开启源瓶8和源瓶9，对沉积室15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提高化学试剂的利用率，减少试剂浪费和尾气污染，并能合理权衡利用率和气体停留时间以及清理气体停留时间和化学试剂去除时间之间的问题，缩短了沉积反应的总时间，降低设备器件的磨损，提高设备的使用寿命。

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 (1)

1.一种基于压力测量模块的原子层沉积设备的使用方法，其中，所述设备包括真空部件、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：所述沉积室内设有压力测量模块，所述压力测量模块与所述控制部件电连接；

其中，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压力测量模块、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，用于对所述压力测量模块、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；

其中，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；

所述使用方法包括如下步骤：

(1)启动计算机，设置预计沉积反应时间和设备工作参数；

(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进入沉积状态，在沉积周期的各个阶段开始前压力测量模块对沉积室内部进行压力测量，并将压力值通过所述数据处理模块反馈给所述计算机，所述计算机通过判断准则控制源瓶的气体流量输出；

(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；

其中，所述步骤(3)中所述计算机通过判断准则控制源瓶的气体流量输出，具体为：若所述压力测量模块测得的压力值较大，则所述计算机控制源瓶以小流量输出气体；若测得的压力值适中，则所述计算机控制源瓶以大流量输出气体；若测得的压力值较小，则所述计算机控制源瓶以中等流量输出气体。