CN103074603A - 薄膜沉积系统及薄膜沉积方法 - Google Patents

薄膜沉积系统及薄膜沉积方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种薄膜沉积系统及薄膜沉积方法，薄膜沉积系统，可用以在一个或多个基板上形成一层或多层的材料层，该薄膜沉积系统包括有一真空室及位于真空室的喷气单元。真空室的腔壁上设置有一腔门，并可在真空状态下对真空室的一个或多个基板进行装载及卸载。连接喷气单元的驱动装置可驱动喷气单元在真空状态下于第一位置及第二位置之间位移。当喷气单元位于第一位置时，可经由腔门进行一个或多个基板的装载及卸载，而当喷气单元位于第二位置时，喷气单元将会限制真空室的腔门的进出。

Description

薄膜沉积系统及薄膜沉积方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜沉积系统，特别涉及一种使用真空室在基板上沉积薄膜的系统。
背景技术
薄膜沉积被广泛的使用在各种物体的表面处理，例如珠宝、餐具、工具、模具及/或半导体元件。在金属、合金、陶瓷及/或半导体的表面形成同种或异种合成物的薄膜，将可提升及改善其特性，例如可改善耐磨性、耐热性及/或耐腐蚀性。一般而言，薄膜沉积的方法可至少被区分成两个技术领域，即物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)及化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，CVD)。
视沉积的技术及工艺参数而定，薄膜沉积物可具有晶态结构、多晶结构或非晶态结构。晶态结构及/或多晶结构的薄膜通常会形成如磊晶层般的构造，并成为半导体或积体电路工艺中的重要构造。例如磊晶层可为半导体层并于制作的过程中进行掺杂，而在(真空)状态下形成掺杂物，以避免氧或碳的杂质造成的污染。
有机金属化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)为化学气相沉积工艺的一种形态。对有机金属化学气相沉积而言，会使用一种或多种输送气体将一种或多种气相的试剂(reagents)及/或前导物(precursors)输送至反应室(如真空室)，其中反应室内设置有一个或多个基板(如半导体基板或晶圆)。高周波感应(radio-frequency induction)或电阻加热单元可用以对基板的背面进行加热，以提高基板的温度。在升高后的温度下，可发生一种或多种化学反应，并使得试剂(reagents)及/或前导物(precursors)(例如，其为气态)转变成一个或多个固体的生成物，并沉积在基板的表面。
在特定的工艺中，由有机金属化学气相沉积所形成的磊晶层可用来制作发光二极管(LED)，其中由有机金属化学气相沉积所制作的发光二极管的品质，有可能会受到各种不同的因素影响，例如：反应室内部流体的稳定性或一致性、通过基板表面的流体的一致性及/或温度的控制等，但不限于上述因素。上述因素的变动将可能对由有机金属化学气相沉积所形成的磊晶层及发光二极管的品质造成不利的影响。
为此，实有必要建构一套系统或方法来改善有机金属化学气相沉积形成磊晶层的技术，特别是必须改善磊晶层的沉积过程中，真空室内及通过基板表面的流体的一致性及稳定度。
发明内容
本发明的一目的，在于提供一种沉积系统，包括有一真空室及一喷气单元，其中喷气单元位于真空室内，且沉积系统可用以在一个或多个基板上形成一层或多层的材料层。真空室的腔壁上设置有一腔门，可在真空状态下经由腔门进行真空室内的一个或多个基板的装载及卸载。驱动装置连接于喷气单元，并可使喷气单元于真空状态下于第一位置与第二位置之间移动。当喷气单元位于第一位置时，腔门可用以进行一个或多个基板的装载及卸载。当喷气单元位于第二位置时，喷气单元限制真空室的腔门的进出。
本发明的另一目的，在于提供一种薄膜沉积系统，在一个或多个基板上形成材料层的过程中，喷气单元位于第二位置，并以喷气单元隔绝真空室及腔门，使得腔门位于真空室的反应区外，则在一个或多个基板上形成材料层的过程中，喷气单元将可在真空室内形成稳定的流场。
本发明的另一目的，在于提供一种沉积系统，其中一抬升单元连接于至少一基板承载单元，且位于真空室内的基板承载单元承载一个或多个基板。抬升单元可使基板承载单元在一较高位置及一较低位置之间移动。当基板承载单元位于较高位置时，可经由腔门进行装载及卸载。当基板承载单元位于较低位置时，则可在一个或多个基板上形成材料层。
本发明的另一目的，在于提供一种沉积系统，其中真空室内的主承载盘可用以承载一个或多个基板，而连接主承载盘的抬升单元，则可用以使主承载盘在一较高位置及一较低位置之间移动。当主承载盘位于较高位置时，可经由腔门进行装载及卸载。当主承载盘位于较低位置时，则可在一个或多个基板上形成材料层。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图；
图2为本发明沉积系统的一实施例中，喷气单元位于装载/卸载位置的部分构造的剖视示意图；
图3为本发明沉积系统的另一实施例的部分构造的剖视示意图；
图4为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/降低基板承载单元，且喷气单元位于沉积位置；
图5为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/降低基板承载单元，且喷气单元位于装载/卸载位置；
图6为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/降低基板承载单元，且喷气单元与基板承载单元是位于装载/卸载位置；
图7为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/降低基板承载单元，且基板承载座从该沉积系统移出；
图8为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/调降主承载盘，且喷气单元位于沉积位置；
图9为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/调降主承载盘，且喷气单元位于装载/卸载位置；
图10为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/调降主承载盘，且喷气单元与主承载盘位于装载/卸载位置；及
图11为本发明沉积系统的一实施例的部分构造的剖视示意图，其中该沉积系统具有一抬升装置，用以抬升/调降主承载盘，且主承载盘被一出该沉积系统。
通过
其中，附图标记
100   沉积系统
100’ 沉积系统
102   腔壁
104   喷气单元
106   腔门
106’ 现有腔门
108   反应区
110   驱动装置
112   伸缩管
112A  伸缩管
112B  伸缩管
114   空间
116   空间
118   空间
120   基板承载单元
122   主承载盘
124   主承载盘驱动装置
126   转动壳体
128   承载单元齿轮
130   加热器
132   抬升装置
134   支撑单元
136   伸缩管
138   抬升装置
140   支撑单元
142   伸缩管
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
在本发明中所述的连接指的是一个或多个物体或构件之间的直接连接或者是间接连接，例如可在一个或多个物体或构件之间存在有一个或多个中间连接物。
图1表示本发明的实施例中沉积系统的部分剖视示意图。如图所示，本发明所述的沉积系统100主要用以在一个或多个基板上沉积形成薄膜。在一特定的实施例中，沉积系统100包括或可为一真空室，并用以在一个或多个基板上沉积形成薄膜。在本发明一实施例中，沉积系统100为一化学沉积系统(CVD)(例如该沉积系统包括有一化学气相沉积室)。在一特定的实施例中，沉积系统100包括有一腔壁102、一喷气单元104及一腔门106，其中喷气单元104可包括有进气口及/或排气口，并可将沉积气体导入及/或导出沉积系统100，例如沉积气体可为气相的试剂(reagents)及/或前导物(precursors)。在部分实施例中，喷气单元104则包括有激发装置(excitation device)，并可通过电力激发沉积系统100内的气体，例如激发装置可为射频或微波激发装置。
在一特定的实施例中，腔门106位于部分的腔壁102上，并成为腔壁102上的出入口，而容许自沉积系统100(例如真空室)的外部进出沉积系统100的内部。例如腔门106可成为穿透腔壁102的通道而容许自沉积系统100装载及卸载基板。在一特定的实施例中，腔门106可在真空的状态下进行基板的装载或卸载，例如腔门106可通过真空气密的方式连接至另一真空室，例如装载室(基板装载室)。藉此，基板可经由腔门106进入或移出沉积系统100(装载/卸载)，且不会破坏沉积系统100(如真空室)内的真空状态。
在一特定的实施例中，当喷气单元104位于适当位置(例如图1所示的喷气单元104的位置)而对沉积系统100内的基板沉积(形成)薄膜时，位于腔壁102上的腔门106是与反应区108隔离的。如图1所示，位于沉积位置的喷气单元104用以限制腔门106的进出，并将腔门106自沉积系统100的内部隔离开。在进行沉积的过程中，由于腔门106是远离反应区108并由喷气单元104所阻隔，因此腔门106及其不规则的几何形状(如不平坦的表面)不会影响沉积工艺的进行。因此，由于反应区108周围的喷气单元104及腔壁102形成一相对平滑的表面轮廓，因而有利于反应区108内的气体或流体形成一相对稳定及均匀的流场，如图1所示。若腔门(106’)位于现有构造的腔门位置(如图1所示的的腔门106’位置)，可能无法形成上述的稳定及均匀的流场。对流体而言腔门106’的设置将会在反应区108内部造成不平坦的表面，而在沉积的过程中于反应区内造成流体的扰动。
在一特定的实施例中，驱动装置110连接喷气单元104，并可以使喷气单元104在图1所示的沉积位置及图2所示的装载/卸载位置之间移动。例如驱动装置110可驱动喷气单元104在沉积位置及装载/卸载位置之间上升及下降。如图2所示，当喷气单元104移动至装载/卸载位置时，可经由腔门106进出沉积系统100。例如，可使用机器人手臂或其它机械装置，经由腔门106进出沉积系统100以进行基板的装载或卸载。
在一特定的实施例中，驱动装置110包括有一个或多个伸缩管(波纹管/软管)112。例如伸缩管112可为一真空伸缩管或一焊接型伸缩管，例如由VACOM(Jena，Germany)所取得伸缩管。如图1所示，在部分实施例中波纹管112包括有一第一端点及一第二端点，其中第一端点连接部分的腔壁102，第二端点则连接喷气单元104的上表面，例如可通过焊接的方式连接。伸缩管112可以密封的方式设置在腔壁102与喷气单元104之间，以维持沉积系统100内的真空状态(例如在伸缩管与腔壁之间的空间114维持真空状态)，腔壁而伸缩管116内则是处在大气状态。伸缩管112使喷气单元104于真空状态下可在沉积位置及装载/卸载位置之间上下移动(例如喷气单元在上升或下降的过程中，不会破坏沉积系统100内的真空状态。
在部分的实施例中，伸缩管112内的空间116可作为喷气单元104的出口及入口管线。在部分实施例中，可利用伸缩管112内的空间116进行喷气单元104的电子或机械的连接，例如通过上述的电子或机械的连接，将可驱动喷气单元104上升或下降。例如，连接喷气单元104的轴或其他装置可设置空间116内，并用以驱动喷气单元104上升或下降。在部分实施例中，驱动装置110也可包括有多个连接喷气单元104的伸缩管112，以协助喷气单元104进行上升或下降。例如图3所示的沉积系统100’包括有两个伸缩管112A/112B。
当喷气单元104上升至装载/卸载位置时，如图2所示，喷气单元104下方的空间118可容许基板承载单元120及/或主承载盘122从沉积系统100进入该空间以进行装载/卸载。抬升装置132可用来抬升基板承载单元120及/或主承载盘122，而使其进入喷气单元104下方的空间118(也可降低基板承载单元120及/或主承载盘122而使其离开空间118)。图4至图7表示沉积系统100的一实施例的剖视示意图，其中沉积系统100包括有抬升装置132，可用以升高或降低基板承载单元120。图8至图11则表示沉积系统100的一实施例的剖视示意图，其中沉积系统100包括有抬升装置138，可用以升高或调降主承载盘122。
图4表示沉积系统的喷气单元104位于沉积位置(可限制进出腔门106)。主承载盘122上的基板承载单元120可放置有一个或多个基板，在沉积的过程中主承载盘122将会在沉积系统100内进行转动，例如主承载盘驱动装置124及/或转动壳体126可驱动主承载盘122以其中央轴心进行转动。在部分实施例中转动壳体126支撑主承载盘122。
在一特定实施例中，承载单元齿轮128可支持基板承载单元120。承载单元齿轮128与中心齿轮相啮合，当承载单元齿轮128及基板承载单元120在主承载盘122上并以主承载盘122的轴心为中心进行转动时，中心齿轮将会带动承载单元齿轮128及基板承载单元120以承载单元齿轮128的轴心为中心进行转动。美国专利案的申请案号13/162,431揭露了基板承载单元120、主承载盘122、转动壳体126、承载单元齿轮128及中心齿轮之间相互作用的实施例，并可与本发明所载的内容相结合。在部分实施例中，基板承载单元120及承载单元齿轮128的下方可设置加热器130，可在沉积过程中对基板进行加热。
在一特定的实施例中，基板承载单元120可由承载单元齿轮128分离，且基板承载单元120可装载至沉积系统100中或从沉积系统100进行卸载，藉此以进行沉积系统100的基板的装载/卸载。当基板承载单元120卸载时，承载单元齿轮128保持在主承载盘122的适当位置，并将更换了新基板的基板承载单元120装载至沉积系统100。例如基板承载单元120可为平台或是其它平板的构造，以承载一个或多个基板，并可安装在承载单元齿轮128上。由于承载单元齿轮128的齿与中心齿轮上的齿啮合，因此在装载基板时，相对于移除承载单元齿轮128并尝试将新的承载单元齿轮128对准且啮合于中心齿轮的齿的形态，使基板承载单元120与承载单元齿轮128分离(承载单元齿轮128将会留在既定位置)的形态提供了较简易的对准作业。
在某些特定的实施例中，抬升装置132包括有一个或多个支撑单元134及伸缩管136，例如支撑单元134包括有插销，可穿过加热器130及/或主承载盘122上的缺口、孔洞或开口，当支撑单元134抬起基板承载单元120时，插销将可对基板承载单元120的下表面进行支撑及接合，如图6及图7所示。例如支撑单元134可穿过加热器130的加热元件(如螺旋加热元件)及/或主承载盘122之间的间隙或其它空间(如孔洞或开口)。在部分实施例中，基板承载单元120的下表面包括有一开孔，且支撑单元134可插入开孔并与基板承载单元120接合。
例如伸缩管136可为一真空伸缩管或一焊接型伸缩管，例如由VACOM(Jena，Germany)取得。伸缩管136以其内部的支撑单元134连接至沉积系统100的腔壁，例如可以焊接的方式进行连接，使得支撑单元134处在沉积系统100的真空状态下。在部分的实施例中，支撑单元134连接伸缩管136的一端，而使其保持在真空状态下与伸缩管136的该端一起移动。例如当伸缩管136被压缩时，支撑单元134会上升，如图6及图7所示。
图5描绘喷气单元104移动至装载/卸载位置，并在喷气单元104与主承载盘122之间形成空间118，使得可经由腔门106对沉积系统100进行装载或卸载。在喷气单元104移动至装载/卸载位置后，抬升装置132可于真空状态下将基板承载单元120移动至空间118内的装载/卸载位置，如图6所示。位于装载/卸载位置的基板承载单元120可进一步由沉积系统100内移出(如通过机器人手臂或其它机械装置将基板承载单元120移出)，如图7所示。例如可将基板承载单元120移动至另一个真空室，如在真空状态下与沉积系统100连接的装载室或转运室。当基板承载单元120被移出沉积系统100后，将会在主承载盘122上空出位置，并可将另一个基板承载单元装载至该位置，藉此将新的基板输送至沉积系统内以进行沉积。
装载/卸载的步骤可重复进行，并增加主承载盘122上的基板承载单元120，直到全部或希望的数量的基板承载单元120被新的基板承载单元120所置换。主承载盘122可进行转动，使得各个基板承载单元120到达于适当的位置而有利于经由腔门106将基板承载单元120移出沉积系统100。在部分的实施例中，当基板承载单元120被转动到装载/卸载位置时，可使得单一个抬升装置132分别与各个转动到装载/卸载位置的基板承载单元120接合。在其他实施例中，每一个基板承载单元120可拥有各自的抬升装置132，且各个抬升装置132与各个基板承载单元120一同进行转动。
请参阅图8所示，沉积系统包括有抬升装置138用以进行主承载盘122的调升及调降，且喷气单元104位于沉积位置(可用以限制腔门106的进出)。在图8所揭露的实施例中，当沉积系统100进行基板的卸载时，由于基板承载单元120将不会与承载单元齿轮128分离，因此基板承载单元120及承载单元齿轮128可成为一单一构件。在一特定实施例中，抬升装置138包括有支撑单元140及伸缩管142。在一特定的实施例中，抬升装置138还包括主承载盘驱动装置124(如主承载盘驱动装置124的中心轴)。例如主承载盘驱动装置124的中心轴被设计为可向上或向下移动，以升高或降低主承载盘122。
支撑单元140可包括两个或两个以上的插销，当支撑单元140抬起基板承载单元120时，插销穿过加热器130上的间隙，而对基板承载单元120的下表面进行支撑及接合，如图10所示。例如支撑单元140可穿过加热器130的加热元件(如螺旋加热元件)彼此之间的间隙或其它空间(如孔洞或开口)。支撑单元140可与主承载盘122的任何部分接合而将整个主承载盘122抬升。在部分实施例中，主承载盘122的下表面包括有一开孔，且支撑单元140可插入该开孔并与主承载盘122接合。
伸缩管142，例如一真空伸缩管或一焊接型伸缩管，可由VACOM(Jena，Germany)取得。伸缩管142以其内部的支撑单元140连接沉积系统100的腔壁，例如可以焊接的方式进行连接，使得支撑单元134处在沉积系统100的真空状态下。在部分的实施例中，支撑单元140连接于伸缩管142的一端，并与伸缩管142的该端在保持真空的状态下一起移动。例如当伸缩管142被压缩时，支撑单元141可上升，如图10及图11所示。
如图9所示，揭露了沉积系统100的喷气单元104移动至装载/卸载位置，而在喷气单元104及主承载盘122之间形成空间118，并容许经由腔门106进出沉积系统100。在喷气单元104移动至装载/卸载位置后，抬升装置138可在真空状态下将主承载盘122输送至空间118内的装载/卸载位置，如图10所示。当主承载盘122位于装载/卸载位置时，可自沉积系统100内移出(如可通过机器人手臂或其它机械装置将其移出)，如图11所示。例如可将主承载盘122移动至另一个真空室，如在真空状态下与沉积系统100连接的装载室或转运室。当主承载盘122被移出沉积系统100后，将会在主承载盘驱动装置124上空出位置，并可将另一个主承载盘122装载至该位置，使得新的基板可在沉积系统100内进行沉积。通过对整个主承载盘122进行装载及卸载，将可在单一步骤中进行沉积系统100内的所有的基板进行装载及卸载。在一特定的实施例中，用以转动承载单元齿轮128及基板承载单元120的主承载盘122及中心齿轮也可被整合成为单一个构件，并可相对于沉积系统100进行装载及卸载。
上述的系统中所描述的也许、必须及变化等字眼并非本发明的限制。上述所使用的专业术语主要用以进行特定实施例的描述，并不为本发明的限制。上述所使用的单数量词(如一个及该个)也可为多个，除非在上述的内容有明确的说明。例如上述所提及的一个装置可包括有两个或两个以上的装置的结合，而上述所提的一物质则可包括有多种物质的混合。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种薄膜沉积系统，用以在一个或多个基板上形成一层或多层材料层，该薄膜沉积系统包括有：
一真空室；
一喷气单元，位于该真空室内；
一腔门，位于该真空室的腔壁上，其中该腔门容许在真空状态下，一个或多个基板在该真空室内进行装载及卸载；及
一驱动装置，连接于该喷气单元，其中该驱动装置设置成在真空状态下使该喷气单元在一第一位置及一第二位置之间移动；
其中当该喷气单元位于该第一位置时，该一个或多个基板经由该腔门进行装载及卸载，而当该喷气单元位于该第二位置时，该喷气单元限制该真空室内的腔门的进出。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，在该一个或多个基板上形成该材料层的过程中，该喷气单元位于该第二位置，而将该腔门与该真空室的内部隔绝开，并在该真空室内提供稳定的流场。
3.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，该腔门位于该真空室的一反应区外。
4.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，当该喷气单元位于该第一位置时，容许一机器手臂进出该真空室，而对该真空室的一个或多个基板进行装载及卸载。
5.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，该驱动装置包括至少一真空伸缩管，且该真空伸缩管连接于该喷气单元。
6.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，还包括有一个或多个基板承载单元位于该真空室内，并用以承载该一个或多个基板。
7.根据权利要求6所述的薄膜沉积系统，其特征在于，还包括一抬升装置，连接于该至少一基板承载单元，其中该抬升装置设置成使该基板承载单元在一较高位置及一较低位置之间移动，当该基板承载单元位于该较高位置时，该基板承载单元经由该腔门进行装载及卸载，而当该基板承载单元位于该较低位置时，则在该一个或多个基板上形成该材料层。
8.根据权利要求7所述的薄膜沉积系统，其特征在于，该抬升装置包至少一真空伸缩管。
9.根据权利要求7所述的薄膜沉积系统，其特征在于，该抬升装置设置成抬升或降低该至少一基板承载单元。
10.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，还包含一主承载盘位于该真空室内，并用以承载该一个或多个基板。
11.根据权利要求10所述的薄膜沉积系统，其特征在于，还包括一抬升装置连接于该主承载盘，其中该抬升装置设置成使该主承载盘在一较高位置及一较低位置之间移动，当该主承载盘位于该较高位置时，该主承载盘经由该腔门进行装载及卸载，而当该主承载盘位于该较低位置时，则在该一个或多个基板上形成该材料层。
12.根据权利要求11所述的薄膜沉积系统，其特征在于，该抬升装置包括有至少一真空伸缩管。
13.根据权利要求11所述的薄膜沉积系统，其特征在于，该抬升装置设置成抬升及降低该主承载盘。
14.一种薄膜沉积方法，用以在一个或多个基板上形成一层或多层材料层，其特征在于，该薄膜沉积方法包括有：
使得一喷气单元位于一真空室内的一第一位置，藉此经由该真空室的腔壁上的一腔门进出该真空室；
于真空下经由该腔门将该一个或多个基板装载至该真空室；
于真空下将该喷气单元移动至一第二位置，使得该喷气单元限制该真空室内的腔门的进出；及
在该一个或多个基板上形成该一层或多层的材料层。
15.根据权利要求14所述的薄膜沉积方法，其特征在于，还包括以下步骤：在真空状态下，
在该一个或多个基板上形成该一层或多层的材料层后，将该喷气单元移动至该第一位置；
经由该腔门进行具有该一层或多层材料层的一个或多个基板的卸载。
16.根据权利要求14所述的薄膜沉积方法，其特征在于，还包括以下步骤：在真空状态下，
在该一个或多个基板上形成该一层或多层材料层后，将该喷气单元移动至该第一位置；
经由该腔门进行该具有一层或多层材料层的一个或多个基板的卸载；
经由该腔门将一个或多个新增的基板装载至该真空室；
移动该喷气单元至该第二位置；及
在该一个或多个新增的基板上形成该一层或多层材料层。
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