发明内容
(一)技术问题
本发明的目的在于提出一种ALD设备和专用于ALD设备的反应源扩散分布的检测和控制方法。本发明旨在通过精确测量反应源的扩散分布来控制不同反应源相互隔离的程度。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提出一种ALD设备,包括盖板和与盖板配合的主体腔室,所述盖板的内表面设置有至少两个气路单元组,每个气路单元组包括至少一个气路单元,该至少两个气路单元组用于通入不同的反应源气体;所述每个气路单元包括多个气流通道,多个气流通道通过间隔层相间隔,且每个气流通道与盖板的外表面上设置的气孔相连通。
根据本发明的一种具体实施方式,每个气路单元包括第一气流通道、第一间隔层、第二气流通道、第二间隔层;所述第一气流通道用于通入反应源气体;所述第二气流通道用于将未发生反应的反应源气体抽出;所述第一间隔层设于第一气流通道与第二气流通道之间,第二间隔层设于第二气流通道和第三气流通道之间。
根据本发明的一种具体实施方式,各间隔层相对于从盖板内表面向外突出。
根据本发明的一种具体实施方式,所述第一间隔层的突出量不高于所述第二间隔层。
根据本发明的一种具体实施方式,所述各间隔层环形,气体由第一、三通道流向第二通道时都要通过第一、二环形间隔层与主体腔室之间的缝隙。
根据本发明的一种具体实施方式,在所述盖板上不同于各组气路单元的位置上还开有一个气流通道,其用于导入除了反应源气体之外的辅助性气体。
7、如权利要求1至6中任一项所述的ALD设备,其特征在于,所述主体腔室中具有承载盘,其用于承载需要进行ALD工艺的元器件。
根据本发明的一种具体实施方式,承载盘的上表面具有凹槽,所述凹槽中用于放置所述要进行ALD工艺的元器件。
根据本发明的一种具体实施方式,所述承载盘连接有旋转系统,从而在旋转系统的带动下进行旋转。
根据本发明的一种具体实施方式,一个气路单元组中的进气口通入水蒸气或含有水蒸气的混合气体,没有通入水蒸气的气路单元组中的至少有一个气路单元的抽气通过管道连接露点仪;通入含水蒸气的气路单元组中的任何一个气路单元的进气管道和抽气管道都不与上述露点仪连接。
另一方面,本发明还提出一种应用于ALD设备的反应源扩散分布检测与控制方法,所述ALD设备是如前所述的ALD设备,水蒸气通过气体的扩散作用通过第二与第三通道之间的间隔区扩散到第三气流通道,并通过第三气流通道进入第二组气路单元的的排空管道,被露点仪检测到。
根据本发明的一种具体实施方式,将K2与K1的差值控制在一个范围之内,所述K1为反应源入口通含有水蒸气的惰性气体时露点仪的示数,K2为反应源入口通不含有水蒸气的惰性气体时露点仪的示数。
根据本发明的一种具体实施方式,所述范围为不大于10摄氏度。
根据本发明的一种具体实施方式,当K2与K1的差值大于10摄氏度时,将第三气流通道的惰性气体流量加大。
(三)技术效果
本发明将某一组气路单元进气为含有水蒸气的气体,其他组的气路单元的抽气连接露点仪,腔室温度、旋转盘转速、腔室压力接近工艺实况。通过露点仪的检测结果判断水蒸气在腔室内部的扩散情况,并相应的调整第三通道进气流量,达到理想的反应源的理想隔离效果。本发明通过第三通道通入惰性气体,并通过第二、三通道间隔区流向第二通道,利用反向气流作用减弱第一气流通道中的反应源向第三气流通道扩散。
本发明的ALD设备能够提高原子层外延的速度,节省单项工艺时间。通过调节承载盘的转速,可以调节原子层外延的生长速率。
具体实施方式
本发明的ALD设备是可开闭的腔体,包括一个盖板和与一个与盖板配合的主体腔室。主体腔室中具有承载盘,其用于承载需要进行ALD工艺的元器件。盖板的内表面上设置有至少两个气路单元组,每个气路单元组包括至少一个气路单元,每个气路单元用于在ALD设备闭合时通入气体,并将所通入的气体限制在气路单元的下方与承载盘之间的区域。当盖板与主体腔室盖合时,各气路单元和承载盘之间不接触,即存在供气流通过的缝隙。所述至少两个气路单元组各用于通入不同的反应源气体。
所述每个气路单元包括多个气流通道,多个气流通道通过间隔层相间隔,且每个气流通道与盖板的外表面上设置的气孔相连通。
优选地,每个气路单元包括第一气流通道、第一间隔层、第二气流通道、第二间隔层。所述第一气流通道用于通入反应源气体,所述第二气流通道用于将未发生反应的反应源气体抽出;第一间隔层设于第一气流通道与第二气流通道之间,第二间隔层设于第二气流通道和第三气流通道之间。所述各间隔层相对于从盖板内表面向外(向腔体内)突出
优选地,在盖板上不同于各组气路单元的位置上还开有一个气流通道,其用于导入除了反应源气体之外的辅助性气体,例如惰性气体。盖板上的在气路单元之外用于通入辅助性气体的气流通道称为第三气流通道。
优选地,第一间隔层的突出量不高于第二间隔层,以便第三通道气体向第二气流通道流动时有较高的速度,防止反应源气体向第三通道扩散。
优选地,所述间隔层环形,使气体由第一、三通道流向第二通道时都要通过第一、二环形间隔层与可旋转承载盘之间的缝隙。由此,当腔室中有合适的压力时,各气路单元的第一、二环形间隔层与可旋转承载盘保持一个尽量小的缝隙,并通过这些缝隙连接第一、二、三气流通道,气体由第一、三通道流向第二通道。
优选地,所述主体腔室的侧壁与所述可旋转承载盘之间形成连接通道。并且,所述主体腔室底部设置有进气口,所述进气口通过所述连接通道与所述第三气流通道相连通,用于第三气体通道的惰性气体入口。
优选地,至少两组气路单元中至少有一组气路单元用于是通入水蒸气或者含有水蒸气混合气体的水蒸气单元组;至少有一组气路单元是没有通入水蒸气或者含有水蒸气混合气体的非水蒸气单元组。通入的气体种类相同的单元可视为一组。同组的气路单元的进气与抽气可以连接在一起。不同组的气路单元的进气与抽气分别隔离。
优选地,ALD设备的一个气路单元组中的进气口通入水蒸气或含有水蒸气的混合气体,没有通入水蒸气的气路单元组中的至少有一个气路单元的抽气通过管道连接露点仪。通入含水蒸气的气路单元组中的任何一个气路单元的进气管道和抽气管道都不与上述露点仪连接。由此,通过露点仪的测量结果可以判断腔体内非水蒸气单元的水蒸气的含量情况,从而判断水蒸气在腔室中的扩散情况。据此,通过调整惰性气体的工艺参数,达到理想的水蒸气扩散分布。理想的水蒸气扩散分布情况是:水蒸气极弱的扩散到用于通入辅助性气体的第三通道(第二通道水蒸气会逆流扩散到第三通道,并且通过第三通道进入相邻的非水蒸气单元的第二通道。目的是通过减少水蒸气单元的水蒸气向第三通道扩散而达到反应源相互隔离的目的),从而水蒸气极弱的扩散到非水蒸气单元中。
优选地,所述混合气体中除水蒸气外,其余的气体均采用化学性质稳定的低沸点气体。
优选的,承载盘的上表面(靠近盖板的表面)具有凹槽,凹槽中用于放置所述要进行ALD工艺的元器件,以便该元器件不会在放入承载盘时因外力而发生移动,以及不与盖板发生接触。
优选的,所述承载盘连接有旋转系统,从而在旋转系统的带动下进行旋转。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
图1为本发明ALD设备的一个实施例的整体结构图。如图1所示,该ALD设备是由盖板1000和主体腔室2000构成的一个可开闭的腔体;所述主体腔室具有旋转系统2005、旋转承载盘2001和密封橡胶圈2003。盖板1000和主体腔室2000安装组合时,由主体腔室2000上部的橡胶圈2003接触盖板1000和主体腔室的两个平面进行密封。
图2是该实施例的ALD设备的整体结构侧向截面图,如图1和图2所示,主体腔室2000为一个圆柱型结构:底部有进气口2006,底部中间有步进电机2005,其通过磁密封结构传动,带动传递杆2004转动,从而带动承载盘2001旋转,承载盘2001表面设计有适合形状的凹槽2002,用于放置晶片。
图3是该实施例的ALD设备的盖板外侧的气路接口分布图。如图1至图3所示,所述盖板1000具有两组气路单元1010,该两组气路单元以盖板几何中心对称分布。如图2和图3所示,每组气路单元由一个气路单元构成,每个气路单元具有两个气流通道,即第一气流通道1001和第二气流通道1003,所述第一气流通道1001与所述盖板上的进气孔1009相通,用于通入反应源气体,而第二气流通道1003与所述盖板上的抽气孔1007、1008相通,用于将所述反应源气体抽出。而盖板上没有气路单元分布的区域以及盖板中心与盖板背部的气孔1006相连接,以构成第三气流通道1005,该第三气流通道1005用于通入惰性气体,以阻止所述反应源气体向外扩散。
图4是该实施例的ALD设备的盖板内侧气路结构分布图。图5是其中气路单元的立体结构图。如图4和图5所示,所述气路单元中各个气流通道的具体设置如图3和图5所示,每个气路单元组的气路单元结构类似:中间为一接近梯形形狭长截面的气流空间,且该空间与通向盖板背侧的进气孔1009相连,构成第一气流通道1001;而第一气流通道1001的周围设置有第一环形间隔层1002,即第一气流通道与第二气流通道之间的间隔,其层厚均匀;第一环形间隔层1002外围为一个宽度均匀的环形气流空间,其与通向盖板背侧两个抽气孔1007、1008相连接,构成第二气流通道1003;第二气流通道1003外围设置有第二环形间隔层1004,即第二气流通道与第三气流通道之间的间隔,其层厚均匀。其中,第一环形间隔层1002和第二环形间隔层1004相对于盖板内表面向外突出的,并且第一间隔层1002的突出量不高于第二间隔层1004。
如图2和图4所示其中安装组合的关键是:当腔体中有合适的压力时,各组气路单元的第二环形间隔层1004与可旋转承载盘2001保持一个尽量小并尽量相等的缝隙,并通过这些缝隙连接第一、二、三气流通道。另外,所述主体腔室2000的侧壁与所述可旋转承载盘2001之间形成连接通道,所述主体腔室2000底部设置有进气口2006,所述进气口2006通过所述连接通道与所述第三气流通道1005相连通。
当利用上述ALD设备进行原子层沉积时,首先,向进气口2006和气孔1006通入一定流量的惰性气体,其中,进气口2006和盖板中心位置处的气孔1006都与第三气流通道1005相连;其次,从所述与各气路单元的第二气流通道相连接的气孔1007、1008进行抽气,并且通过调整抽气速率使腔室封闭空间内保持相对稳定的压力,其中所述气孔1007、1008被设计成抽气孔;然后,与其中一组气路单元的第一气流通道1001相连接的气孔1009中通入反应源气体a,而与另一组气路单元的第一气流通道相连接的气孔1009中通入另一种反应源气体b。
利用上述ALD设备进行原子层沉积的过程中,通过调整合适的各种进气流量比值、合适的抽气速率,会在各个气路单元的第一气流通道、第一间隔层1002与可旋转承载盘2001之间的空隙空间分布所述反应源气体a或b,并且,第三气流通道中的惰性气体会通过各组气路单元的第二间隔层与可旋转承载盘2001之间的空隙从第二气流通道抽走;另外,由于各组气路单元的第二间隔层与可旋转承载盘2001之间的空隙足够小,所以惰性气体通过上述缝隙时有足够的流速而阻止第二气流通道内部的反应源a或b向外扩散,这样就在第二间隔层内部和可旋转承载盘2001之间的空间形成一个稳定的a或b反应源区。此外,当可旋转承载盘2001转动时,盘上的各个晶片会陆续先经过a反应源区后,经第二、三气流通道之间的间隔区吹扫,然后经过b反应源区后,再经第二、三气流通道之间的间隔区吹扫,使得将未发生反应的反应源气体吹扫至第二气流通道,进而从第二气流通道抽出,而不会造成反应源气体向外流出,与其它反应源气体发生混合的情况,如此循环下去,原子层会周期性地沉积在晶片上形成薄膜。
在使用上述ALD设备进行原子层沉积时,通过调节各个进气口的流量以及抽气口的控制压力,在气流作用下使各组气路单元中第一气流通道1001内的气体大部分通过本单元第二气流通道1003排出,极少量会扩散到第三气流通道1005,从而在各第二气流通道1003内形成稳定的反应源区。
各组气路单元的第一气流通道中通入不同的反应源气体,在可旋转承载盘旋转时,盘上任何一晶片将陆续暴露于反应源区间进行表面反应,移动到第二气流通道与第三气流通道间隔区域时,可以将表面吸附的多余反应源分子去除,在接近下一组第一气流通道与第二气流通道组时将会进行第二种源的表面反应。可以通过在盖板上尽可能多地布置气路单元,可以进行多种源的化学反应。
通过以上的方法,省去了传统ALD工艺过长的吹扫过程,节省了吹扫时间,非常有助于提高生产效率。
本领域技术人员很容易得出:在本发明的ALD设备中,依靠不同的反应源与衬底的反应机理,来调节相应气路单元第二气流通道内部宽度,同时调整旋转承载盘2001的转速,可以保证相应源在表面充分反应。
本发明的另一个实施例中,上述第一气流通道也可以设置成抽气通道,用于抽出未发生反应的反应源气体,而上述气孔1009设置成抽气孔;所述第二气流通道1003用设置成进气通道,用于通入反应源气体,所述两个气孔1007、1008设置成进气孔。
本发明的另一实施例中,在盖板1000上布置有多于两个的气路单元,气路单元的数量可以与反应源气体的个数相同,也可以为反应源气体个数的倍数,且通入相同反应源气体的气路单元相间隔设置,即相邻设置的气路单元中通入不同的反应源气体。这种方式可以在不提高转速的情况下提高单位时间的生长周期数,从而提高生长效率。
图6是应用于上述实施例的反应源扩散分布测量方法的原理示意图。如图6所示,两组气路单元分别具有三个气孔与腔体外部管道相通,即气孔1007、1008、1009与气孔1007’、1008’、1009’,另外,气孔1006位于盖板的几何中心,用于通入惰性气体。气孔1007、1008在盖板外部由管道连接,构成水蒸气排空管道;气孔1009向腔室内部通入含有水蒸气的气体;气孔1007’、1008’在盖板外部由管道连接,构成反应源排空管道;气孔1009’向腔体内部通入惰性气体。该实例所选用露点仪为低温镜面式露点仪,所以所述的惰性气体是沸点非常低的气体,例如N2,这样在测量水含量时不会因为N2的凝结而影响测量值。
所述各个气孔的对应盖板内部气路单元的位置,气孔1007、1008分别对应第一气路单元组的抽气,与第一气路单元组的第二气流通道1003连通,气孔1009对应第一气路单元组的进气,与第一气路单元组的第一气流通道1001连通,气孔1006对应盖板几何中心惰性气体进气,与第三气流通道1005连通,气孔1007’、1008’对应第二气路单元组的抽气,与第二气路单元组的第二气流通道1003’连通,气孔1009’对应第二气路单元组的进气,与第二气路单元组的第一气流通道1001’连通。
一种典型的工作状况为:腔体内部根据工艺实况升到相应温度、压力,达到相对稳定,旋转盘达到工艺转速,气孔1009通过管道通入水蒸气和高纯N2的混合气体,气孔1006、1009’通入工艺惰性气体--高纯N2,待露点仪的显示数据稳定后观察露点仪的测试数据,记为K1。然后将气孔1009通过管道通入含有水蒸气的气体,气孔1006、1009’通入工艺惰性气体(T)高纯N2,待露点仪的显示数据稳定后观察露点仪的测试数据,记为K2。
在腔室内部第三通道的惰性气体进气量较小时,水蒸气会通过气体的扩散作用通过第二与第三通道之间的间隔区扩散到第三气流通道,并通过第三气流通道进入第二组气路单元的的排空管道,被露点仪检测到。所以一般情况下,K2将高于K1,根据气体扩散理论K2与K1的差值大小将反映出第一组气路单元的水蒸气向第二单元的扩散强弱。为达到理想的极弱扩散效果,应该将K2与K1的差值控制在一个较小的范围。一种典型情况下K2与K1的差值大于10摄氏度时,我们认为第一气路单元中水蒸气已经向外扩散,此时应该对扩散进行控制。K2与K1的差值大于10摄氏度时将气孔1006的惰性气体流量加大,增加各组气路单元由第三气流通道向第二气流通道间隔区域惰性气体的流速,由反向流动气体抑制水蒸气由第二气流通道通过间隔区向第三气流通道扩散,达到减少第三通道中水蒸气含量的目的,从而减少非水蒸气气路单元中抽气管道中水蒸气含量,从而降低K2。当露点仪读数稳定后,K2与K1的差值小于10摄氏度时可以停止增加气孔1006的惰性气体流量。不同的工艺要求的情况下,K2与K1的差值可以控制在不同的数值。
在一般的ALD所使用的源分子量都大于水的分子量。根据气体扩散规律:
其中D为扩散系数,T为热力学温度,p为总压强,μA、μB为气体A、B的分子量,VA、VB为气体A、B在正常沸点时的液态克摩尔容积。
可知,分子量越大的分子,扩散性越差。所以水蒸气的分布达到理想效果时的工艺条件,其它的源的分布效果也会更理想。
本发明的ALD设备能够提高原子层外延的速度,节省单项工艺时间。通过调节承载盘的转速,可以调节原子层外延的生长速率。
本发明通过第三通道通入惰性气体,并通过第二、三通道间隔区流向第二通道,利用反向气流作用减弱第一气流通道中的反应源向第三气流通道扩散。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。