CN104204290A - 原子层沉积方法和装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个示例实施方式，提供了一种方法，所述方法包括运行构造为通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料的原子层沉积反应器和在所述反应器中使用干燥空气作为吹扫气体。

Description

原子层沉积方法和装置
技术领域
本发明总体涉及沉积反应器。更特别地，但非排他地，本发明涉及这样的沉积反应器，在所述沉积反应器通过顺序自饱和表面反应在表面上沉积材料。
背景技术
原子层外延(ALE)方法是Tuomo Suntola博士于20世纪70年代早期发明的。该方法的另一个通用名称为原子层沉积(ALD)并且目前已代替ALE使用。ALD是一种特殊的化学沉积方法，其基于至少两种反应性前体物质顺序引入到至少一个衬底。
通过ALD生长的薄膜致密、无针孔并且具有均匀的厚度。例如，在一个实验中，已经通过自三甲基铝(CH3)3Al(也称TMA)和水在250-300℃下的热ALD在衬底晶片上生长了氧化铝，其仅产生约1％的不均匀性。
典型的ALD反应器是非常复杂的装置。因此，持续地需要产生简化装置自身或其使用的解决方案。
发明内容
根据本发明的第一个实例方面，提供了一种方法，所述方法包括：
运行原子层沉积反应器，所述反应器构造为通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料；和
在所述反应器中使用干燥空气作为吹扫气体。
在某些示例实施方式中，干燥空气沿(或构造为沿)吹扫气体进给管线流动。在某些示例实施方式中，作为吹扫气体的干燥空气从不活泼气体源经由吹扫气体进给管线流入反应室中。
在某些示例实施方式中，所述方法包括：
使用干燥空气作为载气。
在某些示例实施方式中，干燥空气沿(或构造为沿)前体蒸气进给管线流动。在某些示例实施方式中，这可以发生在ALD处理过程中。在某些示例实施方式中，作为载气的干燥空气从不活泼气体源经由前体源流入反应室中。在某些示例实施方式中，使用作为载气的干燥空气来增加前体源中的压力。在某些其它实施方案中，作为载气的干燥空气从不活泼气体源经由前体蒸气进给管线而不经过前体源流入反应室中。流动路径可以基于前体蒸气本身的蒸气压力是否足够高或者是否应通过去往前体源的不活泼气体流来增大所述压力而进行设计。
可使用单个干燥空气源或多个干燥空气源。在此上下文中，干燥空气(或经干燥的空气)指不具有水分残留的空气。干燥空气可为压缩气体。其可用于将前体从前体源携带到反应室中。
在某些示例实施方式中，所述方法包括：
在整个沉积序列过程中使干燥空气流入反应器的反应室中。沉积序列由一个或多个相继的沉积周期形成，每个周期包括至少第一前体暴露期(脉冲A)、然后是第一吹扫步骤(吹扫A)、然后是第二前体暴露期(脉冲B)、然后是第二吹扫步骤(吹扫B)。
在某些示例实施方式中，反应室加热至少部分地通过向反应室中传导经加热的干燥空气来实施。这可在初始吹扫过程中和/或在沉积ALD处理(沉积)过程中发生。
因此，在某些示例实施方式中，所述方法包括：
在反应器的反应室的加热中使用干燥空气。
在某些示例实施方式中，所述方法包括：
加热吹扫气体进给阀下游的干燥空气。
在某些示例实施方式中，所述方法包括：
提供热从反应器的出口部向吹扫气体进给管线加热器的反馈连接。
在某些示例实施方式中，出口部包括热交换器。出口部可为反应器的反应室的出口部。出口部可为气体出口部。
在某些示例实施方式中，所述方法包括：
在环境压力下运行所述原子层沉积反应器。
在这样的实施方式中，不需要真空泵。
在某些示例实施方式中，所述方法包括：
使用连接到反应器的出口部的喷射器来降低反应器中的工作压力。
当要求在低于环境压力下运行但不需要真空时，可使用喷射器代替真空泵。出口部可为反应器室盖。喷射器可为连接到所述盖或到排气通道的真空喷射器。
气体进入反应室中的入口可在反应室的底侧上，而反应残余物的出口可在反应室的顶侧上。或者，气体进入反应室的入口可在反应室的顶侧上而反应残余物的出口可在反应室的底侧上。
在某些示例实施方式中，反应室是轻便的。不需要压力容器作为反应室。
根据本发明的第二个示例方面，提供了一种装置，所述装置包括：
原子层沉积反应室，其构造为通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料；和
来自干燥空气源的干燥空气进给管线，以向反应器的反应室中进给干燥空气作为吹扫气体。
所述装置可为原子层沉积(ALD)反应器。
在某些示例实施方式中，所述装置包括：
前体进给管线，其来自干燥空气源经由前体源进入反应室中，以携带前体蒸气进入反应室中。
在某些示例实施方式中，所述装置包括构造为加热干燥空气的加热器。在某些示例实施方式中，所述装置包括在吹扫气体进给阀下游的所述加热器。
在某些示例实施方式中，所述装置包括热从反应器的出口部向吹扫气体进给管线加热器的反馈连接。在某些示例实施方式中，出口部包含热交换器。出口部可为反应器的反应室的出口部。出口部可为气体出口部。
在某些示例实施方式中，反应器为轻便式反应器，其构造为在环境压力下或接近于环境压力下运行。轻便式反应器可以没有真空泵。接近于环境压力指压力可以是降低的压力，但不是真空压力。在这些实施方式中，反应器可具有薄壁。在某些示例实施方式中，原子层沉积在没有真空泵的存在下进行。另外，在某些示例实施方式中，原子层沉积在没有压力容器的存在下进行。因此，某些示例实施方式中的轻便式(轻质结构)反应器用没有压力容器的轻便式(轻质结构)反应室来实施。
在某些示例实施方式中，所述装置包括：
连接到反应器的出口部的喷射器，以降低反应器中的工作压力。
当要求在低于环境压力下运行但不需要真空时，可使用喷射器代替真空泵。出口部可为反应器室盖。喷射器可为连接到所述盖或到排气通道的真空喷射器。
根据本发明的第三个示例方面，提供了一种生产线，所述生产线包括第二个方面的装置作为生产线的一部分。
根据本发明的第四个示例方面，提供了一种装置，所述装置包括：
用于运行原子层沉积反应器的设备，所述原子层沉积反应器构造为通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料；和
用于在所述反应器中使用干燥空气作为吹扫气体的设备。
前面已经示意了本发明的不同的非约束性示例方面和实施方式。上面的实施方式仅用来说明本发明的实施中可采用的选定的方面或步骤。一些实施方式可以仅参考本发明的某些示例方面而给出。应理解，相应的实施方式也可适用于其它示例方面。可形成实施方式的任何适宜组合。
附图说明
下面仅以举例的方式结合附图描述本发明，在附图中：
图1示出了根据示例实施方式的沉积反应器和装载方法；
图2示出了在吹扫步骤过程中运行的图1的沉积反应器；
图3示出了在第一前体暴露期期间中运行的图1的沉积反应器；
图4示出了在第二前体暴露期期间中运行的图1的沉积反应器；
图5示出了根据示例实施方式的装载布置；
图6示出了根据另一个示例实施方式的沉积反应；
图7示出了根据再一个示例实施方式的沉积反应；
图8示出了又一个示例实施方式；
图9更深入地示出了根据某些示例实施方式的沉积反应器的某些细节；和
图10示出了沉积反应器作为根据某些示例实施方式的生产线的一部分。
具体实施方式
在下面的描述中，采用原子层沉积(ALD)技术作为实例。ALD生长机制的基础是熟练技术人员已知的。如在本专利申请的引言部分中所提到，ALD是一种特殊的化学沉积方法，其基于至少两种反应性前体物质顺序引入到至少一个衬底。该衬底，或在许多情况下一批衬底，位于反应空间内。反应空间通常进行加热。ALD的基本生长机制依赖于化学性吸附(化学吸附)和物理性吸附(物理吸附)之间的键强度差异。在沉积工艺过程中，ALD采用化学吸附并消除物理吸附。在化学吸附过程中，在固相表面的一个或多个原子与从气相到达的分子之间形成强的化学键。通过物理吸附的键合要弱得多，因为仅涉及范德华力。当局部温度高于分子的冷凝温度时，物理吸附键易于在热能作用下断裂。
ALD反应器的反应空间包含所有通常经加热的表面，可使所述表面交替地和顺序地暴露于用来沉积薄膜或涂层的ALD前体中的每一个。基本的ALD沉积周期包括四个相继的步骤：脉冲A、吹扫A、脉冲B和吹扫B。脉冲A通常由金属前体蒸气组成，而脉冲B通常由非金属前体蒸气、尤其是氮或氧前体蒸气组成。在吹扫A和吹扫B的过程中，通常使用不活泼气体(如氮或氩)和真空泵以从反应空间吹扫掉气态反应副产物和残余的反应物分子。沉积序列包括至少一个沉积周期。重复沉积周期直至沉积序列已产生所期望厚度的薄膜或涂层。
在典型的ALD工艺中，前体物质通过化学吸附与经加热表面的反应性位点形成化学键。条件通常布置为使得在一个前体脉冲过程中在表面上形成不超过一个分子单层的固体材料。生长过程因此是自终止或自饱和的。例如，第一前体可包含配体，所述配体保持连接到被吸附物质并使表面饱和，这将防止进一步的化学吸附。反应空间温度保持在高于所采用前体的冷凝温度而低于所采用前体的热分解温度下，以便前体分子物质基本上完好地化学吸附在一个或多个衬底上。基本上完好指当前体分子物质化学吸附在表面上时，挥发性配体可以脱离前体分子。表面变为基本上被第一类型的反应性位点即第一前体分子的被吸附物质所饱和。此化学吸附步骤后通常跟着第一吹扫步骤(吹扫A)，其中从反应空间移除过量的第一前体和可能的反应副产物。然后向反应空间中引入第二前体蒸气。第二前体分子通常与第一前体分子的被吸附物质反应，从而形成所期望的薄膜材料或涂层。一旦整个量的被吸附第一前体已被消耗并且表面已基本上被第二类型的反应性位点所饱和，此生长即终止。然后通过第二吹扫步骤(吹扫B)移除过量的第二前体蒸气和可能的反应副产物蒸气。然后重复此周期直至膜或涂层已生长至所期望的厚度。沉积周期也可以更复杂。例如，周期可包括三个或更多个由吹扫步骤分开的反应物蒸气脉冲。所有这些沉积周期形成由逻辑单元或微处理器控制的定时沉积序列。
图1示出了根据示例实施方式的沉积反应器和装载方法。该沉积反应器包括反应室110，反应室110形成用于容纳衬底支架130的空间，衬底支架130携带至少一个衬底135。所述至少一个衬底可实际上为一批衬底。在图1中示出的实施方式中，所述至少一个衬底135竖直地置于衬底支架130中。在此实施方式中，衬底支架130在其底侧上包括第一限流器131并在其顶侧上包括第二(任选的)限流器132。第二限流器132通常比第一限流器131粗糙。或者，限流器131、132中之一或二者可与衬底支架130分开。反应室110由反应室110的顶侧上的反应室盖120关闭。排气阀125连接接到盖120。
所述沉积反应器包括在沉积反应器的底部的前体蒸气进给管线101和102。第一前体蒸气进给管线101从不活泼载气源141经由第一前体源142(这里为TMA)行进并通过第一前体进给阀143进入反应室110的底部中。第一前体进给阀143由致动器144控制。类似地，第二前体蒸气进给管线102从不活泼载气源151经由第二前体源152(这里为H2O)行进并通过第二前体进给阀153进入反应室110的底部中。第二前体进给阀153由致动器154控制。不活泼载气源141、151可由单个源或单独的源实施。在图1中示出的实施方式中，使用氮作为不活泼载气。然而，在使用具有高的蒸气压力的前体源的情况下，有时根本不必使用载气。或者，在这些情况下，载气的路径可使得载气经由所讨论的前体蒸气进给管线流动，但经过所讨论的前体源。
所述沉积反应器还在沉积反应器的底部中包括吹扫气体进给管线105。吹扫气体进给管线105从吹扫气体源162通过吹扫气体阀163行进进入反应室110的底部中。吹扫气体阀163由致动器164控制。在图1中示出的实施方式中，使用压缩气体如干燥空气(或经干燥的空气)作为吹扫气体。在本文中，表述“干燥空气”和“经干燥的空气”指无任何水分残留的空气。
反应室110通过将衬底支架130自沉积反应器的顶侧下降到反应室110中来装载至少一个衬底。沉积后，以相反的方向即通过将衬底支架110提升出反应室110来卸载反应室110。出于装载和卸载的目的，已将反应室的盖120移到旁边。
如前面所提到，沉积序列由一个或多个相继的沉积周期形成，每个周期包括至少第一前体暴露期(脉冲A)、然后是第一吹扫步骤(吹扫A)、然后是第二前体暴露期(脉冲B)、然后是第二吹扫步骤(吹扫B)。装载之后但开始沉积序列之前，也对反应室110进行初始吹扫。
图2示出了在此类吹扫阶段过程中(即在初始吹扫过程中或在吹扫A或吹扫B的过程中)运行的图1的沉积反应器。
在此示例实施方式中，如前面所提到，使用压缩气体如干燥空气作为吹扫气体。吹扫气体阀163保持打开，以便吹扫气体从吹扫气体源162经由吹扫气体进给管线105流入反应室110中。吹扫气体在第一限流器131上游的膨胀体积(expansion volume)171处进入反应室110。由于限流器131，故吹扫气体在膨胀体积171中横向铺展。膨胀体积171中的压力高于衬底区域即体积172中的压力。吹扫气体流过限流器131流入衬底区域中。第二限流器132下游的盖体积173中的压力低于衬底区域172中的压力，所以吹扫气体从衬底区域172流过第二限流器132流入盖体积173中。吹扫气体从盖体积173经由排气阀125流向排气通道。在吹扫A和B的过程中，吹扫的目的在于排除气态反应副产物和残余的反应物分子。在初始吹扫的过程中，目的通常在于排除残余的湿气/水分和任何杂质。
在示例实施方式中，使用吹扫气体来加热反应室110。通过吹扫气体的加热可在初始吹扫的过程中或在初始吹扫和沉积序列二者的过程中施行，视情况而定。如果用来加热反应室110的压缩气体如干燥空气对于所用前体和所用载气(如果有的话)来说是不活泼的，则可在前体暴露期(脉冲A和脉冲B)的过程中使用通过吹扫气体的加热。
在加热实施方式中，吹扫气体在吹扫气体进给管线105中加热。经加热的吹扫气体进入反应室110，并加热反应室110和尤其是所述至少一个衬底135。使用的传热方法因此通常是对流，更详细而言，强制对流。
干燥空气(或经干燥的空气)是指无任何水分残留的的空气，其可以例如由已知的常规清洁干燥空气制造装置(清洁干燥空气源)容易地提供。这样的装置可用作吹扫气体源162。
图3示出了在脉冲A的过程中运行的图1的沉积反应器，其中使用的前体(第一前体)为三甲基铝TMA。在此实施方式中，氮N2被用作不活泼载气。所述不活泼载气经由第一前体源142流动，从而携带前体蒸气进入反应室110中。在进入衬底区域172之前，前体蒸气在膨胀体积171中横向铺展。第一前体进给阀143保持打开而第二前体进给阀153关闭。
同时地，经加热的不活泼吹扫气体经由吹扫气体管线105通过打开的吹扫气体阀163流入反应室110中，从而加热反应室110。
图4示出了在脉冲B的过程中运行的图1的沉积反应器，其中使用的前体(第二前体)为水H2O。在此实施方式中，氮N2被用作不活泼载气。所述不活泼载气经由第二前体源152流动，从而携带前体蒸气进入反应室110中。在进入衬底区域172之前，前体蒸气在膨胀体积171中横向铺展。第二前体进给阀153保持打开而第一前体进给阀143关闭。
同时地，经加热的不活泼吹扫气体经由吹扫气体管线105通过打开的吹扫气体阀163流入反应室110中，从而加热反应室110。
图5示出了根据一个示例实施方式的装载布置。在此实施方式中，反应室110在其侧面具有门，衬底支架130从一侧装载并从另一侧(例如，相反侧)卸载。反应室盖120不需要是可移除的。
在某些示例实施方式中，沉积反应器中的沉积序列可在环境压力(通常室内压力)下或在接近于一标准大气压(1atm)的压力下进行。在这些实施方式中，排气通道中不需要真空泵或类似物。另外，不需要任何真空室来容纳反应室110。压力容器可省略。可使用轻便式反应器室110。反应室110的壁可以薄，例如由金属板制成。所述壁可在使用前通过涂覆钝化层使之钝化。可使用ALD方法。事实上，反应室110的内表面可使用具有合适的前体的沉积反应器自身事先(在对衬底进行沉积序列之前)钝化。
在要求在低于环境压力下运行的情况下，沉积反应器可提供有已知的真空喷射器。图6示出了连接到沉积反应器的排气通道中的此类真空喷射器685。在真空喷射器685中，合适的不活泼动力气体从入口进入喷射器中，生成低压区，该低压区从反应室110抽吸气体和小颗粒，从而降低反应室110中的压力。
图7示出了根据又一个示例实施方式的沉积反应。在此实施方式中，吹扫气体管线105中的用作吹扫气体的相同气体也被用作不活泼载气。在运行过程中，压缩气体如干燥空气交替地从源141经由第一前体源142携带前体蒸气流入反应室110中和从源151经由第二前体源152携带前体蒸气流入反应室110中。另外，不活泼吹扫气体经由吹扫气体进给管线105流入反应室110中。或者，载气的路径可使得载气经由所讨论的前体蒸气进给管线流动，但经过所讨论的前体源。在示例实施方式中，不活泼载气从所讨论的不活泼气体源经由所讨论的前体蒸气进给管线流入反应室110中而不实际流经所讨论的前体源。气体源141、151和162可由单个源或单独的源实施。
图8示出了根据再一个示例实施方式的沉积反应。该实施方案尤其适合于其中在沉积序列过程中不能让进给管线105中的吹扫气体进入反应室110的情况(例如如果吹扫气体对于所用前体来说不是不活泼的)。在此实施方案中，在初始吹扫过程中，吹扫气体进给管线105是打开的。在初始吹扫过程中，经加热的吹扫气体从吹扫气体进给管线105流入反应室110中以加热反应室110。在初始吹扫后，吹扫气体阀163关闭并且其在整个沉积序列过程中保持关闭。
图9更深入地示出了根据某些示例实施方式的沉积反应器的某些细节。在图9中，示出了反应室加热器(或多个加热器)902、热交换器905、吹扫气体进给管线加热器(或多个加热器)901和热的反馈连接950。
当需要时，位于反应室110周围的反应室加热器902提供反应室110以热。加热器902可为电加热器或类似物。使用的传热方法主要是辐射。
吹扫气体进给管线加热器901在进给管线105中加热吹扫气体，所述吹扫气体继而加热反应室110。如前所述，使用的传热方法是强制对流。在图9中，进给管线105中气体进给管线加热器901的位置在吹扫气体阀163下游。或者，吹扫气体进给管线加热器901的位置可在更靠近吹扫气体源162的吹扫气体阀163上游。
连接到反应室的顶部或盖120或到排气通道的热交换器905可用来实施反馈连接950。在某些实施方案中，从排气收集的热能被用在通过加热器901加热吹扫气体中和/或所述热能可在加热器902中进行利用。
在所示实施方案中的每一个中，沉积反应器的反应室盖120或排气通道可包括气体洗涤器。这样的气体洗涤器包含活性材料，其吸收不希望从沉积反应器被释放出的这类气体、化合物和/或颗粒。
在某些实施方案中，前体源142、152可被加热。就其结构而言，源142、152可为流过式源。限流器131、132，尤其是较粗糙的那个，即第二限流器132，在某些实施方案中可以是任选的。如果在沉积序列过程中生长机制缓慢，则在某些实施方式中，可在脉冲A和B的过程中关闭排气阀125，而在其它时候打开，以减少前体消耗。在某些实施方案中，沉积反应器与本文示出的实施方式相比倒置实施。
图10示出了作为生产线的一部分的沉积反应器，所述ALD反应器因此为在线ALD反应器(或反应器模块)。可在生产线中使用与前面示出的ALD反应器相似的沉积反应器。图10的示例实施方式示出了生产线中三个相邻的模块或机器。至少一个衬底或者携带所述至少一个衬底的衬底支架或盒或类似物从ALD反应器模块1020前的模块或机器1010经由输入端口或门1021进行接收。所述至少一个衬底在ALD反应器模块1020中经ALD处理并经由输出端口或门1022被送至后面的模块或机器1030以进一步处理。输出端口或门1022可位于ALD反应器模块的与输入端口或门1021的相反侧处。
不限制专利权利要求书的范围和释义，下面列出了本文公开的一个或多个示例实施方式的某些技术效果：一个技术效果为更简单且更经济的沉积反应器结构。另一个技术效果为通过强制对流加热或预热反应室和衬底表面。又一个技术效果为在ALD沉积序列过程中使用干燥空气既作为吹扫气体又作为载气。再一个技术效果为在环境压力或略低于环境压力下进行ALD处理，从而允许ALD反应器/ALD反应器模块方便地用在生产线中。
通过本发明的特定实施和实施方式的非限制性实例，前面的描述提供了本发明人目前构想的实施本发明的最佳方式的全面和翔实的描述。然而，对于本领域技术人员来说，很明显本发明不限于上面示出的实施方式的细节，而是可使用等价的措施在其它实施方式中实施而不偏离本发明的特点。
此外，上面公开的本发明实施方式的一些特征可有利地在不相应地使用其它特征的情况下使用。因此，前面的描述应视为仅是对本发明的原理的示意，而非对其的限制。因此，本发明的范围仅受附随的专利权利要求书的限制。

Claims (17)

1.一种方法，所述方法包括：
运行原子层沉积反应器，所述反应器构造为通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料；和
在所述反应器中使用干燥空气作为吹扫气体。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括：
使用干燥空气作为载气。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括：
在整个沉积序列过程中使干燥空气流入所述反应器的反应室中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：
在所述反应器的反应室的加热中使用干燥空气。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：
加热吹扫气体进给阀下游的干燥空气。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：
提供热从所述反应器的出口部向吹扫气体进给管线加热器的反馈连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：
在环境压力下运行所述原子层沉积反应器，以通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料。
8.根据前述权利要求1-6中任一项所述的方法，所述方法包括：
使用连接到所述反应器的出口部的喷射器，以降低所述反应器中的工作压力。
9.一种装置，所述装置包括：
原子层沉积反应室，其构造为通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料；和
来自干燥空气源的干燥空气进给管线，以向所述反应器的反应室中进给干燥空气作为吹扫气体。
10.根据权利要求9所述的装置，所述装置包括：
前体进给管线，其来自干燥空气源并经由前体源进入所述反应室中，以携带前体蒸气进入所述反应室中。
11.根据权利要求9或10所述的装置，所述装置包括：
加热器，其构造为加热所述干燥空气。
12.根据权利要求11所述的装置，所述装置包括：
吹扫气体进给阀下游的所述加热器。
13.根据前述权利要求9-12中任一项所述的装置，所述装置包括：
热从所述反应器的出口部向吹扫气体进给管线加热器的反馈连接。
14.根据前述权利要求9-13中任一项所述的装置，其中所述反应器为轻便式反应器，其构造为在环境压力下或接近于环境压力下运行。
15.根据前述权利要求9-14中任一项所述的装置，所述装置包括：
连接到所述反应器的出口部的喷射器，以降低所述反应器中的工作压力。
16.一种生产线，所述生产线包括根据前述权利要求9-15中任一项所述的装置作为所述生产线的一部分。
17.一种装置，所述装置包括：
用于运行原子层沉积反应器的设备，所述原子层沉积反应器构造为通过顺序自饱和表面反应来在至少一个衬底上沉积材料；和
用于在所述反应器中使用干燥空气作为吹扫气体的设备。
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