CN104871293A - 薄膜气相沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜气相沉积装置。薄膜气相沉积装置包括：腔室，其内部具有预设空间；基板支撑部件，配置于腔室内并且基板配置于其上；以及气体供应部件，包括至少一个用以供应处理气体至基板的供应通道，以及含气体活化单元用以活化处理气体的活化通道。在此，活化通道的底部具有开口部，同时活化通道的上部经密封。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜沉积装置，且更具体而言是一种可改善薄膜品质、避免基板损害且藉由原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)增加产能(throughput)的薄膜沉积装置。
背景技术
做为在基板如半导体晶圆(以下，称为“基板”)上形成薄膜的沉积方法，已使用化学气相沉积法(CVD；Chemical Vapor Deposition)、原子层沉积(ALD；Atomic Layer Deposition)等。
图13示出自薄膜沉积方法中的原子层沉积的基本概念的示意图。参照图13，将说明原子层沉积的基本概念于下。首先，供应来源气体(如三甲基铝(TMA；TriMethyl Aluminium))至腔室中。来源气体的来源材料吸附于基板上以在基板上形成吸附层。接着，供应含有未活化气体如氩气(Ar)的冲洗气体至腔室内部。将未吸附于基板上的来源气体的气体成分与冲洗气体由腔室排出。在此之后，供应含有反应物如臭氧(O3)的反应气体至腔室内部。反应气体与吸附于基板上的来源材料反应。然后，供应冲洗气体至腔室内部，并将未与来源材料反应的反应气体与冲洗气体由腔室排出。藉由上述步骤，在基板上形成单一原子层(Al-O)的薄膜层。
根据注入方向与注入各种气体(如来源气体、反应气体、冲洗气体与其他基板表面上的气体)的方法，有各种用于原子层沉积的现有的薄膜沉积装置。然而，现有的薄膜沉积装置有如下问题：其无法同时满足优良的薄膜品质与基板产能(throughput)。换句话说，在达到优良的薄膜品质的情况下，基板产能(throughput)则显著地降低，而相反地，在基板产能改善的情况下，薄膜品质则下降。
此外，如果使用气体活化单元，如等离子体产生器，以改善基板产能，则活化的气体将直接供应至基板，而因此造成基扳的损伤或在基板的边缘区域上造成不必要的薄膜沉积。
发明内容
欲解决的问题
因此，本发明致力于解决先前技术中所发生的上述问题，且本发明的目的是提供一种薄膜沉积装置，其可显著地改善基板产能(throughput)并增进薄膜品质。本发明的另一个目的是提供一种薄膜沉积装置，其可增加基板产能并减少现有的薄膜沉积装置的占用面积(foot print)。此外，本发明的进一步目的是提供一种薄膜沉积装置，其可避免基板的损害，并且亦避免在活化气体供应时薄膜沉积在不必要的区域。
技术解决方案
为了完成上述目的，一种薄膜沉积装置包括：腔室，具有预设的内部空间；基板支撑部件，配置于腔室内并且支撑基板；以及气体供应装置，具有至少一个供应通道及活化通道，供应通道用以供应处理气体至基板，活化通道含气体活化单元用以活化处理气体，其中活化通道具有打开的下部与密封的上部。在薄膜沉积装置中气体供应装置与基板支撑部件中至少一个进行相对于彼此的相对运动。
供应通道包括：至少一个第一供应通道，用以供应来源气体；以及至少一个第二供应通道，用以供应反应气体，且第二供应通道相邻于活化通道。
气体供应装置进一步包括：处理气体引导部件，用以调整处理气体的注入方向。供应通道包括：至少一个第一供应通道，用以供应来源气体；以及至少一个第二供应通道，用以供应反应气体。而且，处理气体引导部件包括：至少一个来源气体引导部件，用以调整来源气体的注入方向；以及反应气体引导部件，用以调整反应气体的注入方向。
气体供应装置进一步包括：排气通道，用以排出基板与气体供应装置间的处理气体。
气体供应装置包括内部排气通道，对称配置于第一供应通道，用以排出残余气体。第二供应通道对称配置于第一供应通道。
气体供应装置进一步包括：外部排气通道，配置在活化通道的外侧。
供应通道包括：至少一个第一供应通道用以供应来源气体；以及至少一个第二供应通道用以供应反应气体。并且，气体供应装置包括：内部排气通道，配置在第一供应通道的一侧，且内部排气通道配置在第一供应通道与第二供应通道之间。此时，气体供应装置不具有任何排出第一供应通道的另一侧与第二供应通道之间的残余气体的排气部件。
由供应通道供应的处理气体通过开口部而导入至活化通道中，使处理气体由气体活化单元活化。由气体活化单元活化的处理气体通过活化通道而供应至基板上，使基板与气体供应装置间未活化的处理气体活化。
气体供应装置包括：外部排气通道，配置于第二供应通道的一侧用以排出残余气体，且外部排气通道对称配置于第一供应通道。
气体供应装置进一步包括：至少一个来源气体引导部件，用以调整来源气体的注入方向；以及反应气体引导部件，用以调整反应气体的注入方向。
此外，薄膜沉积装置进一步包括：附属腔室，具有预设的压力；来源气体供应部件，用以选择性地供应来源气体至腔室与附属腔室；以及排气部件，用以分别自腔室与附属腔室排出来源气体。
来源气体供应部件供应来源气体至附属腔室，直到来源气体的进料量达到预设的进料率，进而供应来源气体至腔室。当供应来源气体至附属腔室时，基板被负载入或卸载出腔室。
为了完成上述目的，一种薄膜沉积方法包括下述步骤：吸附来源气体至基板；第一次活化供应至基板上的反应气体；藉由第一次活化的反应气体，第二次活化未活化的反应气体；以及藉由第二次活化的反应气体与吸附于基板上的来源材料间的化学反应而形成薄膜。不使用用以冲洗来源气体或反应气体的冲洗气体。
发明功效
当基板或气体供应装置沿着直线路径移动时，根据本发明的薄膜沉积装置供应包含处理气体的各种气体，以使基板表面上均匀沉积，因此提供了优良品质的薄膜。
此外，根据本发明的气体供应装置包括：，气体活化单元的等离子体产生部，以提供自由基，因此增进薄膜品质与减少沉积的时间周期。具体而言，当提供自由基时，为了产生自由基的反应气体不是直接由腔室的上部供应至等离子体产生部，而是由“非直接供应的方法”来供应，将由反应气体供应通道注入的反应气体供应至活化通道中的等离子体产生部，因此避免了基板的损害且提供了优良品质的薄膜。
另外，气体供应装置藉由产生自由基的反应气体冲洗残余气体，而不供应冲洗气体，使用于沉积制程的气体总量大幅地降低且简单化装置的结构，因此大幅地降低制造成本。
此外，根据本发明的薄膜沉积装置配置为在主要腔室中进行沉积制程所需的步骤，且在稳定期中稳定来源气体在附属腔室中的起始进料量，因此降低沉积所需的沉积时间周期，并改善基板产能。
附图说明
图1是根据本发明的优选的实施例的薄膜沉积装置的侧剖面图。
图2示出薄膜沉积装置的气体供应装置的结构的侧剖面图。
图3示出图2的反应气体的活化步骤的示意图。
图4至图10示出根据本发明的另一个优选的实施例的薄膜沉积装置的气体供应装置的结构的侧剖面图。
图11示出薄膜沉积装置的基本沉积概念的示意图。
图12是根据本发明的进一步优选的实施例的薄膜沉积装置的示意性方块图。
图13示出根据现有技术的ALD装置的基本概念的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图，对本发明的优选的实施例揭露予以更详细说明。
图1示出根据本发明的优选的实施例的薄膜沉积装置(1000)的内部结构的侧剖面图。
参照图1，薄膜层积装置(1000)包括：腔室(110)，具有预设的内部空间，用以进行基板上的沉积；以及基板负载及卸载元件(未示出)，用以负载与卸载基板。同时，未示出于图中，但薄膜沉积装置可进一步包括：负载锁室，连接腔室(110)的一侧，用以转换真空状态或大气状态；多个舟皿，其上负载将被沉积的基板；以及多个舟皿，其上负载完成沉积的基板。
薄膜层积装置(1000)包括：腔室(110)，具有预设的内部空间；基板支撑部件(150)，配置于腔室(110)内并且支撑基板(W)；以及气体供应装置(200)。在此，气体供应装置(200)包括：至少一个供应通道(210，230)，用以供应处理气体至基板(W)；以及活化通道(240)，具有气体活化单元(300)，用以活化处理气体，以预设距离与基板支撑部件(150)分隔开而相对于基板支撑部件(150)进行相对运动(见图2)。此外，薄膜沉积装置可进一步包括：基板负载及卸载元件，用以负载基板(W)至腔室(110)或由腔室(110)的内部卸载基板。
腔室(110)容纳有基板(W)于其中，以进行基板的沉积，且具有安装各种构件的空间。此外，藉由真空设备如泵(未示出)排出气体以维持内部处于真空状态，而提供进行基板处理工作如沉积的环境。
腔室(110)包括：腔室主体(130)，具有内部空间及打开的上部；以及腔室顶盖(120)，用以开启与关闭腔室主体(130)打开的上部。开口部(134)，配置于腔室主体(130)的一侧，且基板(W)通过开口部而负载进及卸载出腔室(110)。
同时，在腔室(110)顶盖(120)上方配置有供应至少一种处理气体及冲洗气体的气体供应装置(200)，将详细描述于后。
在腔室(110)内部配置有支撑基板(W)的基板支撑部件(150)。基板支撑部件(150)设置成相对于气体供应装置(200)进行相对运动。换句话说，基板支撑部件(150)与气体供应装置(200)中至少一个以预设距离平行另一个而进行相对运动。例如，所有气体供应装置(200)及基板支撑部件(150)可建构成互相进行相对运动，或基板支撑部件(150)及气体供应装置(200)中其中一个可相对于另一个进行相对运动。例如，固定气体供应装置(200)，而移动基板支撑部件(150)；或所有基板支撑部件(150)及气体供应装置(200)皆移动。
然而，在大尺寸或大表面的基板(W)的例子中，为了使基板(W)移动至腔室(110)内部，腔室(110)必须是大尺寸的，但此导致沉积装置的总体占用面积(footprint)增加。因此，为了进行甚至对大尺寸或大表面的基板(W)的沉积，本发明的实施例可以此方式配置：在沉积制程中，固定基板(W)而气体供应装置(200)进行相对于基板(W)的相对运动。例如，可将气体供应装置(200)配置为以预设距离平行于基板(W)而直线移动。同时，如上所述，当基板(W)沿着直线路径进行相对运动时，因整个基板的表面区域以相同的速度移动，在沉积制程中，沉积厚度在整个表面区域是一致的。
在此同时，将加热部件(170)配置于基板(W)支撑部件(150)下方。将加热部件(170)配置在距支撑基板(W)的基板支撑部件(150)的预设距离，并且加热基板(W)。
详细地说，将加热部件(170)沿着基板支撑部件(150)移动路径而配置。加热部件(170)可包括：例如，至少一个加热板(172)及支撑加热板(172)的支撑部(174)。将加热板(172)配置在距支撑基板(W)的基板支撑部件(150)的预设距离，以加热基板(W)。
图2示出图1的气体供应装置(200)的放大剖面图，示出气体供应装置(200)的详细结构。如上所述，基板支撑部件(150)及气体供应装置中至少一个经配置以预设距离平行另一个而进行相对运动。
参照图2，气体供应装置(200)包括：至少一个供应通道(210，230)，用以供应处理气体至基板(W)；以及活化通道(240)，具有气体活化单元(300)用以活化处理气体。
在此实施例中，气体活化单元(300)活化处理气体或反应气体以转变其至活化原子类型或自由基类型的处理气体或反应气体。在此，气体活化单元(300)可具有等离子体产生部、微波产生部、紫外线辐射部及激光辐射部中任一种形式。
在此，在以微波产生部的形式而准备气体活化单元(300)的例子中，微波产生部利用高于109Hz的超高频率来活化处理气体。当微波产生部施加超高频率时，使处理气体转变至活化原子或自由基，然后注入至基板(W)。
此外，在以紫外线辐射部的形式而准备气体活化单元(300)的例子中，处理气体藉来自紫外线辐射部的紫外线辐射转变至活化原子或自由基，然后注入至基板(W)。
再者，在以激光辐射部的形式而准备气体活化单元(300)的例子中，处理气体藉来自激光辐射部的激光辐射转变至活化原子或自由基，然后注入至基板(W)。
在下文中，将说明以等离子体产生部的形式而准备的气体活化单元(300)。气体活化单元(300)包括电源电极(310)，配置在活化通道(240)一侧的内壁上，且供应电源，而活化通道(240)另一侧的内壁是接地的，以做为接地电极。在此例子中，屏蔽构件(312)配置于活化通道(240)一侧的内壁上，且屏蔽构件(312)支持电源电极(310)。电源电极(310)及气体供应装置(200)藉由屏蔽构件(312)而彼此电性分离，使电源电极(310)电性屏蔽于气体供应装置(200)。在此例子中，屏蔽构件(312)作为支撑部用以支撑电源电极(310)且电性屏蔽电源电极(310)。
在此实施例中，气体供应装置(200)以此方式配置：供应由供应通道(230)供应的处理气体至活化通道(240)。即，不直接供应处理气体或反应气体至配置有气体活化单元(300)的活化通道(240)，而采用“非直接供应的方法”，导入或供应由供应通道(230)供应的处理气体或反应气体至活化通道(240)。如上所述，提供处理气体至气体活化单元(300)时，采用非直接供应的方法，为了以下理由。
一般而言，在利用气体活化单元活化处理气体的用以沉积基板的装置的例子中，装置直接供应其中一种处理气体，例如反应气体，如O2，至配置有气体活化单元的空间、区域或通道中。在此例子中，反应气体由气体活化单元活化且供应至位于气体活化单元下的基板以进行沉积制程。
然而，在现有的装置中，因为直接供应反应气体至配置有气体活化单元的空间、区域或通道中，当反应气体被活化时，在气体活化单元的内壁上和/或空间、区域或通道中可能形成不期望的膜。在形成此膜的例子中，因为气体活化单元的效率可能大幅减少，故需要周期性地除去在区域上沉积的膜，但此可能增加为维护沉积装置所需的一段时间与花费。此外，在现有的装置中，因为藉由气体活化单元活化或自由基化的反应气体是直接供应至基板(W)，活化的反应气体可能损害基板(W)，因此，为了解决上述问题，根据本发明的实施例的气体供应装置(200)在配置气体活化单元(300)的例子中，不直接供应处理气体或反应气体至气体活化单元(300)，而将由用于供应反应气体的供应通道(230)所供应的反应气体导入或供应至活化通道(240)。
详细地说，活化通道(240)可具有闭合的上部及朝向下方基板(W)打开的下部。在此例子中，活化通道(240)的上部可由外盖(202)屏蔽，用以密封腔室顶盖(120)的开口部。同时，在气体供应装置(200)中，供应通道(230)与活化通道(240)可彼此相邻。也就是说，供应通道(230)与活化通道(240)相邻，而通过供应通道(230)下部供应的处理气体和/或反应气体导入至相邻的活化通道(240)。如上所述，活化通道(240)是朝向基板(W)打开的，且包括如图中所示配置于活化通道(240)下部的开口部(242)，而使由供应通道(230)供应的处理气体通过开口部(242)而供应至活化通道(240)，以藉由气体活化单元(300)来活化。此外，藉由气体活化单元(300)活化的处理气体通过活化通道(240)而供应至基板(W)上，以活化流动于基板(W)与气体供应装置(200)间的未活化的处理气体。
图3示出在气体供应装置(200)中处理气体或反应气体被活化的反应过程的示意图。
参照图3，在以等离子体产生部的形式而准备气体活化单元(300)的例子中，包括电源电极(310)，配置在活化通道(240)一侧的内壁上，且提供电源供应至电源电极，而活化通道(240)另一侧的内壁是接地的，以做为接地电极。
在此例子中，由相邻的供应通道(230)供应反应气体(例如O2气体)通过形成于活化通道(240)下部的开口部(242)而被导入至活化通道(240)中，且同时沿着基板(W)的上部流动。导入至活化通道(240)中的O2气体藉由气体活化单元(300)活化且转变至活化原子或自由基。如上所述，转变至活化原子或自由基的O2气体影响了邻近的O2气体，使邻近的O2气体也转变至活化原子或自由基。因此，直接藉由气体活化单元(300)活化的O2气体存在于邻近气体活化单元(300)的区域(A)中，而藉由自由基化的气体非直接活化的O2气体则存在于与气体活化单元(300)略间隔开的区域(B)中，例如，在活化通道(240)的下部区域中或在活化通道(240)与基板(W)间的区域中。最后，在邻近气体活化单元(300)的区域(A)中，气体以直接等离子体(direct plasma)的形式而活化，而在于与气体活化单元(300)略间隔开的区域(B)中，气体则以远程等离子体(remote plasma)的形式而活化。因此，反应气体不是以直接等离子体的形式，而是以远程等离子体的形式供应至基板(W)。如上所述，在反应气体以远程等离子体的形式供应至基板(W)的例子中，损害是可防止的。同时，在此实施例中，因为处理气体或反应气体不是直接供应至活化单元(300)，故在气体活化单元(300)上沉积的膜可减少。最终，本发明的实施例可解决发生在现有的气体供应装置的气体活化单元中的问题。在下文中，参照图2，将更详细地说明气体供应装置(200)的结构。
参照图2，气体供应装置(200)包括外盖(202)，以密封腔室顶盖(120)打开的部份。
为了密封腔室顶盖(120)的开口部，于腔室顶盖(120)上配置外盖(202)。因此，示出于图中，为了密封外盖(202)与腔室顶盖(120)的间隙，可以配置垫片(未示出)。外盖(202)可包括各种管道以供应处理气体至供应通道(210，230)或排出废气，将说明于下。
详细地说，外盖(202)可包括第一供应管道(410)，用以供应来源气体(或‘第一处理气体’)。第一供应管道(410)与来源气体供应源(未示出)连接，以供应来源气体至气体供应装置(200)的第一供应通道(210)，将说明于下。此外，外盖(202)可进一步包括第二供应管道(430)，用以供应反应气体(或‘第二处理气体’)。第二供应管道(430)与反应气体供应源(未示出)连接，以供应反应气体至第二供应通道(230)。此外，外盖(202)可进一步包括排气管道(420，440)，用以排出由供应通道(210，230)供应的处理气体。排气管道(420，440)与泵部件(未示出)连接，以藉由泵部件的抽气动作排出腔室(110)内部的残余气体。
如上所述，气体供应装置(200)包括供应通道(210，230)，用以供应处理气体，即来源气体和/或反应气体。气体供应装置(200)中配置有供应通道(210，230)中至少一个，优选为配置有多个供应通道。供应通道可包括至少一个第一供应通道(210)，用以供应来源气体；至少一个第二供应通道(230)，用以供应反应气体。此外，气体供应装置(200)可进一步包括排气通道(220，250)，用以排出流动于基板(W)与气体供应装置(200)间的处理气体。
根据此实施例的气体供应装置(200)包括第一供应通道(210)，配置在气体供应装置的中央用以供应来源气体，且气体供应装置可以第一供应通道(210)为基准对称地配置。详细地说，包括第一供应单元(212)；以及第一供应通道(210)，配置在第一供应单元(212)的内部面。
上述结构在基板(W)与气体供应装置(200)的相对运动是往复于预设距离的往复运动的例子中是较佳的。例如，当基板(W)沿着预设长度的直线移动路径往复时，甚至在只配置一个气体供应装置(200)的例子中，仍可充分地沉积沿着气体供应装置(200)的下部移动的基板(W)。此外，当基板(W)在一方向与相反方向往返时，较佳的是气体供应装置(200)以其中间的第一供应通道(210)为基准对称地形成，藉此即使基板以任意方向移动仍可被沉积。
第一供应通道(210)由第一供应管道(410)获得来源气体，且供应来源气体至位于第一供应通道下方的基板(W)。在此同时，气体供应装置(200)可包括一对内部排气通道(220)，配置于第一供应通道(210)的两侧用以排出残余气体。为了避免由第一供应通道(210)供应的来源气体与反应气体混合，则以第一供应通道(210)为基准对称地配置一对排气通道(220)，将说明于下。
气体供应装置可包括相邻于内部排气通道(220)的用以供应反应气体的第二供应通道(230)。在本发明的实施例中，第二供应通道(230)以第一供应通道(210)为基准对称地配置。第二供应通道(230)由第二供应管道(430)获得反应气体，且供应反应气体至位于第二供应通道下方的基板(W)。详细地说，气体供应装置包括第二供应单元(232)及配置于第二供应单元(232)内部的第二供应通道(230)。
在此例子中，内部排气通道(220)配置在第一供应单元(212)与第二供应单元(232)之间的空间中。即是，本发明的实施例对于内部排气通道(220)不需要额外的单元，而使气体供应装置的材料花费减少，且使总体积减少。
此外，气体供应装置(200)可包括相邻于第二供应通道(230)的活化通道(240)。活化通道(240)在其上部是密封的，且在其下部配置有开口部(242)，藉此使活化通道朝向基板(W)是打开的。如上所述，活化通道(240)有气体活化单元(300)用以活化反应气体，且供应反应气体，将由相邻的第二供应通道(230)供应的反应气体通过开口部(242)而导入至活化通道(240)，然后将反应气体活化。活化通道(240)的结构与运作已说明于上，因此将省略重复的说明。同时，未示出于图中，但活化通道可配置于第一供应通道与第二供应通道之间，即于第一供应单元与第二供应单元之间。
因此，在气体供应装置(200)中，用于排出残余气体的内部排气通道(220)与用于供应反应气体的第二供应通道(230)以第一供应通道(210)为基准而对称地配置，且活化通道(240)配置相邻于第二供应通道(230)。
在此同时，气体供应装置(200)可进一步包括外部排气通道(250)，配置于活化通道(240)的外侧，用以排出残余气体。将由第二供应通道(230)供应的反应气体通过活化通道(240)的下部导入至活化通道(240)或在经过活化通道(240)后供应至气体供应装置(200)的边缘。在藉由基板(W)与气体供应装置(200)的相对运动进行沉积的例子中，当反应气体由气体供应装置(200)漏出时，可能会降低下一次沉积制程的效率。因此，将外部排气通道(250)配置在气体供应装置(200)的边缘，即在活化通道(240)的外侧，而排出残余气体，即供应后的反应气体。
最后，将气体供应装置(200)以位于中央用以供应来源气体的第一供应通道(210)为基准对称地配置，且依序包括内部排气通道(220)；第二供应通道(230)，用以供应反应气体；活化单元(240)，具有用以活化反应气体的气体活化单元(300)；以及外部排气通道(250)。
由第一供应通道(210)供应的来源气体在基板(W)的上部上形成单一分子层，且通过内部排气通道(220)排出。接着，供应至基板(W)的反应气体通过第二供应通道(230)沿着基板(W)的上部移动，且通过相邻的活化通道(240)的开口部(242)而导入至活化通道(240)中。导入至活化通道(240)中的反应气体藉由气体活化单元(300)而活化，且位于活化通道(240)下方的反应气体也藉由连续的反应而活化，然后与基板(W)的来源材料反应，而形成单一原子层的薄膜。经过活化通道(240)的残余气体由外部排气通道(250)排出。
在此同时，气体供应装置(200)不供应含有未活化气体如氩气(Ar)的冲洗气体。图11示出根据本发明的实施例的薄膜沉积装置的基本沉积概念的示意图。参照图11，根据本发明的实施例的薄膜沉积装置注入含有来源材料的来源气体至基板上，然后简单地排出未反应的残余气体而未供应未活化的冲洗气体。因此，藉由注入含有反应物如臭氧(03)的反应气体与来源材料反应，且简单地排出未反应的材料/副产物，而未供应未活化的冲洗气体，根据本发明的实施例的薄膜沉积装置在基板上形成单一原子层(Al-O)。因此，本发明的实施例不需要供应冲洗气体，因为透过简单的排出过程可充分地排出残余气体，而因此避免反应气体与来源气体相混合。
现在，具有上述结构的薄膜沉积装置(1000)的沉积制程将说明如下。
首先，薄膜层积装置(1000)藉由气体供应装置(200)供应来源气体至基板(W)上，以此方式使来源气体吸附于基板(W)上。在此例子中，将来源气体通过气体供应装置(200)的第一供应通道(210)供应至基板(W)上。供应至基板(W)上的来源气体被吸附于基板(W)。而未被吸附于基板(W)的来源气体则由气体供应装置(200)的内部排气通道(220)排出。
在此同时，将反应气体由气体供应装置(200)供应至基板(W)上。在此例子中，反应气体由气体供应装置(200)的第二供应通道(230)供应至基板(W)上。如上所述，供应至基板(W)上的反应气体沿着基板(W)与气体供应装置(200)间的空间流动，且一些反应气体被导入至活化通道(240)中。
在此，将注入至基板(W)上与流动于基板(W)与气体供应装置(200)间的反应气体活化。活化的步骤包括：第一次活化步骤，由配置于气体供应装置(200)中的气体活化单元(300)第一次活化反应气体；第二次活化步骤，由在第一次活化步骤中第一次活化的反应气体第二次活化在基板(W)与气体供应装置(200)间的反应气体。即在第一次活化步骤中，导入至活化通道(240)中的反应气体由气体活化单元(300)直接活化。在此之后，在第二次活化步骤中，在第一次活化步骤中活化的反应气体非直接地活化流动于基板(W)与气体供应装置(200)间的未活化的反应气体。
接下来，第二次活化的反应气体与吸附于基扳(W)上的来源材料进行化学反应，而形成单一原子层薄膜。在薄膜沉积后残留的气体则由内部排气通道和/或外部排气通道(220，250)排出。同时，在上述步骤中，基板(W)与气体供应装置(200)中至少一个进行相对于另一个的相对运动。
在此同时，原子层沉积是藉由注入来源气体，如三甲基铝(TMA；TriMethyl Aluminium(CH3)3Al，以下简称‘TMA’)，以在基板上吸附单一分子层，并且藉由注入含有反应物的反应气体，如臭氧(O3)，以在基板上形成单一原子层(Al-O)。因此，在原子层沉积中，调整所供应的处理气体的量是重要的，特别是，调整来源气体TMA的供应量。换句话说，原子层沉积由仅一次的沉积制程而形成单一原子层，而当重复沉积制程时，则可形成期望厚度的薄膜。如果由一次的沉积制程，不是形成单一原子层而是形成多个原子层，则无法保证薄膜的品质，且根据沉积制程的次数调整薄膜的厚度是困难的。为了形成单一原子层，当供应TMA时，在沉积制程期间避免TMA供应多于需要的进料流率是重要的。如果，TMA供应多于需要的进料流率，在基板上可能形成多个分子层。为了供应TMA少于进料流率，必须控制来源气体供应源或供应TMA的第一供应管道。然而，因为TMA被加压且藉由蒸气压而供应，降低供应量至小于进料流率可能是困难的。此外，在由原子层沉积的薄膜沉积装置的例子中，避免供应至基板(W)的来源气体及反应气体直接互相混合是重要的。因此，在下文中，将说明另一个优选的薄膜沉积装置的实施例，其包括处理气体引导部件，用以调整来源气体TMA进料量与调整处理气体的注入方向，以避免来源气体与反应气体混合。处理气体引导部件可包括：至少一个来源气体引导部件(500，见图4)，用以调整来源气体的注入方向；以及反应气体引导部件(600，见图6)，用以调整反应气体的注入方向。在下文中，将更详细地说明处理气体引导部件。
图4示出根据本发明的另一个优选的实施例的气体供应装置的结构的侧剖面图。此实施例与上述的实施例不同，其不同在于薄膜沉积装置进一步包括在第一供应通道(210)下方的来源气体引导部件(500)。
参照图4，根据此实施例的气体供应装置(200)进一步包括：来源气体引导部件(500)，用来调整来源气体的注入方向，而调整来源气体至基板(W)的注入量或进料量。
例如，来源气体引导部件(500)配置于具有第一供应通道(210)的第一供应单元(212)下方，且垂直配置于第一供应通道。在此例子中，用于排出供应的来源气体的内部排气通道(220)配置在第一供应通道(210)的两侧，且具有预设尺寸的供应狭缝(505)形成于来源气体引导部件(500)与内部排气通道(220)的内壁间(即，第二供应单元(232)的外壁)。因此，通过第一供应通道(210)供应的来源气体藉由来源气体引导部件(500)而弯曲方向，使相对大量的来源气体通过内部排气通道(220)而排出，而相对小量的来源气体通过供应狭缝(505)而供应至基板(W)。最后，透过位于第一供应单元(212)下方的来源气体引导部件(500)，根据本发明的实施例的薄膜沉积装置可藉由调整来源气体供应至基板(W)的注入方向，而降低来源气体的进料量。
同时，图5示出根据本发明的另一个优选的实施例的来源气体引导部件(510)的结构。此实施例与图4的实施例不同，其不同在于来源气体引导部件(510)是与第一供应单元(212)分隔开而与内部排气通道(220)末端部份连结。在此例子中，来源气体引导部件(510)可由内部排气通道(220)末端部份，即第二供应单元(232)的末端部份，延伸至第一供应通道(210)。
参照图5，第一供应通道(210)短于内部排气通道(220)，且来源气体引导部件(510)由第二供应单元(232)的外壁凸出至第一供应通道(210)。一对来源气体引导部件(510)各自由第二供应单元(232)的外壁凸出至第一供应通道(210)，且将来源气体引导部件(510)间的空间当作供应狭缝(512)来供应来源气体。因此，由第一供应通道(210)供应的来源气体扩散至第一供应通道(210)与来源气体引导部件(510)之间的空间。相对大量的气体通过内部排气通道(220)而排出，而相对小量的气体通过供应狭缝(512)而供应至基板(W)。
同时，来源气体引导部件(500，510)可与具有第一供应通道(210)的第一供应单元(212)一体成形，或可藉由另外的构件连接第一供应单元(212)。
图6到图9示出根据本发明的另一个优选的实施例的气体供应装置，用以避免反应气体与来源气体的混合且引导反应气体和/或来源气体的注入方向。在图中，气体供应装置(200)可进一步包括反应气体引导部件(600)，用以避免由第二供应通道(230)供应的反应气体与来源气体混合，且用以引导反应气体面向活化通道(240)。图6到图8分别示出在图2、4及5的气体供应装置中额外地配置反应气体引导部件(600)的实施例。此外，图9示出另一个实施例，其第一供应通道(210)相对短于内部排气通道(220)，以避免反应气体与来源气体彼此直接混合，且其配置有反应气体引导部件(600)。
参照图6到图9，反应气体引导部件(600)配置于具有第二供应通道(230)的第二供应单元(232)的末端部份用以提供反应气体，且引导由第二供应通道(230)供应的反应气体的流动路径至面向活化通道(240)。
详细地说，反应气体引导部件(600)可由具有第二供应通道(230)的第二供应单元(232)凸出预设的长度至活化通道(240)。因此，由第二供应通道(230)供应的反应气体不与来源气体混合，而是面向活化通道(240)。反应气体引导部件(600)可与具有第二供应通道(230)的第二供应单元(232)一体成形，或可藉由另外的构件连接第二供应单元(232)。同时，图7及图8中的来源气体引导部件(500，510)已说明于上，因此将省略重复的说明。
图10是根据本发明的另一个优选的实施例的气体供应装置(200)的侧剖面图。此实施例与上述的实施例不同，不同在于其非配置一对内部排气通道，而是仅配置用以排出来源气体的一个内部排气通道(220)。
参照图10，气体供应装置(200)包括：第一供应通道(210)，用以供应来源气体；至少一个第二供应通道(230)，用以供应反应气体；内部排气通道(220)，配置于第一供应通道(210)的一侧，内部排气通道(220)配置于第一供应通道(210)与第二供应通道(230)之间；以及外部排气通道(250)，配置在第二供应通道(230)的一侧，用以排出残余气体。在此例子中，内部排气通道(220)的末端部份与第一供应通道(210)的末端部份相连通。此外，第二供应通道(230)及外部排气通道(250)可以第一供应通道(210)为基准对称地配置。
详细地说，用以排出来源气体的内部排气通道(220)配置在用以供应为处理气体中的一种的来源气体的第一供应通道(210)的一侧。也就是说，与上述实施例不同，根据此实施例的薄膜沉积装置非在第一供应通道(210)的两侧具有一对排气通道，而是仅在第一供应通道(210)的一侧具有一个内部排气通道(220)。参照图10，内部排气通道(220)配置于第一供应通道(210)的右侧。然而，当然，本发明的实施例不限于上，而内部排气通道可配置于第一供应通道(210)的左侧。
同时，第一供应通道(210)与至少一个第二供应通道(230)可彼此邻接。也就是说，在仅有一个内部排气通道(220)的例子中，在未配置有内部排气通道(220)的一侧，第一供应通道(210)与第二供应通道(230)彼此邻接，且更详细地说，具有第一供应通道(210)的第一供应单元(212)与具有第二供应通道(230)的第二供应单元(232)彼此邻接。此外，在未配置有内部排气通道(220)的第一供应通道(210)的另一侧，即在第一供应通道(210)的另一侧与第二供应通道(230)之间，未配置有任何用以排出残余气体的排气部件。如上所述，因为排气通道只配置在第一供应通道(210)的一侧，故气体供应装置(2000)的总体结构可以更简单化，且因此可以缩小气体供应装置(2000)的总体积。
然而，在上述结构中，因为内部排气通道(220)配置在第一供应通道(210)的一侧，即只在第一供应通道(210)的右侧，所以根据基板(W)的移动方向，可能不能有效地将来源气体排出，也就是说，在图10中，当气体供应装置(200)往左移动(在此例子中基板(W)往右移动)，由第一供应通道(210)供应的来源气体能相对顺利地排出至内部排气通道(220)，相反地，当气体供应装置(200)往右移动(在此例子中基板(W)往左移动)，由第一供应通道(210)供应的来源气体则不能相对顺利地排出至内部排气通道(220)，因此，在此实施例中，气体供应装置可进一步包括来源气体引导部件(520)，以改变由第一供应通道(210)供应的来源气体的移动方向。
例如，来源气体引导部件(520)可以在垂直的方向或以预设角度倾斜的方式，由具有第一供应通道(210)的第一供应单元(212)的末端部延伸至内部排气通道(220)。参照图10，来源气体引导部件(520)是以在垂直的方向，由第一供应通道(210)的末端部延伸至内部排气通道(220)，但是本发明的实施例不限定于上，且可向上或向下倾斜而形成。因此，来源气体供应的方向或来源气体供应至基板(W)的角度可根据来源气体引导部件(520)的倾斜角度来调整。来源气体引导部件(520)可与第一供应单元(212)一体成形，以形成第一供应通道(210)，或可藉由另外的构件连接第一供应单元(212)。
由第一供应通道(210)供应的来源气体藉由来源气体引导部件(520)而改变移动方向以面对内部排气通道(220)，且因此，相对大量的气体排出至内部排气通道(220)，而相对小量的气体供应至基板(W)。最后，根据本发明的实施例的薄膜沉积装置可藉由来源气体引导部件(520)来改变来源气体的移动方向，以更顺利地由排气通道排出来源气体，且可降低供应至基板的来源气体的量，以更准确地进行沉积制程。同时，来源气体引导部件(520)与第一供应单元(212)分隔开且形成于内部排气通道(220)的末端部。在此例子中，来源气体引导部件由内部排气通道(220)的末端部延伸至第一供应通道(210)。
在此同时，气体供应装置(200)包括第一供应通道(210)，配置于气体供应装置的中央用以供应来源气体；以及内部排气通道(220)用以排出残余气体，且气体供应装置可以第一供应通道(210)与内部排气通道(220)为基准对称地配置。因为，用以供应反应气体的第二供应通道(230)，具有气体活化单元(300)的活化通道(240)，及外部排气通道(250)与上述的实施例的该些构件相似，将省略其重复的说明。此外，根据此实施例的气体供应装置(200)可包括上述反应气体引导部件(600)。因已说明于上，故将省略反应气体引导部件(600)的重复说明。
同时，在由原子层沉积的薄膜沉积装置的例子中，改善基板产能(throughput)是重要的，且为此，降低沉积的时间周期也是重要的。然而，为了进行沉积制程，例如，在沉积Al2O3的例子中，起初将供应TMA，且在此例子中，一般而言TMA的起始进料量仍多于沉积制程所需的进料量，且在一些例子中，必须供应气相的来源气体，但可能供应了液相的来源气体，如上所述，如果供应了过多的TMA或供应了液相的来源气体，在沉积制程期间，则可能不是形成单一原子层而是多个原子层，且因此造成薄膜的品质及沉积制程的准确度的下降。因此，在供应TMA为来源气体的例子中，必须具有时间周期(以下，称为‘稳定期’)，藉由减少来源气体的进料量直到达到沉积制程中所需的进料量，以稳定沉积制程。最后，在稳定期中，不能准确地进行沉积制程，且会排出来源气体直到来源气体的进料量稳定为止，使得沉积制程周期增加。如果沉积周期延长，则会导致薄膜沉积装置的基板产能(throughput)的下降及初始薄膜品质的下降(如R.I、蚀刻率、膜密度等)。以下，将说明根据一个进一步的实施例以解决上述问题的薄膜沉积装置。
图12示出根据本发明的进一步实施例的薄膜沉积装置结构的示意性方块图。
参照图12，薄膜沉积装置(2000)包括：腔室(1210)，容纳基板(W)用以进行沉积制程；附属腔室(1220)，具有实质上与在腔室(1210)中进行沉积制程的压力相同的压力或预设量(300mmTorr～1.2Torr)的真空压力；来源气体供应部(1300)，用以选择性地供应来源气体至腔室(1210)与附属腔室(1220)；排气部件(1240)，分别适用于排出腔室(1210)与附属腔室(1220)中的来源气体；以及控制部件(1242，1244)，用以调整排气部件(1240)的排气量。
腔室(1210)容纳基板(W)于其中以进行沉积制程，且因已经说明于上，将省略腔室的说明。
同时，附属腔室(1220)具有内部压力实质上与在腔室(1210)中进行沉积制程的压力相同的压力或预设量(300mmTorr～1.2Torr)的真空压力。对此，附属腔室(1220)可具有预设的空间或可直接配置于排出气体的管道结构的内部(未示出于图中)。在此例子中，附属腔室(1220)越大，薄膜沉积装置(2000)的总体占用面积(footprint)越大，而因此可将附属腔室(1220)配置成小于腔室(1210)。附属腔室(1220)具有阀门以调整预设量的压力且具有可同时放入来源气体与非活化气体(Ar、N2、He及其他)的结构。
同时，在稳定期中，在供应来源气体至腔室(1210)前，来源气体供应部(1300)供应来源气体至附属腔室(1220)。如上所述，当初始供应TMA为来源气体时，如果TMA的起始进料量仍多于沉积制程所需的进料量，来源气体会先供应至附属腔室(1220)直到TMA的进料量稳定为止。在稳定期中，供应至附属腔室(1220)的来源气体由排气部件(1240)排出至腔室外。持续地，在稳定期经过之后，当来源气体的进料量达到沉积所需的进料量时，来源气体供应部(1300)停止供应来源气体至附属腔室(1220)而供应来源气体至腔室(1210)。也就是说，在来源气体进料量达到先前预设的供应率的稳定期中，来源气体供应部(1300)供应来源气体至附属腔室(1220)，然后，在来源气体的进料量达到所需的进料率后，供应来源气体至腔室(1210)。
在稳定期中藉由来源气体供应部(1300)供应来源气体至附属腔室(1220)，沉积制程必要的步骤则可在腔室(1210)中进行。例如，可将腔室(1210)上未形成薄膜的基板(W)负载至腔室(1210)中。此外，可将其上已形成薄膜且处理完成的基板(W)由腔室(1210)中卸载，并且可调整腔室(1210)的内部压力。在稳定期中，为稳定来源气体的进料量，而将来源气体由附属腔室中排出。附属腔室的排气可避免来源气体藉由在与连接腔室的来源气体供应管道中的饱和蒸气压而相变化至液相，并以避免液相来源材料的供应。最后，腔室(1210)可进行沉积制程所需的准备步骤且可稳定在附属腔室(1220)中的来源气体的进料量，以降低沉积制程所需的总时间周期。因此，根据本发明的实施例的薄膜沉积装置由于沉积的时间周期的降低，而可增加基板的占用面积(footprint)。
来源气体供应部(1300)可以各种方式实施，例如，可包括：来源气体储存部件(1230)，用以储存来源气体；第一供应管道(1212)，用以连接来源气体储存部件(1230)与腔室彼此；第二供应管道(1222)，分支自第一供应管道(1212)以供应来源气体至附属腔室(1220)；以及阀门(1250)，用以选择性地开启第一供应管道(1212)与第二供应管道(1222)。
因此，在初始供应来源气体的例子中，当使用者操纵阀门(1250)时，来源气体通过第二供应管道(1222)供应至附属腔室(1220)，接下来，在稳定期经过之后，当来源气体的进料量稳定时，使用者再次操纵阀门(1250)，以通过第一供应管道(1212)供应来源气体至腔室(1210)。
如上所述，尽管已参考例示性实施例具体地示出且描述了本发明，但本领域中具有通常知识者应理解，上述本发明的实施例是例示性的，在不脱离如由所附权利要求所定义出的本发明的技术理念与范畴的情况下，可在本发明中进行各种改变与修饰。因此，应理解的本发明的改变与修饰应属于本发明技术的范围内，如果其本质上包括由所附权利要求所定义的构件与部件。
Claims (20)
1.一种薄膜沉积装置，包括：
腔室，具有预设的内部空间；
基板支撑部件，配置于所述腔室内并且支撑基板；以及
气体供应装置，具有至少一个供应通道及活化通道，所述供应通道用以供应处理气体至所述基板，所述活化通道含有气体活化单元用以活化所述处理气体，
其中所述活化通道具有打开的下部与密封的上部。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置与所述基板支撑部件中至少一个进行相对于彼此的相对运动。
3.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中所述供应通道包括：
至少一个第一供应通道，用以供应来源气体；以及
至少一个第二供应通道，用以供应反应气体，且所述第二供应通道相邻于所述活化通道。
4.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置进一步包括：
处理气体引导部件，用以调整所述处理气体的注入方向。
5.根据权利要求4所述的薄膜沉积装置，其中所述供应通道包括：
至少一个第一供应通道，用以供应来源气体；以及
至少一个第二供应通道，用以供应反应气体；且
其中，所述处理气体引导部件包括：
至少一个来源气体引导部件，用以调整所述来源气体的注入方向；以及
反应气体引导部件，用以调整所述反应气体的注入方向。
6.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置进一步包括：
排气通道，用以排出所述基板与所述气体供应装置间的所述处理气体。
7.根据权利要求3所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置包括内部排气通道，对称配置于所述第一供应通道，用以排出残余气体。
8.根据权利要求3所述的薄膜沉积装置，其中所述第二供应通道对称配置于所述第一供应通道。
9.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置进一步包括：
外部排气通道，配置在所述活化通道的外侧。
10.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中所述供应通道包括：
至少一个第一供应通道，用以供应来源气体；以及
至少一个第二供应通道，用以供应反应气体；且
其中，所述气体供应装置包括：
内部排气通道，配置在所述第一供应通道的一侧，且所述内部排气通道配置在所述第一供应通道与所述第二供应通道之间。
11.根据权利要求10所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置不具有任何排出所述第一供应通道的另一侧与所述第二供应通道之间的残余气体的排气部件。
12.根据权利要求10所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置包括：
外部排气通道，配置于所述第二供应通道的一侧，用以排出残余气体，且所述外部排气通道对称配置于所述第一供应通道。
13.根据权利要求10所述的薄膜沉积装置，其中所述气体供应装置进一步包括：
至少一个来源气体引导部件，用以调整所述来源气体的注入方向；以及
反应气体引导部件，用以调整所述反应气体的注入方向。
14.根据权利要求1至13任一项所述的薄膜沉积装置，进一步包括：
附属腔室，具有预设的压力；
来源气体供应部件，用以选择性地供应所述来源气体至所述腔室与所述附属腔室；以及
排气部件，用以分别自所述腔室与所述附属腔室排出所述来源气体。
15.根据权利要求14所述的薄膜沉积装置，其中所述来源气体供应部件供应所述来源气体至所述附属腔室，直到所述来源气体的进料量达到预设的进料率，进而供应所述来源气体至所述腔室。
16.根据权利要求15所述的薄膜沉积装置，其中当供应所述来源气体至所述附属腔室时，所述基板被负载入或卸载出所述腔室。
17.根据权利要求1至10任一项所述的薄膜沉积装置，其中由所述供应通道供应的所述处理气体通过开口部而导入至所述活化通道中，使所述处理气体由所述气体活化单元活化。
18.根据权利要求17所述的薄膜沉积装置，其中由所述气体活化单元活化的所述处理气体通过所述活化通道而供应至所述基板上，使所述基板与所述气体供应装置间未活化的所述处理气体活化。
19.一种薄膜沉积方法，包括下述步骤：
吸附来源气体至基板；
第一次活化供应至所述基板上的反应气体；
藉由第一次活化的所述反应气体，第二次活化未活化的所述反应气体；以及
藉由第二次活化的所述反应气体与吸附于所述基板上的来源材料间的化学反应而形成薄膜。
20.根据权利要求19所述的薄膜沉积方法，其中不使用用以冲洗所述来源气体或所述反应气体的冲洗气体。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170926 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |