CN107805796A - 一种ald新型反应室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ALD新型反应室，具体包括:下腔体‑1；加热基板装置‑2；进气孔‑3；上腔体‑4；分气板‑5。本发明通过引入多孔洞结构的分气板将通过进气孔的前驱体气体分散成均匀的气流进入反应腔室内部。该设计方法可以使得前驱体在加热基板装置表面均匀分布，有效提高腔体内部气流和气压均匀性，提高生长薄膜的均匀度，同时，该设计方法可以提高沉积效率，减少前驱体使用量。

Description

一种ALD新型反应室
技术领域
本发明涉及原子层沉积(ALD)设备领域，具体涉及一种原子层沉积(ALD)系统的反应室的结构。
背景技术
薄膜材料是指有一维的厚度小于1微米的膜制备的产品，该类材料具有重量轻、强度高、纳米效应等诸多有点而受到了广泛关注，目前常规的制备膜材料的方法有离子束溅射沉积、磁控溅射沉积、电化学沉积、胶体化学法、化学气相沉积和原子层沉积等多种方法，其中原子层沉积方法制备的薄膜具有优异的三维共形性、大面积的均匀性和精确的亚单层膜厚控制等特点，其发展势头强劲，赢得了学术界和工业界的广泛关注。
原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)，是一种特殊的化学气相沉积技术，是通过将气相前驱体脉冲交替通入反应室并在沉积基体表面发生化学吸附反应形成薄膜的一种方法。ALD技术由于具有独特的自限制生长原理使得其在微电子工业和纳米材料领域受到重点关注，2007年Interl公司在半导体工业45nm技术节点上，将ALD沉积的超薄铬基氧化物薄膜引入金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件中，取代传统的二氧化硅栅介质薄膜，获得了功耗更低、速度更快的酷睿微处理器，近年来，ALD技术在微电子、光电子、光学、纳米技术、微机械系统、能源、催化、生物医用、显示器、耐腐蚀及密封涂层等领域的研究方兴未艾，呈现爆发式增长，ALD设备和ALD材料市场也正经历着快速的发展和成长。
ALD技术的核心部件-反应室的设计是决定ALD设备性能的重要部位，常见ALD反应室结构大致可以分为三种：横向流动式、垂直流动式和径向流动式。其中横向流动式也称行波式反应室，其反应室结构很紧凑，顶壁和衬底之间的距离可以非常接近，因此前驱体分子在反应室中横向流动时可以多次撞击沉积表面，增加了分子化学吸附在表面的概率，从而使前驱体利用效率高，反应曝光时间变短，但它的缺点是对非理想化的ALD过程较为敏感，如前驱体的自分解和副产物的再吸附，从而导致厚度的不均匀性。垂直流动式反应室，也称顶部喷射式反应室，是目前最常规的反应室，其前驱体蒸汽的入口分布在反应室顶部，均匀性由ALD自限制生长机理控制，垂直流动式反应室对非理想化的ALD沉积工艺，具有比横向流动式反应室更好的容忍性，它的缺点是由于反应室顶部需要有前驱体的喷淋或喷射装置，因此它的反应室体积通常比横向流动式反应室要大，使得前驱体利用率降低，而且反应室曝光和清洗脉冲的时间变长。当垂直流动式反应室前驱体入口孔与衬底托盘很接近时，就成为径向流动式反应室，其既有横向流动式反应室的前驱体利用率高、生长循环时间短的优点，也可以对非理想化ALD工艺特性有较好的容忍性。
在现有的ALD系统中，反应室中气体靠扩散移动，气体滞留和气流扰动以及基板表面上产生的气流和气压的非均匀性通常会导致沉积出来的薄膜的厚度和其他特性具有不利的非均匀性。针对该问题，多个学者开展了研究，美国专利No.5558717提出利用一种环形节流孔和环形通道方式，但这种方式需要较大的反应室，影响沉积效率。
针对ALD反应室内气体流动不均匀性的问题，在ALD设备开发研究中迫切需要一种装置来改进反应室的设计，使得其在不影响沉积效率基础上，提高沉积薄膜的均匀性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种ALD新型反应室，该新型反应室可以使前驱体在加热基板装置表面均匀分布，有效提高腔体内部气体均匀性，提高生长薄膜的均匀度，同时，该设计方法可以提高沉积效率，减少前驱体使用量。
为实现上述技术目的，本发明设计的一种新型ALD反应室，其特征在于，包括下腔体；加热基板装置；进气孔；上腔体；分气板。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的加热基板装置位于下腔体的中心，其形状与分气板的形状保持一致。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的进气孔含有两个或者两个以上，其中至少有一个进气孔是用于高纯氮气的输送，其他进气孔用于前驱体蒸汽的输送。
作为本发明进一步改进的技术方案，其特征在于所述的上腔体由气体储存空间和外壳组成。
作为本发明进一步改进的技术方案，其特征在于，所述的分气板与上腔体的外壳之间是通过螺钉连接固定的
作为本发明进一步改进的技术方案，其特征在于，所述的分气板包括边缘部位、孔洞和螺栓孔。
作为本发明进一步改进的技术方案，其特征在于，所述孔洞有效面积是1-10mm2,开孔率为30-70％，并分布在板的中间部位。
作为本发明进一步改进的技术方案所述孔洞可为任一种形状或几种形状的组合。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的孔洞的形状为圆形、方形或者两种的组合。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的ALD反应室是垂直流动式反应室，前驱体蒸汽从反应室顶部上腔体向下喷射。
有益效果：
本发明公开了一种ALD新型反应室，即在ALD系统的反应室的上腔体内表面引入具有多孔结构分气板的方式，使前驱体蒸汽和吹扫使用高纯氮气在反应室内可以均匀分布，该设计方法可以有效提高腔体内部气体均匀性，提高生长薄膜的均匀度，同时，该设计方法可以提高沉积效率，减少前驱体使用量；本发明的设计工艺较简单，对现有设备改动较小，不影响ALD整体外观与其他功能，利于推广应用与规模化生产。
附图说明
图1为本发明的反应室结构示意图；
图2为本发明的反应室分气板与上腔体结合示意图；
图3为本发明的反应室分气板示意图；
图4为利用本发明在硅片表面沉积氧化铝薄膜样品照片。
具体实施方式
下面结合图1至图3对本发明的作出进一步说明。
实施例1：一种ALD新型反应室
如图1、图2和图3所示，为本发明实施例结构示意图，所述的新型反应室，如图1所示，具体包括下腔体1；加热基板装置2；进气孔3；上腔体4和分气板5。本发明的ALD反应室是垂直流动式反应室，前驱体蒸汽从反应室顶部上腔体4向下喷射；其中，下腔体1为加热基板装置2提供支撑及提供反应室的空间；加热基板装置2位于下腔体1的中心，其形状与分气板5的形状保持一致，加热基板2是通过对其内部的电阻丝进行通电加热的；气孔3含有两个或者两个以上，其中至少有一个进气孔是用于高纯氮气的输送，其他进气孔用于前驱体蒸汽的输送。
图2展示了分气板与上腔体结合的结构示意图，上腔体4包括气体储存空间6和外壳7，并由其保持装置密封性。其中，气体储存空间7它可以储存前驱体蒸汽与高纯氮气，随后喷射分配到下腔体的加热基板表面，其中分气板5与上腔体的外壳7之间是通过螺钉连接固定的。图3是本发明的核心部件-分气板的结构示意图，其有三部分组成，边缘部位8，孔洞9和螺栓孔10，分气板的外形结构应与下腔体的加热基板保持一致，孔洞有效面积是1-10mm2,开孔率为30-70％，并分布在板的中间部位。
实施例2：利用发明的ALD新型反应室制备氧化铝薄膜
本实施例中，利用本发明的具有分气板装置的新型反应室，其中，孔洞有效面积是为6mm2,开孔率为50％，其他如实施例1，以三甲基铝(TMA)作为铝源，水为氧源，羟基化的硅片作为衬底，开展制备氧化铝(Al2O3)薄膜实验，具体工艺参数如下：
程序 时间(s)
TMA前驱体 0.02
H2O前驱体 0.03
TMA停留时间 5
H20停留 5
TMA吹扫 30
H2O吹扫 30
总循环数 500
经过500次的上述程序循环后，取出硅片，对其形貌和表面粗糙度进行表征，如图4所示，可以发现，硅片表面由原先的亮灰色变成了深褐色，说明其表面沉积了一层物质，利用SEM表征其表面沉积一层厚度为20-30nm氧化铝，这个厚度未使用分气板的ALD需要更多的循环数才能达到的，需要600-700次的循环，同时，沉积的氧化铝薄膜的粗糙度相较于以前的ALD设备制备的产品要稍小一些。
本发明是在ALD系统的反应室的上腔体内表面引入具有多孔结构分气板的方式，使前驱体蒸汽和吹扫使用高纯氮气在反应室内可以均匀分布，该设计方法可以有效提高腔体内部气体均匀性，提高生长薄膜的均匀度，同时，该设计方法可以提高沉积效率，减少前驱体使用量；本发明的设计工艺较简单，对现有设备改动较小，不影响ALD整体外观与其他功能，利于推广应用与规模化生产，具有良好的应用前景。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型ALD反应室，其特征在于，包括下腔体(1)、加热基板装置(2)、进气孔(3)、上腔体(4)、分气板(5)。
2.根据权利要求1所述的新型ALD反应室，其特征在于，所述的加热基板装置(2)位于下腔体(1)的中心，其形状与分气板(5)的形状保持一致。
3.根据权利要求1所述的新型ALD反应室，其特征在于，所述的进气孔(3)含有两个或者两个以上，其中至少有一个进气孔是用于高纯氮气的输送，其他进气孔用于前驱体蒸汽的输送。
4.根据权利要求1所述的新型ALD反应室，其特征在于所述的上腔体(4)由气体储存空间(6)和外壳(7)组成。
5.据权利要求4所述的新型ALD反应室，其特征在于，所述的分气板(5)与上腔体(4)的外壳(7)之间是通过螺钉连接固定的。
6.根据权利要求1所述的新型ALD反应室，其特征在于，所述的分气板(5)包括边缘部位(8)、孔洞(9)和螺栓孔(10)。
7.根据权利要求6所述的新型ALD反应室，其特征在于，所述孔洞(9)有效面积是1-10mm2,开孔率为30-70％，并分布在板的中间部位。
8.根据权利要求6所述的新型ALD反应室，其特征在于所述孔洞(9)可为任一种形状或几种形状的组合。
9.根据权利要求8所述的新型ALD反应室，其特征在于，所述的孔洞的形状为圆形、方形或者两种的组合。
10.根据权利要求1所述的新型ALD反应室，其特征在于，所述的ALD反应室是垂直流动式反应室，前驱体蒸汽从反应室顶部上腔体(4)向下喷射。
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