CN108070844A - 原子层沉积设备及其抽气速率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种用于一原子层沉积设备的抽气速率控制方法及使用此方法的原子层沉积设备。该原子层沉积设备包含反应室、供气装置、抽气装置及并联管路，该供气装置连接至该反应室以选择性提供该反应室至少二反应气体及至少一清泄气体，该抽气装置连接至该反应室以对该反应室抽气，该并联管路连接该供气装置及该抽气装置并包含并联控制阀门，该供气装置经由该并联管路提供该抽气装置不与该反应气体反应的负载气体。通过控制该并联控制阀门的开、闭，可改变该抽气装置的抽气负载，进而达到改变该抽气装置对该反应室的抽气速率的目的。

Description

原子层沉积设备及其抽气速率控制方法

技术领域

本发明关于一种原子层沉积设备，尤指一种关于原子层沉积设备的抽气速率控制方法。

背景技术

原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)制造工艺是使基板在两种不同反应气体(前驱物)环境下交替浸泡(soak)，经反应后于其上形成单层膜(monolayer)。两种不同反应气体不能同时存在于反应室中，否则两种反应气体反应而产生大量颗粒状污染物，因此反应气体的交替过程间要经过适当的清泄(purge)程序(例如以清泄气体清洗反应室)。为提升反应气体的使用率，反应室的容积(volume)愈小愈好。此外，在浸泡状态时关闭抽气阀门可进一步提升反应气体使用率。然而，瞬间启动的真空(抽气)易使粉尘(particulates)(包含存在于反应室内的污染物)扬起而破坏镀膜品质，且于较小的反应室中，此问题将更形严重。对此问题，通常于浸泡状态时，可对反应室保持抽气，以使反应室内的气体能保持一定程度流动状态，进而抑制粉尘的扬起。此时，为避免反应气体过度浪费，抽气泵通常以较低的抽气速率运作。但于清洁程序时，抽气泵需增加抽气速率以缩短清洁程序所耗时间。

对此抽气速率需求目前有以改变(或切换)气体流路(例如使用特殊设计的进气室或进气网(Shower)或快速转动孔状轮盘)的方式实作者，但其反应室机构复杂，且切换动作均为机械式，速度慢，制造工艺时间因而增加。另有以改变抽气阀门的阀体设计(例如节流阀、蝴蝶阀)的方式实作者，但此阀体动作均为机械式，速度仍不够快，且容易在阀体的组件之间累积粉尘，进而影响镀膜品质。亦有以改变泵抽气端(例如抽气管路大小为可调变)的方式实作者，但其反应室机构设计相当复杂，且可能会影响其等离子体阻抗，又其切换动作均为机械式，速度慢，容易于曲折处累积粉尘，进而影响镀膜品质。还有以改变泵排气端(exhaust)气导以降低泵抽气效率的方式实作，但此仅适用于涡轮分子(turbo molecular)泵，其他种类的泵则有油气回流的疑虑。

发明内容

鉴于先前技术中的问题，本发明提供一种抽气速率控制方法，用于一原子层沉积设备。该抽气速率控制方法利用改变抽气装置的抽气负载(loading)，以达到改变该抽气装置对该反应室的抽气速率的目的。

根据本发明的抽气速率控制方法用于一原子层沉积设备，该原子层沉积设备包含一反应室、一供气装置、一抽气装置及一并联管路，该供气装置连接至该反应室以选择性提供该反应室至少二反应气体及至少一清泄气体，该抽气装置连接至该反应室以对该反应室抽气，该并联管路连接该供气装置及该抽气装置并包含一并联控制阀门，该供气装置经由该并联管路提供该抽气装置不与该至少二反应气体反应的一负载气体。该抽气速率控制方法包含下列步骤：当该供气装置提供该反应室该至少二反应气体其中之一时，打开该并联控制阀门以使该抽气装置同时对该反应室及该并联管路抽气，降低对该反应室的抽气速率；以及当该供气装置提供该反应室该至少一清泄气体时，关闭该并联控制阀门以使该抽气装置对该反应室抽气但不对该并联管路抽气。藉此，该抽气装置对该反应室始终保持抽气，可避免扬起粉尘，且于该反应室进行清泄程序时，该抽气装置对该反应室的抽气，能以较大的抽气速率进行，故该抽气速率控制方法兼具维护镀膜品质及缩短该反应室切换不同反应气体的时间。

本发明的另一目的在于提供一种原子层沉积设备，具有一并联管路，通过此并联管路可改变抽气装置的抽气负载，以达到改变该抽气装置对该反应室的抽气速率的目的。

根据本发明的原子层沉积设备包含一反应室、一抽气装置、一供气装置及一并联管路。该抽气装置连接至该反应室。该供气装置包含至少三个气源，用以提供一第一反应气体、一第二反应气体、一清泄气体及一负载气体，该供气装置连接至该反应室以选择性提供该反应室该第一反应气体、该第二反应气体及该清泄气体，该清泄气体及该负载气体均是不与该第一反应气体及该第二反应气体反应的。该并联管路直接连接该抽气装置及用以提供该负载气体的气源，该并联管路包含一并联控制阀门，该供气装置经由该并联管路提供该抽气装置该负载气体。其中，当该供气装置提供该反应室该第一反应气体或该第二反应气体时，该并联控制阀门打开以使该抽气装置同时对该反应室及该并联管路抽气，以及当该供气装置提供该反应室该至少一清泄气体时，该并联控制阀门关闭以使该抽气装置对该反应室抽气但不对该并联管路抽气。藉此，该抽气装置对该反应室始终保持抽气，可避免扬起粉尘，且于该反应室进行清泄程序时，该抽气装置对该反应室的抽气，能以较大的抽气速率进行，故该抽气速率控制方法兼具维护镀膜品质及缩短该反应室切换不同反应气体的时间。

相对于先前技术，根据本发明的原子层沉积设备及其抽气速率控制方法是利用额外的抽气空间(即该并联管路)来调节该抽气装置的抽气负载，该原子层沉积设备的其他构件无需配合修改，亦即其他构件结构上均可保持不变。因此，该原子层沉积设备经由结构上简单的变化(即相对于惯用的原子层沉积设备增加该并联管路)，即可轻易地满足于浸泡状态时对该反应室保持抽气以避免扬起粉尘及于清泄程序时对该反应室加速抽气以缩短切换反应气体的时间的要求。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例的一原子层沉积设备的配置示意图。

图2为根据另一实施例的一原子层沉积设备的配置示意图。

图3为根据本发明的一实施例的一抽气速率控制方法的流程图。

图4为根据另一实施例的一原子层沉积设备的配置示意图。

附图标号

1 原子层沉积设备

10 反应室

12 供气装置

122 第一气源

124 第二气源

126 第三气源

127 第四气源

128 第一连接管路

130 第二连接管路

132 第一旁通管路

134 第二旁通管路

14 抽气装置

142 抽气阀门

16 并联管路

16a 负载空间

162 并联控制阀门

164 负载腔体

V1a、V1b、V2a、V2b、V3a、V3b、V4 阀门

W 基板

S110～S170 实施步骤

具体实施方式

请参阅图1。根据本发明的一实施例的一原子层沉积设备1包含一反应室10、一供气装置12、一抽气装置14、一并联管路16及一控制系统(未显示于图中)。抽气装置14连接至反应室10。供气装置12包含一第一气源122、一第二气源124、一第三气源126及一第四气源127，第一气源122用以提供一第一反应气体，第二气源124用以提供一第二反应气体，第三气源126用以提供一清泄气体，第四气源127用以提供一负载气体。供气装置12连接至反应室10以选择性提供反应室10该第一反应气体、该第二反应气体及该清泄气体，该清泄气体及该负载气体均是不与该第一反应气体及该第二反应气体反应的；于实作上，该清泄气体及该负载气体可为惰性气体或氮气，但本发明不以此为限；例如其他不与反应室10内的反应气体(即该第一反应气体及该第二反应气体)反应的气体。并联管路16直接连接抽气装置14及用以提供该负载气体的第四气源127并包含一并联控制阀门162，供气装置12经由并联管路16提供抽气装置14该负载气体。

具体来说，于本实施例中，供气装置12包含一第一连接管路128、一第二连接管路130、一第一旁通管路132及一第二旁通管路134。第一连接管路128连接至反应室10且经由一阀门V1a连接至第一气源122，第三气源126经由一阀门V3a连接至第一连接管路128；第二连接管路130连接至反应室10且经由一阀门V2a连接至第二气源124，第三气源126经由一阀门V3b连接至第二连接管路130；第一旁通管路132连接至抽气装置14且经由阀门V1b连接至第一气源122；第二旁通管路134连接至抽气装置14且经由阀门V2b连接至第二气源124。并联管路16连接至抽气装置14且经由阀门V4连接至第四气源127。并联管路16独立于第一连接管路128、第二连接管路130、第一旁通管路132及第二旁通管路134，故并联管路16不会有该第一反应气体及该第二反应气体流通。抽气装置14经由一抽气阀门142连接至反应室10。该控制系统与电连接反应室10、供气装置12、抽气装置14及各阀门V1a、V1b、V2a、V2b、V3a、V3b、V4、142、162电连接，以控制原子层沉积设备1的运作。抽气装置14经由其排气气导将气体排出。于实作上，原子层沉积设备1可由一般原子层沉积设备加上并联管路16实作，故关于原子层沉积设备1的其他说明，可参酌一般原子层沉积设备，不另赘述，例如抽气装置14使用一般抽气泵。另外，于实作上，阀门V1a、V2a、V3a、V3b、162均得以膜片阀实作，以能快速作动。

于原子层沉积设备1运作时，当供气装置12顺序交替提供反应室10该第一反应气体或该第二反应气体以于设置于反应室10内的一基板W上形成镀膜时(亦即反应室10处于浸泡状态)，该控制系统打开并联控制阀门162以使抽气装置14同时对反应室10及并联管路16抽气。换言之，此时抽气装置14的抽气负载包含反应室10及并联管路16(即其内形成的空间，逻辑上得以一负载空间16a表示，如图1中虚线框所示者)；从另一方面而言，此时抽气装置14持续不断地抽取反应室10内的气体(即该第一反应气体或该第二反应气体)并经由并联管路16抽取该负载气体。因此，此时反应室10的抽气速率较低。此外，当供气装置12提供反应室10该清泄气体用于清泄反应室10内的反应气体(即该第一反应气体或该第二反应气体)时，该控制系统关闭并联控制阀门162以使抽气装置14对反应室10抽气但不对并联管路16抽气。换言之，此时抽气装置14的抽气负载不包含并联管路16，故反应室10可获得较高的抽气速率，有利于反应室10内反应气体的切换作业。

于本实施例中，原子层沉积设备1于镀膜沉积运作时，抽气阀门142保持开启状态，抽气装置14对反应室10始终保持抽气，此可避免扬起粉尘，且于反应室10进行清泄程序时，抽气装置14对反应室10的抽气，能以较大的抽气速率进行，故原子层沉积设备1采用的抽气速率控制方法兼具维护镀膜品质及缩短反应室10切换不同反应气体的时间。另外，于实作上，并联管路16可实体上包含一负载腔体164(如图2所示)，用以容置该负载气体，并联控制阀门162位于负载腔体164及抽气装置14之间。因此，当并联控制阀门162打开时，抽气装置14对负载腔体164抽气，亦对并联管路16管路内的空间(即前述负载空间16a)；当并联控制阀门162关闭时，抽气装置14不对负载腔体164抽气。故负载腔体164增加抽气装置14的抽气负载，通过控制负载腔体164的容积，有助于控制抽气装置14对反应室10的抽气速率。例如当负载腔体164与反应室10体积相同时，大体上，反应室10处于浸泡状态时的抽气速率约为清泄程序实施时的一半；于实作上，负载腔体164容积为反应室10容积的1/5到5倍，但本发明不以此为限。

请并参阅图3。图3为根据本发明的一实施例的一抽气速率控制方法的流程图。于本实施例中，该抽气速率控制方法实施于如前述的原子层沉积设备1(图1或图2所示者)，原子层沉积设备1的相关说明如前文所述，不再赘述。原子层沉积设备1于运作时，阀门142、V4保持开启，抽气装置14保持抽气状态，故阀门142、V4可使用作动速度较慢的阀门，但本发明不以此为限；此外，阀门V1b、V2b保持关闭。阀门V1a、V2a、V3a、V3b初始为关闭状态，原子层沉积设备1依该抽气速率控制方法进行抽气控制。如图3所示，该抽气速率控制方法对反应室10抽真空至一预期背景压力，如步骤S110所示；接着，打开并联控制阀门162以降低反应室10的抽气速率，并使该第一反应气体进入反应室10，例如保持阀门V2a、V3a、V3b关闭，打开阀门V1a使得该第一反应气体能经由第一连接管路128进入反应室10，以使反应室10能处于该第一反应气体浸泡状态，如步骤S120所示。

于该第一反应气体与基板W(包含其上的膜层)反应完毕后，该抽气速率控制方法关闭阀门V1a使得该第一反应气体停止经由第一连接管路128进入反应室10，关闭并联控制阀门162以提高抽气装置14对反应室10的抽气速率，并使该清泄气体进入反应室10，例如保持阀门V3b关闭，打开阀门V3a使得该清泄气体能经由第一连接管路128进入反应室10，以清洁反应室10，如步骤S130所示。

于反应室10清洁完毕后，该抽气速率控制方法关闭阀门V3a使得该清泄气体停止经由第一连接管路128进入反应室10，打开并联控制阀门162以降低反应室10的抽气速率，并使该第二反应气体进入反应室10，例如保持阀门V1a、V3a、V3b关闭，打开阀门V2a使得该第二反应气体能经由第二连接管路130进入反应室10，以使反应室10能处于该第二反应气体浸泡状态，如步骤S140所示。

于该第二反应气体与基板W(包含其上的膜层)反应完毕后，该抽气速率控制方法关闭阀门V2a使得该第二反应气体停止经由第二连接管路130进入反应室10，关闭并联控制阀门162以提高抽气装置14对反应室10的抽气速率，并使该清泄气体进入反应室10，例如保持阀门V3a关闭，打开阀门V3b使得该清泄气体能经由第二连接管路130进入反应室10，以清洁反应室10，如步骤S150所示。

于反应室10清洁完毕后，即完成一次基板W上的镀膜沉积。接着，该抽气速率控制方法判断基板W上的镀膜是否达预定厚度，如步骤S160所示。若判断尚未达到预定厚度，该流程回到步骤S120，并重复步骤S120～S150；若判断已达到预定厚度，则结束沉积作业。接着，该抽气速率控制方法对反应室10充气，如步骤S170所示；例如关闭抽气阀门142，再通过打开阀门V3a、V3b以该清泄气体或以其他气体(经由现有管路或另行配合设置的管路)对反应室10充气。充完气后，即可自反应室10取出镀完膜的基板W。

补充说明的是，前述实施例是基于两种反应气体，但本发明不以此为限；于实作上，本技术领域中具有通常知识基于前述说明可推得以更多种反应气体形成镀膜的原子层沉积设备及其抽气速率控制方法，不待赘述。此外，于前述实施例中，使用相同的清泄气体来清除反应室10内的气体(包含该第一反应气体及该第二反应气体)，但本发明不以此为限。于实作上，配合不同的反应气体可使用不同的清泄气体，而该负载气体可与其中一种清泄气体相同，或是以其他的气体实作。此外，于前述实施例中，该负载气体与该清泄气体分别由第三气源126及第四气源127提供，故该负载气体与该清泄气体可为不同的气体。于实作上，该负载气体与该清泄气体亦可为相同的气体，此时可省略第四气源127而由第三气源126(或谓该第三气源与该第四气源合并)同时提供该负载气体与该清泄气体，如图4所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种抽气速率控制方法，其特征在于，所述抽气速率控制方法用于一原子层沉积设备，所述原子层沉积设备包含一反应室、一供气装置、一抽气装置及一并联管路，所述供气装置连接至所述反应室以选择性提供所述反应室至少二反应气体及至少一清泄气体，所述抽气装置连接至所述反应室以对所述反应室抽气，所述并联管路连接所述供气装置及所述抽气装置并包含一并联控制阀门，所述供气装置经由所述并联管路提供所述抽气装置不与所述至少二反应气体反应的一负载气体，所述抽气速率控制方法包含下列步骤：

当所述供气装置提供所述反应室所述至少二反应气体其中之一时，打开所述并联控制阀门以使所述抽气装置同时对所述反应室及所述并联管路抽气；以及

当所述供气装置提供所述反应室所述至少一清泄气体时，关闭所述并联控制阀门以使所述抽气装置对所述反应室抽气但不对所述并联管路抽气。

2.根据权利要求1所述的抽气速率控制方法，其特征在于，所述并联管路包含一负载腔体，用以容置所述负载气体，所述并联控制阀门位于所述负载腔体及所述抽气装置之间，当所述并联控制阀门打开时，所述抽气装置对所述负载腔体抽气，且当所述并联控制阀门关闭时，所述抽气装置不对所述负载腔体抽气。

3.根据权利要求2所述的抽气速率控制方法，其特征在于，所述负载腔体容积为所述反应室容积的1/5到5倍。

4.根据权利要求1所述的抽气速率控制方法，其特征在于，所述清泄气体为氮气或惰性气体。

5.根据权利要求1所述的抽气速率控制方法，其特征在于，所述负载气体为氮气或惰性气体。

6.根据权利要求1所述的抽气速率控制方法，其特征在于，所述清泄气体及所述负载气体均是不与所述第一反应气体及所述第二反应气体反应的气体。

7.一种原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备包含：

一反应室；

一抽气装置，连接至所述反应室；

一供气装置，包含至少三个气源，用以提供一第一反应气体、一第二反应气体、一清泄气体及一负载气体，所述供气装置连接至所述反应室以选择性提供所述反应室所述第一反应气体、所述第二反应气体及所述清泄气体，所述清泄气体及所述负载气体均是不与所述第一反应气体及所述第二反应气体反应的；以及

一并联管路，直接连接所述抽气装置及用以提供所述负载气体的气源，所述并联管路包含一并联控制阀门，所述供气装置经由所述并联管路提供所述抽气装置所述负载气体；

其中，当所述供气装置提供所述反应室所述第一反应气体或所述第二反应气体时，所述并联控制阀门打开以使所述抽气装置同时对所述反应室及所述并联管路抽气，以及当所述供气装置提供所述反应室所述至少一清泄气体时，所述并联控制阀门关闭以使所述抽气装置对所述反应室抽气但不对所述并联管路抽气。

8.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述并联管路包含一负载腔体，用以容置所述负载气体，所述并联控制阀门位于所述负载腔体及所述抽气装置之间，当所述并联控制阀门打开时，所述抽气装置对所述负载腔体抽气，且当所述并联控制阀门关闭时，所述抽气装置不对所述负载腔体抽气。

9.根据权利要求8所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述负载腔体容积为所述反应室容积的1/5到5倍。

10.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述清泄气体为氮气或惰性气体。

11.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述负载气体为氮气或惰性气体。

12.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述清泄气体及所述负载气体均是不与所述第一反应气体及所述第二反应气体反应的气体。