CN108220923B - 化学气相沉积设备 - Google Patents

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Abstract

一种化学气相沉积设备包含一压载气体源以及一质量流量控制器，其中压载气体源设置于一分离装置的上游侧，并经由控制压载气体的流速来控制一反应腔室中的压力。由于反应腔室以及与压载气体源连接的节点间的空间较小，因而使反应腔室的压力响应加快。

Description

化学气相沉积设备
技术领域
本发明是有关一种沉积设备，特别是一种化学气相沉积设备。
背景技术
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)是可形成纯度高、效能好的固态材料，例如半导体产业使用CVD来成长薄膜。典型的CVD制程是将基板(例如晶圆)置于一反应腔室中，并暴露在一种或多种不同的前驱物下，前驱物在基板表面发生化学反应即可在基板表面上形成所需的薄膜。化学气相沉积(CVD)可大致分类为一低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)、一大气压力化学气相沉积(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition,APCVD)、一低温化学气相沉积(LowTemperature Chemical Vapor Deposition,LTCVD)、一等离子增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)、以及一金属有机化学气相沉积(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)。
反应腔室内的压力对CVD制程而言是重要的。如果压力改变，前驱物流速以及浓度也会随着变化，而这对CVD制程而言非常重要。因此，反应腔室内的压力应控制在一定值。气体源压力的干扰或电力噪声所造成的泵功率不规则变化皆是影响反应腔室内压力的因子。为了补偿这些反应腔室内压力的不规则变化，CVD设备一般具有一机制来维持反应腔室内压力恒定。
已知的化学气相沉积设备是利用排气路径上的一节流阀来控制反应腔室内的压力。压力控制是透过改变节流阀的流导率来调整。当节流阀的流量降低时，气体流速淤积而导致反应腔室内的压力上升。相反的，当节流阀的流量增加时，气体流速加快而导致反应腔室内的压力下降。为了避免节流阀被来自反应腔室的废气污染，节流阀的上游侧需设置一过滤器以过滤废气。未反应的反应气体及/或反应的副产物以结构上具有足够大空间的过滤器捕捉。然而，过滤器具有较大的空间，导致反应腔室的压力无法随着节流阀的调节而快速响应。由于这个大空间存在于节流阀的控制手段以及反应腔室的控制标的之间，因此反应腔室内的压力无法快速响应节流阀的调整。
有鉴于此，加快反应腔室的压力响应便是目前极需努力的目标。
发明内容
本发明提供一种化学气相沉积设备，其是在分离装置的上游侧设置一压载气体源，并控制压载气体的流速来改变压载气体所连接的节点中包含废气的局部压力，以使反应腔室内的压力能够快速响应。
本发明一实施例的化学气相沉积设备是用以形成一薄膜于一基板，且其包含一反应腔室、一第一压力检测器、一压力控制器、一分离装置、一压载气体源以及一质量流量控制器。反应腔室包含一进气口以及一排气口，其中一制程气体经由进气口通入反应腔室，一废气经由排气口排出反应腔室，且制程气体包含一反应气体。第一压力检测器与反应腔室连接，以检测反应腔室的一压力，并输出一第一压力信号。压力控制器与第一压力检测器电性连接，以依据第一压力信号产生一回馈信号。分离装置与反应腔室的排气口连接，以滤除废气中的反应气体以及一副产物至少其中之一。压载气体源连接于反应腔室的排气口以及分离装置之间。质量流量控制器与压力控制器电性连接，以依据回馈信号控制来自压载气体源的一压载气体的流量。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1为一示意图，显示本发明第一实施例的化学气相沉积设备。
图2为一示意图，显示本发明第二实施例的化学气相沉积设备。
图3为一示意图，显示本发明第三实施例的化学气相沉积设备。
图4a为一示意图，显示已知的化学气相沉积设备于一稳定态的排气路径的压力分布。
图4b为一示意图，显示已知的化学气相沉积设备在降低节流阀流量后的排气路径的压力分布。
图5a为一示意图，显示本发明第一实施例的化学气相沉积设备于一稳定态的排气路径的压力分布。
图5b为一示意图，显示本发明第一实施例的化学气相沉积设备在增加压载气体流速后的排气路径的压力分布。
图6为一模拟图，显示已知以及本发明实施例的化学气相沉积设备在控制压力后的反应腔室内的压力转变。
元件标号说明如下：
11 反应腔室
111 固持元件
112 加热元件
12a 第一压力检测器
12b 压力控制器
12c 第二压力检测器
13 分离装置
14 节流阀
15 排气泵
16 压载气体源
17 质量流量控制器
20 基板
BG 压载气体
EG 废气
EPa 排气管线
EPa1 排气管线
EPa2 排气管线
EPb 排气管线
EPc 排气管线
FB 回馈信号
PG 反应气体
PS1 第一压力信号
PS2 第二压力信号
R 排气路径的反应腔室段
SD 排气路径的分离装置段
具体实施方式
以下将详述本发明的各实施例，并配合附图作为例示。除了这些详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以权利要求书为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。附图中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图的简洁。
本发明的化学气相沉积设备是用以形成一薄膜于一基板。请参照图1，本发明的一实施例的化学气相沉积设备包含一反应腔室11、一第一压力检测器12a、一压力控制器12b、一分离装置13、一压载气体源(ballast gas source)16以及一质量流量控制器(mass flowcontroller，MFC)17。反应腔室11包含一进气口以及一排气口。制程气体PG经由进气口通入反应腔室11。反应后的废气EG经由排气口排出反应腔室11。于一实施例中，制程气体PG包含载流气体(carrier gas)以及至少一反应气体(例如前驱物)，其与基板20的表面反应以形成所需的薄膜。废气EG包含未与基板20反应的反应气体以及反应后的副产物。
举例而言，基板20可为半导体基板、玻璃基板或其它类似物；薄膜为半导体。于一实施例中，基板20可为砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、硅(Si)、碳化硅(SiC)及蓝宝石(Al2O3)等等；所成长的薄膜材料可为三五族化合物半导体，例如砷化镓(GaAs)、砷化镓铝(AlGaAs)、磷化铝铟镓(AlGaInP)、氮化铟镓(InGaN)，或是二六族化合物半导体。上述半导体薄膜可应用于光电元件(例如发光二极管、激光二极管或太阳能电池)或高电子迁移率晶体管的制作。于一实施例中，反应气体可为金属化合物或有机金属化合物。举例而言，反应气体可为砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)、氮化氢(NH3)、硅乙烷(Si2H6)、Trimethylgallium(TMGa)、Trimethylaluminum(TMAl)、Trimethylindium(TMIn)、Bis(cyclopentadienyl)magnesium(Cp2Mg)、Diisopropyltelluride(DIPTe)等。可以理解的是，金属化合物或有机金属化合物可利用载流气体带入反应腔室11中。于一实施例中，载流气体可为氢气(H2)、氮气(N2)或以上的组合。
于一实施例中，化学气相沉积设备更包含一固持元件111。固持元件111设置于反应腔室11中，以固持基板20。于一实施例中，化学气相沉积设备更包含一加热元件112。加热元件112设置于反应腔室11中，以加热基板20。举例而言，加热元件112设置于固持元件111上加热基板20，以促使反应气体于基板20的表面反应而形成薄膜。
第一压力检测器12a与反应腔室11连接，以检测反应腔室内的压力，并输出一第一压力信号PS1。压力控制器12b与第一压力检测器12a电性连接。压力控制器12b依据第一压力检测器12a所输出的第一压力信号PS1产生一回馈信号FB。举例而言，压力控制器12b可利用比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制方法依据第一压力信号PS1以及一压力设定值的差值计算出一适当输出值作为回馈信号FB并输出至质量流量控制器17。分离装置13与反应腔室11的排气口连接。分离装置13可滤除废气EG中未反应的反应气体及/或反应后的副产物。举例而言，分离装置13可为一过滤器，以滤除废气EG中未反应的反应气体及/或反应后的副产物。于一实施例中，本发明的化学气相沉积设备更包含一节流阀14，其设置于分离装置13的下游侧，如此可避免未过滤废气EG中未反应的反应气体或副产物弄脏节流阀14。可以理解的是，本发明的化学气相沉积设备包含一排气泵15，其设置于节流阀14的下游侧。排气泵15持续抽气，可使制程气体PG以及废气EG沿固定的气流方向依序通过反应腔室11、分离装置13、节流阀14以及排气泵15后排出。
一般而言，已知的节流阀14在制程中是持续运转的，以控制反应腔室内的压力。于图1所示的实施例中，节流阀14在制程中的流量应为固定。在进行薄膜沉积制程之前通常要进行一排空程序，并在进行排空程序时决定节流阀14的流量以使反应腔室11达到目标压力，且在进行薄膜沉积制程时维持节流阀14的流量。然而，如果在薄膜沉积制程中需要剧烈改变反应腔室11内的压力或反应气体PG的流速，节流阀14的流量可再次被调整。在调整节流阀14的流量时，压载气体BG的流速应固定于质量流量控制器17的可控制范围的一平均值，以在反应腔室11的压力过高于或过低于设定压力时获得良好的控制能力。如果在沉积制程中反应腔室11的压力或反应气体PG的流速没有变化，或者依据运转情况，制程条件没有太大差异，节流阀14能够以手动阀取代，以降低成本。如果整个排气管线适合制程条件以及抽气功率，则节流阀14可以被省略。
压载气体源16连接于反应腔室11的排气口以及分离装置13之间，亦即反应腔室11的下游侧以及分离装置13的上游侧。质量流量控制器17则与压力控制器12b电性连接，以接受压力控制器12b所输出的回馈信号FB。质量流量控制器17可依据回馈信号FB控制来自压载气体源16的一压载气体BG的流量，以调整反应腔室11内的压力。详细的控制方法容后说明。
请参照图2，于一实施例中，节流阀14亦与压力控制器12b电性连接，且节流阀14可依据压力控制器12b所输出的回馈信号FB调整节流阀14的流量，进而调整反应腔室11的压力。举例而言，假设通入反应腔室11的制程气体PG的流量固定且反应腔室11的压力稳定时，增加节流阀14的流量可使废气EG的流量增加，如此反应腔室11的压力即随的降低。反之，减少节流阀14的流量可使废气EG的流量降低，如此反应腔室11的压力即因制程气体PG的累积而升高。
为了使本发明的控制方法更加清楚，首先解释已知的压力控制方法。请参照图1、图4a以及图4b，图4a显示已知的化学气相沉积设备于一稳定态的排气路径的压力分布，其中排气路径区分成多个部分，包含反应腔室R、反应腔室11以及分离装置13之间的排气管线EPa、分离装置SD、分离装置13以及节流阀14之间的排气管线EPb、以及节流阀14以及排气泵15之间的排气管线EPc。如前所述，通入反应腔室11的制程气体PG的流量固定且反应腔室11的压力稳定。为了增加反应腔室11的压力，可降低从反应腔室11排出的废气EG的流量，亦即降低节流阀14的流量，以使通入反应腔室11的制程气体PG能够累积。可以理解的是，分离装置13内的压力必须事先增加，接着制程气体PG将会逐渐在反应腔室11中累积。如图4b所示，靠近节流阀14的压力首先增加，如图4b中的短虚线所示。接着，分离装置13内的压力增加，如图4b中的长虚线所示。最后，反应腔室11内的压力逐渐增加，如图4b中的一点链线以及两点链线所示。然而，分离装置13具有较大的空间，因此压力上升的时间较长，这导致反应腔室11内的压力响应将会延迟，亦即反应腔室11内的压力响应较慢。因此，具有大空间的分离装置13对于反应腔室11内的压力控制响应是不利的。
请参照图1、图5a以及图5b，图5a显示图1所示实施例的化学气相沉积设备于一稳定态的排气路径的压力分布，其中反应腔室11以及分离装置13之间的排气管线区分为反应腔室11以及压载气体BG所连接的节点间的排气管线EPa1以及该节点以及分离装置13间的排气管线EPa2。以下说明本发明的控制方法。假设反应腔室11的压力在稳定流速的压载气体BG下维持在目标值。然后反应腔室11的压力因为某些原因而小于目标值。此时，如果压载气体BG的流速增加，接着压载气体BG所连接的节点的局部压力变高，如图5b所示的短虚线所示。由于该节点非常靠近反应腔室11且没有大空间，因此该节点的局部压力增高的效应将会立即转移至反应腔室11，如图5b的长虚线所示。结果是反应腔室11太低的压力立即校正至目标值。
在此，质量流量控制器17增加了压载气体BG的流量，以使分离装置13的空间迅速充满压载气体BG，从而分离装置13中的压力将迅速增加。换言之，制程气体PG将在较短时间内累积在反应腔室11中，以使反应腔室11内的压力迅速增加，如图5b的单点链线和双点链线所示。因此，本发明的压力响应(如图6的实线所示)比传统的压力控制方法(如图6的虚线所示)更快。当反应腔室11的压力达到一预定值时，质量流量控制器17可以降低或关闭压载气体BG的流量。相反的，要降低反应腔室11的压力，质量流量控制器17可以降低或关闭压载气体BG的流量，如此一来，在节流阀14的相同流量下，分离装置13以及反应腔室11的压力将会降低。
可以理解的是，压载气体BG所连接的节点的压力应小于反应腔室11的压力，以避免压载气体BG逆向流入反应腔室11。请参照图3，于一实施例中，本发明的化学气相沉积设备更包含一第二压力检测器12c，其连接反应腔室11的排气口以及分离装置13之间。较佳者，第二压力检测器12c连接于压载气体BG所连接的节点。第二压力检测器12c检测该节点的压力，并输出一第二压力信号PS2至压力控制器12b，压力控制器12b即可在该节点的压力大于反应腔室11的压力时，降低压载气体BG的流速以降低该节点的压力。于一实施例中，压力控制器12b依据第一压力信号PS1以及第二压力信号PS2至少其中之一产生相对应的回馈信号FB，以控制压载气体BG的流速及/或节流阀14的流量。
需注意的是，反应腔室11的压力能够以节流阀14的流量粗略地调整，接着再以压载气体的流速细微地调整，其也具有控制压力噪声的功能。此外，节流阀14能够以可调整流导率的手动阀取代，或者在没有任何流导阀的情况下，可调整吸力的排气泵15可用于粗略地调整反应腔室11的压力。在特别的情况下，如果整个排气系统的流导率与制程气体的总流速相匹配而获得令人满意的压力，则可不需要流导阀或专用泵。
于一实施例中，分离装置13可为一吸附式或反应式过滤器，如此，未反应的反应气体或反应后的副产物可吸附于滤材上或与滤材反应。可以理解的是，压载气体BG与分离装置13的反应活性应小于反应气体或副产物与分离装置13的反应活性，以避免压载气体BG消耗分离装置13的滤材而使分离装置13的使用寿命缩短。于一实施例中，压载气体BG可与制程气体PG中的载流气体相同。举例而言，压载气体BG可为氢气(H2)、氮气(N2)或以上的组合。
综合上述，本发明的化学气相沉积设备是在分离装置的上游侧设置一压载气体源，并控制压载气体的流速，以改变压载气体所连接的节点的局部压力。由于反应腔室的排气口以及压载气体所连接的节点间的空间较小，且该节点非常靠近反应腔室，因此改变压载气体流速所造成局部压力改变的效应会立即转移至反应腔室，进而使反应腔室的压力响应较快且获得高品质的薄膜。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (13)

1.一种化学气相沉积设备，其用以形成一薄膜于一基板，该化学气相沉积设备包含：
一反应腔室，其包含一进气口以及一排气口，其中一制程气体经由该进气口通入该反应腔室，一废气经由该排气口排出该反应腔室，且该制程气体包含一反应气体；
一第一压力检测器，其与该反应腔室连接，以检测该反应腔室的一压力，并输出一第一压力信号；
一压力控制器，其与该第一压力检测器电性连接，以依据该第一压力信号产生一回馈信号；
一分离装置，其与该反应腔室的该排气口连接，以滤除该废气中的该反应气体以及一副产物至少其中之一；
一压载气体源，其连接于该反应腔室的该排气口以及该分离装置之间；
一质量流量控制器，其与该压力控制器电性连接，以依据该回馈信号控制来自该压载气体源的一压载气体的流量，以调节该反应腔室的该排气口以及该分离装置间一节点的压力；以及
一第二压力检测器连接于该节点，以检测该节点的一压力，并输出一第二压力信号至该压力控制器，其中该压力控制器依据该第一压力信号以及该第二压力信号至少其中之一产生该回馈信号，通过该质量流量控制器控制该压载气体的流量，使该节点的该压力小于该反应腔室的该压力。
2.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，更包含：
一节流阀，其设置于该分离装置的下游侧。
3.如权利要求2所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该节流阀与该压力控制器电性连接，以依据该回馈信号调整该节流阀的流量。
4.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该压载气体与该分离装置的反应活性小于该反应气体或该副产物与该分离装置的反应活性。
5.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该分离装置为一过滤器。
6.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该制程气体包含一载流气体，且该压载气体与该载流气体相同。
7.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该压载气体包含氢气、氮气或以上的组合。
8.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该制程气体包含一有机金属。
9.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该薄膜为半导体。
10.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，更包含：
一排气泵，其设置于该分离装置的下游侧。
11.如权利要求10所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该排气泵的吸力为可调整的。
12.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，更包含：
一固持元件，其设置于该反应腔室中，以固持一基板。
13.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，更包含：
一加热元件，其设置于该反应腔室中，以加热该基板。
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