CN109306470A - 用于原子层沉积工艺的进气装置及原子层沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于原子层沉积工艺的进气装置及原子层沉积装置，包括：第一进气块和第二进气块；第一进气块插入第二进气块设置的第二中心进气通孔内，在第二中心进气通孔的内壁和第一进气块的侧壁之间形成相互隔离的第一环形密封空腔区域和第二环形密封空腔区域；设置有用于连通第一密封空腔区域和第一中心进气通孔、连通第二密封空腔区域和第一中心进气通孔的第一进气孔；设置有分别与第一密封空腔区域和第二密封空腔区域相连通的第二进气孔。本发明的进气装置、原子层沉积装置，可以防止两种前驱物在进气端初期因混合而发生化学反应；可以有效地减少原子层沉积工艺中由进气端产生的颗粒，对工艺稳定性起到正向作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于原子层沉积工艺的进气装置及原子层沉积装置。
背景技术
原子层沉积ALD(atomic layer deposition)技术是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，其生长过程具有周期性，一个制备周期(Cycle)一般包括两个自限制反应(Self-limit reaction)。在一定温度条件下，通过向反应腔室中通入第一种反应前驱物(Precursor)使前驱物分子吸附(以化学吸附为主)在衬底表面上形成活性剂(Species)；当前驱物的吸附达到饱和状态时，化学吸附反应结束，实现了第一种前驱物同衬底表面反应的自限制控制(第一个自限制反应)；在第一个自限制反应结束后，通过一定方法除去(Purge)反应腔室中的第一种前驱物(一般还包括第一种前驱物同衬底表面反应的副产物)，并通入第二种反应前驱物；第二种前驱物与已吸附在衬底表面的活性剂(第一种前驱物)发生化学反应，在衬底表面生成所要制备的薄膜的单分子层，并释放气态的副产物。
如图1所示，两种前驱物分别为SiH4和WF6，SiH4MFC(Mass Flow Controller，气体质量流量控制器)和WF6MFC分别将SiH4和WF6通过快速切换阀交替送入腔体，在进入腔体上部的匀流盘(Showerhead)之前，需要一种进气装置对两种前驱物进行初步的隔离和匀气，即缓冲腔，再经过匀流盘进行进一步的匀气到达衬底表面，制备W成核层，残气或副产物经Foreline排除。针对ALD工艺的两种前驱物，在进气端若相遇会立即发生化学反应，需要交替以脉冲形式进入腔体，在到达衬底表面前，需要尽量隔离，防止二者在到达衬底前发生反应。现有的进气装置没有考虑到对于两种前驱物进行隔离，容易滞留上一个周期中的前驱物，经过若干周期累积后，两种前驱物会在进气装置中反应形成沉积物，从而形成颗粒，导致进气装置失效、达不到初步匀气效果、缩短维护周期等一系列问题。因此，需要一种新型的进气装置。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种用于原子层沉积工艺的进气装置及原子层沉积装置。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种用于原子层沉积工艺的进气装置，包括：第一进气块和第二进气块；第一进气块设置有第一中心进气通孔，所述第二进气块设置有第二中心进气通孔，所述第一进气块插入所述第二中心进气通孔内，所述第一进气块与所述第二进气块固定连接；在所述第二中心进气通孔的内壁和所述第一进气块的侧壁之间形成相互隔离的第一环形密封空腔区域和第二环形密封空腔区域；在所述第一进气块的侧壁上设置有用于连通所述第一密封空腔区域和所述第一中心进气通孔、连通所述第二密封空腔区域和所述第一中心进气通孔的第一进气孔；在所述第二进气块的侧壁上设置有分别与所述第一密封空腔区域和所述第二密封空腔区域相连通的第二进气孔。
可选地，在所述第一进气块的侧壁上设置有在轴向间隔开的第一环形槽和第二环形槽；所述第二中心进气通孔的内壁分别与所述第一环形槽和所述第二环形槽围成所述第一环形密封空腔区域和所述第二环形密封空腔区域；在所述第一环形槽和第二环形槽内分别设置有与所述第一中心进气通孔相连通的所述第一进气孔。
可选地，所述第一进气块的第一连接端面与所述第二进气块的第二连接端面固定连接，在所述第一连接端面与所述第二连接端面之间设置有密封结构，所述密封结构包括：密封圈密封结构、真空法兰结构。
可选地，在所述第一进气块的侧壁上并位于所述第一环形槽和所述第二环形槽之间设置第二环形密封元件，所述第二环形密封元件与所述第二中心进气通孔的内壁压紧贴合，起到密封作用。
可选地，在所述第一进气块的侧壁上并位于所述第二环形槽的下方设置第三环形密封元件，所述第三环形密封元件与所述第二中心进气通孔的内壁压紧贴合，起到密封作用；其中，所述第一环形槽位于所述第二环形槽的上方。
可选地，在所述第一环形槽内设置沿所述第一进气块的周向均匀分布的第一组第一进气孔，在所述第二环形槽内设置沿所述第一进气块的周向均匀分布的第二组第一进气孔。
可选地，在所述第二进气块的侧壁上设置有与所述第一环形密封空腔区域相连通的第一组第二进气孔，在所述第二进气块的侧壁上设置有与所述第二环形密封空腔区域相连通的第二组第二进气孔；所述第一组第二进气孔和所述第二组第二进气孔在所述第二进气块的侧壁上都为对称分布。
可选地，所述第一组第一进气孔和所述第二组第一进气孔的孔径都小于4mm；所述第一组第二进气孔和所述第二组第二进气孔的孔径都小于4mm。
可选地，所述第二中心进气通孔为阶梯孔，所述阶梯孔包括第一阶梯孔段和第二阶梯孔段，所述第一阶梯孔段的直径大于所述第二阶梯孔段，所述第一进气块插入所述第一阶梯孔段内。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种原子层沉积装置，包括：匀流喷头，设置在工艺腔室内；如上所述的进气装置，其中，所述第一中心进气通孔和所述第二中心进气通孔与所述匀流喷头连通。
本发明的用于原子层沉积工艺的进气装置及原子层沉积装置，可以有效地隔离两种不同前驱物，防止两种不同前驱物在进气端初期因混合而发生化学反应；可以有效地减少原子层沉积工艺中由进气端产生的颗粒；对应原子层沉积工艺的前驱物，设置环形腔结构能够实现初步匀气，对工艺稳定性起到正向作用；相比于原有进气装置，其有效期增加，能够提高设备的正常运行时间，适用于多种原子层沉积工艺设备。
本发明实施例附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图：
图1为现有技术ALD W工艺进气示意图；
图2为根据本发明的用于原子层沉积工艺的进气装置的第一进气块的示意图；
图3为根据本发明的用于原子层沉积工艺的进气装置的第二进气块的示意图；
图4为根据本发明的用于原子层沉积工艺的进气装置的示意图；
图5为图4的A-A的剖视示意图；
图6为图4的B-B的剖视示意图；
图7为图5的C-C的剖视示意图；
图8为根据本发明的用于原子层沉积工艺的进气装置的KF/ISO密封方式的示意图；
图9为根据本发明的用于原子层沉积工艺的进气装置的CF密封方式的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。
下文为了叙述方便，下文中所称的“左”、“右”、“上”、“下”与附图本身的左、右、上、下方向一致。下文中的“第一”、“第二”等，仅用于描述上相区别，并没有其它特殊的含义。
如图2至7所示，本发明提供一种用于原子层沉积工艺的进气装置，能够有效地隔离两种不同前驱物，减少颗粒，实现初步匀气的目的。进气装置包括：第一进气块1和第二进气块2。第一进气块1设置有第一中心进气通孔20，第二进气块2设置有第二中心进气通孔，第一进气块1插入第二中心进气通孔内，第一进气块1与第二进气块2固定连接，可以采用螺纹连接等多种连接方式。在第二中心进气通孔的内壁和第一进气块1的侧壁之间形成相互隔离的第一环形密封空腔区域和第二环形密封空腔区域，在第一进气块的侧壁上设置有用于连通第一密封空腔区域和第一中心进气通孔20、连通第二密封空腔区域和第一中心进气通孔20的第一进气孔；在第二进气块2的侧壁上设置有分别与第一密封空腔区域和第二密封空腔区域相连通的第二进气孔。
第一环形密封空腔区域和第二环形密封空腔区域可以有多种实现方式。例如，在第一进气块1的侧壁上设置有在轴向间隔开的第一环形槽17-1和第二环形槽 17-2，在第一环形槽17-1和第二环形槽17-2内分别设置有与第一中心进气通孔 20相连通的第一进气孔7、8，第一进气孔7、8分别对应两种不同的前驱物。
第二中心进气通孔的内壁分别与第一环形槽17-1和第二环形槽17-2围成相互隔离的第一环形密封空腔区域5和第二环形密封空腔区域6，在第二进气块2 的侧壁上分别设置有与第一环形密封空腔区域5和第二环形密封空腔区域6相连通的第二进气孔9、10，第二进气孔9、10分别对应两种不同的前驱物，第二进气孔9、10可以为侧面进气孔。
在一个实施例中，在第一进气块1的侧壁上并位于第一环形槽17-1和第二环形槽17-2之间设置第二环形密封元件3-1，第二环形密封元件3-1与第二中心进气通孔的内壁压紧贴合，起到密封作用。第一环形槽位于第二环形槽的上方，在第一进气块1的侧壁上并位于第二环形槽17-2的下方设置第三环形密封元件 3-2，第三环形密封元件3-2与第二中心进气通孔的内壁压紧贴合，起到密封作用。
可以在第一进气块1的侧壁上设置两个环形凸台18-1,18-2，在两个环形凸台18-1,18-2上分别设置第二环形密封元件3-1和第三环形密封元件3-2，第二环形密封元件3-1和第三环形密封元件3-2可以为O型橡胶圈、其他工程塑料等，工程塑料为PTFE、PA、PFA、PU等。
在一个实施例中，第二中心进气通孔为阶梯孔，阶梯孔包括第一阶梯孔段 21和第二阶梯孔段22，第一阶梯孔段21的直径大于第二阶梯孔段22，第一进气块1插入第一阶梯孔段21内。第一进气块1插入第二进气块2后，通过螺钉穿过螺钉沉头孔16与螺纹孔19螺纹配合连接，第一环形槽17-1和第二环形槽 17-2分别与第一阶梯孔段21的内部围城第一环形密封空腔区域5和第二环形密封空腔区域6，两个环形凸台18-1,18-2和两个环形密封元件3-1，3-2对应将第一环形密封空腔区域5和第二环形密封空腔区域6隔离，且第一中心进气通孔20和第二阶梯孔段22组成进气装置的中心进气竖孔。
第一进气块1的第一连接端面与第二进气块2的第二连接端面固定连接，可以为螺纹连接等连接方式。例如，将第一进气块1插入第二进气块2后，通过螺钉穿过螺钉沉头孔16和螺纹孔19螺纹配合连接，将第一连接端面与第二连接端面螺纹连接。在第一连接端面与第二连接端面之间设置有密封结构，密封结构包括：密封圈密封结构、真空法兰结构等。
例如，密封结构为密封圈密封结构，密封圈密封结构包括第一环形密封元件 4，第一环形密封元件4分别与第一连接端面与第二连接端面压紧贴合，起到密封作用。第一环形密封元件4可以为O型橡胶圈等。
在第一连接端面与第二连接端面之间设置的真空法兰结构采用的密封方式可以为KF/ISO真空法兰的密封方式或CF真空法兰的密封方式等，可以达到与外界实现密封、且内部有环形腔能实现前驱物的初步匀气和完全隔离的作用。
如图8所示，真空法兰结构采用的密封方式为ISO真空法兰密封方式，真空法兰结构包括定心环(Centering Ring)12和勾头螺钉13。如图9所示，真空法兰结构采用的密封方式为CF真空法兰密封方式，真空法兰结构包括金属密封圈14，如铜密封圈(Copper Seal)等。
在一个实施例中，在第一环形槽17-1内设置沿第一进气块1的周向均匀分布的第一组第一进气孔7，在第二环形槽17-2内设置沿第一进气块1的周向均匀分布的第二组第一进气孔8。第一组第一进气孔7和第二组第一进气孔8的数量都至少为3个，例如为6个等，第一组第一进气孔7和第二组第一进气孔8 的数量太少会影响匀气效果。第一组第一进气孔7和第二组第一进气孔8的孔径都小于4mm。
在第二进气块2的侧壁上设置有与第一环形密封空腔区域5相连通的第一组第二进气孔9，在第二进气块2的侧壁上设置有与第二环形密封空腔区域6相连通的第二组第二进气孔10，第一组第二进气孔9和第二组第二进气孔10在第二进气块1的侧壁上都为对称分布。第一组第二进气孔9和第二组第二进气孔10 的数量都至少为2个。第一组第二进气孔9和第二组第二进气孔10的孔径都小于4mm。
第一组第二进气孔9和第二组第二进气孔10分别相对于第二进气块2呈对称分布，可以在前驱物的对称侧通入稀释气体，由于ALD工艺需要恒压，在前驱物的切换过程中，可以通过稀释气体调节进气总量，进而保证腔室内部的恒压条件，保证工艺的稳定性。
在一个实施例中，前驱物一和前驱物二分别经第二进气孔9和第二进气孔 10分别进入第一环形密封空腔区域5和第二环形密封空腔区域6，第一环形密封空腔区域5和第二环形密封空腔区域6起到初步匀气的作用。第一环形密封空腔区域5和第二环形密封空腔区域6通过两个环形密封元件3-1，3-2完成隔离。
第一环形密封空腔区域5中的前驱物一经第一进气孔7进入进气装置的中心竖孔，第二环形密封空腔区域6内的前驱物二经第一进气孔8进入进气装置的中心竖孔，进而经中心竖孔再经匀流盘到达半导体衬底的表面。
在一个实施例中，在第一阶梯孔段21的端口设置斜倒角结构。当第一进气块1插进第一阶梯孔段21的安装过程中，为避免两个环形密封元件3-1，3-2 被划伤或损坏，且便于第一进气块1顺利地插入第二进气块2中，增加斜倒角结构11。第一进气块1的材质为铝合金或不锈钢等，第二进气块2的材质为铝合金或不锈钢等。
在一个实施例中，根据本发明实施例的另一方面，提供一种原子层沉积装置，包括：匀流喷头，设置在工艺腔室内；上述任一实施例中的进气装置，其中，第一中心进气通孔和第二中心进气通孔与匀流喷头连通。
本发明的用于原子层沉积工艺的进气装置及原子层沉积装置适用于各种 ALD工艺设备，如ALD W、TiN、TaN、Al2O3等，包括Thermal ALD和PEALD等。本发明的进气装置，可以有效地隔离两种不同前驱物，防止两种不同前驱物在进气端初期因混合而发生化学反应；可以有效地减少原子层沉积工艺中由进气端产生的颗粒；对应原子层沉积工艺的前驱物，设置环形腔结构能够实现初步匀气，对工艺稳定性起到正向作用；相比于原有进气装置，其有效期增加，能够提高设备的正常运行时间，适用于多种原子层沉积工艺设备，提高设备的竞争力。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种用于原子层沉积工艺的进气装置，其特征在于，包括：
第一进气块和第二进气块；第一进气块设置有第一中心进气通孔，所述第二进气块设置有第二中心进气通孔，所述第一进气块插入所述第二中心进气通孔内，所述第一进气块与所述第二进气块固定连接；在所述第二中心进气通孔的内壁和所述第一进气块的侧壁之间形成相互隔离的第一环形密封空腔区域和第二环形密封空腔区域；在所述第一进气块的侧壁上设置有用于连通所述第一密封空腔区域和所述第一中心进气通孔、连通所述第二密封空腔区域和所述第一中心进气通孔的第一进气孔；在所述第二进气块的侧壁上设置有分别与所述第一密封空腔区域和所述第二密封空腔区域相连通的第二进气孔。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
在所述第一进气块的侧壁上设置有在轴向间隔开的第一环形槽和第二环形槽；所述第二中心进气通孔的内壁分别与所述第一环形槽和所述第二环形槽围成所述第一环形密封空腔区域和所述第二环形密封空腔区域；在所述第一环形槽和第二环形槽内分别设置有与所述第一中心进气通孔相连通的所述第一进气孔。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述第一进气块的第一连接端面与所述第二进气块的第二连接端面固定连接，在所述第一连接端面与所述第二连接端面之间设置有密封结构，所述密封结构为：密封圈密封结构或真空法兰结构。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，
在所述第一进气块的侧壁上并位于所述第一环形槽和所述第二环形槽之间设置第二环形密封元件，所述第二环形密封元件与所述第二中心进气通孔的内壁压紧贴合，起到密封作用。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，
在所述第一进气块的侧壁上并位于所述第二环形槽的下方设置第三环形密封元件，所述第三环形密封元件与所述第二中心进气通孔的内壁压紧贴合，起到密封作用；其中，所述第一环形槽位于所述第二环形槽的上方。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，
在所述第一环形槽内设置沿所述第一进气块的周向均匀分布的第一组第一进气孔，在所述第二环形槽内设置沿所述第一进气块的周向均匀分布的第二组第一进气孔。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
在所述第二进气块的侧壁上设置有与所述第一环形密封空腔区域相连通的第一组第二进气孔，在所述第二进气块的侧壁上设置有与所述第二环形密封空腔区域相连通的第二组第二进气孔；其中，所述第一组第二进气孔和所述第二组第二进气孔在所述第二进气块的侧壁上都为对称分布。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述第一组第一进气孔和所述第二组第一进气孔的孔径都小于4mm；
所述第一组第二进气孔和所述第二组第二进气孔的孔径都小于4mm。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述第二中心进气通孔为阶梯孔，所述阶梯孔包括第一阶梯孔段和第二阶梯孔段，所述第一阶梯孔段的直径大于所述第二阶梯孔段，所述第一进气块插入所述第一阶梯孔段内。
10.一种原子层沉积装置，其特征在于，包括：
匀流喷头，设置在工艺腔室内；
权利要求1至9任一项所述的进气装置，其中，所述第一中心进气通孔和所述第二中心进气通孔与所述匀流喷头连通。
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