CN109609931A - 原子层沉积装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种原子层沉积装置及方法，该原子层沉积装置包括：反应腔室，分别经由第一前驱体传输管路和第二前驱体传输管路通入第一前驱体和第二前驱体；供给气缸和回收气缸，两气缸分别连接至第二前驱体传输管路，并且经由连通管路彼此连接；其中，通过对所述供给气缸与所述回收气缸的容积进行控制，从而经由所述回收气缸回收至少部分所述第二前驱体并通过连通管路将其导回至供给气缸中。通过对第二前驱体的回收利用，减少了第二前驱体的浪费，也防止了其与第一前驱体在真空泵中发生反应，延长了真空泵的使用寿命。

Description

原子层沉积装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种原子层沉积装置及方法。
背景技术
随着集成电路技术的不断提高，电子元器件逐渐向着小型化、集成化及精细化的方向发展，这就对电子元器件相关的制备技术提出了更高的要求，尤其是薄膜沉积技术。而传统的薄膜沉积技术，例如：物理气相沉积技术(PVD，Physical Vapor Deposition)、化学气相沉积技术(CVD，Chemical Vapor Deposition)等，均很难满足三维立体结构器件中台阶覆盖率的要求，因此，人们纷纷需求新的薄膜制备技术。
原子层沉积技术是一种以单原子层形式逐层吸附在衬底上的薄膜制备技术。其最大特点是具有自限制性，即衬底上的活性位点反应完成后将不再发生反应，这就决定了采用原子层沉积技术制备的薄膜具有厚度高度可控、均匀性优异、台阶覆盖率高等众多优点，可完全满足三维立体结构器件的薄膜制备要求。
原子层沉积是通过将反应前驱体脉冲交替地通入反应腔室并在衬底上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种技术。当反应前驱体到达衬底表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。
现有的原子层沉积装置具有以下技术问题：以TiCl4和NH3为反应源制备TiN薄膜为例，当工艺气体NH3不参与反应时，为了实现反应源的连续性以及气路之间快速切换，工艺气体NH3被直接排入真空泵，导致工艺气体浪费，增加生产成本。同时，过剩的反应前驱体经过反应腔室排入真空泵与NH3相遇，发生CVD反应，产生大量颗粒，影响真空泵的寿命。因此，亟需对现有的设计进行进一步改进，以解决工艺气体大量浪费，以及两种反应源直接在真空泵相遇，发生CVD反应，导致真空泵寿命受损的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种原子层沉积装置，其采用了双气缸设计，在原有设备基础上，通过两个气缸实现了对工艺气体的回收及再利用，在提高工艺气体的利用率的同时，也避免将工艺气体直接排入真空泵，延长了真空泵的使用寿命，降低了工业化大生产的成本。
根据本发明的一方面，提供一种原子层沉积装置，其特征在于，包括：
反应腔室，其通过排气管路连接真空泵；
第一前驱体传输管路，其一端连接反应腔室，另一端与载气管路的一端对接，所述载气管路与第一前驱体传输管路接口的两端之间还并联设有用于装载第一前驱体的源瓶；其中，所述源瓶通过源瓶进口管路接入载气管路，并通过源瓶出口管路接入第一前驱体传输管路；
载气管路，其一端分别连接第一前驱体传输管路和源瓶，另一端连接载气气源；
第二前驱体传输管路，其一端连接反应腔室，另一端分别连接供给管路和回收管路；
供给管路，其一端连接供给气缸，所述供给气缸用于为所述反应腔室提供第二前驱体，另一端连接第二前驱体传输管路；
回收管路，其一端连接回收气缸，另一端连接第二前驱体传输管路；
连通管路，其一端连接供给气缸，另一端连接回收气缸；
其中，所述供给管路、回收管路、连通管路和第二前驱体传输管路的开启和关闭分别受控于第一至第四阀门，所述供给气缸和回收气缸的容积分别通过其各自的活塞进行控制；
所述第二前驱体传输管路关闭时，所述供给气缸和所述回收气缸经供给管路和回收管路相连通，所述回收气缸对所述供给气缸提供的第二前驱体进行回收，并将回收的第二前驱体经由连通管路导回至供给气缸。
优选地，还包括：
补气管路，其一端连接第二前驱体气源，另一端经供给管路连接至供给气缸，所述补气管路的两端之间设置有阀门，所述补气管路为所述供给气缸补充第二前驱体。
优选地，还包括：
第一压力表，与供给气缸相连接，以检测第一气压；
第二压力表，与回收气缸相连接，以检测第二气压；
第三压力表，与供给管路相连接，以检测第三气压。
优选地，还包括：
第一质量流量控制器，位于供给管路上，用于控制第二前驱体的流量。
优选地，还包括：
第一稀释气体管路，其一端与第一稀释气体气源连接，另一端接入第一前驱体传输管路连接至反应腔室；
第二稀释气体管路，其一端与第二稀释气体气源连接，另一端接入第二前驱体传输管路连接至反应腔室。
优选地，还包括：
第二稀释气体支路，其一端连接至第二稀释气体管路，另一端接入排气管路连接至真空泵。
根据本发明的另一方面，还提供一种原子层沉积方法，其特征在于，包括：
在反应腔室中通入第一前驱体，第一前驱体的基团吸附于基片表面；
对反应腔室进行第一次净化，以去除第一前驱体；
在反应腔室中通入第二前驱体，第二前驱体与基片表面的基团反应形成沉积材料；以及
对反应腔室进行第二次净化，以去除第二前驱体，
其中，采用供给气缸供给第二前驱体，采用回收气缸回收至少部分所述第二前驱体。
优选地，通过供给气缸和回收气缸的活塞移动控制供给气缸和回收气缸的容积变化，以实现第一至第四工作状态，
在第一工作状态中，第二前驱体从第二前驱体气源导入供给气缸中，
在第二工作状态中，第二前驱体从供给气缸导入至回收气缸中，
在第三工作状态中，第二前驱体从供给气缸导入反应腔室中，
在第四工作状态中，第二前驱体从回收气缸导入供给气缸中。
优选地，在通入第一前驱体的步骤之前，供给气缸和回收气缸为第一工作状态；
在通入第一前驱体的步骤中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在第一次净化步骤中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在通入第二前驱体的步骤中，供给气缸和回收气缸为第三工作状态；
在第二次净化步骤中，供给气缸和回收气缸为第四工作状态。
优选地，在第一次净化步骤中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在通入第二前驱体的步骤中，供给气缸和回收气缸为第三工作状态；
根据供给气缸和回收气缸的状态，在通入第一前驱体的步骤之前、通入第一前驱体的步骤中、第二次净化步骤中，供给气缸和回收气缸执行第一工作状态或第四工作状态。
本发明的一实施例具有以下优点或有益效果：本发明提供的原子层沉积装置采用了双气缸设计，通过两个气缸之间的连接及活塞运动的相互配合，在保证第二前驱体连续性，不影响原子层沉积质量的情况下，实现了第二前驱体的供给和回收利用，且补气方式灵活，可在将回收气缸内的第二前驱体导入供给气缸后立即对供给气缸进行补气，也可在多次循环使用后，再对供给气缸进行一次补气操作，从而减少补气操作的频次，极大程度的提高了第二前驱体的利用率，避免了将第二前驱体直接排入真空泵造成的浪费，也防止了第二前驱体与过剩的第一前驱体在真空泵中相遇，发生反应产生大量颗粒，进而影响真空泵的寿命。
本发明的另一优选实施例具有以下优点或有益效果：本发明提供的原子层沉积装置可在原有设备的基础上，通过改造获得，其改造方便快捷成本不高，具有很强的实用性，本发明提供的原子层沉积装置在生产同样薄膜时，第二前驱体的消耗量较现有技术显著减少，避免了不必要的浪费，节约了生产成本，还防止了第二前驱体与第一前驱体在真空泵中反应产生大量颗粒，延长了真空泵的使用寿命，且该原子层沉积装置中各部分均采用电气控制，可实现自动化生产，减少了对人工的依赖，可实现长时间连续生产，减少了补气频次，提高了设备利用率，进一步降低了工业化大规模生产的成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了现有技术的原子层沉积装置的结构示意图；
图2示出了现有技术的原子层沉积装置的工艺流程图；
图3示出了本发明实施例的原子层沉积装置的结构示意图；
图4示出了本发明实施例的原子层沉积装置供给气缸和回收气缸的工作状态示意图；
图5示出了本发明实施例的原子层沉积装置的工艺流程图。
附图标记列表
1 反应腔室
2 气体分配装置
3 基座
4 衬底
5 源瓶
6 碟阀
7 真空泵
8 回收气缸
9 供给气缸
10 第二稀释气体气源
11 第一稀释气体气源
12 载气气源
13 第二前驱体气源
20 第三质量流量控制器
21 第四质量流量控制器
22 第二质量流量控制器
23 第一质量流量控制器
30 第二稀释气体管路
31 第一稀释气体管路
32 第一前驱体传输管路
321 载气管路
33 第二前驱体传输管路
34 第二前驱体传输支路
35 第二稀释气体支路
36 排气管路
37 供给管路
371 补气管路
38 回收管路
39 连通管路
40、41、42、44、45、46、47、48 阀门
43 第四阀门
441 第二阀门
442 第三阀门
443 第一阀门
51 第二压力表
52 第一压力表
53 第三压力表
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出现有技术的原子层沉积装置的结构示意图，如图1所示，原子层沉积装置包括：反应腔室1，源瓶5、碟阀6、真空泵7以及连接各部分的气体传输管路。
反应腔室1内设置有气体分配装置2(gas distributor)和基座3，气体分配装置2例如为喷淋头，基座3位于气体分配装置2的下方，具有加热功能，衬底4位于基座3上，用于沉积薄膜。气体分配装置2使进入反应腔室1的气体能够在衬底4上均匀分布。源瓶5用于装载第一前驱体(例如为TiCl4)
排气管路36的一端与反应腔室1相连，另一端与真空泵7相连，以对反应腔室1进行抽真空；排气管路36上还设置有碟阀6，以便进一步控制反应腔室1内的压力。
第一前驱体传输管路32，其一端连接反应腔室1，另一端经载气管路321与载气气源12相连，所述载气管路321与第一前驱体传输管路32接口之间还并联有用于装载第一前驱体的源瓶5；其中，源瓶5通过源瓶进口管路与载气管理321相连，并通过源瓶出口管路接入第一前驱体传输管路32，其中，源瓶进口管路由阀门45控制，源瓶出口管路由阀门46控制，载气管路321送出的载气用于经源瓶进口管路通入源瓶5，并携带源瓶5中的第一前驱体蒸气经源瓶出口管路和第一前驱体传输管路32进入反应腔室1。
第二前驱体传输管路33的一端连接于第二前驱体气源13，用于接收第二前驱体，另一端分为两路，一路连接至反应腔室1，其上设置有第四阀门43，另一路(第二前驱体传输支路34)接入排气管路36连接至真空泵7，其上设置有阀门44。第二前驱体例如为氨气(NH3)，用于与第一前驱体(例如TiCl4)发生反应生成薄膜。
第一稀释气体管路31，其一端连接第一稀释气体气源11，另一端接入第一前驱体传输管路32后连接反应腔室1，第一稀释气体管路31上设置有阀门41用于控制管路的通断。
第二稀释气体管路30，其一端连接第二稀释气体气源10，另一端接入第二前驱体传输管路33后连接反应腔室1，第二稀释气体支路35一端接入第二稀释气体管路30，另一端接入所述排气管路36后连接真空泵7，第二稀释气体管路30和第二稀释气体支路35上分别设置有阀门40和42。
当然地，第二前驱体气源13、载气气源12、第一稀释气体气源11、第二稀释气体气源10分别由第一质量流量控制器23、第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器21和第四质量流量控制器20控制气体的流量。
图2示出了现有技术的原子层沉积装置的工艺流程图，以TiCl4和NH3为反应源制备TiN薄膜为例，即第一前驱体为TiCl4、第二前驱体为NH3，对工艺流程进行说明，其中，稀释气体和载气例如为高纯氮气或惰性气体。具体工艺流程包括以下步骤：
S101设置相关工艺参数(即薄膜生长所需的工艺参数)。具体包括：将原子层沉积过程的温度控制为350℃-550℃，反应压力设置为0.5托-10托，所采用的载气和稀释气体的流量为10-5000标准毫升每分钟。
S102载气携带第一前驱体(TiCl4)通入反应腔室。具体包括：经第二质量流量控制器22的一定流量的载气(一般为20-100标准毫升每分钟)，通过阀门45，46和第一前驱体传输管路32，携带第一前驱体进入反应腔室1，第一前驱体TiCl4的加热温度例如为10℃-70℃。同时，经第四质量流量控制器21的一定流量的第一稀释气体(一般为200-2000标准毫升每分钟)，通过阀门41和第一稀释气体管路31，在反应腔室1上方与携带第一前驱体的载气混合后，进入反应腔室1。此时，阀门47关闭。
与此同时，经第一质量流量控制器23的一定流量的第二前驱体(一般为200-2000标准毫升每分钟)，通过阀门44和第二前驱体传输管路支路34，直接排入真空泵7。同时，经第三质量流量控制器20的一定流量的第二稀释气体(一般为200-2000标准毫升每分钟)，通过阀门40和第二稀释气体管路30进入反应腔室1。此时阀门42、第四阀门43关闭。同时，第二前驱体传输管路33的流量与第二稀释气体管路30的流量相同。
携带第一前驱体的载气通入反应腔室1的时间例如为5毫秒-30秒，即可在反应腔室1达到饱和吸附。
S103高纯氮气或惰性气体吹扫反应腔室。具体包括：在S102的基础上，将阀门45、46关闭，阀门47打开即可，其余部件均维持原状，以吹扫反应腔室。一般保持吹扫时间为1秒-180秒。
S104第二前驱体(NH3)通入反应腔室。具体包括：在S103的基础上，关闭阀门44，开启第四阀门43，与此同时，关闭阀门40，开启阀门42，即NH3通入反应腔室1，同时第二稀释气体通过第二稀释气体支路35直接排入真空泵7中。一般第二前驱体通入反应腔室的时间为0.1秒-30秒，即可在反应腔室1达到饱和吸附。
S105高纯氮气或惰性气体吹扫反应腔室。具体包括：在S104的基础上，关闭阀门42和第四阀门43，开启阀门40、44即可，其余部件均维持原状。一般保持吹扫时间为1秒-30秒。
进一步地，判断形成的薄膜厚度是否达到要求，如薄膜厚度达到要求，则工艺完成；如薄膜厚度不足，则重复步骤S102至S105，直至形成的薄膜厚度达到要求。
在上述过程中，当第二前驱体NH3不参与反应时，为了保证第二前驱体的连续性，通过气路之间快速切换，将第二前驱体NH3直接排入真空泵，导致第二前驱体的浪费。同时，过剩的第一前驱体经过反应腔室1排入真空泵7与第二前驱体NH3相遇，发生CVD反应，产生大量颗粒，影响了真空泵7的寿命。
为了解决上述的问题，本发明实施例提供了一种原子层沉积设备，采用双气缸设计，实现了第二前驱体的回收和再利用，提高了第二前驱体的利用率并解决了真空泵寿命受损的问题。
以下参照附图对本发明实施例提供的原子层沉积设备进行说明。
图3示出了本发明实施例的原子层沉积装置的结构示意图，本发明的原子层沉积装置包括：反应腔室1，源瓶5、碟阀6、真空泵7、供给气缸9和回收气缸8，以及连接各部分的气体传输管路。
反应腔室1内设置有气体分配装置2和基座3，气体分配装置2例如为喷淋头，基座3位于气体分配装置2的下方，具有加热功能，衬底4位于基座3上，用于沉积薄膜。气体分配装置2使进入反应腔室1的气体能够在衬底4上均匀分布。
气体传输管路包括：排气管路36、第一前驱体传输管路32、第二前驱体传输管路33、连通管路39、第一稀释气体管路31、第二稀释气体管路30和第二稀释气体支路35。
排气管路36的一端与反应腔室1相连，另一端与真空泵7相连，从而将反应腔室1内的废气抽出，以及对反应腔室1进行抽真空；排气管路36上还设置有碟阀6，以便进一步控制反应腔室1内的压力。
第一前驱体传输管路32，其一端连接反应腔室1，另一端经过载气管路321与载气气源12相连，所述载气管路321与第一前驱体传输管路32接口之间还并联有用于装载第一前驱体的源瓶5；其中，源瓶5通过源瓶进口管路与载气管路321相连，并通过源瓶出口管路接入第一前驱体传输管路32，其中，源瓶进口管路由阀门45控制，源瓶出口管路由阀门46控制，载气挂路321送出的载气用于经源瓶进口管路通入源瓶5，并携带源瓶5中的第一前驱体蒸气经源瓶出口管路和第一前驱体传输管路32进入反应腔室1。
第二前驱体传输管路33其一端与反应腔室1相连，用于向反应腔室1提供第二前驱体，另一端分别通过供给管路37和回收管路38与供给气缸9和回收气缸8相连接。
补气管路371的一端连接第二前驱体气源，另一端接入供给管路37连接至供给气缸9，所述补气管路371上设置有阀门48，供给气缸9与回收气缸8的容积均可通过各自的活塞进行独立控制，供给气缸9和回收气缸8之间还通过连通管路39彼此连接。
进一步地，供给管路37、回收管路38、连通管路39以及第二前驱体传输管路33的开启和关闭，分别由第一阀门443、第二阀门441、第三阀门442和第四阀门33控制。供给管路37上还设置有第一质量流量控制器23和第三压力表53，当然地，第三压力表53设置在第一流量控制器23的下游。类似地，供给气缸9及回收气缸8也分别设置有第一压力表52和第二压力表51以监测两气缸内的气压。
第一稀释气体管路31，其一端连接第一稀释气体气源11，另一端接入第一前驱体传输管路32后连接反应腔室1，第一稀释气体管路31上设置有阀门41用于控制管路的通断。
第二稀释气体管路30，其一端连接第二稀释气体气源10，另一端接入第二前驱体传输管路33后连接反应腔室1，第二稀释气体支路35一端连接第二稀释气体管路，另一端接入所述排气管路36后连接真空泵7，第二稀释气体管路30和第二稀释气体支路35上分别设置有阀门40和42。
当然地，第二前驱体气源13、载气气源12、第一稀释气体气源11、第二稀释气体气源10分别由第一质量流量控制器23、第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器21和第四质量流量控制器20控制气体的流量。
与现有技术相比，本发明采用双气缸式设计替代了将第二前驱体直接导入真空泵7的气体传输支路设计。供给气缸9与回收气缸8的容积均可通过各自的活塞进行独立控制，通过两气缸的相互配合，在保证第二前驱体连续性的同时，实现了第二前驱体的回收，避免了浪费，还防止了两反应源(第一前驱体和第二前驱体)在真空泵中反应产生颗粒，影响真空泵寿命。并且通过连通管路39还可将回收气缸8内回收的第二前驱体导入至供给气缸9中，实现第二前驱体的回收再利用。
图4示出了本发明实施例的原子层沉积装置供给气缸和回收气缸的工作状态示意图，以实现第二前驱体回收再利用。供给气缸9和回收气缸8通过活塞移动控制其容积变化配合阀门开启和关断可实现四个工作状态。具体如下所示(涉及结构部分参照图3)：
S01第一工作状态，阀门48开启，第一阀门443和第三阀门442断开，逐步增大供给气缸9的容积，以维持从第二前驱体气源13至供给气缸9的气体流动方向，直至供给气缸9活塞向下移动至最大，第一压力表52达到设定值，阀门48关闭，第二前驱体导入完成。
其中，所述设定值例如为600托-800托，优选为760托，且此时回收气缸8的活塞移至最上端，容积为最小值，无气体导入；
S02第二工作状态，第一阀门443和第二阀门441开启，阀门48、第三阀门442和阀门42关断，增大回收气缸8的容积，使得回收气缸内的气压小于供给气缸内的气压，例如回收气缸内的气压不大于供给气缸内的气压的80％，以维持从供给气缸9至回收气缸8的气体流动方向。
S03第三工作状态，第一阀门443和第四阀门43开启，阀门48、第二阀门441和第三阀门442关断，减小供给气缸9的容积，使得供给管路37内的气压小于供给气缸9内的气压，例如供给气缸9内的气压为供给管路37内气压的1.2倍，以维持从供给气缸9至反应腔室1的气体流动方向。
S04第四工作状态，第三阀门442开启，阀门48、第一阀门443和第二阀门441关断，增大供给气缸9的容积，减小回收气缸8的容积，使得供给气缸9内的气压小于回收气缸8内的气压，以维持从回收气缸8至供给气缸9的气体流动方向。
当然地，上述四种工作状态并非一定要按照第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第四工作状态的固定顺序进行循环动作。其各工作状态之间均可相互切换衔接，但第一工作状态已将供给气缸内的第二前驱体补充到位，因此往往不会在第一工作状态后衔接第四工作状态。进一步地，结合原子层沉积过程中需要保持第二前驱体供给的连续性，因此第三工作状态仅衔接于第二工作状态之后。
优选地，可以在第二工作状态与第三工作状态相互切换的循环多次之后再在其中穿插进行第一工作状态或第四工作状态。该方案可减少第一工作状态或第四工作状态的执行频次，有利于原子层沉积装置的高效运行。
具体地，当回收气缸8的活塞移动至最下方，且(在第二工作状态或第三工作状态中)回收气缸内的压力为供给管路内压力的60％-70％时，即提示回收气缸8需要将其内回收的第二前驱体排出，此时待本次原子层沉积工艺完成后，切换至第四工作状态，将回收气缸8内的第二前驱体导入供给气缸9。
当然地，原子层沉积装置的气缸数量不限于两个，其气缸数量还可根据具体需求设置为三个、四个或者多个，各气缸之间通过类似的连接和配合，可以产生同样的技术效果，其实质与本发明相同，同样应当落入本发明的保护范围，所涉具体方案在此不再赘述。
图5示出了本发明实施例的原子层沉积装置的工艺流程图，所述原子层沉积方法具体包括以下步骤：
S10确认供给气缸和回收气缸的状态；
S20设置原子层沉积装置所需的各项参数；
S30由载气携带第一前驱体通入反应腔室；
S40对反应腔室进行第一次净化；
S50向反应腔室通入第二前驱体；
S60对反应腔室进行第二次净化；
重复上述步骤S30至S60，直至形成的薄膜厚度达到要求。
上述流程中的所有步骤均可实现电气控制，如阀门由电磁阀组进行控制，质量流量控制器和压力表的反馈由PLC控制。
具体地，以第一前驱体为TiCl4，第二前驱体为NH3，采用ALD形式制备TiN薄膜为例，具体过程如下：
步骤S10：确认供给气缸和回收气缸的状态。具体地，确认供给气缸9导入第二前驱体NH3，活塞向下移动至最大，且压力表52达到设定值，设定值例如为760托，同时确定回收气缸8中无导入气体，活塞向上移动至最大。本步骤只需在上述的第一工作状态及第四工作状态完成后进行判断。
步骤S20：设置原子层沉积装置所需的各项参数，具体地，设置薄膜生长的相关参数，将原子层沉积过程的温度控制为350℃-550℃，反应压力设置为0.5托-10托，所采用的载气和稀释气体的流量均为10-5000标准毫升每分钟。
步骤S30：向反应腔室1通入第一前驱体，载气携带第一前驱体(第一前驱体蒸汽)通入反应腔室1。具体地，由载气气源12提供的，经第二质量流量控制器22的一定流量的载气(一般为20-100标准毫升每分钟)，通过阀门45，阀门46和第一前驱体传输管路32，携带第一前驱体进入反应腔室1，一般第一前驱体加热温度为10℃-70℃。同时，由第一稀释气体气源11提供的，经第四质量流量控制器21的一定流量的第一稀释气体(一般为200-2000标准毫升每分钟)，通过阀门41和第一稀释气体管路31，在反应腔室1上方与携带第一前驱体的载气混合后，进入反应腔室1。此时，阀门47关闭。
同时，由第二前驱体气源13提供的一定流量的第二前驱体(一般为20-100标准毫升每分钟)，经供给气缸9、第一阀门443、第一质量流量控制器23和第二阀门441流向回收气缸8。由第二稀释气体气源10提供的，经第三质量流量控制器20的一定流量的第二稀释气体(一般为200-2000标准毫升每分钟)，通过阀门40和第二稀释气体管路30，进入反应腔室1。此时阀门42，第四阀门43关闭。同时，第三质量流量控制器20的流量与第一质量流量控制器23的流量相同。
该过程需保持第一压力表52的示数始终高于第三压力表53的示数，一般第一压力表52的示数保持在第三压力表53的示数的1.2倍以上，同时也要保证第二压力表51的示数始终低于第三压力表53的示数，一般第二压力表51的示数保持在第三压力表53的示数的80％以下，以保证气体的流向。
步骤S40：对反应腔室1进行第一次净化，通过稀释气体和载气对反应腔室1进行吹扫。具体过程：在步骤S30的基础上，将阀门45、阀门46关闭，阀门47打开即可，其余部件均维持原状。一般保持吹扫时间为1秒-180秒。
步骤S50：向反应腔室通入第二前驱体。具体过程：在步骤S40的基础上，关闭第二阀门441，开启第四阀门43，与此同时，关闭阀门40，开启阀门42，即可使第二前驱体通入反应腔室1，同时第二稀释气体经过第二稀释气体支路35直接排入真空泵7中。一般第二前驱体通入反应腔室1的时间为0.1秒-30秒，即可在反应腔室达到饱和吸附。
步骤S60：对反应腔室1进行第二次净化，同样通过稀释气体对反应腔室1进行吹扫。具体过程：在步骤S50的基础上，关闭阀门42，关闭第四阀门43，开启阀门40即可，其余部件均维持原状。一般保持吹扫时间为1秒-30秒。
进一步地，判断形成的薄膜厚度是否达到要求，如达到要求则工艺完成；如薄膜厚度不足，则重复所述步骤S30至S60，直至形成的薄膜厚度达到要求。
具体地，将供给气缸和回收气缸的工作状态与原子层沉积方法的各步骤进行对应，具体对应情况如下：
在步骤S30之前，供给气缸和回收气缸为第一工作状态；
在步骤S30中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在步骤S40中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在步骤S50中，供给气缸和回收气缸为第三工作状态；
在步骤S60中，供给气缸和回收气缸为第四工作状态。
进一步地，并非一定按照上述对应情况才可实现第二前驱体回收利用的技术效果，为了保证进行原子层沉积时第二前驱体的连续性，仅需保证在步骤S50中，供给气缸和回收气缸为第三工作状态，步骤S50的前一个步骤(即步骤S40)中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态即可。
在其余各步骤中，可根据供给气缸9和回收气缸8的状态(两气缸中的第二前驱体的含量、活塞所在的位置、气压)，在通入第一前驱体的步骤之前或通入第一前驱体的步骤中又或者第二次净化步骤中，供给气缸和回收气缸执行第一工作状态或第四工作状态。
当然地，上述工艺流程中的所有步骤均可实现电气控制，例如各阀门均由电磁阀组进行控制，质量流量控制器和压力表的反馈由PLC控制，实现自动化生产。
本发明的一实施例具有以下优点或有益效果：本发明提供的原子层沉积装置采用了双气缸设计，通过两个气缸之间的连接及相互配合，通在保证第二前驱体连续性，不影响原子层沉积质量的情况下，实现了第二前驱体的供给和回收利用，且补气方式灵活，可在将回收气缸内的第二前驱体导入供给气缸后立即对供给气缸进行补气，也可在多次循环使用后，再对供给气缸进行一次补气操作，从而减少补气操作的频次，极大程度的提高了第二前驱体的利用率，避免了将第二前驱体直接排入真空泵造成的浪费，也防止了第二前驱体与过剩的第一前驱体在真空泵中相遇，发生反应产生大量颗粒，进而影响真空泵的寿命。
本发明的另一优选实施例具有以下优点或有益效果：本发明提供的原子层沉积装置可在原有设备的基础上，通过改造获得，其改造方便快捷成本不高，具有很强的实用性，本发明提供的原子层沉积装置在生产同样薄膜时，第二前驱体的消耗量较现有技术显著减少，避免了不必要的浪费，节约了生产成本，还防止了第二前驱体与第一前驱体在真空泵中反应产生大量颗粒，延长了真空泵的使用寿命，且该原子层沉积装置中各部分均采用电气控制，可实现自动化生产，减少了对人工的依赖，可实现长时间连续生产，减少了补气频次，提高了设备利用率，进一步降低了工业化大规模生产的成本。
依照本发明的实施例如上文所述，图示中为突出本发明技术方案的细节，各部件比例并非按照真实比例绘制，其附图中所示的比例及尺寸并不应限制本发明的实质技术方案，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种原子层沉积装置，其特征在于，包括：
反应腔室，其通过排气管路连接真空泵；
第一前驱体传输管路，其一端连接反应腔室，另一端与载气管路的一端对接，所述载气管路与第一前驱体传输管路接口的两端之间还并联设有用于装载第一前驱体的源瓶；其中，所述源瓶通过源瓶进口管路接入载气管路，并通过源瓶出口管路接入第一前驱体传输管路；
载气管路，其一端分别连接第一前驱体传输管路和源瓶，另一端连接载气气源；
第二前驱体传输管路，其一端连接反应腔室，另一端分别连接供给管路和回收管路；
供给管路，其一端连接供给气缸，所述供给气缸用于为所述反应腔室提供第二前驱体，另一端连接第二前驱体传输管路；
回收管路，其一端连接回收气缸，另一端连接第二前驱体传输管路；
连通管路，其一端连接供给气缸，另一端连接回收气缸；
其中，所述供给管路、回收管路、连通管路和第二前驱体传输管路的开启和关闭分别受控于第一至第四阀门，所述供给气缸和回收气缸的容积分别通过其各自的活塞进行控制；
所述第二前驱体传输管路关闭时，所述供给气缸和所述回收气缸经供给管路和回收管路相连通，所述回收气缸对所述供给气缸提供的第二前驱体进行回收，并将回收的第二前驱体经由连通管路导回至供给气缸。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，其特征在于，还包括：
补气管路，其一端连接第二前驱体气源，另一端经供给管路连接至供给气缸，所述补气管路的两端之间设置有阀门，所述补气管路为所述供给气缸补充第二前驱体。
3.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，其特征在于，还包括：
第一压力表，与供给气缸相连接，以检测第一气压；
第二压力表，与回收气缸相连接，以检测第二气压；
第三压力表，与供给管路相连接，以检测第三气压。
4.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，其特征在于，还包括：
第一质量流量控制器，位于供给管路上，用于控制第二前驱体的流量。
5.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，其特征在于，还包括：
第一稀释气体管路，其一端与第一稀释气体气源连接，另一端接入第一前驱体传输管路连接至反应腔室；
第二稀释气体管路，其一端与第二稀释气体气源连接，另一端接入第二前驱体传输管路连接至反应腔室。
6.根据权利要求5所述的原子层沉积装置，其特征在于，还包括：
第二稀释气体支路，其一端连接至第二稀释气体管路，另一端接入排气管路连接至真空泵。
7.一种原子层沉积方法，其特征在于，包括：
在反应腔室中通入第一前驱体，第一前驱体的基团吸附于基片表面；
对反应腔室进行第一次净化，以去除第一前驱体；
在反应腔室中通入第二前驱体，第二前驱体与基片表面的基团反应形成沉积材料；以及
对反应腔室进行第二次净化，以去除第二前驱体，
其中，采用供给气缸供给第二前驱体，采用回收气缸回收至少部分所述第二前驱体。
8.根据权利要求7所述的原子层沉积方法，其特征在于，通过供给气缸和回收气缸的活塞移动控制供给气缸和回收气缸的容积变化，以实现第一至第四工作状态，
在第一工作状态中，第二前驱体从第二前驱体气源导入供给气缸中，
在第二工作状态中，第二前驱体从供给气缸导入至回收气缸中，
在第三工作状态中，第二前驱体从供给气缸导入反应腔室中，
在第四工作状态中，第二前驱体从回收气缸导入供给气缸中。
9.根据权利要求8所述的原子层沉积方法，其特征在于，
在通入第一前驱体的步骤之前，供给气缸和回收气缸为第一工作状态；
在通入第一前驱体的步骤中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在第一次净化步骤中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在通入第二前驱体的步骤中，供给气缸和回收气缸为第三工作状态；
在第二次净化步骤中，供给气缸和回收气缸为第四工作状态。
10.根据权利要求8所述的原子层沉积方法，其特征在于，
在第一次净化步骤中，供给气缸和回收气缸为第二工作状态；
在通入第二前驱体的步骤中，供给气缸和回收气缸为第三工作状态；
根据供给气缸和回收气缸的状态，在通入第一前驱体的步骤之前、通入第一前驱体的步骤中、第二次净化步骤中，供给气缸和回收气缸执行第一工作状态或第四工作状态。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111520613A (zh) * 2020-04-26 2020-08-11 北京北方华创微电子装备有限公司 集成供气系统及其气路切换机构、半导体外延设备
WO2021097893A1 (zh) * 2019-11-19 2021-05-27 中国科学院微电子研究所 一种原子层沉积装置和方法
CN112899652A (zh) * 2019-11-19 2021-06-04 中国科学院微电子研究所 一种原子层沉积制备薄膜材料的装置和方法
WO2023213128A1 (zh) * 2022-05-05 2023-11-09 拓荆科技股份有限公司 用于薄膜沉积的系统、设备和方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63136617A (ja) * 1986-11-28 1988-06-08 Canon Inc 堆積膜形成法
US20050031495A1 (en) * 2003-08-05 2005-02-10 Choi Han-Mei Liquid chemical delivery system with recycling element and associated methods
CN101514446A (zh) * 2008-02-22 2009-08-26 普莱克斯技术有限公司 多安瓿输送系统
CN100590223C (zh) * 2006-03-21 2010-02-17 韩商奥拓股份有限公司 采用气体分离型喷头的原子层沉积装置
CN105992836A (zh) * 2013-11-26 2016-10-05 雅达公司 改进的等离子体增强ald系统
CN107541717A (zh) * 2016-06-23 2018-01-05 株式会社日立国际电气 半导体器件的制造方法、衬底处理装置及记录介质
CN107868944A (zh) * 2017-10-31 2018-04-03 北京北方华创微电子装备有限公司 一种氮化钛原子层沉积装置及其沉积方法
CN108070844A (zh) * 2016-11-16 2018-05-25 矽碁科技股份有限公司 原子层沉积设备及其抽气速率控制方法
US20180265974A1 (en) * 2017-03-15 2018-09-20 Tokyo Electron Limited Substrate processing apparatus and method

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63136617A (ja) * 1986-11-28 1988-06-08 Canon Inc 堆積膜形成法
US20050031495A1 (en) * 2003-08-05 2005-02-10 Choi Han-Mei Liquid chemical delivery system with recycling element and associated methods
CN100590223C (zh) * 2006-03-21 2010-02-17 韩商奥拓股份有限公司 采用气体分离型喷头的原子层沉积装置
CN101514446A (zh) * 2008-02-22 2009-08-26 普莱克斯技术有限公司 多安瓿输送系统
CN105992836A (zh) * 2013-11-26 2016-10-05 雅达公司 改进的等离子体增强ald系统
CN107541717A (zh) * 2016-06-23 2018-01-05 株式会社日立国际电气 半导体器件的制造方法、衬底处理装置及记录介质
CN108070844A (zh) * 2016-11-16 2018-05-25 矽碁科技股份有限公司 原子层沉积设备及其抽气速率控制方法
US20180265974A1 (en) * 2017-03-15 2018-09-20 Tokyo Electron Limited Substrate processing apparatus and method
CN107868944A (zh) * 2017-10-31 2018-04-03 北京北方华创微电子装备有限公司 一种氮化钛原子层沉积装置及其沉积方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021097893A1 (zh) * 2019-11-19 2021-05-27 中国科学院微电子研究所 一种原子层沉积装置和方法
CN112899652A (zh) * 2019-11-19 2021-06-04 中国科学院微电子研究所 一种原子层沉积制备薄膜材料的装置和方法
CN112899653A (zh) * 2019-11-19 2021-06-04 中国科学院微电子研究所 一种高温原子层沉积装置和方法
CN111520613A (zh) * 2020-04-26 2020-08-11 北京北方华创微电子装备有限公司 集成供气系统及其气路切换机构、半导体外延设备
CN111520613B (zh) * 2020-04-26 2022-01-11 北京北方华创微电子装备有限公司 集成供气系统及其气路切换机构、半导体外延设备
WO2023213128A1 (zh) * 2022-05-05 2023-11-09 拓荆科技股份有限公司 用于薄膜沉积的系统、设备和方法

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