CN110195216A - 一种原子层沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种原子层沉积设备。本发明提供的原子层沉积设备包括：真空反应室、载气瓶、载气管路、前驱体源瓶和前驱体管路。其中，真空反应室包括沉积室和真空室，沉积室设于真空室的腔体内，且沉积室与真空室可拆卸连接。载气瓶通过载气管路与沉积室连通，前驱体源瓶通过前驱体管路与沉积室连通。沉积室通过其内腔真空抽气口与抽真空设备连接，真空室通过其外腔真空抽气口与抽真空设备连接。本发明提供的原子层沉积设备，真空反应室采用可拆卸连接的内外双腔结构，设备体积小，便于清洗，通用性好，可以满足不同尺寸，不同形状半导体器件的镀膜工艺需求，能够满足工业化大规模生产的需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种原子层沉积设备。
背景技术
工业生产中为了改善各种各样材料的性能，进行表面涂层是应用最广泛的方法之一，目前制备方法主要有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶法(sol-gel)、原子层沉积(ALD)。其中，原子层沉积技术作为一种特殊的化学气相沉积技术，制备的涂层相比于其他方法多种优点。原子层沉积(ALD)技术正逐渐成为了微电子器件制造及半导体领域的必要技术，例如用于制备晶体管栅堆垛及电容器中的高k介质和金属薄膜、刻蚀终止层、多种间隙层和薄膜扩散阻挡层、磁头以及非挥发性存储器，芯片薄膜沉积等。原子层沉积技术充分利用表面饱和反应(surface saturation reactions)，天生具备厚度控制和高度的稳定性，对温度和反应源流量的变化不太敏感。采用原子层沉积技术得到的薄膜既具有高纯度又具有高密度，既平整又具有高度的保型性。但是，现有的原子层沉积装置不仅通用性差，而且体积较大，清洗不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种原子层沉积设备，设备体积小，便于清洗，通用性好，可以满足不同尺寸，不同形状半导体器件的镀膜工艺需求，能够满足工业化大规模生产的需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种原子层沉积设备，所述设备包括：真空反应室、载气瓶和前驱体源瓶；其中，
所述真空反应室包括沉积室和真空室，所述沉积室设于所述真空室的腔体内，且所述沉积室与所述真空室可拆卸连接；
所述载气瓶通过载气管路与所述沉积室连通，所述前驱体源瓶通过前驱体管路与所述沉积室连通；
所述沉积室开设有内腔真空抽气口，所述真空室开设有外腔真空抽气口，所述沉积室通过所述内腔真空抽气口与抽真空设备连接，所述真空室通过所述外腔真空抽气口与抽真空设备连接。
可选的，所述设备还包括取样机械手，所述真空室和所述沉积室对应开设有侧壁进样口，对应所述侧壁进样口设置有滑轨，所述取样机械手与所述滑轨滑动连接，所述取样机械手设置有用于放置基片的基片支架。
可选的，所述真空室和所述沉积室对应开设有上进样口，所述真空室的上进样口匹配设置有上开门，所述上开门与所述真空室铰接连接。
可选的，所述设备还包括冷却水管路系统，所述冷却水管路系统的冷却水盘管设于所述真空室的外壁。
可选的，所述设备还包括基片加热器，所述沉积室内设置有用于放置基片的基片升降台，所述基片加热器设置在所述基片升降台的底部。
可选的，所述设备还包括外围加热器，所述外围加热器设置在所述真空室与所述沉积室之间的腔体内。
可选的，所述设备还包括加热套，所述前驱体源瓶的外壁和所述前驱体管路的外壁均设置有所述加热套。
可选的，所述前驱体源瓶的数量大于或者等于2，每一所述前驱体源瓶通过独立的前驱体管路与所述沉积室连通。
可选的，所述沉积室横截面的直径为400mm，所述沉积室的高度范围为150mm-180mm，所述真空室的长度为476mm，宽度为500mm，高为390mm。
可选的，所述设备还包括质量流量计、真空计和热电偶，所述质量流量计安装在所述载气管路上，所述真空计设于所述沉积室内，所述前驱体源瓶的外表面设有一所述热电偶，所述沉积室内设有一所述热电偶，所述前驱体管路上设有一所述热电偶。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的原子层沉积设备包括：真空反应室、载气瓶、载气管路、前驱体源瓶和前驱体管路。其中，真空反应室包括沉积室和真空室，沉积室设于真空室的腔体内，且沉积室与真空室可拆卸连接。载气瓶通过载气管路与沉积室连通，前驱体源瓶通过前驱体管路与沉积室连通。沉积室通过其内腔真空抽气口与抽真空设备连接，真空室通过其外腔真空抽气口与抽真空设备连接。本发明提供的原子层沉积设备，真空反应室采用可拆卸连接的内外双腔结构，设备体积小，便于清洗，通用性好，可以满足不同尺寸，不同形状半导体器件的镀膜工艺需求，能够满足工业化大规模生产的需求。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的正轴测图；
图3为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的斜轴测图；
图4为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的剖面图；
图5为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的加热器示意图。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种原子层沉积设备，设备体积小，便于清洗，通用性好，可以满足不同尺寸，不同形状半导体器件的镀膜工艺需求，能够满足工业化大规模生产的需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的结构示意图。图2为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的正轴测图。图3为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的斜轴测图。图4为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的剖面图。图5为本发明实施例提供的一种原子层沉积设备的加热器示意图。如图1～图5所示，所述设备包括：真空反应室、载气瓶18、载气管路、前驱体源瓶10和前驱体管路。
所述真空反应室包括沉积室4和真空室2，所述沉积室4设于所述真空室2的腔体内。如图5所示，所述沉积室4通过螺纹固定杆21与所述真空室2可拆卸连接。
所述载气瓶18通过载气管路与所述沉积室4连通，所述载气瓶18用于盛放惰性气体如氮气或氩气。所述前驱体源瓶10通过前驱体管路与所述沉积室4连通，向沉积室4提供前驱体。所述载气管路和所述前驱体管路上均设置有阀门。
所述沉积室4开设有内腔真空抽气口，所述真空室2开设有外腔真空抽气口。如图4所示，所述内腔真空抽气口通过内腔抽气管道20与抽真空设备连接，所述外腔真空抽气口通过外腔抽气管道8与抽真空设备连接。抽真空设备通过外腔抽气管道8与内腔抽气管道20，可同时对沉积室4和真空室2抽真空，真空机械泵抽速为可达到9L/S。
所述真空室的长度为476mm，宽度为500mm，高为390mm。所述沉积室4横截面的直径为400mm，所述沉积室的高度范围为150mm-180mm。本实施例中，与8英寸基片匹配的沉积室4的横截面直径为400mm，高度为150mm，与8英寸/30mm厚度的基片匹配的沉积室4的横截面直径为400mm，高度为180mm，能够用于3D孔径结构表面沉积，属于多功能设计。
作为一种优选方式，所述设备还包括取样机械手3和真空阀门7。所述真空室2和所述沉积室4对应开设有侧壁进样口，对应所述侧壁进样口设置有滑轨19，所述取样机械手3与所述滑轨19滑动连接。真空阀门7安装在真空室2与取样机械手3之间，用于隔绝真空室2与取样机械手3。所述取样机械手3设置有用于放置基片的基片支架，基片可通过卡接方式放置于基片支架上。放置有基片的取样机械手3可在滑轨19上滑动，穿过真空室2和沉积室4的侧壁进样口，进入所述沉积室4内，到达沉积区域即沉积室4内基片升降台的正上方后，基片支架与基片升降台配合，基片升降台给基片施加向上的压力时，可将基片与基片支架分离，然后取样机械手3可退出真空反应式。
进一步地，所述真空室2和所述沉积室4还对应开设有上进样口，所述真空室2的上进样口匹配设置有上开门1，所述上开门1与所述真空室4铰接连接。同时，所述真空室2还设有预留口9，便于后期进行功能扩展。8英寸0.5mm厚度标准的基片通过取样机械手3取放样品，8英寸30mm厚度的基片通过上开门1取放样品。
所述前驱体源瓶10的数量大于或者等于2，每一所述前驱体源瓶10通过独立的前驱体管路与所述沉积室4连通。实际应用中，可根据具体应用需求确定前驱体源瓶的数量，本实施例中，设备包括2-4个前驱体源瓶，对应设置有2-4路前驱体管路，可以通入2-4种不同的源，每条前驱体管路单独通过一种气源，管路中不会发生气源混合。
本实施例中，所述设备还包括冷却水管路系统、基片加热器6、外围加热器5和加热套。如图3所示，所述冷却水管路系统包括相互连通的冷却水盘管14以及与冷却水盘管14相连接的进水管和回水管。所述冷却水管路系统的冷却水盘管14设于所述真空室2的外壁。如图5所示，所述沉积室内4设置有用于放置基片的基片升降台，所述基片加热器6设置在所述基片升降台的底部。所述外围加热器5设置在所述真空室2与所述沉积室4之间的腔体内。为了保证温度均匀性，本实施例中的基片加热器6和外围加热器5均为辐射加热器，能够确保基片受热均匀。加热套由加热丝和保温套组成，所述前驱体源瓶10的外壁和所述前驱体管路的外壁均设置有所述加热套。加热源11位于真空室下方，加热源11上方通过管路与真空室2连接，加热源11下方通过管路与安装在载气管路上的气动阀门13连接。
本实施例中，所述设备还包括分别与控制系统连接的质量流量计12、吹扫质量流量计15、真空计和热电偶，热电偶可选用K型热电偶。质量流量计12安装在气动阀门13上。气动阀门13、基片升降台、外围加热器5和基片加热器6均与控制系统连接。所述质量流量计12、前驱体管路和真空室2连接交汇处设置有三通气动阀17。所述真空计设于所述沉积室4内，所述前驱体源瓶10的外表面设有一所述热电偶，所述沉积室4内设有一所述热电偶，所述前驱体管路上设有一所述热电偶。控制系统通过真空计获取沉积室的气压，利用热电偶来检测沉积室、前驱体源瓶，前驱体管路的温度，控制系统控制载气的流量与流速通，并可控制各加热器的开启或关闭。
下面以通入两路前驱体TMA和H2O，在8英寸晶圆表面沉积Al2O3为例，介绍本发明进行原子层沉积的具体过程：
通入两路气源，第一前驱体源瓶盛放有TMA前驱体，第二前驱体源瓶盛放有H2O前驱体，将晶圆样品放入取样机械手，打开真空阀门7，将取样机械手3推入沉积室4。开启PLC控制系统，通过控制程序控制沉积室4内的基片升降台上升到指定位置，样品升入沉积区域，此时由基片升降台支撑样品，取样机械手3退出真空反应室，关闭真空阀门7。启动真空泵对真空室2和沉积室4同时抽真空至气压为0.1Pa。设定外围加热器5和加热套的温度，加热装有TMA的第一前驱体源瓶的气体管路，使之温度达到80度，同时设置基片加热器6的温度，对沉积室4和基片升降台进行辐射加热，并开启真空室2外壁设置的冷却水管路系统，用于对真空室2的外壁进行降温，直至前驱体管路、沉积室及基片升降台达到设定温度后，通过PLC程序控制进行原子层沉积反应，具体过程如下：
脉冲顺序依次为第一源瓶手动阀打开，TMA饱和蒸气进入输气管路，脉冲时间为3秒，曝露时间为3秒，然后打开两通气动阀13，打开惰性气体载气瓶18的手动阀16，通过质量流量计12将惰性载气通入管路，进气时间为15秒，紧接着将第二源瓶手动阀打开，H2O饱和蒸气进入输气管路，脉冲时间为5秒，曝露时间为5秒，然后将吹扫质量流量计15打开，两通气动阀打开，惰性载气通入管路，进气时间为15秒，最后重复将吹扫质量流量计15和两通气动阀打开，惰性载气通入管路清洗整个真空反应室，进气时间为10秒。按照该循环周期进行重复，达到设定循环周期后，脉冲循环程序停止，先关闭第一源瓶手动阀和第二源瓶手动阀，然后关闭载气瓶18的手动阀16，质量流量计全部关闭，加热器全部关闭，关闭冷却水管路系统，关闭真空泵，打开手动放气阀，打开真空阀门，取样机械手进入真空反应室，控制沉积室内的基片升降台下降到指定位置，样品落入取样机械手上，取样机械手退出真空反应室，取下样品，完成原子层沉积处理。
本发明提供的原子层沉积设备，可实现在8英寸二维平面基体上均匀沉积，同时适用于对具有超高长径比的3D孔径结构进行均匀沉积，能够适应不同尺寸，不同形貌结构的半导体器件，能够满足工业化大规模生产的需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种原子层沉积设备，其特征在于，所述设备包括：真空反应室、载气瓶和前驱体源瓶；其中，
所述真空反应室包括沉积室和真空室，所述沉积室设于所述真空室的腔体内，且所述沉积室与所述真空室可拆卸连接；
所述载气瓶通过载气管路与所述沉积室连通，所述前驱体源瓶通过前驱体管路与所述沉积室连通；
所述沉积室开设有内腔真空抽气口，所述真空室开设有外腔真空抽气口，所述沉积室通过所述内腔真空抽气口与抽真空设备连接，所述真空室通过所述外腔真空抽气口与抽真空设备连接。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括取样机械手，所述真空室和所述沉积室对应开设有侧壁进样口，对应所述侧壁进样口设置有滑轨，所述取样机械手与所述滑轨滑动连接，所述取样机械手设置有用于放置基片的基片支架。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述真空室和所述沉积室对应开设有上进样口，所述真空室的上进样口匹配设置有上开门，所述上开门与所述真空室铰接连接。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括冷却水管路系统，所述冷却水管路系统的冷却水盘管设于所述真空室的外壁。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括基片加热器，所述沉积室内设置有用于放置基片的基片升降台，所述基片加热器设置在所述基片升降台的底部。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括外围加热器，所述外围加热器设置在所述真空室与所述沉积室之间的腔体内。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括加热套，所述前驱体源瓶的外壁和所述前驱体管路的外壁均设置有所述加热套。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述前驱体源瓶的数量大于或者等于2，每一所述前驱体源瓶通过独立的前驱体管路与所述沉积室连通。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述沉积室横截面的直径为400mm，所述沉积室的高度范围为150mm-180mm，所述真空室的长度为476mm，宽度为500mm，高为390mm。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括质量流量计、真空计和热电偶，所述质量流量计安装在所述载气管路上，所述真空计设于所述沉积室内，所述前驱体源瓶的外表面设有一所述热电偶，所述沉积室内设有一所述热电偶，所述前驱体管路上设有一所述热电偶。
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