CN114836731B - 一种原子层沉积设备及沉积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种原子层沉积设备及沉积方法，沉积设备设置有反应腔室及退火腔室，其中反应腔室设置有多个加热器，待沉积外延层的衬底可以通过传输装置在不同的加热器之间传输，每一个加热器均可以独立调节加热温度。不同的加热器对应不同的原子层沉积，加热器的数量可以根据沉积的薄膜或者晶体材料的组成元素数量进行设置，由于本发明的加热器能够针对不同的反应气体源进行温度的优化调节，因此能够获得期望厚度的外延层，并且外延层的质量得以大大提高。同时由于独立调节温度还能够大大提高生产效率。另外，本发明的ALD设备采用水平进气+垂直进气的方式，能够得到更加均匀的气流场，有利于形成高质量的外延层。

Description

一种原子层沉积设备及沉积方法
技术领域
本发明涉及半导体器件及半导体设备领域，特别是涉及一种原子层沉积设备及沉积方法。
背景技术
原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法。ALD可以通过顺序地、自限性的表面反应满足原子层控制和保形沉积的需求。ALD的优点是通过ALD的自限性方面，可以在埃米级或单层水平上进行精确的厚度控制，并在高深宽比的结构上具有出色的台阶覆盖和共形沉积。表面反应的自限性和温度还会导致前驱体流量的不可预测的消失，从而导致非统计沉积。结果，ALD膜保持极其光滑并与原始基底保形，但不一定与晶体基底对准。
大多数ALD工艺基于二元反应序列，其中发生两个表面反应并沉积二元化合物膜。腔室的温度和压力针对表面反应进行了优化，通常低于基材的熔点。由于只有有限数量的表面部位，因此反应只能沉积有限数量的表面物质。如果这两个表面反应中的每一个都是自限性的，则这两个反应可以以顺序方式进行以沉积具有原子能级控制的薄膜。
现有技术中，ALD装置通常通过旋转衬底分别与两种反应源气体在高温下接触，但仍会导致缺陷，尤其对于单晶质量要求较高的外延层，导致的缺陷尤为明显。因此需要一种具有更好的控制装置及控制方法实现高质量晶体外延的ALD方法及设备。
发明内容
鉴于现有技术中ALD技术的上述缺陷，本发明提供一种原子层沉积设备及沉积方法，该原子层沉积设备设置有反应腔室及退火腔室，其中反应腔室设置有多个加热器，待沉积外延层的衬底可以通过传输装置在不同的加热器之间传输，每一个加热器均可以独立调节温度。不同的加热器对应不同的原子层沉积，加热器的数量可以根据沉积的薄膜或者晶体材料的组成元素数量进行设置，例如二元化合物晶体对应两个加热器，三元化合物晶体对应三个加热器，以此类推。本发明的ALD设备采用水平进气+垂直进气的方式，能够得到更加均匀的气流场。本发明的ALD设备及方法能够得到高质量的晶体外延层。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种原子层沉积设备，该设备包括：
反应腔室，所述反应腔室内设置有多个可独立控制的加热器，所述加热器位于所述反应腔室的底部，所述加热器用于承载并加热待沉积薄膜的基板；
传输装置，设置在所述加热器之间，用于在所述加热器之间传输所述基板；
供气装置，与所述反应腔室连接，用于向所述反应腔室提供反应气体。
可选地，所述加热器的数量与待沉积的薄膜的元素组成数量相同。
可选地，还包括退火腔室，所述传输装置在所述反应腔室及所述退火腔室之间传输所述基板。
可选地，所述供气装置包括：
水平进气部，设置在所述反应腔室的顶部，位于所述反应腔室顶部的中间位置，所述水平进气部包括多个进气管，所述进气管的出气口位于所述反应腔室内，并且所述出气口垂直于所述反应腔室的轴线；
垂直进气部，设置在所述反应腔室的顶部，所述垂直进气部包括多个设置在所述反应腔室顶部的进气口，所述进气口平行于所述反应腔室的轴线。
根据本发明的另一方面，同样提供一种原子层沉积设备，该设备包括：
反应腔室，所述反应腔室内设置有承载台，所述承载台位于所述反应腔室的底部，用于承载待沉积薄膜的基板；
供气装置，与所述反应腔室连接，用于向所述反应腔室提供反应气体，所述供气装置包括：
水平进气部，设置在所述反应腔室的顶部，位于所述反应腔室顶部的中间位置，所述水平进气部包括多个进气管，所述进气管的出气口位于所述反应腔室内，并且所述出气口垂直于所述反应腔室的轴线；
垂直进气部，设置在所述反应腔室的顶部，所述垂直进气部包括多个设置在所述反应腔室顶部的进气口，所述进气口平行于所述反应腔室的轴线。
可选地，所述反应腔室中设置有多个承载台，每一个所述承载台均为可独立控制的加热器，所述加热器用于承载并加热待沉积薄膜的基板。
可选地，所述加热器的数量与待沉积的薄膜的元素组成数量相同。
可选地，还包括传输装置，所述传输装置设置在所述加热器之间，用于在所述加热器之间传输所述基板；
可选地，所述原子层沉积设备还包括退火腔室，所述传输装置在所述反应腔室及所述退火腔室之间传输所述基板。
根据本发明的另一方面，提供了一种原子层沉积方法，该方法包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的第一加热器上；
调节所述第一加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第一反应气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
将所述基板置于所述反应腔室的第二加热器上；
调节所述第二加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第二反应气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
可选地，向所述反应腔室内通入第二反应气体，以在所述基板的表面形成第二原子层之后，还包括以下步骤：
将所述基板置于所述反应腔室的第n加热器上；
调节所述第n加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第n反应气体，以在所述基板的表面形成第n原子层，所述第一原子层、第二原子层以及第n原子层发生表面反应，形成晶体薄膜，其中n为所述晶体薄膜的元素组成数量。
可选地，还包括以下步骤：向所述反应腔室内通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体。
可选地，还包括以下步骤：将形成有所述晶体薄膜的基板置于退火腔室中进行退火。
可选地，所述第一反应气体或所述第二反应气体沿所述反应腔室的轴线方向通入所述反应腔室；
所述掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体垂直于所述反应腔室的轴线通入所述反应腔室。
可选地，所述第一反应气体或所述第二反应气体垂直于所述反应腔室的轴线通入所述反应腔室；
所述掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体沿所述反应腔室的轴线方向通入所述反应腔室。
本发明的又一方面，提供了一种原子层沉积方法，该方法包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的承载台上；
设定所述反应腔室的温度，加热所述基板；
沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室内通入第一反应气体，同时垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
调节所述反应腔室的温度，加热所述基板；
沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室内通入第二反应气体，同时垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
本发明的又一方面，提供了一种原子层沉积方法，该方法包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的承载台上；
设定所述反应腔室的温度，加热所述基板；
垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室内通入第一反应气体，同时沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
调节所述反应腔室的温度，加热所述基板；
沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室内通入第二反应气体，同时垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
本发明的又一方面，提供了一种原子层沉积方法，该方法包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的承载台上；
设定所述反应腔室的温度，加热所述基板；
垂直于所述反应腔室的轴线向向所述反应腔室内通入第一反应气体，同时沿所述反应腔室的轴线方向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
调节所述反应腔室的温度，加热所述基板；
垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室内通入第二反应气体，同时沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
可选地，所述反应腔室内设置有多个所述承载台，每一个所述承载台均为可独立控制的加热器，
在向所述反应腔室通入所述第一反应气体之前，将所述基板置于所述第一加热器上，并调节所述第一加热器的温度，对所述基板进行加热；
在向所述反应腔室通入第二反应气体之前，将所述基板置于所述第二加热器上，并调节所述第一加热器的温度，对所述基板进行加热。
可选地，向所述反应腔室内通入第二反应气体，以在所述基板的表面形成第二原子层之后，还包括以下步骤：
将所述基板置于所述反应腔室的第n加热器上；
调节所述第n加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第n反应气体，以在所述基板的表面形成第n原子层，所述第一原子层、第二原子层以及第n原子层发生表面反应，形成晶体薄膜，其中n为所述晶体薄膜的元素组成数量。
如上所述，本发明提供的原子层沉积设备及方法，至少具备如下有益技术效果：
本发明的原子层沉积设备设置有反应腔室及退火腔室，其中反应腔室设置有多个加热器，待沉积外延层的衬底可以通过传输装置在不同的加热器之间传输，每一个加热器均可以独立调节加热温度。不同的加热器对应不同的原子层沉积，加热器的数量可以根据沉积的薄膜或者晶体材料的组成元素数量进行设置，例如二元化合物晶体对应两个加热器，三元化合物晶体对应三个加热器，以此类推。由于本发明的加热器能够针对不同的反应气体源进行温度的优化调节，因此能够获得期望厚度的外延层，并且外延层的质量得以大大提高。同时由于独立调节温度还能够大大提高生产效率。
另外，本发明的ALD设备采用水平进气+垂直进气的方式，能够得到更加均匀的气流场，有利于形成高质量的外延层。
本发明的ALD方法，采用上述ALD设备，针对不同的反应气体，调节并控制不同的加热器的温度，实现不同原子层的沉积及表面反应，形成质量均匀厚度一致的高质量外延层。
附图说明
图1显示为本发明实施例一提供的原子层沉积设备的组成示意图。
图2显示为实施例一的一可选实施例中反应腔室中加热器的结构示意图。
图3显示为实施例一的另一可选实施例中反应腔室中加热器的结构示意图。
图4显示为实施例一的另一可选实施例中供气装置在反应腔室内的进气口的结构示意图。
图5显示为本发明实施例二提供的原子层沉积设备的反应腔室的结构示意图。
图6显示为本发明实施例三提供的原子层沉积方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
针对原子层沉积技术，传统方式通常采用在腔室的两侧同时通入不同的反应气体，通过旋转腔室内的衬底，使得衬底依次接触不同的反应气体，在衬底上形成不同的原子层，进而形成所需的材料膜层。这种控制方式不能随不同的反应气体进行分别控制，并且腔室内的温度等条件也不宜精确控制，因此，很难满足高质量膜层的沉积。
鉴于传统原子层沉积方式的上述缺陷，本实施例提供一种原子层沉积装置，如图1所示，该原子层沉积设备包括反应腔室，与反应腔室连接的供气装置，退火腔室，以及与反应腔室、供气装置及退火腔室连接的控制单元。供气装置与反应腔室连接，用于向反应腔室内提供反应气体，实现原子层沉积。控制单元与供气装置连接，用于选择供气装置提供的反应气体，并控制反应气体的气体流速、供气时间等参数。控制单元与反应腔室连接，用于控制反应腔室内的温度、温度保持时间等。控制单元与退火腔室连接，用于控制退火腔室的温度以及温度保持时间等。
本实施例的一可选实施例中，反应腔室的底部设置有多个加热器，该加热器用于承载并加热待沉积薄膜的基板。多个加热器可独立控制加热的温度及保持时间。反应腔室内的的加热器的数量可以根据所要沉积的薄膜的元素组成数量进行设置，例如将加热器的数量设置为与沉积的薄膜的元素组成数量相同。由此可以根据每一个元素的反应气体的性质不同，例如反应气体中化学键的能量不同，设置不同的加热温度，实现原子层的沉积。
另外，本实施例的原子层沉积设备还设置有传输装置，该传输装置设置在多个加热器之间，可以在不同的加热器之间传输基板。另外，传输装置还可以在反应腔室和退火腔室中传输基板。该传输装置可以是机械手臂、静电吸盘等能够实现基板转移的装置。
参照图2，以沉积二元化合物晶体薄膜为例，本实施例的一可选实施例中，反应腔室100的底部设置有两个加热器，第一加热器1011及第二加热器1012。以沉积碳化硅薄膜为例，在进行硅原子层沉积时，将基板置于第一加热器1011上，设置第一加热器1011的加热温度。该温度可以根据硅源气体的不同进行设置，例如，选择TCS(三氯甲烷)或硅烷作为硅源时，将第一加热器的加热温度设置为800℃～1000℃。待基板达到设定的加热温度之后，向反应腔室内通入硅源气体，当硅源气体与基板接触时，在基板表面形成硅原子层，该硅原子层的厚度小于1nm。然后停止向反应腔室内通入硅源气体，并通过传输装置将基板置于第二加热器1012上，设置第二加热器的加热温度，例如以C3H8作为碳源气体时，将第二加热器的加热温度设置为1000℃～2000℃。基板加热至1000℃～2000℃之后，向反应腔室内通入碳源气体(例如C3H8或C2H4))，碳源气体与基板接触时，在基板表面形成碳原子层，该碳原子层的厚度同样小于1nm。形成硅原子层和碳原子层之后，通过传输装置将基板从反应腔室置于退火腔室中，进行退火，以形成高质量的SiC晶体层，退火腔室的温度设置在1200℃～1400℃之间。重复以上步骤直至形成期望厚度的SiC薄膜。
应该可以理解的是，在通入硅源之前、通入硅源之后通入碳源之前以及通入碳源之后，向反应腔室内通入清洗气体，对反应腔室进行清洗。另外，同样可以理解的是，可以根据需要在通入硅源气体和碳源气体的同时，向反应腔室内通入惰性保护气体(He、Ar等)和/或掺杂气体(例如N型掺杂气体N2)和/或稀释气体(例如H2)等。
参照图3，以沉积三元化合物晶体薄膜为例，本实施例的一可选实施例中，反应腔室100的底部设置有三个加热器，第一加热器1011、第二加热器1012及第三加热器1013。在进行第一原子层沉积时，将基板置于第一加热器1011上，设置第一加热器1011的加热温度，该温度可以根据选用的第一原子层的第一气体源的不同进行设置。待基板达到第一加热器的设定加热温度之后，向反应腔室内通入第一气体源，当第一气体源与基板接触时，在基板表面形成第一原子层，该第一原子层的厚度小于1nm。然后停止向反应腔室内通入第一气体源，并通过传输装置将基板置于第二加热器1012上，设置第二加热器的加热温度。基板加热至第二加热器的设定温度之后，向反应腔室内通入第二气体源，第二气体源与基板接触时，在基板表面形成第二原子层，该第二原子层的厚度同样小于1nm。然后停止向反应腔室内通入第二气体源，并通过传输装置将基板置于第三加热器1013上，设置第三加热器的加热温度。基板加热至第三加热器的设定温度之后，向反应腔室内通入第三气体源，第三气体源与基板接触时，在基板表面形成第三原子层，该第三原子层的厚度同样小于1nm。
形成上述第一原子层、第二原子层及第三原子层之后，通过传输装置将基板从反应腔室置于退火腔室中，进行退火，以形成高质量的三元化合物晶体层。重复以上步骤直至形成期望厚度的三元化合物晶体薄膜。
在本实施例的另一可选实施例中，供气装置设置有水平进气部和垂直进气部。参照图4，水平进气部包括多个进气管102，多个进气管102设置在反应腔室顶部的中间位置，并且进气管的出气口1021低于反应腔室的顶部位于反应腔室内部，多个进气管102的出气口1021均垂直于反应腔室的轴线方向，即气体沿进气管102的出气口1021垂直于反应腔室的轴线吹入反应腔室。
垂直进气部同样设置在反应腔室的顶部，在可选实施例中，垂直进气部设置为位于反应腔室顶部的多个进气口1022或者进气管。气体自垂直进气部的多个进气口沿反应腔室的轴线吹入反应腔室内。
在进行原子层沉积时，垂直进气部和水平进气部同时向反应腔室内吹入气体，同样以形成SiC薄膜层为例，沉积硅原子层时，自垂直进气部通入硅源气体(例如TCS)，自水平进气部通入掺杂气体和/或稀释气体，由此形成均匀的气流场，使得硅源气体能够均匀地与基板接触，在基板上形成厚度均匀的硅原子层。沉积完硅原子层进行碳原子层沉积时，自水平进气部通入碳源气体(例如C3H8)，自垂直进气部通入掺杂气体和/或稀释气体。该进气方式同样能够实现均匀的气流场，使得碳源气体能够均匀地与基板接触，在基板上形成厚度均匀的碳原子层，进而得到厚度及质量均匀的SiC薄膜层。在此仅以形成SiC薄膜层为例进行了描述，在进行其他多元化合物晶体薄膜沉积时，同样采用水平方向和垂直方向同时进气的方式，以实现均匀的气流场，得到高均匀性的晶体薄膜。
如上所述，本实施例的原子层沉积设备设置有反应腔室及退火腔室，其中反应腔室设置有多个加热器，待沉积外延层的衬底可以通过传输装置在不同的加热器之间传输，每一个加热器均可以独立调节加热温度。不同的加热器对应不同的原子层沉积，加热器的数量可以根据沉积的薄膜或者晶体材料的组成元素数量进行设置，例如二元化合物晶体对应两个加热器，三元化合物晶体对应三个加热器，以此类推。由于本发明的加热器能够针对不同的反应气体源进行温度的优化调节，因此能够获得期望厚度的外延层，并且外延层的质量得以大大提高。同时由于独立调节温度还能够大大提高生产效率。
另外，本实施例的ALD设备还可以采用水平进气+垂直进气的方式，实现气体的均匀混合，在反应腔室内形成均匀的气流场，有利于形成均匀的薄膜层，提高外延层的质量。
实施例二
本实施例同样提供一种原子层沉积设备，同样参照图1，该原子层沉积设备包括反应腔室，与反应腔室连接的供气装置，退火腔室，以及与反应腔室、供气装置及退火腔室连接的控制单元。反应腔室的底部设置有承载台，用于承载待沉积薄膜的基板。供气装置与反应腔室连接，用于向反应腔室内提供反应气体，实现原子层沉积。控制单元与供气装置连接，用于选择供气装置提供的反应气体，并控制反应气体的气体流速、供气时间等参数。控制单元与反应腔室连接，用于控制反应腔室内的温度、温度保持时间等。控制单元与退火腔室连接，用于控制退火腔室的温度以及温度保持时间等。
如图5所示，本实施例中，反应腔室的底部设置有承载台201，该承载台201用于承载待沉积薄膜的基板。供气装置设置有水平进气部和垂直进气部。水平进气部包括多个进气管202，多个进气管202设置在反应腔室顶部的中间位置，并且进气管的出气口2021低于反应腔室的顶部位于反应腔室内部，多个进气管202的出气口2021均垂直于反应腔室的轴线方向，即气体沿进气管202的出气口2021垂直于反应腔室的轴线吹入反应腔室。
垂直进气部同样设置在反应腔室的顶部，在可选实施例中，垂直进气部设置为位于反应腔室顶部的多个进气口2022或者进气管。气体自垂直进气部的多个进气口沿反应腔室的轴线吹入反应腔室内。
在进行原子层沉积时，垂直进气部和水平进气部同时向反应腔室内吹入气体，以形成SiC薄膜层为例，沉积硅原子层时，自垂直进气部通入硅源气体(例如TCS)，自水平进气部通入掺杂气体和/或稀释气体，由此形成均匀的气流场，使得硅源气体能够均匀地与基板接触，在基板上形成厚度均匀的硅原子层。沉积完硅原子层进行碳原子层沉积时，自水平进气部通入碳源气体(例如C3H8)，自垂直进气部通入掺杂气体和/或稀释气体。该进气方式同样能够实现均匀的气流场，使得碳源气体能够均匀地与基板接触，在基板上形成厚度均匀的碳原子层，进而得到厚度及质量均匀的SiC薄膜层。在此仅以形成SiC薄膜层为例进行了描述，在进行其他多元化合物晶体薄膜沉积时，同样采用水平方向和垂直方向同时进气的方式，以实现均匀的气流场，得到高均匀性的晶体薄膜。
在本实施例的可选实施例中，反应腔室内的承载台201可以是多个独立的加热器，该加热器可以独立控制加热温度，对基板进行不同温度的加热。该加热器的设置以及在薄膜沉积过程中的温度控制可以参照实施例一，在此不再赘述。另外，在各加热器之间还设置有传输装置，以在不同的加热器之间传输基板。同时在反应腔室和退火腔室之间传输基板。
本实施例的ALD设备还可以采用水平进气+垂直进气的方式，实现气体的均匀混合，在反应腔室内形成均匀的气流场，有利于形成均匀的薄膜层，提高外延层的质量。
另外，承载台可以设置为多个独立的加热器，待沉积外延层的衬底可以通过传输装置在不同的加热器之间传输，每一个加热器均可以独立调节加热温度。不同的加热器对应不同的原子层沉积，加热器的数量可以根据沉积的薄膜或者晶体材料的组成元素数量进行设置，例如二元化合物晶体对应两个加热器，三元化合物晶体对应三个加热器，以此类推。由于本发明的加热器能够针对不同的反应气体源进行温度的优化调节，因此能够获得期望厚度的外延层，并且外延层的质量得以大大提高。同时由于独立调节温度还能够大大提高生产效率。
实施例三
本实施例提供一种原子层沉积方法，该原子层沉积方法采用上述实施例一或实施例二的原子层沉积设备进行。现以沉积二元化合物晶体为例进行说明，优选地，在沉积二元化合物晶体时采用如4所示的原子层沉积设备。如图6所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101：将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的第一加热器上；
步骤S102：调节所述第一加热器的温度，加热所述基板；
步骤S103：向所述反应腔室内通入第一反应气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；及
步骤S104：将所述基板置于所述反应腔室的第二加热器上；
步骤S105：调节所述第二加热器的温度，加热所述基板；
步骤S106：向所述反应腔室内通入第二反应气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
步骤S107：重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
参照图4，将基板置于反应腔室的加热器上，优选地，在第一加热器1021和第二加热器1022上分别放置基板。首先对反应腔室进行清洗，例如采用保护气体He或Ar气对反应腔室进行清洗。然后设置第一加热器的加热温度，对第一加热器进行加热。以沉积SiC薄膜为例，选择TCS(三氯甲烷)或硅烷作为硅源气体，并将第一加热器的加热温度设置为800℃～1000℃。待基板达到设定的加热温度之后，向反应腔室内通入硅源气体，当硅源气体与基板接触时，在基板表面形成硅原子层，该硅原子层的厚度小于1nm。然后停止向反应腔室内通入硅源气体，并通过传输装置将基板置于第二加热器1012上，设置第二加热器的加热温度，本实施例以C3H8作为碳源气体，将第二加热器的加热温度设置为1000℃～2000℃。基板加热至1000℃～2000℃之后，向反应腔室内通入碳源气体(例如C3H8或C2H4))，碳源气体与基板接触时，在基板表面形成碳原子层，该碳原子层的厚度同样小于1nm。形成硅原子层和碳原子层之后，通过传输装置将基板从反应腔室置于退火腔室中，进行退火，以形成高质量的SiC晶体层，退火腔室的温度设置在1200℃～1400℃之间。重复以上步骤直至形成期望厚度的SiC薄膜。如上所述，本实施例的方法采用不同的加热器分别对基板进行不同温度的加热，以适应不同原子层的沉积，由此能够得到均匀的原子层，进而有利于获得厚度及质量均匀的化合物晶体薄膜层。
基板在第一加热器上完成Si原子层沉积之后转移至第二加热器上时，同时第二加热器上的基板转移至第一加热器上，由此充分利用反应腔室内的加热器，有利于提高生产效率。
在可选实施例中，向反应腔室内通入反应气体的同时，向反应腔室内通入保护气体和/或掺杂气体和/或稀释气体。以通入掺杂气体和稀释气体为例，本实施例以N2作为掺杂气体，以H2作为稀释气体。同样参照图4，自垂直进气部通入硅源气体(例如TCS)，自水平进气部通入掺杂气体N2和稀释气体H2，由此形成均匀的气流场，使得硅源气体能够均匀地与基板接触，在基板上形成厚度均匀的硅原子层。沉积完硅原子层进行碳原子层沉积时，自水平进气部通入碳源气体(例如C3H8)，自垂直进气部通入掺杂气体N2和稀释气体H2。该进气方式同样能够实现均匀的气流场，使得碳源气体能够均匀地与基板接触，在基板上形成厚度均匀的碳原子层，进而得到厚度及质量均匀的SiC薄膜层。在此仅以形成SiC薄膜层为例进行了描述，在进行其他多元化合物晶体薄膜沉积时，同样采用水平方向和垂直方向同时进气的方式，以实现均匀的气流场，得到高均匀性的晶体薄膜。
在进行n(n≥3)元化合物晶体薄膜沉积时，在反应腔室的n个加热器上放置基板，如上所述，在第二加热器上沉积完第二原子层之后，将所述基板置于所述反应腔室的第n加热器上；调节所述第n加热器的温度，加热所述基板；向所述反应腔室内通入第n反应气体，以在所述基板的表面形成第n原子层，所述第一原子层、第二原子层以及第n原子层发生表面反应，形成晶体薄膜，其中n为所述晶体薄膜的元素组成数量。
进行n(n≥3)元化合物晶体薄膜沉积时，同样包括向反应腔室内通入保护气体和/或掺杂气体和/或稀释气体。优选地，同样以水平进气加垂直进气的进气方式向反应腔室内通入反应气体及保护气体和/或掺杂气体和/或稀释气体。各气体的通入方式(水平进气或垂直进气)可以根据实际需要进行调整，上述进气方式仅是示例性的，并不是限定性的。
如上所述，本发明提供的原子层沉积设备及方法，至少具备如下有益技术效果：
本发明的原子层沉积设备设置有反应腔室及退火腔室，其中反应腔室设置有多个加热器，待沉积外延层的衬底可以通过传输装置在不同的加热器之间传输，每一个加热器均可以独立调节加热温度。不同的加热器对应不同的原子层沉积，加热器的数量可以根据沉积的薄膜或者晶体材料的组成元素数量进行设置，例如二元化合物晶体对应两个加热器，三元化合物晶体对应三个加热器，以此类推。由于本发明的加热器能够针对不同的反应气体源进行温度的优化调节，因此能够获得期望厚度的外延层，并且外延层的质量得以大大提高。同时由于独立调节温度还能够大大提高生产效率。
另外，本发明的ALD设备采用水平进气+垂直进气的方式，能够得到更加均匀的气流场，有利于形成高质量的外延层。
本发明的ALD方法，采用上述ALD设备，针对不同的反应气体，调节并控制不同的加热器的温度，实现不同原子层的沉积及表面反应，形成质量均匀厚度一致的高质量外延层。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，包括：
反应腔室，所述反应腔室内设置有多个可独立控制的加热器，所述加热器位于所述反应腔室的底部，所述加热器用于承载并加热待沉积薄膜的基板；
传输装置，设置在所述加热器之间，用于在所述加热器之间传输所述基板；
供气装置，与所述反应腔室连接，用于向所述反应腔室提供反应气体，所述供气装置包括：
水平进气部，设置在所述反应腔室的顶部，位于所述反应腔室顶部的中间位置，所述水平进气部包括多个进气管，所述进气管的出气口位于所述反应腔室内，并且所述出气口垂直于所述反应腔室的轴线；
垂直进气部，设置在所述反应腔室的顶部，所述垂直进气部包括多个设置在所述反应腔室顶部的进气口，所述进气口平行于所述反应腔室的轴线。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述加热器的数量与待沉积的薄膜的元素组成数量相同。
3.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括退火腔室，所述传输装置在所述反应腔室及所述退火腔室之间传输所述基板。
4.一种原子层沉积设备，其特征在于，包括：
反应腔室，所述反应腔室内设置有多个承载台，所述承载台位于所述反应腔室的底部，用于承载待沉积薄膜的基板，每一个所述承载台均为可独立控制的加热器，所述加热器用于承载并加热待沉积薄膜的基板；
传输装置，所述传输装置设置在所述加热器之间，用于在所述加热器之间传输所述基板；
供气装置，与所述反应腔室连接，用于向所述反应腔室提供反应气体，所述供气装置包括：
水平进气部，设置在所述反应腔室的顶部，位于所述反应腔室顶部的中间位置，所述水平进气部包括多个进气管，所述进气管的出气口位于所述反应腔室内，并且所述出气口垂直于所述反应腔室的轴线；
垂直进气部，设置在所述反应腔室的顶部，所述垂直进气部包括多个设置在所述反应腔室顶部的进气口，所述进气口平行于所述反应腔室的轴线。
5.根据权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述加热器的数量与待沉积的薄膜的元素组成数量相同。
6.根据权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括退火腔室，所述传输装置在所述反应腔室及所述退火腔室之间传输所述基板。
7.一种原子层沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的第一加热器上；
调节所述第一加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第一反应气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
将所述基板置于所述反应腔室的第二加热器上；
调节所述第二加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第二反应气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
向所述反应腔室内通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜；
所述第一反应气体或所述第二反应气体沿第一方向通入，所述掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体沿第二方向通入，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，所述第一方向或所述第二方向为所述反应腔室的轴向。
8.根据权利要求7所述的原子层沉积方法，其特征在于，向所述反应腔室内通入第二反应气体，以在所述基板的表面形成第二原子层之后，还包括以下步骤：
将所述基板置于所述反应腔室的第n加热器上；
调节所述第n加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第n反应气体，以在所述基板的表面形成第n原子层，所述第一原子层、第二原子层以及第n原子层发生表面反应，形成晶体薄膜，其中n为所述晶体薄膜的元素组成数量。
9.根据权利要求7所述的原子层沉积方法，其特征在于，还包括以下步骤：将形成有所述晶体薄膜的基板置于退火腔室中进行退火。
10.根据权利要求7所述的原子层沉积方法，其特征在于，
所述第一反应气体或所述第二反应气体沿所述反应腔室的轴线方向通入所述反应腔室；
所述掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体垂直于所述反应腔室的轴线通入所述反应腔室。
11.根据权利要求7所述的原子层沉积方法，其特征在于，
所述第一反应气体或所述第二反应气体垂直于所述反应腔室的轴线通入所述反应腔室；
所述掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体沿所述反应腔室的轴线方向通入所述反应腔室。
12.一种原子层沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的承载台上，所述反应腔室内设置有多个所述承载台，每一个所述承载台均为可独立控制的加热器；
设定所述反应腔室的温度，将基板置于第一加热器上，并调节第一加热器的温度，对所述基板进行加热；
沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室内通入第一反应气体，同时垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
调节所述反应腔室的温度，将所述基板置于第二加热器上，并调节所述第二加热器的温度，对所述基板进行加热；
沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室内通入第二反应气体，同时垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
13.一种原子层沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的承载台上，所述反应腔室内设置有多个所述承载台，每一个所述承载台均为可独立控制的加热器；
设定所述反应腔室的温度，将基板置于第一加热器上，并调节第一加热器的温度，对所述基板进行加热；
垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室内通入第一反应气体，同时沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
调节所述反应腔室的温度，将所述基板置于第二加热器上，并调节所述第二加热器的温度，对所述基板进行加热；
沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室内通入第二反应气体，同时垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
14.一种原子层沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待沉积薄膜的基板置于反应腔室的承载台上，所述反应腔室内设置有多个所述承载台，每一个所述承载台均为可独立控制的加热器；
设定所述反应腔室的温度，将基板置于第一加热器上，并调节第一加热器的温度，对所述基板进行加热；
垂直于所述反应腔室的轴线向向所述反应腔室内通入第一反应气体，同时沿所述反应腔室的轴线方向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第一原子层；
调节所述反应腔室的温度，将所述基板置于第二加热器上，并调节所述第二加热器的温度，对所述基板进行加热；
垂直于所述反应腔室的轴线向所述反应腔室内通入第二反应气体，同时沿所述反应腔室的轴线方向向所述反应腔室通入掺杂气体和/或保护气体和/或稀释气体，以在所述基板的表面形成第二原子层，所述第二原子层与所述第一原子层发生表面反应，形成晶体薄膜；
重复以上步骤直至形成所需厚度的晶体薄膜。
15.根据权利要求12～14中任意一项所述的原子层沉积方法，其特征在于，向所述反应腔室内通入第二反应气体，以在所述基板的表面形成第二原子层之后，还包括以下步骤：
将所述基板置于所述反应腔室的第n加热器上；
调节所述第n加热器的温度，加热所述基板；
向所述反应腔室内通入第n反应气体，以在所述基板的表面形成第n原子层，所述第一原子层、第二原子层以及第n原子层发生表面反应，形成晶体薄膜，其中n为所述晶体薄膜的元素组成数量。
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