CN115011949A - 前驱物循环式原子层沉积设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种前驱物循环式原子层沉积设备与方法。所述原子层沉积设备包含一个或多个内循环机构、一个或多个待镀物、一个或多个进气管线，以及一个或多个气体扰动装置。一个或多个待镀物设置于每个内循环机构内。进气管线在制程循环(cyc l e)的不同时段提供前驱物气体至每个内循环机构内，前驱物气体包含前驱物及至少一个载气。气体扰动装置提供动力使该前驱物气体在该内循环机构内循环流动。
Description
技术领域
本发明是关于一种前驱物循环式原子层沉积设备与方法。
背景技术
原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)制程主要为通过待镀物材料表面配位基(ligands)与化学前驱物(precursor)所具备的自限制(self-limiting)特性在材料表面产生饱和吸附(saturated chemisorption)再通过交互导入前驱物于反应腔体内进行受控的化学反应，进而达成逐层(layer-by-layer)成长的薄膜沉积制程。
ALD制程具有周期性。图1例示根据现有技术的一个ALD制程循环(cycle)。如图1所示，以两种前驱物为例，在导入前驱物A之后，进行吹扫(purge)，接着导入前驱物B，再进行吹扫。此导入模式称为单脉波模式(Single pulse)。常见的导入模式还包含多脉波模式(Multiple pulse)以及暴露模式(Exposure)。多脉波模式是各/部分前驱物多次通入的交替。以两种前驱物为例，前驱物A可被连续导入多次，例如3次，接着进行吹扫，接着导入前驱物B，再进行吹扫。或者，在另一种制程循环中，前驱物A仅单次导入而前驱物B被连续多次导入。或者，在另一种制程循环中，此外，前驱物A及前驱物B皆被连续多次导入。暴露模式(Exposure)为各/部分前驱物密闭在反应腔体一段时间后交替。
目前，各ALD设备商针对ALD设备沉积的稳定性与披覆性主要着重于通过前驱物/载流气体喷气头(shower head)及反应腔体本体的流场设计与控制前驱物导入的交替模式来达成。然而，依现有的ALD设计与前驱物导入模式，在面临复杂结构，例如管路(如伸缩管(Bellow tube))与超大型基材(如10.5代面板厂所用基板)时，由于前驱物质量传递限制，现有流场设计与传统前驱物交替模式皆无法有效率地改善前驱物在反应腔体传递时的分散与披覆效率，并造成前驱物的浪费。
发明内容
本发明的目的之一是提供具有新型态前驱物导入模式的原子层沉积设备与方法。在一些实施例中，前驱物被导入真空反应腔体后，另提供额外的循环动力，以提升前驱物的扩散及/或分布效率。
相较传统原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)设备的三种前驱物导入模式：单脉波(single pulse)、多脉波(multiple-pulse)，以及暴露(exposure)模式，本发明实施例的原子层沉积设备与方法，使各单一前驱物在内循环机构或密闭系统，例如循环回路或反应腔体内进行循环流动。传统单脉波(single pulse)或多脉波(multiple-pulse)的前驱物导入模式，在对应具有复杂结构或大面积的待镀基材时，前驱物受质量传递的限制而无法有效扩散于待镀基材的表面，而暴露(explosure)模式可能造成前驱物消耗遽增。相较之下，本发明提供的前驱物导入模式可有效提高前驱物在制程中的扩散效率以及使用效率，并且可精准控制前驱物的使用量。
本发明一种前驱物循环式原子层沉积设备包含：内循环机构；待镀物，设置于该内循环机构内；一个或多个进气管线，用以在制程循环(cycle)的不同时段提供前驱物气体至该内循环机构内，该前驱物气体包含前驱物及至少一个载气；以及一个或多个气体扰动装置，提供动力使该前驱物气体在该内循环机构内循环流动。
较佳地，该内循环机构包含：反应腔体，该待镀物设置于该反应腔体内，该前驱物气体被导入该反应腔体内；以及一个或多个内循环管线，连通该反应腔体的气体入口与气体出口；其中，该一个或多个气体扰动装置连接该一个或多个内循环管线，以驱动该前驱物气体在该一个或多个内循环管线以及该反应腔体内流动。
较佳地，该内部循环装置包含：反应腔体，该待镀物设置于该反应腔体内，该前驱物气体被导入该反应腔体内；其中，该一个或多个气体扰动装置设置于该反应腔体内，以驱动该前驱物气体流动。
较佳地，该内循环机构包含：一个或多个内循环管线，连通该待镀物的入口与出口，该前驱物气体被导入该待镀物内；其中，该一个或多个气体扰动装置连接该一个或多个内循环管线，以驱动该前驱物气体在该一个或多个内循环管线以及该待镀物内循环流动。
较佳地，该一个或多个气体扰动装置包含干式膜片泵浦。
较佳地，该一个或多个气体扰动装置包含涡卷式泵浦。
较佳地，该一个或多个气体扰动装置包含具有叶片的转子(rotor)。
较佳地，该一个或多个气体扰动装置包含鲁式泵浦(Roots pump)。
较佳地，该一个或多个气体扰动装置包含推动器(impeller)。
较佳地，该待镀物包含多层状待镀物。
较佳地，该待镀物包含管状待镀物。
较佳地，更包含：电源供应器，连接该待镀物的电极，以提供能量将该前驱物或该载气分解成带有自由基的分子或原子。
较佳地，更包含：气体排出装置，用以排出该内循环机构内的气体。
本发明一种前驱物循环式原子层沉积方法以沉积一个或多个薄膜于待镀物的表面上，包含：提供密闭系统，该待镀物置放于该密闭系统；通入第一前驱物气体于该密闭系统内；提供驱动力使该第一前驱物气体于该密闭系统内产生循环流动及/或扰动；吹扫该密闭系统内的气体；通入第二前驱物气体于该密闭系统内；提供驱动力使该第二前驱物气体于该密闭系统内产生循环流动及/或扰动；以及吹扫该密闭系统内的气体。
较佳地，该密闭系统包含多个循环管路与反应腔体构成一个或多个循环回路，该待镀物置于该反应腔体内，在每个该循环回路以一个或多个气体扰动装置提供该第一前驱物气体或该第二前驱物气体在该循环回路内循环流动的动力。
较佳地，该密闭系统包含多个循环管路与该待镀物构成一个或多个循环回路，在每个该循环回路以一个或多个气体扰动装置提供该第一前驱物气体或该第二前驱物气体在该循环回路内循环流动的动力。
较佳地，该密闭系统包含反应腔体，该待镀物置于该反应腔体内，在该反应腔体内设置一个或多个气体扰动装置，以提供该第一前驱物气体或该第二前驱物气体在该反应腔体内循环流动的动力。
本发明提出的内循环原子沉积设备与方法，可应用于复杂结构(例如伸缩管(Bellow tube)、极长之气/液输送管路、3D立体医疗器材等)，以及大型基材(例如机械零件、汽车或航空零件、泵和压缩机零件，以及各种容器等金属制品)的薄膜沉积。
附图说明
图1显示根据现有技术的一种ALD制程循环(cycle)。
图2显示根据本发明一实施例的原子层沉积设备。
图3显示根据本发明另一实施例的原子层沉积设备。
图4显示根据本发明另一实施例的原子层沉积设备。
图5显示根据本发明另一实施例的原子层沉积设备。
图6显示根据图5原子层沉积设备的一种制程循环。
图7显示根据本发明一实施例的原子层沉积方法。
【主要元件符号说明】
1:原子层沉积设备 2:原子层沉积设备
3:原子层沉积设备 10:内循环机构
11:载入腔 12:等离子体产生装置
13:排气系统 14:输送腔室
15:电源供应器 30:主阀
31:第一进气阀 32:第二进气阀
41:第一循环阀 42:第二循环阀
43:第三循环阀 44:第四循环阀
45:第五循环阀 100:待镀物
101:反应腔体 102:内循环管线
103:气体扰动装置 105:进气管线
106:电源供应器 130:排气泵浦
1001:入口 1002:出口
1011:入口 1012:出口
具体实施方式
以下将详述本案的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地实行在其他的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本案的范围内，并以专利范围为准。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这些特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的程序步骤或元件并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。
图2显示根据本发明一实施例的原子层沉积设备1。如图2所示，待镀物100由载入腔11移入至内循环机构10。多个前驱物气体分别在同一制程循环的不同时段通过进气管线(图中未示)通入内循环机构10。前驱物气体包含前驱物及至少一个载气。内循环机构10提供动力使得前驱物气体循环流动，以在待镀物100的表面上产生饱和吸附(saturatedchemisorption)。图中待镀物100的数量为一个，而实务上其数量可以是多个。排气系统13用于在各前驱物气体循环流动预定期间后，将内循环机构10内的气体排出(吹扫)。此外，原子层沉积设备1还可以包含等离子体产生装置12，其可将前驱物及/或一种或多种载气分解为带有自由基的前驱物原子及/或分子或针对待镀物100进行即时表面处理/改质。待多次制程循环后，完成薄膜沉积的待镀物100被移入输送腔室14以进一步进行其他的制程。
在本实施例，内循环机构10包含反应腔体101、一个或多个内循环管线102，以及一个或多个气体扰动装置103。内循环管线102连通反应腔体101的气体入口与气体出口，气体扰动装置103连接内循环管线102，以提供前驱物气体循环流动的动力。图中仅绘示单个内循环机构10，但实务上其数量可以是多个。
在一些实施例中，前驱物除了依靠流场及真空压进行扩散外，所述气体扰动装置103提供额外的动力以驱动前驱物流动与分散。气体扰动装置103将前驱物收集(浓缩)后，再将前驱物导入沉积的区域。气体扰动装置103最大化效率体现为泵浦/涡轮(turbo)形式(但不限于此)，亦包括其他样式的机械扰动装置，例如具有叶片的转子(rotor)，例如风扇(fan)与叶轮(impeller)机构。
在一些实施例中，图2的气体扰动装置103包含，但不限于：干式膜片泵浦、低真空启动的磁浮式涡轮(turbo)泵浦，及鲁氏泵浦(roots pump)等。在一个内循环机构10内，气体扰动装置103的数量可以是多个，也可以包含多种类型的气体扰动装置103。在一些实施例中，根据制程压力选用适合的气体扰动装置103。例如，在一些实施例中，干式泵浦适用制程压力介于大气压至10-2torr的沉积制程，涡轮(turbo)泵浦适用制程压力介于10-3torr至10-6torr的沉积制程，而鲁氏泵浦适用制程压力介于10-1torr至10-4torr的沉积制程。在一个实施例中，将鲁氏泵浦设置于干式泵浦的上游，使得真空压力再降一个量阶。
图3显示根据本发明另一实施例的原子层沉积设备2。与图2原子层沉积设备1的不同处在于，本实施例的内循环机构10包含反应腔体101以及设置于反应腔体101内的气体扰动装置103。多个前驱物气体分别在同一制程循环的不同时段通过进气管线(图中未示)通入内循环机构10的反应腔体101内。气体扰动装置103可以产生动力使得前驱物气体在内循环机构10内循环流动。
在一些实施例中，图3的气体扰动装置103包含叶轮(impeller)、涡轮(turbine)，或风扇(fan)。
图4显示根据本发明另一实施例的原子层沉积设备3。本实施例以两种前驱物为例作说明。前驱物气体分别在同一制程循环的不同时段通过进气管线105通入内循环机构10。前驱物气体包含前驱物及至少一个载气。在本实施例，内循环机构10不包含反应腔体，内循环机构10包含多个内循环管线102以及两个气体扰动装置103构成的两个内循环回路，每个内循环回路连通待镀物100的入口1001与出口1002。另外，气体扰动装置103提供前驱物气体在内循环回路中流动的动力。
如图4所示，在一些实施例中，原子层沉积设备3还可以具有电源供应器15，例如接地的等离子体电源供应器(plasma power generator)，其连接待镀物100的电极以提供能量例如电磁波，以将待镀物100内的气体解离而产生等离子体。
图5显示根据本发明另一实施例的原子层沉积设备4。本实施例的原子层沉积设备4与图4的原子层沉积设备3的不同处在于，内循环机构10包含反应腔体101、多个内循环管线102、以及两个气体扰动装置103。气体扰动装置103连接对应的内循环管线102，而内循环管线连通反应腔体101的入口1011与出口1012。另外，气体扰动装置103提供前驱物气体在内循环机构10中流动的动力。在本实施例中，气体扰动装置103可以是干式膜泵浦，但不限定于此。在一些实施例中，气体扰动装置103可以是涡轮泵浦或鲁氏泵浦或者两种类型泵浦的组合使用，例如干式膜泵浦与鲁氏泵浦的组合，并且在每个内循环回路中气体扰动装置103的数量也可以是多个。在一个实施例中，气体扰动装置103为鲁氏泵浦，而排气泵浦130为干式膜泵浦，其中由排气泵浦130将内循环机构10的压力控制在10-1至10-4torr区间，接着于导入前驱物气体后，由鲁氏泵浦提供前驱物气体在内循环机构10中流动的动力。
图6显示根据图5原子层沉积设备的一个制程循环(cycle)。如图5与图6所示，本实施例以两种前驱物为例，每个制程循环(cycle)包含以下步骤。图中所有阀件皆为常关式。另外，ALD制程的温度、压力与载流气体流量不在此赘述。
(一)前驱物A导入，包含：
(1)打开第一循环阀41；
(2)关闭主阀30；
(3)打开第二循环阀42；
(4)打开第一进气阀31，使载气(可为一种或多种)及前驱物A经由进气管线105进入反应腔体101(在本例中，第一进气阀31为三通阀，其连通载气的通道可以维持开启)；以及
(5)等待一段时间(例如几分之1秒至几秒)。
(二)前驱物A循环，包含：
(6)关闭第一循环阀41；
(7)打开第三循环阀43，通过气体扰动装置103提供驱动力，带动前驱物气体在内循环机构10内循环流动；
(8)等待一段时间(例如几秒至几十秒)。
(三)吹扫，包含：
(9)关闭第二循环阀42；
(10)关闭第三循环阀43；
(11)打开主阀30；
(12)打开第一循环阀41，通过排气泵浦130抽出反应腔体101内的气体；以及
(13)等待一段时间(例如几秒至几十秒)。
(四)前驱物B导入，包含：
(14)关闭主阀30；
(15)打开第四循环阀44；
(16)打开第二进气阀32，使载气(可为一种或多种)及前驱物B进入反应腔体101(在本例中，第二进气阀32为三通阀，其连通载气的通道可以维持开启)；
(17)等待一段时间(例如几分之1秒至几秒)。
(五)前驱物B循环，包含：
(18)关闭第一循环阀41；
(19)打开第五循环阀45，通过气体扰动装置103提供驱动力，带动前驱物气体在内循环机构内循环流动；
(20)等待一段时间(例如几秒至几十秒)。
(六)吹扫，包含：
(21)关闭第四循环阀44；
(22)关闭第五循环阀45；
(23)打开主阀30；
(24)打开第一循环阀41，通过排气泵浦130抽出反应腔体101内的气体；以及
(25)等待一段时间(例如几秒至几十秒)。
在图4至图6的实施例中，针对各种前驱物建构独立的循环回路，其优点如下。首先，独立循环回路可视为对应前驱物储存钢瓶部分的延伸，前驱物气体循环过程中除表面化学吸附外不发生化学反应，具体不存在前驱物降解或劣化的情形。
此外，各前驱物对应的循环回路在ALD制程中仅涉及单一前驱物，并可在各制程循环结束后，交换导入一次以反应残留的前驱物。例如，导入前驱物B于用于前驱物A的循环回路，以及导入前驱物A于用于前驱物B的循环回路。此操作模式可大幅降低各循环回路与气体扰动装置(例如泵浦/turbo)的检修周期，并减少尘粒问题(particle issue)的发生。
此外，循环回路中，实际收集/浓缩前驱物的空气扰动装置可使用干式膜片泵浦、低真空启动的磁浮涡轮(turbo)泵浦(含impeller turbine)，以及/或鲁氏泵浦。膜片式泵浦、全磁浮涡轮(turbo)泵浦，以及鲁氏泵浦具有无油的内部结构，可排除真空油污染前驱物或反应物的情形。在一个实施例中，鲁氏泵浦的齿轮箱(gear box)及轴承(bearings)是与气体增压室(gas pumping chamber)分离设置，因此为干式操作。
图7为根据本发明另一实施例的原子层沉积方法(以两种前驱物为例)。如图7所示，所述原子层沉积方法用于沉积一个或多个薄膜于待镀物的表面上，包含：步骤701，提供密闭系统(例如前述的内循环机构10)，该待镀物置放于该密闭系统；步骤702，通入第一前驱物气体于该密闭系统内；步骤703，提供驱动力使该第一前驱物气体于该密闭系统内产生循环流动及/或扰动；步骤704，吹扫该密闭系统内的气体；步骤705，通入第二前驱物气体于该密闭系统内；步骤706，提供驱动力使该第二前驱物气体于该密闭系统内产生循环流动及/或扰动；以及步骤707，吹扫该密闭系统内的气体。
在一些实施例中，该密闭系统包含多个循环管路与反应腔体构成一个或多个循环回路，待镀物置于反应腔体内，在每个循环回路以前述的一个或多个气体扰动装置提供前驱物气体在循环回路内循环流动的动力。
在一些实施例中，该密闭系统包含多个循环管路与该待镀物构成一个或多个循环回路，在每个循环回路以前述的一个或多个气体扰动装置提供前驱物气体在循环回路内循环流动的动力。循环回路的数量可对应前驱物种类的数量。
在一些实施例中，该密闭系统包含反应腔体，待镀物置于反应腔体内，在该反应腔体内设置一个或多个气体扰动装置，以提供前驱物气体在反应腔体内循环流动的动力。
根据本发明实施例所提供的原子层沉积设备与方法，由于前驱物扩散的动力主要由气体扰动装置主导，使得反应腔体的流场设计、前驱物的导入模式(single/multipulse)，以及待镀物的量体大小变为次要因素。因此，本发明的原子层沉积设备与方法可有效应用于任意形状的反应腔体或待镀物、具有复杂结构的待镀物，及巨大量体(例如多层架或巨大体积)的待镀物的原子层沉积。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (17)
1.一种前驱物循环式原子层沉积设备，其特征在于，包含：
内循环机构；
待镀物，设置于该内循环机构内；
一个或多个进气管线，用以在制程循环的不同时段提供前驱物气体至该内循环机构内，该前驱物气体包含前驱物及至少一个载气；以及
一个或多个气体扰动装置，提供动力使该前驱物气体在该内循环机构内循环流动。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该内循环机构包含：
反应腔体，该待镀物设置于该反应腔体内，该前驱物气体被导入该反应腔体内；以及
一个或多个内循环管线，连通该反应腔体的气体入口与气体出口；
其中，该一个或多个气体扰动装置连接该一个或多个内循环管线，以驱动该前驱物气体在该一个或多个内循环管线以及该反应腔体内流动。
3.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该内部循环装置包含：
反应腔体，该待镀物设置于该反应腔体内，该前驱物气体被导入该反应腔体内；
其中，该一个或多个气体扰动装置设置于该反应腔体内，以驱动该前驱物气体流动。
4.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该内循环机构包含：
一个或多个内循环管线，连通该待镀物的入口与出口，该前驱物气体被导入该待镀物内；
其中，该一个或多个气体扰动装置连接该一个或多个内循环管线，以驱动该前驱物气体在该一个或多个内循环管线以及该待镀物内循环流动。
5.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该一个或多个气体扰动装置包含干式膜片泵浦。
6.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该一个或多个气体扰动装置包含涡卷式泵浦。
7.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该一个或多个气体扰动装置包含具有叶片的转子。
8.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该一个或多个气体扰动装置包含鲁式泵浦。
9.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该一个或多个气体扰动装置包含推动器。
10.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，该待镀物包含多层状待镀物。
11.根据权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，该待镀物包含管状待镀物。
12.根据权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，更包含：
电源供应器，连接该待镀物的电极，以提供能量将该前驱物或该载气分解成带有自由基的分子或原子。
13.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，更包含：
气体排出装置，用以排出该内循环机构内的气体。
14.一种前驱物循环式原子层沉积方法，以沉积一个或多个薄膜于待镀物的表面上，其特征在于，包含：
提供密闭系统，该待镀物置放于该密闭系统；
通入第一前驱物气体于该密闭系统内；
提供驱动力使该第一前驱物气体于该密闭系统内产生循环流动及/或扰动；
吹扫该密闭系统内的气体；
通入第二前驱物气体于该密闭系统内；
提供驱动力使该第二前驱物气体于该密闭系统内产生循环流动及/或扰动；以及
吹扫该密闭系统内的气体。
15.根据权利要求14所述的原子层沉积方法，其特征在于，该密闭系统包含多个循环管路与反应腔体构成一个或多个循环回路，该待镀物置于该反应腔体内，在每个该循环回路以一个或多个气体扰动装置提供该第一前驱物气体或该第二前驱物气体在该循环回路内循环流动的动力。
16.根据权利要求14所述的原子层沉积方法，其特征在于，该密闭系统包含多个循环管路与该待镀物构成一个或多个循环回路，在每个该循环回路以一个或多个气体扰动装置提供该第一前驱物气体或该第二前驱物气体在该循环回路内循环流动的动力。
17.根据权利要求14所述的原子层沉积方法，其特征在于，该密闭系统包含反应腔体，该待镀物置于该反应腔体内，在该反应腔体内设置一个或多个气体扰动装置，以提供该第一前驱物气体或该第二前驱物气体在该反应腔体内循环流动的动力。
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