CN204080102U - 原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及原子层沉积设备。一种原子层沉积设备包括：传送室(110)；分别与传送室连通的预清洗室(134)、热处理室(138)、加载闭锁室(140)、以及多个反应室(121、122、123)；与加载闭锁室连通的前端模块(150)；传送室中配备有机械手臂(115)用于在传送室和预清洗室、热处理室、加载闭锁室、以及多个反应室之间传递基材；所述前端模块经配置为自动地与所述加载闭锁室之间传递基材。通过一组传送室、预清洗室、热处理室、加载闭锁室与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。

Description

原子层沉积设备

技术领域

本实用新型大体上涉及原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)，更具体地，涉及原子层沉积设备。

背景技术

原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基材上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种技术。当前驱体达到沉积基材表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。原子层沉积的表面反应具有自限制性(self-limiting)，不断重复这种自限制反应就形成所需要的薄膜。根据沉积前驱体和基材材料的不同，原子层沉积有两种不同的自限制机制，即化学吸附自限制(CS)和顺次反应自限制(RS)过程。化学反应一般在精准控温(50-600℃)下进行，也可能再添加射频功率产生的等离子体来提高反应速率。

化学吸附自限制沉积过程中，第一种反应前驱体输入到基材材料表面并通过化学吸附(饱和吸附)保持在表面。当第二种前驱体通入反应器，起就会与已吸附于基材材料表面的第一前驱体发生反应。两个前驱体之间会发生置换反应并产生相应的副产物，直到表面的第一前驱体完全消耗，反应会自动停止并形成需要的原子层。该反应过程可以由下面的公式(1)表示，其中ML2表示第一种前驱体，AN2表示第二种前驱体，MA表示所生成的原子层

ML2+AN2---MA+2LN   (1)

与化学吸附自限制过程不同，顺次反应自限制原子层沉积过程是通过活性前驱体物质与活性基材材料表面化学反应来驱动的。这样得到的沉积薄膜是由于前驱体与基材材料间的化学反应形成的。对于顺次反应自限制过程首先是活化剂(AN)活化基材材料表面；然后注入的第一种前驱体ML2在活化的基材材料表面反应形成吸附中间体AML，这可以用反应方程式(2)表示。反应(2)着活化剂AN的反应消耗而自动终止，具有自限制性。当沉积反应第二种前驱体AN2注入反应器后，就会与上述的吸附中间体反应并生成沉积原子层，这可以用反应方程式(3)表示。

AN+ML2---AML+NL   (2)

AML+AN2---MAN+NL   (3)

对于顺次反应自限制过程，一方面基材材料表面必须先经过表面活化，另一方面，这种沉积反应实际是半反应(2)和(3)的组合。

实用新型内容

现有的原子层沉积设备仍有待进一步改进。

在本实用新型的一个实施例中，揭示了一种原子层沉积设备，该原子层沉积设备包括：传送室；分别与所述传送室连通的预清洗室、热处理室、加载闭锁室、以及多个反应室；与所述加载闭锁室连通的前端模块；其中，在所述多个反应室中经由工艺气体的反应将原子层沉积于基材的表面；所述传送室中配备有机械手臂用于在所述传送室和预清洗室、热处理室、加载闭锁室、以及多个反应室之间传递基材；所述前端模块经配置为自动地与所述加载闭锁室之间传递基材。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述传送室和多个反应室各自独立地可封闭。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述机械手臂是多层双臂机械手。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述多个反应室分别能够同时沉积306片基材。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述多个反应室中分别配备有平行移动装置或旋转移动装置用于移动基材。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述传送室与所述多个反应室之间的连通接口允许一次传递一片或两片基材。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述传送室与加载闭锁室之间的连通接口允许一次传递两片基材。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述多个反应室经配置为错开彼此的工作周期。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述基材为晶圆。

由于原子层沉积反应速度慢、耗时长，造成产能的瓶颈主要在反应室。传送室、预清洗室、热处理室、加载闭锁室等的处理效率均远超过反应室。通过一组传送室、预清洗室、热处理室、加载闭锁室与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。根据本实用新型的某些实施例，通过错开各反应室的工作周期，可以在一个反应室的反应周期内执行另一反应室的装载或卸载，从而节约了等待时间、进一步提高了生产效率。

附图说明

结合附图，以下关于本实用新型的优选实施例的详细说明将更易于理解。本实用新型以举例的方式予以说明，并非受限于附图，附图中类似的附图标记指示相似的元件。

图1为一个实施例的原子层沉积设备100的平面排布示意图；

图2为一个实施例的原子层沉积设备200的平面排布示意图；

图3为一个实施例的原子层沉积设备300的平面排布示意图；

图4为一个实施例的原子层沉积设备400的平面排布示意图；

图5为一个实施例的原子层沉积设备500的平面排布示意图；

图6为一个实施例的原子层沉积设备600的平面排布示意图。

具体实施方式

附图的详细说明意在作为本实用新型的当前优选实施例的说明，而非意在代表本实用新型能够得以实现的仅有形式。应理解的是，相同或等同的功能可以由意在包含于本实用新型的精神和范围之内的不同实施例完成。

图1为一个实施例的原子层沉积设备100的平面排布示意图。如图所示，该设备100大体上以传送室110为中心向四周扩散排布。传送室110中配备有机械手臂115，用于在传送室110和与其连通的各腔室之间传递例如晶圆的基材。该机械手臂115例如但不限于是多层双臂机械手，以支持在多个腔室之间同时传送多片基材。

三个反应室121、122和123分别与传送室连通，且各自独立地可封闭。在反应室中，经由工艺气体的反应将所需的原子层沉积于基材，例如晶圆，的表面。该沉积过程通常在真空环境下进行。三个反应室121、122和123分别能够同时沉积6片基材。各反应室与传送室110的连通接口容许一次装载或卸载两片基材。基材在反应室内通过平行移动装置来向内或者向着连通接口方向移动。传送室通常也在真空环境下工作。

传送室110还与预清洗室134、热处理室138相连通。预清洗室134用于对准备进行原子层沉积的基材进行与清洗处理。热处理室138用于对准备进行原子层沉积的基材或已经沉积了原子层的基材进行热处理，例如预加热或者散热降温。

传送室110还与加载闭锁室140连通，加载闭锁室140与前端模块150连通，基材因而能够经由加载闭锁室140而在传送室110和前端模块150之间传递。加载闭锁室140中配备有传送装置和抽气装置。传送装置可为，例如但不限于，旋转型机械手或滑动轨道。当加载闭锁室140需要与传送室110连通时，通过抽气装置将加载闭锁室140中转变为与传送室110近似的真空环境。而加载闭锁室140与前端模块150之间的基材传递在大气环境下进行。加载闭锁室140与传送室110、前端模块150之间的连通接口允许一次传递两片基材。

图1中还示出了前端模块150中配备用来移动基材的机械手以及用来存放基材的堆栈。前端模块150中的机械手自动地在前端模块150和加载闭锁室140之间传递基材。前端模块150还可以连接至基材的生产线。

由于原子层沉积反应速度慢、耗时长，造成产能的瓶颈主要在反应室。传送室、预清洗室、热处理室、加载闭锁室等的处理效率均远超过反应室。通过一组传送室110、预清洗室134、热处理室138、加载闭锁室140与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。通过错开各反应室121、122、123的工作周期，可以在一个反应室的反应周期内执行另一反应室的装载或卸载，从而节约了等待时间、进一步提高了生产效率。

图2为一个实施例的原子层沉积设备200的平面排布示意图。如图所示，该设备200大体上以传送室210为中心向四周扩散排布。传送室210中配备有机械手臂215，用于在传送室210和与其连通的各腔室之间传递例如晶圆的基材。该机械手臂215例如但不限于是多层双臂机械手，以支持在多个腔室之间同时传送多片基材。

三个反应室221、222和223分别与传送室连通，且各自独立地可封闭。在反应室中，经由工艺气体的反应将所需的原子层沉积于基材，例如晶圆，的表面。该沉积过程通常在真空环境下进行。三个反应室221、222和223分别能够同时沉积4片基材。各反应室与传送室210的连通接口容许一次装载或卸载两片基材。基材在反应室内通过旋转移动装置来向内或者向着连通接口方向移动。传送室通常也在真空环境下工作。

传送室210还与预清洗室234、热处理室238相连通。预清洗室234用于对准备进行原子层沉积的基材进行与清洗处理。热处理室238用于对准备进行原子层沉积的基材或已经沉积了原子层的基材进行热处理，例如预加热或者散热降温。

传送室210还与加载闭锁室240连通，加载闭锁室240与前端模块250连通，基材因而能够经由加载闭锁室240而在传送室210和前端模块250之间传递。加载闭锁室240中配备有传送装置和抽气装置。传送装置可为，例如但不限于，旋转型机械手或滑动轨道。当加载闭锁室240需要与传送室210连通时，通过抽气装置将加载闭锁室240中转变为与传送室210近似的真空环境。而加载闭锁室240与前端模块250之间的基材传递在大气环境下进行。加载闭锁室240与传送室210、前端模块250之间的连通接口允许一次传递两片基材。

图2中还示出了前端模块250中配备用来移动基材的机械手以及用来存放基材的堆栈。前端模块250中的机械手自动地在前端模块250和加载闭锁室240之间传递基材。前端模块250还可以连接至基材的生产线。

在此实施态样中，通过一组传送室210、预清洗室234、热处理室238、加载闭锁室240与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。通过错开各反应室221、222、223的工作周期，可以在一个反应室的反应周期内执行另一反应室的装载或卸载，从而节约了等待时间、进一步提高了生产效率。

图3为一个实施例的原子层沉积设备300的平面排布示意图。如图所示，该设备300大体上以传送室310为中心向四周扩散排布。传送室310中配备有机械手臂315，用于在传送室310和与其连通的各腔室之间传递例如晶圆的基材。该机械手臂315例如但不限于是多层双臂机械手，以支持在多个腔室之间同时传送多片基材。

三个反应室321、322和323分别与传送室连通，且各自独立地可封闭。在反应室中，经由工艺气体的反应将所需的原子层沉积于基材，例如晶圆，的表面。该沉积过程通常在真空环境下进行。三个反应室321、322和323分别能够同时沉积6片基材。各反应室与传送室310的连通接口容许一次装载或卸载两片基材。基材在反应室内通过旋转移动装置来向内或者向着连通接口方向移动。传送室通常也在真空环境下工作。

传送室310还与预清洗室334、热处理室338相连通。预清洗室334用于对准备进行原子层沉积的基材进行与清洗处理。热处理室338用于对准备进行原子层沉积的基材或已经沉积了原子层的基材进行热处理，例如预加热或者散热降温。

传送室310还与加载闭锁室340连通，加载闭锁室340与前端模块350连通，基材因而能够经由加载闭锁室340而在传送室310和前端模块350之间传递。加载闭锁室340中配备有传送装置和抽气装置。传送装置可为，例如但不限于，旋转型机械手或滑动轨道。当加载闭锁室340需要与传送室310连通时，通过抽气装置将加载闭锁室340中转变为与传送室310近似的真空环境。而加载闭锁室340与前端模块350之间的基材传递在大气环境下进行。加载闭锁室340与传送室310、前端模块350之间的连通接口允许一次传递两片基材。

图3中还示出了前端模块350中配备用来移动基材的机械手以及用来存放基材的堆栈。前端模块350还可以连接至基材的生产线。

在此实施态样中，通过一组传送室310、预清洗室334、热处理室338、加载闭锁室340与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。通过错开各反应室321、322、323的工作周期，可以在一个反应室的反应周期内执行另一反应室的装载或卸载，从而节约了等待时间、进一步提高了生产效率。

图4为一个实施例的原子层沉积设备400的平面排布示意图。如图所示，该设备400大体上以传送室410为中心向四周扩散排布。传送室410中配备有机械手臂415，用于在传送室410和与其连通的各腔室之间传递例如晶圆的基材。该机械手臂415例如但不限于是多层双臂机械手，以支持在多个腔室之间同时传送多片基材。

五个反应室421、422、423、424和425分别与传送室410连通，且各自独立地可封闭。在反应室中，经由工艺气体的反应将所需的原子层沉积于基材的表面。该沉积过程通常在真空环境下进行。反应室421、423和425分别能够同时沉积4片基材，各自与传送室410的连通接口容许一次装载或卸载两片基材。反应室422和424分别能够同时沉积3片基材，各自与传送室410的连通接口容许一次装载或卸载一片基材。基材在各反应室内通过旋转移动装置来向内或者向着连通接口方向移动。传送室通常也在真空环境下工作。

传送室410还与预清洗室434、热处理室438相连通。预清洗室434用于对准备进行原子层沉积的基材进行与清洗处理。热处理室438用于对准备进行原子层沉积的基材或已经沉积了原子层的基材进行热处理，例如预加热或者散热降温。

传送室410还与加载闭锁室440连通，加载闭锁室440与前端模块450连通，基材因而能够经由加载闭锁室440而在传送室410和前端模块450之间传递。加载闭锁室440中配备有传送装置和抽气装置。传送装置可为，例如但不限于，旋转型机械手或滑动轨道。当加载闭锁室440需要与传送室410连通时，通过抽气装置将加载闭锁室440中转变为与传送室410近似的真空环境。而加载闭锁室440与前端模块450之间的基材传递在大气环境下进行。加载闭锁室440与传送室410、前端模块450之间的连通接口允许一次传递两片基材。

图4中还示出了前端模块450中配备用来移动基材的机械手以及用来存放基材的堆栈。前端模块450还可以连接至基材的生产线。

在此实施态样中，通过一组传送室410、预清洗室434、热处理室438、加载闭锁室440与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。通过错开各反应室421、422、423、424、425的工作周期，可以在一个反应室的反应周期内执行另一反应室的装载或卸载，从而节约了等待时间、进一步提高了生产效率。

图5为一个实施例的原子层沉积设备500的平面排布示意图。如图所示，该设备500大体上以传送室510为中心向四周扩散排布。传送室510中配备有机械手臂515，用于在传送室510和与其连通的各腔室之间传递例如晶圆的基材。该机械手臂515例如但不限于是多层双臂机械手，以支持在多个腔室之间同时传送多片基材。

五个反应室521、522、523、524和525分别与传送室510连通，且各自独立地可封闭。在反应室中，经由工艺气体的反应将所需的原子层沉积于基材的表面。该沉积过程通常在真空环境下进行。反应室521、523和525分别能够同时沉积4片基材，各自与传送室510的连通接口容许一次装载或卸载两片基材，基材在这三个反应室内通过平行移动装置来向内或者向着连通接口方向移动。反应室522和524分别能够同时沉积3片基材，各自与传送室510的连通接口容许一次装载或卸载一片基材，基材在这两个反应室内通过旋转移动装置来向内或者向着连通接口方向移动。传送室通常也在真空环境下工作。

传送室510还与预清洗室534、热处理室538相连通。预清洗室534用于对准备进行原子层沉积的基材进行与清洗处理。热处理室538用于对准备进行原子层沉积的基材或已经沉积了原子层的基材进行热处理，例如预加热或者散热降温。

传送室510还与加载闭锁室540连通，加载闭锁室540与前端模块550连通，基材因而能够经由加载闭锁室540而在传送室510和前端模块550之间传递。加载闭锁室540中配备有传送装置和抽气装置。传送装置可为，例如但不限于，旋转型机械手或滑动轨道。当加载闭锁室540需要与传送室510连通时，通过抽气装置将加载闭锁室540中转变为与传送室510近似的真空环境。而加载闭锁室540与前端模块550之间的基材传递在大气环境下进行。加载闭锁室540与传送室510、前端模块550之间的连通接口允许一次传递两片基材。

图5中还示出了前端模块550中配备用来移动基材的机械手以及用来存放基材的堆栈。前端模块550还可以连接至基材的生产线。

在此实施态样中，通过一组传送室510、预清洗室534、热处理室538、加载闭锁室540与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。通过错开各反应室521、522、523、524、525的工作周期，可以在一个反应室的反应周期内执行另一反应室的装载或卸载，从而节约了等待时间、进一步提高了生产效率。

图6为一个实施例的原子层沉积设备600的平面排布示意图。如图所示，该设备600大体上以传送室610为中心向四周扩散排布。传送室610中配备有机械手臂615，用于在传送室610和与其连通的各腔室之间传递例如晶圆的基材。该机械手臂615例如但不限于是多层双臂机械手，以支持在多个腔室之间同时传送多片基材。

三个反应室621、622和623分别与传送室连通，且各自独立地可封闭。在反应室中，经由工艺气体的反应将所需的原子层沉积于基材，例如晶圆，的表面。该沉积过程通常在真空环境下进行。三个反应室621、622和623分别能够同时沉积4片基材。各反应室与传送室610的连通接口容许一次装载或卸载两片基材。基材在反应室内通过平行移动装置来向内或者向着连通接口方向移动。传送室通常也在真空环境下工作。

传送室610还与预清洗室634、热处理室638相连通。预清洗室634用于对准备进行原子层沉积的基材进行与清洗处理。热处理室638用于对准备进行原子层沉积的基材或已经沉积了原子层的基材进行热处理，例如预加热或者散热降温。

传送室610还与加载闭锁室640连通，加载闭锁室640与前端模块650连通，基材因而能够经由加载闭锁室640而在传送室610和前端模块650之间传递。加载闭锁室640中配备有传送装置和抽气装置。传送装置可为，例如但不限于，旋转型机械手或滑动轨道。当加载闭锁室640需要与传送室610连通时，通过抽气装置将加载闭锁室640中转变为与传送室610近似的真空环境。而加载闭锁室640与前端模块650之间的基材传递在大气环境下进行。加载闭锁室640与传送室610、前端模块650之间的连通接口允许一次传递两片基材。

图6中还示出了前端模块650中配备用来移动基材的机械手以及用来存放基材的堆栈。前端模块650还可以连接至基材的生产线。

在此实施态样中，通过一组传送室610、预清洗室634、热处理室638、加载闭锁室640与多个反应室的组合，可以在提高产能的同时降低设备成本。通过错开各反应室621、622、623的工作周期，可以在一个反应室的反应周期内执行另一反应室的装载或卸载，从而节约了等待时间、进一步提高了生产效率。

尽管已经阐明和描述了本实用新型的不同实施例，本实用新型并不限于这些实施例。仅在某些权利要求或实施例中出现的技术特征并不意味着不能与其他权利要求或实施例中的其他特征相结合以实现有益的新的技术方案。在不背离如权利要求书所描述的本实用新型的精神和范围的情况下，许多修改、改变、变形、替代以及等同对于本领域技术人员而言是明显的。

Claims (9)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，该原子层沉积设备包括：

传送室；

分别与所述传送室连通的预清洗室、热处理室、加载闭锁室、以及多个反应室；

与所述加载闭锁室连通的前端模块；

其中，在所述多个反应室中经由工艺气体的反应将原子层沉积于基材的表面；

所述传送室中配备有机械手臂用于在所述传送室和预清洗室、热处理室、加载闭锁室、以及多个反应室之间传递基材；

所述前端模块经配置为自动地与所述加载闭锁室之间传递基材。

2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述传送室和多个反应室各自独立地可封闭。

3.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述机械手臂是多层双臂机械手。

4.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述多个反应室分别能够同时沉积3-6片基材。

5.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述多个反应室中各自配备有平行移动装置或旋转移动装置用于移动基材。

6.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述传送室与所述多个反应室之间的连通接口允许一次传递一片或两片基材。

7.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述传送室与加载闭锁室之间的连通接口允许一次传递两片基材。

8.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述多个反应室经配置为错开彼此的工作周期。

9.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述基材为晶圆。