TW201443267A

TW201443267A - 多層遮罩

Info

Publication number: TW201443267A
Application number: TW103105082A
Authority: TW
Inventors: Jan Pahnke; Markus Gersdorff
Original assignee: Aixtron Se
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2014-11-16
Also published as: CN103993291B; CN103993291A; TWI592508B; DE102013101586A1; KR20140103860A; KR102241409B1

Abstract

本發明首先係關於一種在CVD反應器(1)之處理室(2)中可被放置在基板(13)上之遮罩(3)，在該處理室中於一支撐至少一基板(13)之基座(14)上方形成一豎向溫度梯度，該遮罩包括一罩體(4)，該罩體之高度延伸(H)遠小於其面積延伸且該罩體具有至少一窗口(5)，該窗口之邊緣(6)定義為待沉積於該基板(13)上之層(15)的邊緣(16)。為改良該等邊緣區域之層生長品質，本發明建議如下：該罩體(4)具有沿高度延伸方向(H)堆疊之層(7,8,9,10)且該罩體在高度延伸方向(H)上的熱導率低於其在面積延伸方向上的熱導率。本發明另亦關於一種遮罩之應用。

Description

多層遮罩

本發明係關於一種在CVD反應器(1)之處理室(2)中可被放置在基板(13)上之遮罩(3)，在該處理室中於一支撐至少一基板(13)之基座(14)上方形成一豎向溫度梯度，該遮罩包括一罩體(4)，該罩體之高度延伸(H)遠小於其面積延伸且該罩體具有至少一窗口(5)，該窗口之邊緣(6)界定待沉積於該基板(13)上之層(15)的邊緣(16)，其中該罩體(4)具有沿高度延伸方向(H)堆疊之層(7,8,9,10)且該罩體在高度延伸方向(H)上的熱導率低於其在面積延伸方向上的熱導率，其中在直接堆疊之層(7,8,9,10)間設有空隙(22)，該等空隙能減少直接堆疊之層間的熱傳導。

US 2004/0086639 A1揭示一種由多層構成之遮罩，其中各層以設於遮罩邊緣之間隔元件相互隔開。每層皆形成一窗口，其中對應窗口沿豎向堆疊佈置。

US 2005/0037136 A1描述一種多層遮罩，其中一貼靠於基板上之層且由冷卻劑冷卻，指向處理室之層可加熱且透過隔熱元件連接遮罩之下部區段。

US 2004/0142625 A1描述一種包含圓環形開口之遮罩。US 2003/0087471 A1揭示一種遮罩，其中一網格結構形成窗口。US 2012/0190183 A1描述一種塗佈裝置與一種塗佈方法，其使用兩種具有不同窗口之不同遮罩。

US 2013/0015444 A1描述遮罩應用於沉積製程以使層結構沉積。US 5,744,214及US 3,574,012描述採用光微影結構化及蝕刻技術所製成之多層遮罩。

層沉積於基板上時使用遮罩。遮罩具有窗口，該窗口定義為待沉積於基板上之層的面積。窗口周圍之罩體區域係平面貼靠在基板上。如US 7,802,537 B2或US 2007/0184745 A1所描述的習知遮罩通常具有由因鋼構成之罩體。層沉積時需將處理氣體導入設於基板上方之處理室。該處理氣體可由多種組分組成。基板平放在基座上，基座上方設有將處理氣體導入處理室之進氣機構，基座的溫度不同於該進氣機構。

此類遮罩應用於OLED層之沉積。遮罩主要應用於由一或多種組分組成之處理氣體經由加熱的進氣機構進入處理室之沉積製程。此方法將支撐基板的基座作冷卻處理。平放於基座上之基板同樣被冷卻，故該基板具有一表面溫度，轉變成氣相的處理氣體組分可在該表面溫度下冷凝。貼靠在基板上的罩體同樣被冷卻，從而在其表面，特別是在邊緣區域出現生長現象。在窗口內側觀察邊緣向內生長，好似層邊緣“形成散鬚”。

沉積有機金屬層如GaN時，需透過可呈蓮蓬頭形狀之冷卻的進氣機構將處理氣體導入處理室。在此情況下，該處理氣體由TMGa及氨組成。藉由運載氣體如氫氣或氮氣將此二組分送入處理室。將基座加熱至反應溫度，有機金屬組分與氫化物在該反應溫度下相互反應。由於基板係平面貼靠在基座上，基板表面亦被加熱，從而可在基板表面發生表面反應。貼靠在基板上的遮罩同樣被加熱。其表面同樣達到一溫度，氣體組分在此溫度下相互反應，因而層生長不僅發生於基板表面，亦發生於遮罩表面，特別是遮罩邊緣區域。

其結果是，層邊緣因遮罩邊緣發生窗口向內生長而“形成散鬚”。

本發明之目的在於提出關於該遮罩之進一步方案，以改良邊緣區域之層生長品質。

此目的藉由申請專利範圍所定義之發明而達成。

首先且主要提出：該罩體由多個堆疊佈置之層構成。該等層可由金屬板構成。可堆疊佈置三至十塊板。該等板可由金屬構成。例如可使用傳統遮罩所用之材料，例如因鋼。使用因鋼是因為其在20℃至100℃之溫度範圍內具有極小之熱膨脹係數。亦可將鋁或優質鋼作為該遮罩之層的材料。堆疊板之材料厚度可達1mm。該等板可具有不同之材料厚度，例如可堆疊佈置三塊材料厚度為0.8mm/0.5mm/0.8mm之板。該遮罩之分層結構使該遮罩具有變化的導熱性能。在面積延伸方向上，該遮罩由實質上連續之金屬層如薄金屬層所構成。因此在該遮罩之面積延伸方向上，該罩體具有與金屬之導熱性能相一致的導熱性能。該等層可直接堆疊佈置。其可僅局部相接觸地平面貼靠佈置。在窗口區域以外較遠處夾緊該等板。藉此，一方面能特別在窗口邊緣區域限制該等板間的形狀以配合連接，從而使板間熱傳導保持較低水平。另一方面，夾緊裝置到窗口區域的幾何距離能防止由該等板的熱傳導所引起之熱輸入。在本發明此一方案中，各層間例如因不可避免之層表面粗糙度而存在引起隔熱作用之空隙。該表面粗糙度(貼靠面內部的粒度)通常約為50μm。由此產生相同量級之板距。直接堆疊之面積間的接觸面積約占總面積的5%。平均粗糙度深度較佳介於10μm與100μm間。處理室內部之氣體壓力較佳低於1mbar。該氣體壓力通常為0.1mbar至0.2mbar。在此等總壓力下，存在於板間之氣體的熱傳導能力降低。據此，該遮罩在高度延伸方向上的熱導率低於其在面積延伸方向上的熱導率。該遮罩在高度延伸方向上具異質結構，故其熱導率係一在整個高度延伸範圍內之平均的比熱導率。該比熱導率低於面積延伸方向上的比熱導率。該罩體之各層不僅可由金屬構成。其亦可由其他材料如陶瓷材料構成。可堆疊佈置包含不同材料之層。各層相互間僅鬆散耦合且在面積延伸方向上僅能小幅相向運動，藉此可避免罩體中之豎向溫度梯度所引發的變形。使用該遮罩時，該層結構使得遮罩上產生一表面溫度，其介於基板溫度與進氣機構溫度間。該遮罩指向處理室之表面所具有的表面溫度值較佳高於或低於被送入處理室之處理氣體的表面反應溫度。該罩體在處理室內之溫度梯度方向上的熱導率減少，其結果是遮罩頂面上的層生長至少被減少，較佳完全被抑制。如此一來，本發明之遮罩不僅只具有遮蔽功能。藉該遮罩亦能防止氣相在窗口區域以外耗盡。為確保亦有助於實現邊緣區域塗佈的最佳氣流，該遮罩之高度處於2mm範圍內。若將該遮罩應用於被冷卻的基座，則該遮罩之表面溫度高於層生長溫度，藉此能大幅減少窗口邊緣區域之寄生生長。若將該遮罩應用於加熱基板並冷卻進氣機構之沉積製程，則遮罩表面產生一溫度，此溫度低於層生長所需之溫度，故此應用亦能減少窗口邊緣區域之寄生生長。層間各間隙允許相鄰層之兩相面對的表面間達到60℃之溫差。豎向高度及各空隙之體積由該表面粗糙度所界定。兩堆疊之層之部分接觸區(特別是島狀接觸區)的面積大小同樣取決於粗糙度結構。該等層亦可由板狀體構成。

本發明另亦關於該窗口之緣邊的進一步方案。根據本發明，該窗口之邊緣具有密封元件，該密封元件以一區段貼靠於基板頂面且鄰接該最頂層。其可為彈性密封元件。其尤佳為一例如密封唇或密封軟管形式之密封異形元件。該密封元件構成鄰接基板表面之窗口邊緣。該密封元件具有一區段且以此區段貼靠於基板表面。該等堆疊之層可僅部分在島狀接觸區上相互接觸或者被間隔元件相互隔開，從而在層間形成空隙。該等間隔元件可與該密封元件直接相鄰佈置，其中該密封元件之延伸幅度實質上覆蓋該遮罩之整個材料厚度。該罩體之頂面可經塗黑處理。其亦可經拋光處理。該遮罩之背面可經拋光處理。其亦可經塗黑處理。

根據較佳技術方案，該最頂層之背面經拋光處理。內層的表面同樣可經拋光處理。若該遮罩由多個直接堆疊之層構成，則該層間隙係因該等層之天然表面粗糙度或者因公差所導致之表面平直度偏差而形成。該等間隙具有微米量級之隙寬。在此情況下，該等間隙即為微隙。隙高處於50μm之平均粗糙度深度範圍內。根據本發明之較佳技術方案，塗黑表面具有約0.95之發射率。該板較佳由鋁構成。拋光中間板可具有約0.05之發射率。其可由拋光鋁構成。該等板亦可由表面發射率為0.25之未處理鋼板構成。

根據本發明之進一步方案，各層被間隔元件相互隔開。利用此等間隔元件可調節層寬。該等間隔元件特定言之可設於窗口邊緣。該等間隔元件亦可設於罩體之面積延伸範圍內的任一x位置上。利用該等間隔元件產生具有明確隙寬之間隙。該等間隔元件可規則地佈置於薄板所構成的層之間。

習知遮罩至多可應用於約20個處理循環，藉由本發明之遮罩則可大幅提高處理循環數。可達2000個循環。由此不但產生直接與遮罩相關之優點。更能簡化層沉積方法的自動化，進而簡化整個系統結構。

下面聯繫所附圖式以說明本發明之實施例。

1‧‧‧CVD反應器

2‧‧‧處理室

3‧‧‧遮罩

4‧‧‧罩體

5‧‧‧窗口

6‧‧‧邊緣

7‧‧‧層

8‧‧‧層

9‧‧‧層

10‧‧‧層

11‧‧‧罩框

12‧‧‧密封異形元件

13‧‧‧基板

14‧‧‧基座

15‧‧‧層

16‧‧‧層邊緣

17‧‧‧蓮蓬頭

18‧‧‧出氣孔

19‧‧‧輸送管

20‧‧‧調溫元件

21‧‧‧調溫元件

22‧‧‧微隙

23‧‧‧固定段

24‧‧‧調節元件

25‧‧‧開口

26‧‧‧間隔元件

27‧‧‧支座

28‧‧‧固定元件

30‧‧‧間隙

H‧‧‧高度延伸

圖1係一CVD反應器沿圖2中I-I切割線截取之縱剖面示意圖；圖2係貼靠於基板13上之遮罩3的俯視圖；圖3係第一實施例在圖1中III-III部分之放大圖；圖4係圖1中IV-IV部分之放大圖；圖5係第二實施例如圖3之視圖；圖6係第三實施例如圖3之視圖。

圖1示出CVD反應器1之結構示意圖。但其亦可為PVD反應器。反應器1具有與周圍環境氣密隔離之反應器殼體，如此便可在該殼體內部，特別是在處理室2中產生負壓。處理室2之頂面由進氣機構17構成，該進氣機構具有多個如蓮蓬頭般佈置的出氣孔18。出氣孔18上方設有氣體分配腔，其由進氣管19提供具有一或多種組分之處理氣體。在具有出氣孔18之出氣板中設有調溫元件21。該等調溫元件21可為通調溫液以冷卻或加熱出氣機構17之出氣面的通道。為了加熱進氣機構17，調溫元件21亦可由加熱盤管構成。

處理室2之底部由基座14構成。基座14同樣具有調溫元件20。調溫元件20可為可通調溫液之通道。根據調溫液之溫度冷卻或加熱基座14。在此，調溫元件20同樣亦可由加熱盤管構成。

根據處理室2內部沉積製程之具體實施內容，選擇冷卻基座14並加熱進氣機構17，或者冷卻進氣機構17並加熱基座14。無論何種情況，進氣機構17與基座14間皆形成豎向溫度梯度。

將平放於基座14表面之基板13的表面溫度提高或下降至一水平，以便能透過表面反應使層沉積於基板13指向處理室2之面上，其中該層之組分由被導入處理室2之處理氣體提供。該反應可為冷凝。但亦可為化學表面反應。

基板13表面設有遮罩3。遮罩3具有平面罩體4，該罩體具有至少一窗口5，該窗口之輪廓界定待沉積於基板13上之層15的輪廓。故，窗口5之邊緣6界定層15之邊緣16。

罩體4之邊緣連接一罩框11。罩框11支撐在支座27上。在實施例中，罩框11環繞包圍圓盤形基座14。

元件符號24指代高度調節元件。元件符號28指代用於將罩體4固定於罩框11之固定元件。

如圖4所示，調節元件24在留有側隙之情況下貫穿罩體4之開口25。固定元件28同樣在留有側隙之情況下貫穿罩體4之一開口，故該遮罩可發生熱膨脹。圖3示出本發明遮罩之第一實施例。該遮罩由三個堆疊之層7、8、9、10構成。各層之表面粗糙度係被放大示出。各直接堆疊之層7、8；8、9；9、10間形成微隙22，該等微隙構成豎向熱傳導障壁。各層7、8、9、10可由因鋼、鋁或優質鋼製成。其亦可由互不相同之材料製成。最底層10平面貼靠於基板13表面。各層7、8、9、10可具有小於一毫米之層厚。一層序列例如可具有三個由優質鋼板構成之層，該等層具有0.8mm/0.5mm/0.8mm之層厚。但該層厚亦可略大於一毫米。最頂層7構成窗口5之邊緣6的一區段。最頂層7下方設有密封異形元件12，該密封異形元件由彈性材料構成且其固定段23卡入兩不直接堆疊之層7、9間的間隙內。密封異形元件12以其底面支撐在基板13表面上。密封元件12之延伸幅度覆蓋窗口5之整個輪廓。

在圖3所示之實施例中，層7、8、9、10係相互接觸地堆疊佈置，而在圖5所示的第二實施例中，層7、8、9被間隔元件26相互隔開，故直接堆疊之層7、8及8、9間形成空隙，其隙高由密封元件26之材料厚度所界定。密封異形元件12在此亦具有環封腔室形式之空隙及一固定段23，該固定段位於兩層7、8之間。固定段23之材料厚度在此等於間隔元件26之材料厚度。

罩體4之層結構使得該罩體在豎向上的熱導率低於其在面積延伸方向上的熱導率。

圖6所示之第三實施例係關於一實質上與圖3所示相一致的遮罩結構。但此處之密封異形元件12高度更大，故遮罩僅透過密封異形元件12支撐在基板13上。由此在最底層10與基板13表面間形成間隙30。

根據本發明，該遮罩應用於0.1mbar至0.2mbar之壓力範圍。夾緊裝置28、24到窗口5之距離約為60mm至70mm。

本發明之遮罩可用來實施氣相耗盡亦有所減少之層生長製程。當該遮罩應用於沿水平方向被處理氣體穿流而過之CVD反應器時，尤為如此。由於指向處理室之遮罩頂面上的生長減少，流向上的氣相耗盡程度低於先前技術。

前述實施方案係用於說明本申請整體所包含之發明，該等發明至少透過以下特徵組合分別獨立構成相對於先前技術之進一步方案：一種遮罩，其特徵在於，該等直接堆疊之層7、8、9、10僅部分在島狀接觸區上相互接觸，並且在該等接觸區間形成空隙22。

一種遮罩，其特徵在於，該等接觸區所占之面積約等於該遮罩之總面積的5%。

一種遮罩，其特徵在於，該等空隙22之體積，特別是沿高度延伸方向H所測得之隙高由該等層7、8、9、10之鄰接表面的粗糙度所界定。

一種遮罩，其特徵在於，該等層7、8、9、10之至少其中一鄰接表面的平均粗糙度深度為50μm。

一種遮罩，其特徵在於，該窗口5之邊緣6由一貼靠在基板13上之密封元件12構成。

一種遮罩，其特徵在於，該密封元件12為一彈性密封異形元件，該密封異形元件以一區段貼靠於基板表面且鄰接該最頂層7，且該密封異形元件之延伸幅度覆蓋該窗口5之整個輪廓。

一種遮罩，其特徵在於，該窗口5之邊緣6由一貼靠在基板13上且鄰接最頂層7之密封元件12構成。

一種遮罩，其特徵在於，兩直接堆疊之層7、8、9、10被間隔元件26相互隔開，該等間隔元件特定言之與該密封元件12直接相鄰佈置。

一種遮罩，其特徵在於，該等層具有互不相同之材料或相同材料。

一種遮罩，其特徵在於，該罩體4指向該處理室2之一側經塗黑處理。

一種遮罩，其特徵在於，該罩體4指向該基板13之一側經拋光處理。

一種遮罩，其特徵在於，該等內層8、9之表面經拋光處理。

一種遮罩，其特徵在於，一用於將該等層7、8、9、10相向夾緊之夾緊裝置與該窗口5相隔一定距離佈置，其中該距離特定言之約為六十至七十毫米。

一種遮罩，其特徵在於，該罩體4藉由固定元件28固定在罩框11上，且其固定方式使得該等層7、8、9、10能發生側向熱膨脹。

一種遮罩的應用，其特徵在於，在低於一毫巴之總氣體壓力下進行塗佈，較佳在介於0.1mbar與0.2mbar間之總氣體壓力下進行塗佈。

所有已揭示之特徵(即自身)為發明本質所在。故本申請之揭示內容亦包含相關/所附優先權檔案(在先申請副本)所揭露之全部內容，該等檔案所述特徵亦一併納入本申請之申請專利範圍。附屬項採用可選並列措辭對本發明針對先前技術之改良方案的特徵予以說明，其目的主要在於在該等請求項基礎上進行分案申請。