TW202104630A - 基板加工裝置中的電漿 - Google Patents

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Abstract

一種基板加工裝置及一種相關方法，其包含一反應室與一電漿進料線，在此將用於一沉積靶材的電漿物種引進至該反應室中。該電漿進料線包含經組配為可加速氣體速度的一入口部。

Description

基板加工裝置中的電漿
發明領域
本發明通常有關於基板加工方法及裝置。更特別的是，本發明有關於數種電漿增強原子層沉積(ALD)反應器，但不是唯一。
發明背景
此段落圖解說明背景資訊而不是承認描述於本文的任何技術是最先進的。不過，例如藉由考量已批準的美國專利第US 9,095,869 B2號可更好地了解所描述的反應器結構。
在例如原子層沉積(ALD)的化學沉積方法中，電漿可用來提供用於表面反應的必要附加能量。不過，使用電漿源可能造成沉積反應器的某些要求或特定問題。此類問題之一為反應性物種在電漿中的壽命有限。
發明概要
本發明之某些具體實施例的目標是要應付電漿的有限壽命，或至少提供現有技術的替代方案。
根據本發明的第一示範方面，提供一種基板加工裝置，其包含： 一反應室； 引進用於一沉積靶材之電漿物種至該反應室中的一電漿進料線，其中 該電漿進料線包含經組配為可加速氣體速度的一入口部。
在某些具體實施例中，該裝置包含一電漿源。在某些具體實施例中，該電漿源位在該入口部的上游。在某些具體實施例中，該電漿源包含一電漿源管(穿越該電漿源的管子)。在某些具體實施例中，電漿物種在該電漿源管內產生。在某些具體實施例中，該入口部與該電漿源管為同心的部件。
在某些具體實施例中，該裝置包含在該電漿源與該沉積靶材之間的該電漿進料線以引進用於該沉積靶材的電漿物種至該反應室中。
在某些具體實施例中，該沉積靶材位在該反應室內。在某些具體實施例中，該沉積靶材為一基板。在某些具體實施例中，該沉積靶材為一批基板。在某些具體實施例中，該基板為一晶圓。在某些具體實施例中，在該批基板中的基板呈垂直定向。
在某些具體實施例中，該入口部位在該電漿源與該反應室之間。在某些具體實施例中，該電漿源為一遠端電漿源。在某些具體實施例中，該電漿源位在該反應室的外面。
在某些具體實施例中，該電漿物種包含氣體電漿。在某些具體實施例中，該電漿物種包含自由基。在某些具體實施例中，該電漿物種包含離子。
在某些具體實施例中，該入口部居中地位在該電漿進料線內。在某些具體實施例中，該入口部有比在該電漿進料線中之其他部件/其餘部件窄的內徑。在某些具體實施例中，該電漿進料線的最窄內徑在該入口部內。在某些具體實施例中，該入口部提供該電漿進料線的最窄通道寬度。
在某些具體實施例中，該入口部的形式為一入口襯套(inlet liner)以及用於該入口襯套的一固持器(holder)。在某些具體實施例中，該入口襯套為一管狀物品。在某些具體實施例中，該入口襯套對於可見光是透明的。在某些具體實施例中，該入口襯套具化學惰性。在某些具體實施例中，該入口襯套(內管)電性絕緣。在某些具體實施例中，入口部包含被一外管或外部包圍的一內管。在某些具體實施例中，該內管與該外管為同心的部件。在某些具體實施例中，該內管與該外管有環狀橫截面。在某些具體實施例中，該內管與該外管互相貼緊。在某些具體實施例中，該外部或外管形成用於該內管的一固持器。在某些具體實施例中，該外部或外管導電。在某些具體實施例中，該外部或外管施加適當的電位，例如系統接地。在某些具體實施例中，該入口部附接於管道部份之間。
在某些具體實施例中，該入口部為一可移除部件。在某些具體實施例中，該內管為一可移除部件。在某些具體實施例中，該入口部使得該電漿進料線具有增強氣體速度的驟縮(sudden constriction)或緊束(stricture)。在某些具體實施例中，該入口部使得該電漿進料線具有逐步變窄的流動路徑。在某些具體實施例中，該入口部接著是朝向該反應室擴展的擴展空間。在某些具體實施例中，從該電漿源到該反應室的流動路徑在在該入口部與該擴展空間的一介面處經歷逐步擴展(或加寬)或與一介面有關。在某些具體實施例中，該入口部為一非致動部件，例如，不是閥。在某些具體實施例中，該入口部為一被動部件(亦即，非主動部件)。在某些具體實施例中，該電漿進料線(擴展空間)正好在該入口部之後(或下游)的橫截面面積大於該電漿進料線(電漿源管)正好在該入口部之前(或上游)的橫截面面積。
在某些具體實施例中，該反應室被一真空室包圍。
在某些具體實施例中，用RF(射頻)輻射激發電漿反應物氣體。在某些具體實施例中，用微波輻射激發電漿反應物氣體。在某些具體實施例中，該電漿反應物氣體喂入一電漿源管而不是注入。在某些具體實施例中，該電漿反應物氣體視需要與載體及/或惰性氣體一起喂入一電漿源管而不是注入該氣體至該電漿源管中。因此，該電漿反應物氣體視需要與載體及/或惰性氣體一起沿著一(規則)管道導入該電漿源管(亦即，而不是特別的注射配置)。在某些具體實施例中，該管道包含至少一閥(或電漿反應物脈動閥)。
在某些具體實施例中，該電漿進料線包含一垂直電漿源管，其包含一電漿成形區段。在某些具體實施例中，該電漿進料線沿著一垂直路徑穿經該電漿成形區段及該狹窄部份。
在某些具體實施例中，該裝置包含能加速氣體速度的一收縮噴嘴配置(converging nozzle arrangement)或一縮擴噴嘴配置(converging-diverging nozzle arrangement)。
在某些具體實施例中，該裝置經組配為在位於該反應室中的一基板表面上可進行數個順序的自我飽和表面反應。在某些具體實施例中，該裝置經組配為可應用電漿輔助原子層沉積。 根據本發明的第二示範方面，提供一種方法，其包含： 經由一電漿進料線引進用於在一基板加工裝置中之一沉積靶材的電漿物種至一反應室中；以及
用一入口部加速在該電漿進料線內的氣體速度。
在某些具體實施例中，提供一種噴射噴嘴入口襯套。在某些具體實施例中，該噴射噴嘴入口襯套為一管狀物品。在某些具體實施例中，該部件的內徑實質小於氣體引進之其他部件的內徑。已觀察到，氣體速度在該部件內增加，因為它的橫截面小於該電漿源管及該反應室。增量可基於例如阻流效應(choked flow effect)。也已觀察到，氣體速度不僅在該入口襯套內增加，也出現在入口襯套下游的相對長距離，甚至靠近該沉積靶材。所得噴流最小化從電漿源到沉積靶材的輸送時間。在某些具體實施例中，該噴流與周圍氣體接觸從而與固體材料的接觸表面積為最小。這進一步改善至該沉積靶材的反應性物種(或電漿物種)輸送，因為反應性物種的平均壽命變長。
在某些具體實施例中，該入口部包含內徑小於該進料線(或內徑小於該電漿源管)的一管狀部。在某些具體實施例中，該入口部包含具化學惰性的一管狀部。在某些具體實施例中，該入口部包含電性絕緣的一管狀部。在某些具體實施例中，該入口部包含收容一內管的一外部或管。
在某些具體實施例中，該方法包含： 用一真空室包圍該反應室。
在某些具體實施例中，該方法包含： 在位於該反應室中的一基板表面上進行數個順序的自我飽和表面反應。
上文已圖解說明不具約束力的不同示範方面及具體實施例。上述具體實施例只是用來解釋可用來實作本發明的選定方面及步驟。有些具體實施例只呈現一些示範方面。應瞭解，對應具體實施例可應用於其他示範方面。可形成該等具體實施例的任何適當組合。
在以下說明中，使用原子層沉積(ALD)技術作為實施例。
ALD成長機構的基本內容為熟諳此藝者所習知。ALD為基於順序引進至少兩種反應性前驅物至至少一基板的特殊化學沉積方法。基本ALD沉積循環由4個順序步驟組成：脈衝A、吹掃A、脈衝B及吹掃B。脈衝A由第一前驅物蒸氣組成以及脈衝B由另一前驅物蒸氣組成。不活潑氣體及真空泵通常在吹掃A及吹掃B期間用來吹掃氣體反應副產品及殘留反應物分子離開反應空間。沉積順序包含至少一沉積循環。沉積循環重覆直到沉積順序產生有所欲厚度的薄膜或塗層。沉積循環也可能更簡單或者是更複雜。例如，該等循環可包括用吹掃步驟分離的3個或多個反應物蒸氣脈衝，或可省略某些吹掃步驟。或者，就電漿輔助ALD而言，例如描述於本文之一或多個沉積步驟的PEALD(電漿增強原子層沉積)，藉由通過電漿進料提供用於表面反應的必要附加能量，可輔助它，或導致單一前驅物ALD製程的電漿能量可取代反應性前驅物中之一者。因此，脈衝及吹掃順序可依照各個特定案例而有所不同。該等沉積循環形成由邏輯單元或微處理器控制的定時沉積順序。用ALD成長的薄膜都很稠密、無針孔且有均勻的厚度。
至於基板加工步驟，該至少一基板通常在反應容器(或室)中暴露於時間上分離的前驅物脈衝以藉由順序的自我飽和表面反應沉積材料於基板表面上。在本申請案的背景中，用語ALD包含所有基於可應用ALD的技術且任何等效或密切相關的技術，例如下列ALD子類型：MLD(分子層沉積)、電漿輔助ALD、例如PEALD(電漿增強原子層沉積)及光子增強原子層沉積(也習知為閃光增強ALD或光子ALD)。
不過，本發明不受限於ALD技術，反而它在廣泛各種的基板加工裝置中可加以利用，例如，在化學氣相沉積(CVD)反應器中，或在蝕刻反應器中，例如原子層蝕刻(ALE)反應器。
圖1根據某些具體實施例圖示裝置100。裝置100為基板加工裝置，例如電漿輔助ALD反應器。該裝置包含反應室130與進料線(或進料配置)115以引進例如氣體電漿的電漿用於位在反應室130中的沉積靶材160。沉積靶材160可為基板(或晶圓)或基板批次。
裝置100進一步包含通到真空泵150的排氣線145。反應室130的一般形式可為底部為圓形的圓筒，或可採用任何其他基板形狀。在某些具體實施例中，排氣線145位在反應室130的圓形底部中。真空泵150提供反應室130的真空。在某些具體實施例中，該裝置包含外室、環繞反應室130的真空室140。不活潑保護氣體可喂入在真空室140與反應室130之間的中間空間。相較於在反應室130內的現有壓力，使在該中間空間內的壓力保持在較高的位準。同一個真空泵150或另一個泵浦可用來配置(不活潑氣體的)從中間空間流出的流動。
配置從電漿源或遠端電漿源進入反應室130的電漿進料線115。進料從反應室130的上層發生。電漿物種從電漿源管125向下行進。在某些具體實施例中，電漿源管125形成進料線115的一部份。進料線115包含經組配為可加速氣體速度的入口部110。在某些具體實施例中，入口部110位於電漿源管125的下游。在某些具體實施例中，入口部110為內徑比在入口部110前面之電漿源管125窄的管狀部。在某些具體實施例中，電漿源管125形成電漿源的一部份。在某些具體實施例中，在電漿源管125與入口部110之間有另一管道部份。
當電漿物種進入入口部110時，它的速度增加。至沉積靶材160的輸送時間分別減少。
入口部110可由收容內管112的外部或管111形成。外管111可由金屬製成，例如。示範材料為鋁或鋼。它可為導電部件。內管112可具化學惰性。在某些具體實施例中，內管112由石英製成。在某些具體實施例中，內管112由藍寶石製成。內管112電性絕緣。外管111可包含其底部供內管112依靠的向內突出形狀。此外，外管111可包含向外突出形狀，其頂部便於用固定構件113或類似者使入口部110固定於管道部份之間。內管112可為外管111的入口襯套。內管112可形成噴射噴嘴入口襯套。
在某些具體實施例中，入口部110有用於接收在入口部110頂部進入內管112之電漿物種的輸入開口。內管112提供筆直圓柱形通道供電漿物種向下流動直到在入口部110底部的輸出開口輸出電漿物種而且從內管112內部進入反應室130內部的速度增加。在某些具體實施例中，如圖1所示，在輸出進入反應室130內部的電漿物種之後，電漿物種經歷流動路徑的階梯狀放大。因此，在某些具體實施例中，在放大後的流動路徑側向受限於反應室130的圓柱壁部。
圖2根據某些具體實施例圖示裝置200。裝置200及其運作通常對應至裝置100。因此，可參考前面的描述。不過，在圖示於圖2的具體實施例中，提出與基板裝載及卸載有關的進一步特徵。
可變形進料部221位在入口部110與沉積靶材160之間。可變形進料部221有例如用電漿輔助ALD來基板加工的封閉組態，以及用於基板裝載的開放組態。在處於封閉組態時，進料部221可處於伸展形狀，以及在處於開放組態時，處於收縮形狀。封閉組態描繪於圖2，以及開放組態描繪於圖3。
可變形進料部221包含一組相互套在一起而可活動的巢套式分件(nested sub-part)或環狀構件。在圖示於圖2及圖3的具體實施例中，分件的數目為兩個。分件201及202形成伸縮結構。在圖示於圖2及圖3的示範具體實施例中，上分件201附接至真空室140的壁部。取決於具體實施例，附接可在真空室140的頂壁或在另一適當點。在其他具體實施例中，上分件可附接至入口部110的出口。可用此方式提供從入口部110進入反應室130內部的逐漸加寬流動路徑而不是階梯狀放大。在某些具體實施例中，如圖2及圖3所示，下分件202要麼封閉如圖2所示在下分件202與反應室130(或反應室壁部)之間的介面，要麼如圖3所示提供供基板裝載進入反應室130的裝載間隙。
如圖3所示，升降機190的可伸縮軸桿附接至可變形進料部221或與其相關聯。升降機190運作可變形進料部221。通過藉由使進料部221垂直變形成為開放組態而形成的裝載間隙，用裝載器206(或端接器、裝載機器人或類似者)，經由裝載埠205，將基板260(或一批基板)裝入反應室130。
電漿物種隨著來自電漿源的垂直流動以增加的速度行進通過電漿源管125以及通過入口部110到入口部110的輸出開口或出口且從那裡沿著逐漸加寬的流動路徑到沉積靶材160。
在某些具體實施例中，在入口部110周圍提供方向向下的保護性惰性氣體流235(參考圖2)。
圖4根據某些具體實施例圖示入口部110。入口部110包含收容內管或入口襯套112的外管111。入口部110視需要包含徑向延伸穿過整個外管111之至少一側(但是不穿過內管112)用於從側向觀看電漿的開口114。在某些具體實施例中，壓力感測器118位在開口114內。
圖5根據某些具體實施例圖示裝置中之氣體速度的模擬結果。該裝置為圖示於前述圖1至圖3之中的類型，特別是圖2至圖3之中的。因此，該裝置包含電漿源管125，接著是內徑比管125內徑窄的入口部(圖示其內管112)。該入口部接著是朝向在反應室130中之沉積靶材160擴大的擴大容積(部件121或類似者)。為了模擬的目的，電漿源管125有22毫米的內徑，以及內管112有15毫米的內徑。觀察到，氣體速度在部件112內部不僅增加，也出現在部件112下游的相對長距離，甚至靠近沉積靶材160。
圖6根據某些進一步的具體實施例示意圖示一裝置。在這些具體實施例中，入口部110(參考前面的圖1至圖4)用收縮噴嘴配置605實作。在如圖6所示的具體實施例中，電漿反應物(或成形電漿物種)進入噴嘴部112’(如箭頭601所示)。在其他情形下，噴嘴部112’可類似描述於前面的內管或入口襯套112，噴嘴部112’提供收縮通道，而不是有不變幾何及直徑的流動通道。例如，噴嘴部112’可包含形成收縮流動通道於其中的上下顛倒截錐112’。氣體速度在由噴嘴部112’提供的收縮通道內加速。在噴嘴部112’的反應室末端處，流動通道包含流動通道(流動路徑)的階梯狀加寬。在此時，如箭頭602所示，電漿物種朝向沉積靶材160(在反應室130中)以增加的速度釋放。經由另一路線(亦即，不穿過收縮噴嘴配置605的路線)配置非電漿前驅物(s)進入反應室130的進料。在某些具體實施例中，從反應室130的一側或數側(在收縮噴嘴配置605的下游)配置非電漿前驅物(s)的進料同時電漿物種到反應室的流動方向起於反應室的頂部。
圖7根據某些進一步的具體實施例示意圖示一裝置。在這些具體實施例中，該裝置包含縮擴噴嘴配置705，而不是收縮噴嘴配置605。在如圖7所示的具體實施例中，電漿反應物(或成形電漿物種)進入噴嘴部112”(如箭頭701所示)。在其他情形下，噴嘴部112”可類似噴嘴部112’，而不是僅僅由部件112’提供的收縮通道，噴嘴部112”提供收縮通道，接著是擴張(容積擴大)通道。在某些具體實施例中，該等收縮及擴張通道部件包含在其間的介面，其提供階梯狀加寬的流動通道(流動路徑)。該階梯狀加寬是要防止電漿透過碰撞流動通道側壁(s)而復合(recombination)。例如，噴嘴部112”可包含形成收縮流動通道的上下顛倒截錐，接著是在其中形成擴張(擴大)流動通道的另一截錐221’。氣體速度在由噴嘴部112”提供的收縮通道內加速。在收縮及擴張通道的介面處，如箭頭702所示，電漿物種朝向沉積靶材160(位在反應室130內)以增加的速度釋放。經由另一路線(亦即，不穿過縮擴噴嘴配置705的路線)配置非電漿前驅物(s)進入反應室130的進料。在某些具體實施例中，從反應室130的一側或數側(在縮擴噴嘴配置705的下游)配置非電漿前驅物(s)的進料同時電漿物種到反應室的流動方向起於反應室的頂部。用縮擴噴嘴配置705，超音波氣體噴射甚至有可能。
出現於圖6及圖7之具體實施例的展示收縮噴嘴特徵及縮擴噴嘴特徵可應用於所有其他展示具體實施例。同樣，其他具體實施例的特徵可應用於圖示於圖6及圖7的具體實施例。
在不限定專利請求項的範疇及解釋下，以下列出揭示於本文的示範具體實施例中之一或多個的某些技術效果。一技術效果是提供至該沉積靶材的改良反應物種輸送。另一技術效果是在金屬部件與反應性電漿物種之間形成抗化學腐蝕阻障層。
以上提供用本發明的非限定性特定實作及實施例來舉例說明的描述以完整詳實地描述本發明人目前認為適於實施本發明的最佳模式。不過，顯然熟諳此藝者明白，本發明不受限於以上具體實施例的細節，反而可用等效構件具體實作於其他具體實施例而不偏離本發明的特性。
此外，可應用以上所揭示的本發明具體實施例中之有些特徵而不使用對應的其他特徵。同樣地，以上說明應被視為只是用來圖解說明本發明的原理而非限制本發明。因此，本發明的範疇只受限於隨附專利請求項。
100:基板加工裝置 110:入口部 111:外部或管 112:內管 112',112”:噴嘴部 112':上下顛倒截錐 113:固定構件 114:開口 115:電漿進料線 118:壓力感測器 121:部件 125:電漿源管 130:反應室 140:真空室 145:排氣線 150:真空泵 160:沉積靶材 190:升降機 200:裝置 201,202:分件 205:裝載埠 206:裝載器 221:可變形進料部 221':另一截錐 235:保護性惰性氣體流 260:基板 601,602:箭頭 605:收縮噴嘴配置 701,702:箭頭 705:縮擴噴嘴配置
此時只用附圖舉例說明本發明，其中： 圖1根據某些具體實施例圖示一裝置； 圖2根據進一步的具體實施例圖示一裝置； 圖3圖示處於裝載位置的圖2裝置； 圖4根據某些具體實施例圖示一入口部；以及 圖5根據某些具體實施例圖示裝置中之氣體速度的模擬結果； 圖6根據某些示範具體實施例示意圖示具有收縮噴嘴配置的裝置；以及 圖7根據某些示範具體實施例示意圖示具有縮擴噴嘴配置的裝置。
110:入口部
111:外部或管
112:內管
113:固定構件
115:電漿進料線
125:電漿源管
130:反應室
140:真空室
145:排氣線
150:真空泵
160:沉積靶材

Claims (15)

  1. 一種基板加工裝置，其包含： 一反應室； 引進用於一沉積靶材之電漿物種至該反應室中的一電漿進料線，其中， 該電漿進料線包含經組配為可加速氣體速度的一入口部。
  2. 如請求項1之裝置，其中，該入口部包含內徑小於該進料線的一管狀部。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中，該入口部包含具化學惰性的一管狀部。
  4. 如請求項1至3中任一項之裝置，其中，該入口部包含電性絕緣的一管狀部。
  5. 如請求項1至4中任一項之裝置，其中，該入口部包含收容一內管的一外部或管。
  6. 如請求項1至5中任一項之裝置，其包含： 包圍該反應室的一真空室。
  7. 如請求項1至6中任一項之裝置，其包含： 能加速氣體速度的一收縮噴嘴或一縮擴噴嘴。
  8. 如請求項1至7中任一項之裝置，其經組配為在位於該反應室中的一基板表面上可進行數個順序的自我飽和表面反應。
  9. 一種方法，其包含： 經由一電漿進料線引進用於在一基板加工裝置中之一沉積靶材的電漿物種至一反應室中；以及 用一入口部加速在該電漿進料線內的氣體速度。
  10. 如請求項9之方法，其中，該入口部包含內徑小於該進料線的一管狀部。
  11. 如請求項9或10之方法，其中，該入口部包含具化學惰性的一管狀部。
  12. 如請求項9至11中任一項之方法，其中，該入口部包含電性絕緣的一管狀部。
  13. 如請求項9至12中任一項之方法，其中，該入口部包含收容一內管的一外部或管。
  14. 如請求項9至13中任一項之方法，其包含： 用一真空室包圍該反應室。
  15. 如請求項9至14中任一項之方法，其包含： 在位於該反應室中的一基板表面上進行數個順序的自我飽和表面反應。
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