TW546400B - Apparatus for growing thin films - Google Patents

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Pekka T Soininen
Vaino Kilpi
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Asm Microchemistry Oy
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Description

546400 Α7 Β7 五、發明說明（1 ) 本發明與申請專利範圍第1項之前言中所述的裝置有 關，使基底交替重複接受氣相作用物的表面反應，用以在 基底的表面產生薄膜。 此種裝置包括至少一個具有緊密密封結構的處理室， 至少一個可容納在該處理室內部的反應室，反應室包括至 少部分可移動的反應空間，進氣裝置連接到反應空間，以 將作用物饋入反應空間，以及，排氣裝置也連接到反應空 間，用以排放反應空間中過量的作用物以及氣體反應生成 物。且該反應空間內至少適合容納一片基底。 習用上，薄膜是使用真空蒸鍍沈積，分子束磊晶（MBE) 及其它類似的真空沈積法，各種型式的化學氣相沈積（CVD) 法（包括低壓及有機金屬CVD及電漿增強CVD)或交替重複 表面反應沈積法，稱爲原子層磊晶法，或簡寫成ALE或 ALC VD。除了其它處理變數之外，MBE及CVD法的薄膜成 長速率也是由流入之開始物質的濃度決定。這些方法爲獲 得厚度均勻的沈積層，基底表面不同區域上開始物質的濃 度及反應速率必須很小心地保持固定。如果允許不同的開 始物質在到達基底表面前就先行混合，例如CVD法的情況 ，貝α它們相互間有可能發生反應。於是，即可能發生氣體 作用物在進氣通道中生成微顆粒的危險。這些微顆粒通常 會ί吏沈積之薄膜的品質劣化。因此，在ΜΒΕ及CVD反應器 中’對開始物質的加熱不能早於基底表面，以避免過早反 應的機會。除了加熱，所想要的反應例如可以使用電漿放 電或其它能加速反應的類似裝置起始。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 r I ϋ· ·ϋ I i^i 1HB1 n ^i·· I— 1 tmt l i^i in ^^1 i^i I— 11 i^i _H_^i >ϋ 11 1 Ύ-0 矣. -4- 546400 A7 B7 五、發明說明（2 ) 在MBE及CVD法中，薄膜的成長主要是由控制衝擊到 基底上之開始物質的進氣速率來調整。反之，ALE法的成 長速率是由基底表面的性質來控制，而非開始物質的濃度 或流動等變數。在ALE法中唯一的必備條件是在基底表面 上成形薄膜之可用開始物質的濃度必須足夠。ALE法例如 在FI專利公告52,359及57,975及美國專利公告4,058,430及 4,3 89,973中都有描述。此外，適合實施此方法的設備構造 揭示於美國專利公告5,855,680及FI 100,409。成長薄膜的 設備也描述於以下的出版品：Material Science Report 4(7 )(1989), p.261，以及 Tyhjιόteknnkka(芬蘭的真空技術出 版品），ISBN 951-794-422-2, pp.253-261。 FI專利公告57，975所描述的ALE成長法，作用物原子 或分子被安排掠過基底，因此衝擊到它們的表面，直到在 其上形成完全飽合的分子層。接下來，借助鈍氣脈衝從基 底上方通過，將超量的作用物及氣體反應生成物從基底表 面法除，或者，在下一次不同作用物的氣體脈衝進入之前 ，先將反應空間抽真空。連續不同的氣體作用物脈衝，以 及用於隔離之鈍氣脈衝或抽真空周期所構成的擴散障，致 可甴所有這些部分的各別表面-化學反應來控制薄膜成長。 如有需要，可使用鈍氣氣流增強真空抽氣周期的效果。就 處理的功能而言，無論是氣體作用物或基底保持移動並不 相關；只需要保持連續反應的不同作用物相互間隔開，且 使它們連續地掠過基底即可。 大多數的真空蒸鍍機是以所謂的"單次-發射"（single- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
I ·-> B^i Mmm§ ·ϋ tat ϋ ^^1 -1 I ϋ mat n -ϋ ^^1 ^^1 MaMm imam etmm I ^^1 1_1 -ϋ ^^1 1^1 ϋ 11 n I -5- 546400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3) shot)原理操作。藉此，被蒸發的原子或分子僅衝擊基底一 次。如果與基底表面沒有發生反應，原子/分子被反彈或再 被蒸發，以致於擊中設備的壁，或凝結在真空幫浦內。在 熱-壁的反應器中，與處理室的壁或基底撞擊過的原子或分 子可以再被蒸發，因此重複地衝擊到基底上。當應用到 ALE處理室，此π多次-發射"（mulit-shot)原理可提供若干優 點，包括增進材料消耗的效率。 ALE是以”多次-發射”的原理操作，一般的設計是使用 匣單元，複數片基底置於其內，同時置入處理室中，或者 ，基底可以不固定地放置在由壓力容器構成的處理空間內 ，處理空間同時也做爲反應室，在其中，氣相作用物與基 底表面反應以在基底上成長薄膜。如果是使用匣單元固定 數片基底的設計，匣單元的內部即形成反應室。使用匣單 元可縮短成長每片基底的時間，藉以提高產量。此外，匣 單元可以移入或移出處理室，可以拆卸淸理，不會中斷生 產，因爲一個匣單元在處理室中處理，其它的匣單元即可 在外淸理。 在習用的ALE薄膜法中以批次處理爲佳，因爲ALE法 的生產速度較其它薄膜成長技術慢。此外，批次處理可縮 短每片基底之薄膜結構的總成長時間，以便更具有競爭力 。基於相同的理由，基底的尺寸也是愈大愈佳。 在沈積薄膜時，目標是保持處理室在受控制的處理條 件下（例如溫度、壓力及其它處理參數）持續地運轉，如此 四周環境空氣中的顆粒物質及其它化學雜質無法到達基底 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -6 - (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)
546400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4 ) 。此外，此種配置可避免加熱/冷卻循環，此有害於處理室 的可靠度，且耗費時間。一般言之，使用分離的裝載室可 持續保持反應器所連接的真空。基底的裝載與卸載可在處 理室及裝載室都真空的情況下完成，之後，將兩室間的閥 打開，以適合進入裝載室的機械手臂將處理過的基底取出 ’並將新基底裝入處理室。接著，關閉閥’當基底與處理 室進入適當的處理條件時，即可開始處理。接下來，將氣 鎖加壓，因此，經由打開第三個閥將基底從系統中取出到 周圍的空間。要被處理的新基底也以相同的方法經由裝載 室送到處理室。 目前，配備此種裝載室的處理裝置只能處理單片基底 ，它並不適合重型的基底匣單元。視批量及基底的大小而 定，此種匣單元可能重達200公斤，因此，設計用來處理 它們的裝置，必須是堅固的結構。此外，傳送裝置的軸承 及其它類似組件的潤滑也是問題，因爲本文所需要的潤滑 油可能會影響所要成長之薄膜的結構。 傳統ALE沈積處理使用的大型匣單元是在處理裝置的 外部組合，之後，打開處理室，匣單元以整個總成的方式 傳送到處理室內。在處理室中，視匣單元的大小而定，典 型上，將匣單元加熱需要1-4小時，處理2_4小時，冷卻長 達10小時。此外，組合/拆解匣單元也是耗時的工作。當成 長極薄的薄膜時（範圍例如1 - 5 0奈米），處理時間v s.其它操 作所需的工作時間比更爲不利，因爲成長的時間只有1到 數分鐘。在此情況下，在成長薄膜的整個處理循環中，絕 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) -ϋ ϋ ^^1 —Bi i^i >ϋ J 、a ϋ mmemw mmMM _1 -ϋ I ϋ ϋ n SHU tmMm mmaam mmmmmm ^i· ϋ ϋ ^^1 ϋ 11 1_1 Βϋ 11 ϋ I · 口 4 , 546400 Α7 Β7 五、發明說明（5 ) 大部分的時間都耗在加熱/冷卻處理室結構，加壓反應器， 拆解及組合反應室，抽真空及再加熱系統。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明的目的是提供一種配備裝載室的全新型ALE裝 置，並適合使用自動移動的匣單元。 本發明的目標是由配備分離式裝載室的處理室達成， 它可以獨立於處理室加壓，如此，即可在真空或低壓的鈍 氣大氣中將匣單元裝入處理室。這種裝載室在製造矽薄膜 的設備中稱爲平台。裝載室可做爲預熱/冷卻的位置，以縮 短整個處理循環的時間。複數個處理室可以連接到一個裝 載室。爲移動匣單元，反應器配置一傳送機構，可以很準 確且密封地將匣單元放置到處理室中正確的位置，並從其 中移出。 更明確地說，按照本發明的裝置，如申請專利範圍第i 項之特徵部分中的描述。 本發明提供重大優點。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 借助於裝載室，匣單元可以移入處理室並從其取出， 因此，處理室可以一直保持在穩定的處理狀態。因此，不 需要整個處理室進行加熱、加壓及抽真空等，只需對基底 執行，因此，可大幅增進處理室的使用效率。由於使用裝 載室’處理室的內部與周圍空氣的直接連接被隔絕，因此 ’處理室中有害顆粒的數量減少。本發明之實施例中所使 用的傳送機構可以移動較重的匣單元結構，並將它們精確 地定位在處理室內所要的位置。一個裝載室可以連接到複 數個處理室，以適合製造不同種類的薄膜結構，因此，基 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐) " 546400 A7 ____B7五、發明說明（6) 底上可以成長複數層薄膜層，不需要匣單元在四周大氣的 環境中做中間的傳送，因此，污染的危險降低，所需的熱 循環次數也減少。 以下將借助例示的實施例以附圖詳細描述本發明，其 中 ： 圖1是按照本發明之裝置實施例的部分剖視圖； 圖2是按照本發明之裝置另一實施例的配置圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 元件表 1 裝載室 2 處理室 3 匣單元 4 起重叉 5 門 16 噴頭 1 2 吸收盒 6 側向傳送機構 7 致動器機構 8 偏心凸輪 9 球形螺 10 旋轉移動饋通 11 電氣致動器 1 3 封圈 14 轉軸固定 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9 -
-^1 ϋ ϋ ϋ I ϋ I ον I I I I I >1 I I I I I n ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ I ϋ ϋ n I ϋ ϋ ϋ n I 546400 A7 B7 五、發明說明（7 ) 15 門 關於本發明，"作用物"指的是可以與基底表面作用的 氣體或氣化的固態或液態開始物質。ALE法的作用物習慣 上選用自兩不同的族。"金屬作用物”是使用金屬化合物， 它甚至可以是金屬元素。適用的金屬作用物有金屬的鹵素 化物，包括氯化物及溴化物，以及有機金屬化合物，如thd 複合化合物。金屬作用物的例子如Zn、ZnCh、Ca(thd)2、 (CH3)3A1、Cp2Mg。化合物及元素所使用的"非金屬作用物" 可與金屬化合物反應。後者適當的代表有水、硫磺、硫化 氫、及氨水。 在本文中，當使用"保護氣體”一詞時指的是容許進入 反應空間的氣體能防止與作用物及基底相關的反應。這些 反應例如包括作用物與可能含有雜質之基底的反應。保護 氣體也防止例如在進氣管路中不同作用物族之物質間的反 應。在按照本發明的方法中，不同作用物族的作用物經由 不同的進氣岐管進入反應空間，氣相作用物脈衝從一條進 氣通道進入，同時，保護氣體從另一條進氣通道進入，因 此，防止進入的作用物進入另一作用物族的進氣通道。適 用的保護氣體是鈍氣，如氮氣及稀有氣體，例如氬氣。保 護氣體也可以是固有的反應氣體，例如氫氣’用來防止基 底表面上發生不想要的反應（例如氧化作用）。 按照本發明，”反應室”包括基底所在的反應空間，以 及可與基底反應以成長薄膜之氣相作用物所在的反應空間 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
ϋ n n n I ϋ ϋ 一-^J« ϋ ϋ ϋ H ϋ ϋ ϋ I I ϋ n I ϋ ^1 H I ϋ ϋ I ϋ ϋ H ϋ ϋ ϋ I I ϋ ϋ ϋ ϋ I -10- 546400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（8 ) ，以及與反應空間直接連通的氣體進氣/排氣通道’該通道 允許作用物進入反應空間（進氣通道）或將氣體反應物及成長 薄膜超量的作用物移出反應空間（排氣通道）。在這類型反應 空間中的基底，將接受至少2種用來成長薄膜之不同作用 物交替重複的表面反應。氣相作用物可以重複且交替地進 入，每一個作用物從它們自己的源分別被饋入反應室，它 們與基底表面反應，以在基底上形成所要的固態薄膜。沒 有黏附在基底上的作用產物以及任何可能的超量作用物’ 都在氣相時從反應室中移走。 本文中使用的”基底表面"，是指流入反應室的氣相作 用物所要衝擊的基底表面。實際上，在薄膜成長處理的第 一循環期間，該表面就是基底的表面，例如玻璃，或其它 的開始表面；在第二循環期間，該表面是第一循環期間所 生成的層，包括固態的反應物，它是作用物與基底間的反 應所沈積，黏附在基底上。 π處理室"所稱的空間是進行薄膜成長處理所需的空間 ，它以緊密密封的方式與它所在的環境隔離。反應室位於 處理室內，此外，一個處理室可以結合複數個反應室。 現請參閱圖1，圖中所說明的裝置結構包括一裝載室1 ，也做爲裝載閘門，圖中它的壁一部分切開以說明室的內 部，傳送裝置適配在裝載室1及冷-壁的處理室2內，圖中 它的壁一部分切開以說明室的內部。匣單元3包含基底並 做爲反應空間，圖中顯示支撐在固定於門5上的起重叉4上 ，門5使裝載室1與處理室2隔離。在匣單元3上方是噴頭 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -11 - 546400 A7 B7 五、發明說明（9 ) 16 ，包含作用物進氣通道。在處理室2內是永久固定的吸 收盒12，匣單元3及噴頭16置於其上’盒內安裝有排放反 應氣體及超量作用物的排氣裝置。匣單元3、噴頭丨6及吸 收盒12共同組成反應室。 門5也做爲裝載室1與處理室2間的閘閥’適合由致動 器機構7移動。匣單元3的側向傳送機構ό位於匣單元3的 上方，適合在抬升期間利用鉤抓取匣單元3。致動器機構7 及严3 5的頂側側向傳送機構6可以使用一偏心凸輪8致動抬 升移動，以及球形螺（ball serew)9致動水平的移動。這些配 置的優點是旋轉移動饋通1 〇的實施可靠緊密地密封。傳送 裝置6、7、8、9的電氣致動器11可以設計在裝載室1及 處理室2的外部，一則可避免電氣致動器1 1在真空中可能 發生的擊穿（breakthrough)問題，再則，此種配置使得保養 致動器11較容易。 其內置有基底的匣單元3連同位於頂上的噴頭16，經 由15傳送到裝載室1內，之後，關閉門15。典型上， ALE的處理步騾是在大約0.1-30毫巴的壓力下進行，在關 閉門15之後，裝載室1必須將真空抽到低於處理壓力。爲 此目的，裝載室1最好是配備獨立的真空邦浦，專做此用 途。在抽真空之後，分隔裝載室1與處理室2的門5由門致 動器機構7打開。門5的配置是在裝載室的內部移動，移動 方向基本上垂直於它的密封面。側向傳送機構6藉由一鉤 鎖住匣單元3的頂端，並將匣單元3連同噴頭1 6傳送到可 垂直移動的抬升裝置，如固定在門5面對處理室2側上的起 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
-1------訂---------線 T I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 546400 A7 B7 五、發明說明（10) 重叉4。接著，側向傳送機構6的鉤從匣單元3釋放，因此 ，可以控制門5關閉。放置在起重叉4上的匣單元3與噴頭 1 6可在距離門5關閉位置大約1 0 - 2 0毫米處先降到吸收盒1 2 上，因此，固定在門5上的起重叉4在下降移動到最低點前 即可將匣單元3釋放在吸收盒1 2上。此種配置可減輕門5 在關閉瞬間的額外負載，因此，它可以很容易與它的座面 匹配，並將有效密封所需的均勻線性壓力加諸於封圈1 3。 門以轉軸固定14使得安座步驟變得容易。 在處理步驟完成之後，起重叉4將匣單元3與上方的噴 頭1 6從吸收盒1 2上抬起。接下來，打開門5，將起重叉4 上的匣單元3移到裝載室1內。藉助於它上方的鉤，側向傳 送機構6將匣單元3抓起，並將匣單元3及它上的方噴頭1 6 從起重叉4上移到裝載室1的門15前。在門5關閉之後’ 裝載室1可以加壓，並將匣單元3移出裝載室1。將匣單元 3從裝載室1中取出，並將新的匣單元送入裝載室1 ’例如 可以使用配備有起重叉機構的推車執行。 如果吸收盒1 2是以它的邊緣支撐在處理室2上’則口及 收盒12與匣單元3的熱膨脹移動會對吸收盒12施加熱應力 。熱膨脹位移的幅度可能大至數毫米。此種尺寸的改:變胃 使某些步驟變得複雜，例如，在自動卸載/裝塡期間# E 5 元3置入處理室2內時的定位。因此，吸收盒1 2最好是支： 撐在處理室2的壁結構上，如此，支撐點的中心至少基本 上與吸收盒1 2之底的中心點相合，如此，吸收盒1 2從匕的 支撐點向外擴張可有較大的自由度，且匣單元3的定&精 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
-I ^1 ϋ n I I ϋ I I— H ϋ ϋ I ϋ ϋ ϋ ϋ H ϋ ^1 I ϋ ϋ ϋ I ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ I I _ϋ i— H ϋ I 本紙張尺度用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -13- 546400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（11) 度也獲得增進。 在圖2所示的實施例中，裝載室1的側向尺寸製造得比 較寬，因此，經由延伸側向傳送機構6所能到達的距離， 可以爲裝載室1配置更多的匣單元卸載位置。因此，一個 裝載室1可以連接到複數個處理室2。在本文中，處理室2 例如可以適合製造不同類型的薄膜結構’或者，執行某一 薄膜成長處理的不同步驟。使用擴充的裝載室1可以使每 片基底的處理時間更加縮短，並具有其它顯著的優點。 除了上述之外，本發明也可有不同的實施例。 一個單處理室2內可以容納複數個反應室。此外，裝 載室1可補以中間站，在送入處理室2之前先加熱匣單元3 ，及/或在移出裝載室1前先冷卻匣單元3，因此，處理室2 的產出能力可以提升。此外，匣單元3可以很方便地從四 周空氣的大氣中傳送到具有複數個供匣單元3卸載位置的 裝載室1內，並可分別經由一分離的加壓室從其中取出’ 因此，在傳送匣單元3時，不需要對整個大體積的裝載室1 力口壓。 處理室2與裝載室1間的密封例如可以使用閘閥實施以 取代門5。此外，以匣單元3做爲反應空間就不需要一整體 移動的結構◦在匣單元3的內部例如可以配置一放置基底 的匣，它們在其中經由裝載室1進入處理室2，並接著從處 理室2離開。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. 54640XT 公告本 六、申請專利範圍 1. 一種薄膜成長裝置，其中薄膜經由將基底曝露於交 替重複的氣相作用物中以在基底表面成長，該裝置包括： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 至少一個具有緊密密封結構的處理室（2); 至少一個反應室，其結構適合容納到該處理室（2)的內 部，且包括一至少部分可移動的反應空間（3)，進氣裝置 (16)可連接到該反應空間（3)，以將該作用物饋入該反應空 間（3)，以及排氣裝置（12)，也連接到該反應空間（3)，用以 排放該反應空間（3)中超量的作用物及反應氣體，以及 至少一片適合放入該反應空間（3)的基底， 其特徵爲 設置至少一個裝載室（1)與該處理室（2)共同操作，以便 允許該反應空間（3)或其部分可移入該處理室（2)，以及離開 該處理室（2)，且它的操作壓力可與該處理室（2)分別控制。 2. 如申請專利範圍第1項的裝置，其特徵爲門（5)分隔 該處理室（2)與該裝載室（1)，該門適合在該裝載室（1)的內部 移動，移動方向實質上垂直於該門的門板面。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3. 如申請專利範圍第2項的裝置，其特徵爲抬升裝置 (4)如起重叉附接於該門（5)面對處理室（2)的面，並適合在垂 直方向移動，因此，它可支撐該反應空間（3)或其部分從該 裝載室（1)傳送到該處理室（2)。 4. 如申請專利範圍第1項的裝置，其特徵爲該處理室 (2)與該裝載室（1)相互間被一閘閥結構隔開。 5·如申請專利範圍第1項的裝置，其特徵爲該反應室 包括永久固定在該處理室（2)的排氣裝置（12)，以及可移動 本紙張尺度適用中國國家標举（CNS)A4規格（210 X 297公爱) Π5 - 546400 B8 C8 D8 六、中請專利範圍 的進氣裝置（16)與反應空間（3)。 6.如申請專利範圍第丨項的裝置，其特徵爲傳送裝置（6 、7、8、9)的電氣致動器位於該處理室（2)及該裝載室 的外部。 7·如申請專利範圍第丨項的裝置，其特徵爲該反應空 間（3)的冷卻站適合與該裝載室（1)共同操作。 8·如申請專利範圍第丨或第6項的裝置，其特徵爲該反 應空間（3)的預熱站適合與該裝載室（丨）共同操作。 9.如申請專利範圍第丨、6或7項的裝置，其特徵爲該 反應空間（3)之分離的加壓站適合與該裝載室（1)共同操作。 10 ·如申請專利範圍第1項的裝置，其特徵爲配置複數 個處理室（2)與單一個裝載室（1)共同操作，以適合製造不同 類型的薄膜結構。 11 ·如申請專利範圍第1項的裝置，其特徵爲配置複數 個處理室（2)與單一個裝載室（1)共同操作，以適合製造同類 型的薄膜結構。 12.如申請專利範圍第1或5項的裝置，其特徵爲該反 應室與該處理室（2)結構的支撐被調適成至少與該排氣裝置 (1 2)的中心點相合。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I -· n n n n n n n 一ai、I n i^i ϋ ϋ ϋ ϋ I I n n n ϋ n n n I n .^1 n n ϋ n n ϋ- ·ϋ n !1 ϋ n ϋ . -16-
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