TWI261313B - A method for a large dimension plasma enhanced atomic layer deposition cavity and an apparatus thereof - Google Patents

Description

l26l3l3 九 發明說明 【發明所屬之技術領域】 ^發明係為—種運作方法及其裝置，尤指—種大 "漿辅助原子層沉積腔體之運作方法及其裝置。 、 【先前技術】 目可在薄膜電晶體的閘極氧化層以 =學氣相沉積⑴asmaEnhanGe㈣歧熱處理化^ ^相、f積（Τ—⑽）的方式來進行，㈣未來的平面 步不為越來越大、製程溫度越來越低且其電晶體元件會越 ^ ^ ^ Si〇2閘極氧化層越來越薄，所承受的驅動電壓會 故來越南其導致高穿隧漏電流和元件可靠度的問題未來勢 p須要面對，以電漿辅助奈米薄膜沉積（nasma enhance tmoic L=er Deposition ; PEALD)的方式製作高介電材 λ斗原子層薄膜，以朝向奈米級的厚度均勻的覆篕在大面積 勺基板上、低的製程溫度、低污染物及完全精準原子級戶 a才工制’儿積南介電材料奈米薄膜。在有機發 ― ⑴rganic Lighi： Emissi〇n Diode ; 0LED)方面未來伴^古 欢率化材料的開發、低電壓化元件結構，主要是以電 面為考量重點，其緩衝層都是數原子層厚度的材料，=二 用原子層沉積的方式來進行薄膜沉積。 而 電漿輔助原子層沉積是利用一個連續的雙化學 應’，化學前驅物（precursor)❸沉積會自我:: I self-limiting)，緊接著藉由利用從電漿產生的離子和/ 5 1261313 或原刊來進订配位子（llgand)的摘除或表面活化 < ria^r雨tlGn)的步驟。在第—個半反應，氣相 匕子則驅物（卯⑽1*·)和表面機能群(surface fu㈣卿丨group)仙，並且反應姻進行，直到所有 應並且被取代此時反應不再進行，這就 疋原子層沉積自我限制（self_llmiting)的特性。接著下 -個步驟包含來自錢的反麟子和 職易揮^子移除表面的配位子（ugand)，而訂= 當原子團的自由基可使表面反應活化，離 子的效應可使沉積的薄膜緻密化和結晶化。因此電㈣助 原子層沉積-般可在低溫環境下比熱處理的原子層沉積 (atomic layer deposition · at m 制/ 率和增力賴成物的：’ALD)製程能夠增加反應速 因為第-半反應是自我限制，假如離子或原子團並沒 有發生沉積反應物的細丨，期望每—個週期是—層原子層 的沉積。對於微電子製程，電浆輔助原子層沉積可被廣二 的使用在沉積高介電常數的閘極氧化層材料（high—kgate metal)、當擴散阻障層（diffusion barrier)、種子 (seed)、相互連結用的吸附層（adhesi〇n iayers)的氮 化金屬（metal nitrides)。 原子層沉積的原理就是將欲沉積薄膜的基板表面曝 露在交互替換的多種前驅物氣體（precurs〇rs)和淨化氣 體（purge gas)内’薄膜的沉積速率主要受到前驅物氣體 1261313 乂互替換週期數的影響，在單位時間内交互替換速度越 =’、溥膜沉積速率越快。為了能夠有效的增進在大面積電 甫助原子層/儿和$又備其多種前驅物氣體的切換速度，、在 大面積腔體内加設多種前驅物和淨化氣體的氣體分佈管路 - 、（gas distributing plping)，且每支氣體分佈管路的快 、 ^閥門（high speed ValVe)都安裝在靠近腔體處，以利 笔水輔助原子層〉儿積没備能夠快速進行前驅物氣體的切 換加快薄膜沉積速率。並且由於電漿需在一定的壓力下 > 才能有效的將RF功率吸收，讓氣體轉為電漿的型式，為了 成夠有效的控制大面積電漿源輔助原子層沉積腔體内的壓 力，減少通入别驅物氣體量，並又能夠在短時間内將抽氣 官路的氣導快速的增加使未完成反應的氣體能迅速抽離， 所以傳統用來進行壓力控制的節流閥並無法滿足如此短時 間的快速增加或減少抽氣管路的氣導，因此需對此一功能 進行結構設計才能滿足需求。 在習知加快薄膜沉積速率的技術中，以Angstron Systems公司所提出之美國專利前案第6, 428, 859號「由 調整離子引發原子層沉積以沉積薄膜之連續方法 (Sequential method for deposting a film by modulated ion-induced atomic layer deposition (Mil-ALD)」，係 ’ 利用一喷氣頭（showerhead)的隔板將電漿腔體和製程腔體 隔開，需電漿解離的前驅物氣體通入電漿腔體内，經電漿 解離後再經由喷氣頭由真空幫浦抽氣，擴散到製程腔體的 基板表面上。不需電漿解離的前驅物氣體則直接通入製程 7 1261313 腔體内和基板表面產生反應。由於前驅物氣體需佈滿電聚 腔體和製程腔體内和基板表面產生反應。去 〜 田丞板面積越 大，腔體體積也越來越大，前驅物氣體佈滿腔體所需的時 間也會變長。又，以APPlledMaterial公司所提二華 民國專利前«圆76號「㈣原子層沉積之氣 設 備」，為了使W驅物氣體能夠在很短的時間内报你 個製程腔體，因此製程腔體的空間报小。 、勺佈滿正 口再，以ASM公司所提出之中華民國專利前案第 號「原子層沉積反應器」，貝彳 解、™方式，而電激=;=== 耦合電漿源和電感式耦合電漿源，卷一 ’、有电奋式 板是否浸潤在電漿内而分遠端電漿_近ΓίΐΓί基 論何種腔體設計都只有一個進氣口，從製程腔體：二j =外-端’當體積變大時都會使氣體佈滿腔體= 拉長，降低氣體的切換速率。 工體的牯間 在習知壓力控制的節流閥技術中，者 時’腔體内的壓力可以由電容式;曰：产力控制 =器’將依照設定的*力值與從電計，力 整”閥的位置，讓腔體壓力達= 二樣。即k閥目錢常用的有兩種動作方式 ：： 閘閥（邮e valve卜樣的動作，閥門是# ^像 動來控制管路的氣導，此種節流閥可用在大口押白^面運 路’且其密閉性佳’當整個閱門完全關閉時，：同；管 另

广此-設計最大 設氣鎮的管路和 w衣置間早’只f在抽氣管路加 低，使化學前驅相，就可達到抽氣管路氣導的降 抽氣管路的氣導，^積效率增加，又能於短時間内恢復 需額外消耗惰性氣體缺點’―是每次進行沉積製程 的控制’對電t的使用11乳’二是腔體内的壓力無法有效 功率就無法有效輪人，^說，壓力如果無法有效控制，RF 電漿就不能順利點燃。三在電漿的 1261313 樣不會有漏氣的情況，利用伺服馬達或是步進馬達 (servomotor or step motor)控制閥門的位置。 種郎流閥的結構有如蝴蝶翅膀的擺動來調整閥 門的位置，所以又稱為蝴蝶閥（Butterfly valve)，其結構 是由一個旋轉式閥門及用來調整閥門位置的伺服馬達或是 步進馬達所組成，藉由輸入適當的電壓訊號，伺服馬達自 動調整閥門的位置來改變節流閥的傳導度 (conductance) ’控制系統整體的有效抽氣速率，以達到壓 ^ it = ί 目的。另外，SundeW technol〇gies 公司為 於抽^二刚驅物的消耗量’在通入化學前驅物的同時， 量，月?^氮氣或惰性氣體，減低抽氣管路的抽氣 學前驅物力學前驅物的壓力报快的增加，而使化 ⑽1咖gas)〇i=，通入抽氣管路的氣體稱之為氣鎮 氣體如氮氣奸腔體⑽行淨㈣，通人淨化用的 此時抽氣管路^ ’此時抽氣管路的氣鎮予以關閉， 抽走，達到淨化的目^力σ，腔體内的氣體則能夠快速的被 1261313 中有通入氣氣，有可能會在薄膜 二而影響到原子層薄膜的特性，因此，此—方式 非吊適合用在電漿輔助原子層沉積的設備上。 疋 【發明内容】 本發明之目的在於能夠有效的控制大面 助原子層沉積腔體内的壓力，、水源輔 氣管路的氣導快速辦加1〜、’月匕土 S守曰内又可以將抽 — 日喊體抽離腔體，在抽氣管政― :⑽1式閥門’並可移動旋轉式閥門軸承的位置二?力: 刖驅物氣體沉積時抽氣管路氣導的控制。 J母一人 輔助成上述之目的，本發明係提供一種大面产♦將 f助原子層沉積腔體之運作方 ：大面，漿 積腔體内；輸出=====電賴助原子層沉 生-閥位訊號及-旋轉頻率：疋：：流閥控制器以產 填充一第一氣，於、羊^唬，關閉该旋轉式節流閥且 輸入一氣動闕頻==積電浆辅助原子層沉積腔體内； 裝辅助原子層沉積腔 ，制器以產生一閥位訊 層沉積腔體内，輸入4=方玄。亥大面積電漿輔助原子 進入該大面積電:ς助:::頻率訊號使-淨化氣體得： 號至一旋轉式節流閥控制心=腔=内；輪出1力訊 率訊號，藉由#m 生閥仇訊號及一旋轉相 亥闕位喊及«轉頻 10 1261313 節流閥將該大面積電漿輔助原子層沉積腔體内之該淨化氣 體排出。 本發明亦提供一種大面積電漿輔助原子層沉積腔體 之裝置，用以達成上述之方法。 【實施方式】 為了使貴審查委員能更進一步瞭解本發明為達成 既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本 丨發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點， 當可由此得一深入且具體之暸解，然而所附圖式僅提供參 考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。 請參考第一圖係為本發明之大面積電漿輔助原子層 沉積腔體之裝置示意圖，係包括一大面積電漿:輔助原子層 沉積腔體10，定義出一反應空間，一第一氣體供應源12， 係相通與該大面積電漿輔助原子層沉積腔體10之一侧，用 以提供該第一氣體12, 一第二氣體供應源14,係相通與該 ( 大面積電漿輔助原子層沉積腔體10之一侧，用以提供該第 二氣體14，一淨化氣體供應源16，係相通與該大面積電漿 _· 輔助原子層沉積腔體10之一侧，用以提供該淨化氣體16， 一感測器18，設置於該大面積電漿輔助原子層沉積腔體10 之一侧且與該反應空間相通，用以偵測該反應空間内室之 壓力。 一旋轉式節流閥20，設置於該大面積電漿輔助原子層 沉積腔體10之一侧且與該反應空間相通，其中該旋轉式節 11 1261313 流閥20係用以排出該反應空間内之該第一氣體1〇、該第 —氣體12及該淨化氣體14，一旋轉式節流閥控制器22， 接收由該感測器18所輪出之一壓力訊號⑽，而產生一閥 位汛唬34及一旋轉頻率汛號36控制該旋轉式節流閥2〇， 其中該壓力訊號38係由一感測器18所發出 動闕頻率訊號32、關㈣魏及該旋轉頻率訊號^係 由一訊號產生器訊號30所產生者。

請參考第二圖係為本發明之大面積電襞輔助原子層 ，積腔體之運作方法流程圖，係包括輸人_氣動閥頻率訊 就使-淨化氣體得以進人該大面積電㈣助原子層沉積腔 體内(S100)，輸出-壓力訊號至一旋轉式節流閥控制器 士生-閥位訊號及-旋轉頻率訊號（S1〇2)，關閉該 即流閥且填充-第-氣體於該大面積電漿辅助原子二 =體内（S1G4) ’輸人-氣動閥頻率訊號使—淨化氣▲得二 :入戎大面積電浆輔助原子層沉積腔體内⑻⑽） 壓力訊號至-旋轉式節流閥控制器以產生—閥 二 號则，關閉該旋轉式節流閥且填二 氣動閥頻率訊號使—淨化氣 輪入 助原子層沉積腔體内（SU2/、仏山 以大面積電漿輔 μ ⑸2)，輸出—壓力訊號至-旋鲑斗 =將；及該旋轉頻率訊號開啟二旋;4 二崎面積議助原子層沉積腔體 二 12 1261313 請參考第三圖係為本發明之快速充氣體之大面積電 漿輔助原子層沉積腔體第一實施例示意圖，係包括一上電 極板40及一下電極板42，其中該下電極板42係連結於 地，至少一氣體管道44，係設置於該上電極板42上，至 少一快速氣體閥46，係設置於該些氣體管道44上，至少 一絕緣物48，係設置於該些氣體管道44下、該上電極板 40上及該下電極板42周圍，當作隔離作用，其中該些絕 緣物可為陶瓷、石英或其他可作為絕緣之材料，其分佈於 該下電極板42周圍或兩侧之該絕緣物48設置有抽氣的孔 洞，請參考第四圖係為本發明之快速充氣體之大面積電漿 輔助原子層沉積腔體第二實施例示意圖及第五圖係為本發 明之快速充氣體之大面積電漿輔助原子層沉積腔體第三實 施例示意圖，一射頻電源供應器482，係連接於該上電極 板40之一邊。 為了能夠有效的增進在大面積的電漿輔助原子層沉 積設備其多種前驅物氣體的切換速度，在大面積電衆輔助 原子層沉積内加設多種前驅物和淨化氣體的氣體分佈管 路。每支氣體分佈管路的快速閥門都安裝在靠近腔體處， 以利電漿輔助原子層沉積設備能夠快速進行前驅物氣體的 切換，加快薄膜沉積速率。 在製程腔體上電極板加設氣體分佈管路，在進入腔體 前的每支氣體分佈管路都加裝一隻可快速開關動作的氣 閥，讓氣體先佈滿整隻的氣體輸送管路，以減少氣體輸送 分佈的時間，當送氣時同一隻氣體分佈管路上的快速氣閥 13 1261313 同時動作將前驅物氣體送入製程腔體内。 請參考第六圖係為本發明之節流閥第一實施例示意 圖，本實施例係利用磁力帶軸承座作線性運動，旋轉閥門 是由三個葉片所組成，一個葉片50為控制管路戴面導通的 情況，改變抽氣管路的氣導，另外兩個葉片52、54為封住 旋轉閥門56運動的空間，以減少漏氣。若要增加抽氣管路 ’ 的氣導則旋轉180°到另一邊沒有閥門葉片的面，此時抽 氣管路的氣導為最大，旋轉頻率可和化學前驅物送氣時相 > 配合，以達到減少化學前驅物的消耗，並可快速的改變抽 ' 氣管路氣導的功能。轉動機械引入（feedthrough)其軸封 58可用Ο-ring或人字型墊圈來達成，或是以磁力連結的 方式。控制旋轉閥門56其軸承座的位置，以達到旋轉閥門 56處於關閉時，改變抽氣管路導通的截面積。 線性移動機械引入（feedthrough)可用步進馬達60驅 動皮帶、鏈條、齒執牽引用磁力帶動軸承座62位置，或是 如第七圖以步進馬達60驅動螺桿64移動旋轉閥門軸承座 位置，以波紋管66來封真空。配合化學前驅物的氣閥動作 _ 和淨化氣體的氣閥動作的頻率。配合化學前驅物的氣閥動 作和淨化氣體的氣閥動作的頻率。 請參考第八圖係為本發明之另一種節流閥變形實施 例示意圖，本實施例係利用有孔洞70的旋轉盤72作旋轉 運動，旋轉盤72的孔洞70為控制管路截面導通的情況， 當旋轉盤72的孔洞70在抽氣管路位置時為全導通狀態， 當孔洞70轉到其他位置時，此時抽氣管路為閉合狀態，藉 14 1261313 由旋轉盤72的轉動逮率快 率’而了盤72可藉由词服馬達⑽來進行 洞70位置’此種方式可安裝㈣在大 科上 贈⑻咖下，不佔空間，並更適用於二:層 二:Γ:Γΐ.Γ的方式只能控制抽氣管路全開和： 的壓力控制則是改需由氣體輸送管路内有多少： 腔體内進行控制，如果氣體輸送管路的體 f調整如第九圖所示，當腔體的壓力从，訊號 ㈣將管路内的壓力予以管路_ 調壓間位訊號39 =厂堅力過高時，該 低。第十_為不=====壓閥予以降 =上十一圖β和第十一圖C分別為安裝在轉盤 由 =旋轉盤72可以為一個以上的孔洞7〇，作 =杨上被挖一個洞，整個轉盤的轉動慣量會不平衡「 孔洞7。位置的轉盤最外緣增加質量以達到轉 :匕平衡的目標’則不需在孔㈣位置的轉盤最外緣； 程月^ 了達成氣體能夠於最短的時間内快速充滿整個製 “Απ，製程腔體的内容量會降至最小’由於基板的 貝為固义無法縮小，可減少的部份為腔體内容量的高 15

1261313 度，因此腔體内的頂部會扁平貼近基板，如此狹小的空間 將不利機械手臂傳送基板。爲了克服此一問題，傳送的方 式將須有所5周签’將改用氣浮的方式來傳送如第十二圖所 示，在基板承載腔體84和製程腔體10的下電極板42上有 複數個小氣孔80，每個小氣孔80都可冒出氮氣或惰性氣 體82。當基板放置在平台上，平台上每個小氣孔冒出的氮 氣82，就可將基板86給微微撐起，有如在氣墊上，如此 基板86就可任意移動，然後利用機械手臂或活塞推動基板 的侧邊到定位。 本發明確能藉上述所揭露之技術，提供一種迥然不同 於習知者的設計，堪能提高整體之使用價值，又其申請前 未見於刊物或公開使用，誠已符合發明專利之要件，爰依 法提出發明專利申請。 & 惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之實施例 而匕凡精于此項㈣者當可依據上述之朗作其他種種 之改良，而這纽變仍屬於本發明之發 之專利範圍中。 月竹汉从卜界疋 【圖式簡單說明】 第-圖„之大面積電浆辅助原 置不意圖； Ί 弟一圖係為本發明之大面 作方法流程圖； 第三圖係為本發明之快速充氣體之大 體之裴 積電漿辅助原子層沉積 腔體之運 面積電漿輔助原子層 16 1261313 沉積腔體示意圖， 第四圖係為本發明之快速充氣體之大面積電漿辅助原子層 沉積腔體第二貫施例不意圖， 第五圖係為本發明之快速充氣體之大面積電漿輔助原子層 沉積腔體第三實施例示意圖； 第六圖係為本發明之節流閥第一實施例示意圖； 第七圖係為本發明之節流閥第二實施例示意圖； 第八圖係為本發明之節流閥第三實施例示意圖； ► 第九圖係為本發明之節流閥第三實施例各式旋轉盤式意 圖； 第十圖係為本發明之節流閥第三實施例各種訊號控制圖； 第十一 A圖係為本發明之節流閥第三實施例單一孔洞旋轉 盤圖不意圖， 第十一 B圖係為本發明之節流閥第三實施例兩個孔洞旋轉 盤圖示意圖； 第十一 C圖係為本發明之節流閥第三實施例單一非圓形孔 > 洞旋轉盤圖示意圖；及 第十二圖係為本發明之氣浮傳送基板實施例示意圖。 ' 【主要元件符號說明】 大面積電漿輔助原子層沉積腔體10 第一氣體 12 第二氣體供應源 14 17 1261313

淨化氣體 16 感測器 18 旋轉式節流閥 20 旋轉式節流閥控制器 22 訊號產生器訊號 30 氣動閥頻率訊號 32 閥位訊號 34 旋轉頻率訊號 36 壓力訊號 38 調壓閥位訊號 39 上電極板 40 下電極板 42 氣體管道 44 快速氣體閥 46 絕緣物 48 射頻電源供應器 482 葉片 50 、 52 、 54 旋轉閥門 56 軸封 58 步進馬達 60 轴承座 62 螺桿 64 18 1261313 波紋管 66 孔洞 70 旋轉盤 72 微小氣孔 80 氮氣或惰性氣體 82 基板承載腔體 84 基板 86 19

Claims (1)

1261313 十、申請專利範圍： L=種大面積電漿輔助原子層沉積腔體之運作方法，係包括： 號使一淨化氣體得以進入該大面積電漿輔 輪ΐ—ί i訊號至—旋轉式節流閥控制器以產生—閥位訊號 及一紅轉頻率訊號； 關】ΐΐ轉式節娜且填充—第—氣齡敎面積電_助 原子層沉積腔體内； 輪訊號使一淨化氣體得以進入該大面積電漿 補助原子層沉積腔體内； 輪一旋轉式節流閥控制器以產生， 及力疋轉頻率訊號；及 關閥且填充-第二氣體於該大面料漿輔助 原子層沉積腔體内。 範r二:員:述之大面積電_ 产訊號及該旋轉頻率訊號開啟—旋轉式節 i將献面積輔助原子層沉積腔體内之該淨化氣體排 r所述之大面麵輔助原子層沉積腔體 ;其中該關閉該旋轉式節流閥且填充-第二氣體， 輸二員率訊號使一淨化氣體得以進入該大面積· &稀助原子層沉積腔體内；及 輸至一旋轉式節流閥控制器以產生—閥位訊號 率訊號，藉由該閥位訊號及該旋轉頻率訊號開 敬—％轉式節流閥將該大面積電漿輔助原子層沉積腔體 20 1261313 内之該淨化氣體排出。 •如申清專利範圍第1項 之運作方法，盆㈣/lift面積電漿輔助原子層沉積腔體 之U 乳動閥頻率訊號係由—訊號產生器所發出 生器所發出之訊^ 錢轉解域伽—訊號產 之運作t 滎輔助原子層沉積腔體 7.1,辅助軒層^腔體===訊號。 —大面積電漿輔助原子層沉積腔體， 係已括. -第-氣體供應源，係相通▲ ； J空體之-側’用以提供該第：3 助原子層沉積 弟一氣體供應源，係相通與該大面并堂將紐 —腔二二電聚輔助原子層沉積 淨化氣體供應源，係相通與該大面 —腔體之-側，用以提供該淨；f辅助原子層沉積 —感測器，設置於該大面積電 “♦ί專=空=;用以她反^ 之裝置，項所述之大面積電漿辅助原子層沉積腔體 —，轉式節流閥，設置於該大面積電__子 之一側且與該反應空間相通； ㈢/儿積月工體 ^轉式節流閥控制器，接收由該感測器 ΐ閥而產生一閥位訊號及—旋轉頻率訊號4;旋匕; —旋轉盤節流閥，設置於該大面積電漿輔助原子層沉積腔體