TWI461568B - 熱梯度加強化學氣相沈積 - Google Patents

Description

熱梯度加強化學氣相沈積 【相關申請案】

本發明為正式申請案並且請求享有2008年5月28日申請之美國專利臨時申請案61/056619的優先權，該臨時申請案以引用方式併入本文中。

本發明有關於熱梯度加強化學氣相沉積的方法和系統。

奈米管和奈米線為人廣為接受的成長機制是透過催化劑進行氣體擴散。控制氣體擴散速率的其中一項因素是整個基板或催化劑的熱梯度，例如參閱R.T.K.Baker發表之文獻“Catalytic Growth of Carbon Filaments”,Carbon ,v.27,pp.315-329(1989)，以及R.S.Wagner等人之著作Whisker Technology,A.P.Levitt Ed.,p.47(Wiley,New York,1970)。因此，對於奈米管和奈米線的成長，特別是在基板上方的垂直方向上成長而言，控制垂直熱梯度是很重要的。

參閱第1圖，在一熱壁設備10中，加熱器12圍繞著腔室14，並且將該腔室以及位於腔室中的基板16加熱至一成長溫度(growth temperature)。氣體水平地流經該腔室以及基板16上方以促進成長。腔室與基板處於相同溫度，因此在整個晶圓上不可能形成垂直的溫度梯度。

參閱第2圖，在一基板加熱式設備20中，基板22放置在腔室26內的加熱器24上。隨後將基板加熱至成長溫度。可例如經由氣體分配器26從上方引導氣體進入腔室26中，器體會冷卻基板的頂面，並且經由排放裝置30移除氣體。由於晶圓底面接觸加熱器，故晶圓的頂面比晶圓底面要冷，因此會產生負的溫度梯度。此負溫度梯度可能阻礙奈米管與奈米線的成長。在某些情況中，使用電漿來分解基板上方的氣體，然而，負溫度梯度的問題仍舊存在著。

參閱第3圖，在熱絲化學氣相沉積製程中所使用的設備20’類似於基板加熱式設備20，只除了在腔室26中的氣體分配器和基板22之間設置細金屬絲(wire)或燈絲(filament)32。細金屬絲或燈絲是用來在氣體到達基板之前，先將氣體分解。因此，細金屬絲或燈絲經常在超過1000℃以上的溫度下工作。金屬絲通常很細且其面積覆蓋率通常小於50%，以降低在基板上的加熱效應。金屬絲與基板之間的距離也是固定的。

在一實施例中，本發明提供一種氣相沉積設備，該設備包含一用以在基板上化學氣相沉積一膜層的腔室，並且該腔室中包含一下加熱器和一上加熱器，該下加熱器配置用以支撐基板，該上加熱器則設置在該下加熱器上方一段垂直距離處。該上加熱器具有多個貫穿的孔，以允許來自該腔室內一氣體分配器的反應氣體垂直通過而朝向該基板。在某些範例中，該上加熱器的面積覆蓋率(area coverage)大於50%。此外，該上加熱器和下加熱器任一者或兩者配置成可相對於彼此做垂直移動，以利於調整該些加熱器之間的垂直距離。在某些情況中，該上加熱器與該氣體分配器整合在一起。

本發明另一實施例提供一種氣相沉積設備，該設備包含一用以在一基板上化學氣相沉積一膜層的腔室，並且該腔室內具有一下加熱器和一上加熱器，該下加熱器設置用以支撐該基板，以及該上加熱器設置在該下加熱器上方一垂直距離處，該上加熱器設置在一氣體分配器的上方，並且該氣體分配器具有多個貫穿的孔，以允許反應氣體垂直通過而朝向該基板。

在該氣相沉積設備的另一態樣中，提供一用以在一基板上化學氣相沉積一膜層的腔室，並且該腔室內具有一下加熱器和一上加熱器，該下加熱器設置用以支撐該基板，以及該上加熱器設置在該下加熱器上方一垂直距離處，該上加熱器配置成環繞一氣體分配器周圍，且該氣體分配器具有多個貫穿的孔，以允許多種反應氣體垂直通過而朝向該基板。

在任一個或所有上述實施例中，下加熱器可能包含一冷卻元件。此外，該上加熱器和下加熱器任一者或兩者也可配置用來施加一電壓，以產生電漿。

根據本發明一實施例之方法包括在一真空腔室內的一上加熱器與一下加熱器之間建立一熱梯度，在該真空腔室內，將一基板放置該下加熱器的鄰近處，並且引導多種反應氣體垂直進入該腔室中，以在該基板上形成沉積。該上加熱器的溫度可保持高於或低於該下加熱器的溫度，以及使該些反應氣體在遇到基板的頂面之前能垂直流經該上加熱器中的孔，之後，使用真空幫浦將該些反應氣體從腔室中排出。

以下進一步說明本發明實施例以及上述和其他特徵。

本文說明熱梯度加強化學氣相沉積(TGE-CVD)的方法和系統。在不同實施例中，本發明提供一種CVD(或他種沉積製程)腔室，該腔室同時包含一上加熱器和一下加熱器(或加熱元件)。該下加熱器設計用來支撐基板或其他工作工件，並且在操作時，該下加熱器的溫度可能保持在20℃至1000℃之間；以及該上加熱器設置在該下加熱器上方一段距離處(例如，5至75毫米)，並且在操作期間，該上加熱器的溫度可能保持在20℃至1000℃之間。在某些實施例中，上加熱器可能具有多個貫穿該上加熱器的孔，以允許來自腔室內之氣體分配器的反應氣體垂直通過並朝向該基板。例如，該上加熱器可與該氣體分配器整合在一起。

該上加熱器及/或下加熱器之任一者或兩者可配置成能相對於彼此做垂直移動。此有利於調整該些加熱器之間的垂直距離。此外，該上加熱器的面積覆蓋率可能大於50%。

另一實施例涉及一種CVD腔室，該腔室內包含一下加熱器和一上加熱器，該下加熱器配置用以支撐一基板，以及，該上加熱器設置在該下加熱器上方一垂直距離處且位於一氣體分配器上方。此種配置允許反應氣體在垂直方向上暢通無阻地流向該基板。

在又一實施例中，提供一種包含一CVD腔室的設備。在該CVD腔室中具有一下加熱器和一上加熱器，該下加熱器配置用以支撐一基板，以及該上加熱器設置在該下加熱器上方一段垂直距離處，並且該上加熱器配置成環繞在一氣體分配器周圍，該氣體分配器具有多個貫穿的孔，以允許反應氣體垂直通過而流向該基板。在某些實施例中，該下加熱器包含一冷卻元件。此外，該上加熱器和下加熱器任一者或兩者可配置成用來施加一電壓，以產生一電漿。

不論其實際設置，根據本發明所配置的系統能夠在真空腔室內的上加熱器和下加熱器之間建立出一熱梯度，該真空腔室內部放置有一基板，且雖非必然，但通常該基板放置在下加熱器的鄰近處。可引導反應氣體垂直地進入腔室中，以在基板上形成沉積；並且藉著保持該些加熱器其中一者的溫度高於另一者的溫度來維持該溫度梯度。

參閱第4圖，其顯示根據本發明實施例所配置用於熱梯度加強化學氣相沉積的設備34。基板22放置在腔室26中的下加熱器38上。可利用相關領域中習知的真空機械手晶圓傳送器來達成此放置動作。上加熱器36懸掛在基板22上方，並且該上加熱器36具有多個貫穿的孔37，以允許來自氣體分配器28的反應氣體垂直地通過且流向基板22。上加熱器22的面積覆蓋率較佳大於50%，以使該上加熱器在腔室中形成垂直熱梯度的效果達到最大。上加熱器36或下加熱器38其中任一者或兩者可垂直移動，以利於調整該些加熱器之間的垂直距離。

該些加熱器之間的溫度差，以及該些加熱器之間的距離，可用來控制基板22在整個垂直方向上的熱梯度。例如，如果上加熱器的溫度高於下加熱器的溫度，從基板頂部至基板底部會形成正熱梯度。反之，若下加熱器的溫度高於上加熱器的溫度，從基板頂部至基板底部會形成負熱梯度。

可採用各種不同的腔室/加熱器配置方式。例如，在第5A圖顯示的配置中，設備34’包含與氣體分配器40整合在一起的上加熱器36’(其為可移動式或固定式)。氣體分配器40可能配置成一噴頭，並且具有多個氣體出口埠或射出部(injectors)，以朝向基板供應氣體。在此特定實施例中，上加熱器36’設置在噴頭40上方，但在其他實施例中，可以不同的方式來配置這些元件。例如，加熱器元件可設置成環繞在噴頭周圍或是置中地設置在噴頭內。

第5B圖顯示再另一實施例。在此實施例中，設備34”包含下加熱器38，該下加熱器38本身包含一冷卻元件42。下加熱器38與上加熱器42兩者可皆能移動，可能是一起移動或是相對於彼此獨立移動，使得若當上加熱器移動至靠近基板的鄰近處以創造更大熱梯度，從上加熱器36放出過多輻射熱能時，可使基板22保持一固定溫度。此外，在上述任一種結構配置中，可施加電壓至上加熱器及/或下加熱器來產生電漿。

第6A和6B圖是分別在650℃從樣品晶圓上擷取的影像，顯示在根據本發明實施例所配置之設備中進行成長的奈米結構。第6A圖顯示在負的熱梯度環境中進行成長，其中該上加熱器的溫度低於該下加熱器的溫度。第6B圖顯示在正的熱梯度環境中進行成長，其中該上加熱器的溫度高於該下加熱器的溫度應理解到，許多適合執行本文中所述奈米結構成長製程之設備的細節，並未詳盡列出，其目的是為了避免不必要地混淆本發明特徵。當然，這些細節對於一個可操作的系統來說是必要的，但皆為相關領域中所熟悉者。例如，同樣讓予給本發明之受讓人的美國專利5,855,675號提供且詳盡描述了多種可併入根據本發明具有雙加熱器之設備的特徵結構。通常，此類市售設備能組裝成實質上在真空室中運作的叢集工具式處理系統。並可設置晶圓傳送裝置，其可在真空腔室的中心運作，並且能藉著旋轉與延伸動作將基板(通常是半導體晶圓)放入處理腔室中與從處理腔室中取回，該些處理腔室可依照上述般地配置，並且可接附在實質圓形真空傳送腔室周圍。可透過負載鎖定室從外部環境傳送晶圓進入該真空腔室中，隨後經過一或多個處理腔室，且最終透過一解開負載室送回外部環境。可利用一氣體餽入及控制單元透過多個導管和歧管(例如，上述的噴頭歧管)，來輸送處理時所使用的氣體。或者，可使用其他的氣體分配歧管。

可使用真空幫浦流體連通地耦接至該腔室排出裝置使該些處理腔室典型保持在大氣壓力或低於大氣壓的壓力下。此舉可避免大氣氣體與其他顆粒的汙染。當在其中一個處理室中進行處理製程時，可調節(throttling)真空泵送作用來控制處理腔室的壓力，而不會使用過量的處理氣體。可利用多種方式來達成此調節，包括利用具有可控式開口的閥。在典型的處理循環中，當處理製程完成之後，會停止輸送氣體，並且開啟該調節機構，以允許在處理腔室有最大的泵送速度。其目的在使該處理腔室中的氣體壓力降低至接近該基板傳送腔室的壓力。隨後，可將處理過的晶圓從該腔室中移出。

一驅動組件安裝在處理腔室下方，用以升高和下降一內部基座，該基座上接附著該基板支撐件(例如，下加熱器)。或者，下加熱器可內建於此基座中。通常，該基座裝置具有一加熱爐(heated hearth)，以支撐和提供熱能給待處理的晶圓。當基座位在最下方的位置時，可將晶圓插入腔室中，並且放開晶圓使其安置在該加熱爐上，並且當傳送裝置撤回之後，可昇高該基座，以將其所支撐的基板向上移動到將進行處理的一處理位置。當欲將晶圓從處理腔室中移出時，可反轉上述程序。整個組件可保持其真空狀態的完整，同時允許利用摺箱(bellows)提供該基座垂直移動的自由度。該領域中具有通常知識者將可理解到，還可利用其他機構以垂直方式來移動該基座組件，並且在不偏離本發明範疇的情況下，可能做出各種其他替換態樣。例如，可能設有多個可延伸的驅動器，例如，氣壓缸、氣-油系統、液壓系統等等。

以上已說明用於熱梯度加強化學氣相沉積的方法。雖然已參照數個實施例來說明本發明，但本發明不僅限於圖式中所提供的示範實施例。例如，本發明之方法與系統亦可用在藉著以平行於熱梯度的方向由上而下或由下而上地擴散通過中間膜層的方式來控制薄膜生長。

10．．．熱壁設備

12．．．加熱器

16、22．．．基板

14、26．．．腔室

24．．．加熱器

28、40．．．氣體分配器

30．．．排放裝置

32．．．熱絲或燈絲

34、34’、34”．．．設備

36、36’．．．上加熱器

37．．．孔

38．．．下加熱器

42．．．下冷卻元件

附圖中繪示出本發明，其僅做為示範，並非作為限制之用，該些附圗如下：

第1圖顯示一習知設備，在該設備中，是利用環繞腔室的加熱元件來加熱基板。

第2圖顯示一習知腔室，該腔室配置有一個單晶圓加熱元件。

第3圖顯示顯示設計用於在基板上進行習知熱燈絲式化學氣相沉積(CVD)的腔室。

第4圖顯示根據本發明一實施例所配置的設備，在其腔室中採用上下兩個加熱元件，用以在基板上成長奈米結構。

第5A和5B圖顯示根據本發明實施例之熱梯度加強化學氣相沉積設備的另一種配置。

第6A和6B圖為取自樣品晶圓的照片，顯示在根據本發明實施例所配置的設備中奈米結構的成長情形。

22．．．基板

26．．．腔室

28．．．氣體分配器

30．．．排放裝置

34．．．設備

36．．．上加熱器

37．．．孔

38．．．下加熱器

Claims (9)

1. 一種藉由化學氣相沈積使奈米管和奈米線於裝置之腔室內的基板上成長的方法，該裝置包括支撐該基板的下加熱器、設置在該下加熱器上方一垂直距離處的上加熱器以及具有孔的氣體分配器，該方法之特徵在於在該上、下加熱器之間建立一熱梯度，以及引導多種反應氣體在遇到該基板的頂面之前，藉由該氣體分配器的孔垂直進入該腔室中，以在該基板上產生該奈米管和奈米線的沉積。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該上加熱器的溫度保持高於該下加熱器的溫度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該下加熱器的溫度保持高於該上加熱器的溫度。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之方法，更包括使用一真空幫浦從該腔室中排出該些反應氣體。
5. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之方法，其中該上加熱器和該下加熱器任一者或兩者係相對於彼此垂直移動，以利於調整該些加熱器之間的垂直距離。
6. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之方法，其中該上加熱器係與該氣體分配器整合在一起使用。
7. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之方法，其中該上加熱器相對於基板具有大於50%的覆蓋率。
8. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之方法，其中該上加熱器係環繞該氣體分配器而使用。
9. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之方法，其中該上熱器與該下加熱器任一者或兩者係用以施加電壓，以產生電漿。