TWI461569B - Atomic layer deposition device - Google Patents

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Kazutoshi Murata
Naomasa Miyatake
Yasunari Mori
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Mitsui Shipbuilding Eng
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Description

原子層沉積裝置
本發明係關於用來在基板上形成薄膜之原子層沉積(以下簡稱為ALD(Atomic Layer Deposition)裝置。
ALD法是一種薄膜形成技術，其將2種氣體(主成分為構成待形成的膜之元素)交互供應至成膜對象基板上，以在基板上以原子層單位形成薄膜，將此步驟反覆複數次而形成期望厚度的膜。例如，要在基板上形成SiO2 膜的情況，是使用含有Si之原料氣體和含有O之氧化氣體。此外，要在基板上形成氮化膜的情況，是取代氧化氣體而使用氮化氣體。
ALD法是利用所謂的自我停止作用(自限功能)，在供應原料氣體的期間只有一層或數層的原料氣體成分被吸附在基板表面，多餘的原料氣體則無助於成長。
ALD法，比起一般的CVD(化學氣相沉積，Chemical Vapor Deposition)法，兼具高段差被覆性及膜厚控制性。因此，可期待將其應用在記憶元件的電容器、被稱為「high-k閘極」之絕緣膜的形成。此外，依據ALD法，能以300℃~400℃的溫度來形成絕緣膜。因此，可期待將ALD法應用在：液晶顯示器等之使用玻璃基板的顯示裝置之薄膜電晶體的閘極絕緣膜的形成。
在下述專利文獻1記載的成膜裝置，是在一個反應容器的反應室內讓原料氣體反應而在基板上形成薄膜的成膜裝置，其反應容器之反應室的容積是可變的。藉由使裝載基板的加熱器朝自鉛垂上方移動，並讓該加熱器抵接於制動件，以使反應室的容積縮小。
[專利文獻1]日本特開2006-310813號公報
上述專利文獻1的成膜裝置，可使用一個反應容器來縮短成膜製程的一循環所需的時間，且能形成膜質大致均一的薄膜。像現在超過2m×2m之第8世代、第9世代的玻璃基板等這般，伴隨成膜對象基板之大型化，對成膜裝置是強烈要求能形成膜質更均一的薄膜。
本發明之目的是為了提供：能在基板上形成膜質比以往更均一的薄膜之原子層沉積裝置。
本發明之原子層沉積裝置，是用來在基板上形成薄膜之原子層沉積裝置，其特徵在於：係具備第1容器、第2容器及按壓構件；該第1容器，是用來形成第1內部空間；該第2容器，是設置於前述第1容器的內部而用來形成第2內部空間之筒狀的容器，在筒狀的一端具備朝向該第2內部空間內讓原料氣體(用來在基板上形成薄膜)流過之第1開口；該按壓構件，係具備將前述原料氣體通過前述第1開口供應至前述第2內部空間之氣體供應口，而且為了相對於前述第1內部空間將前述第2內部空間隔離，是朝向前述第2容器的筒狀的長邊方向將該第2容器按壓。
依據本發明的原子層沉積裝置，可在基板上形成膜質比以往更均一的薄膜。
以下，根據一實施形態來詳細說明本發明的原子層沉積裝置。
(原子層沉積裝置的概略構造)
原子層沉積裝置10，係將TMA(三甲基鋁，Tri-Methyl-Aluminium)等的原料氣體、臭氧O3 等的氧化氣體交互地供應而以原子單位沉積來形成薄膜。
第1圖係在基板12上形成薄膜之原子層沉積裝置(以下稱ALD裝置)10的概略構造之截面圖。
ALD裝置10，主要是具備：第1容器20、第2容器40以及按壓構件60。第1容器20，是用來形成第1內部空間22(維持既定壓力)之外側容器。第2容器40，是設置於第1容器20的內部，用來形成第2內部空間42(維持既定壓力)之內側容器。按壓構件60，是朝水平方向將第2容器40按壓，藉此相對於第1內部空間22將第2內部空間42隔離。此外，按壓構件60係具備：讓供應第2內部空間42之原料氣體流過之氣體供應口62(參照第3圖)。
以下，針對其等的構造作更詳細的說明。
(第1容器)
首先，參照第1圖來說明第1容器20。
第1容器20，是SUS等的金屬材料所構成。在第1容器20的上壁，設有將N2 氣體(或非活性氣體)導入第1內部空間22之氣體導入口。此外，在第1容器20的側壁，設有供排氣管38連接之排氣口。第1內部空間22內的氣體，是通過排氣口，藉由渦輪分子泵等的排氣部39而排到第1容器20的外部。藉此，第1內部空間22內，是利用所導入的N2 氣體的氣氛而維持既定壓力。藉由將第1內部空間22減壓成既定壓力，可抑制後述加熱器24、25發生氧化。此外，在第1容器20的側壁，設有分別供後述的按壓構件60、氣體導入管64貫穿之貫通孔。
在設置於第1容器20內部之第2容器40的上方，設有與第2容器40鄰接的加熱器24。加熱器24，是通過第2容器40，而將供應至第2內部空間42之原料氣體以及載置於第2容器40內部之基板12予以加熱。加熱器24的配線等，是透過設置於第1容器20上部之貫通孔而朝外部引出並連接於未圖示的電源。
此外，在設置於第1容器20內部之第2容器40的下方，設有與第2容器40鄰接的加熱器25。加熱器25是藉由後述的支承機構34所支承。加熱器25，是通過第2容器40而將載置於第2容器40內部之基板12予以加熱。加熱器25的配線等，是通過未圖示的貫通孔而朝第1容器20的外部引出並連接於未圖示的電源。
在第1容器20的側壁部26，設有用來進行基板12的搬入及搬出之貫通孔。該貫通孔，是與後述之第2容器40的第2開口46(參照第2(a)圖)相對向。此外，從該貫通孔朝向第2容器40的外側而沿水平方向延伸的部分，設有連通第1容器20的外部之開閉器27。因此，要搬入基板12時，將開閉器27打開，通過第2開口46將基板12搬入第2容器40內。此外，要搬出基板12時，將開閉器27打開，通過第2開口46從第2容器40內將基板12搬出。
在第1容器20的底部28上，設有用來支承第2容器40之支承機構34。支承機構34，係具備車輪(caster)等的移動機構35，可沿第1容器20的底部28之面內方向移動。支承機構34，除了支承第2容器40以外，也支承加熱器25。
第1容器20的底部28，能與第1容器20的側壁及上壁分離。在第1容器20的底部28，設有朝圖中的下方延伸之二根桿件，在這二根桿件設置油壓缸等的昇降機構36。昇降機構36，是用來使第1容器20的底部28、支承機構34、支承機構34所支承的第2容器40及加熱器25沿鉛垂方向昇降。在第1容器20的底部28和側壁部之間設置O型環29，藉由昇降機構36讓底部28上昇，以使第1內部空間22相對於外部形成封閉。
(第2容器)
接著參照第2圖來說明第2容器40。第2(a)圖係第2容器40的概略構造圖。
第2容器40是設置於第1容器20的內部。此外，第2容器40，是用來形成第2內部空間42之筒狀的容器。第2容器40，基於材質穩定的觀點宜使用石英。當基板12是使用玻璃基板的情況，由於材料本身是大致相同的，不須擔心在基板12上會附著不同的成分。
第2容器40，是在第1容器20的內部，被支承機構34支承而呈水平配置。在筒狀的一端，設有讓原料氣體(用來在基板12上形成薄膜)流過之第1開口44。在第2(a)圖所示的例子，是設有二個第1開口44a、44b。第1開口44a是設置在：設有後述基板支承部47的高度方向位置之鉛垂上方的位置。
在與具備第1開口44的一側相反側之端，設有讓第2內部空間42內的氣體流到第2內部空間42外之第2開口46。第2開口46，是與設置於第1容器20的側壁部26之貫通孔相對向。
第2(b)圖係用來說明基板12的搬入及搬出方法。基板12，被載置於搬運台車的基板載置前端之叉部70。載置於叉部70之基板12，是通過開閉器27、第2開口46來相對於第2容器40進行搬入及搬出。
在第2容器40的內部，設置用來載置基板12之基板支承部47。基板支承部47之第2開口46側的形狀，是與將基板12搬入及搬出之搬運台車的基板載置前端之叉部70對應而形成梳齒狀。
如此般，藉由使第2開口46側的形狀成為對應於叉部70之梳齒狀，即使在筒狀(高度較低)的第2內部空間42將大型基板12搬入搬出的情況，仍能使形成薄膜的面不致接觸第2容器40的內面而進行基板12的搬入及搬出。
第2容器40，是在筒狀的長邊方向(第1圖的水平方向)被按壓構件60按壓。在按壓構件60和第2容器40之間設有O型環45a。在第2容器40和第1容器20的側壁部26之間設有O型環45b。由於第2容器40是被具備移動機構35之支承機構34所支承，因此第2容器40可朝筒狀的長邊方向移動。因此，朝向筒狀的長邊方向，藉由按壓構件60來按壓第2容器40，第2容器40會透過O型環45a、45b緊壓在第1容器20，而使第2內部空間42相對於第1內部空間22形成隔離。亦即，按壓構件60朝第2容器40之筒狀的長邊方向來按壓第2容器40，藉此相對於第1內部空間22將第2內部空間42隔離。
一般而言，在使用O型環將空間密閉的情況，O型環的周長越短，能更確實地將兩個空間隔離。在第1圖所示的例子，由於是採用朝第2容器40的筒狀的長邊方向來按壓第2容器40的構造，相較於朝第2容器40的筒狀的短邊方向(鉛垂方向)來按壓第2容器40的構造，為了將第2內部空間42相對於第1內部空間22隔離所需之O型環的周長縮短。
如此般，藉由採用朝第2容器40的筒狀的長邊方向來按壓第2容器40的構造，能更確實地將第2容器40的第2內部空間42相對於第1內部空間22隔離。因此，從第2內部空間42往第1內部空間22之原料氣體的漏出可被抑制住。
藉由抑制住從第2內部空間42往第1內部空間22之原料氣體的漏出，起因於漏到第1內部空間22之原料氣體而在第1內部空間22內產生之粒子減少。再者，藉由將第2內部空間42相對於第1內部空間22更確實地隔離，可抑制存在於第1內部空間22之粒子混入第2內部空間42。混入第2內部空間42的粒子，若附著在載置於第2容器40內部之基板12上，會造成膜質降低。因此，如第1圖所示的例子，由於是採用朝第2容器40的筒狀的長邊方向來按壓第2容器40的構造，可形成膜質更均一的薄膜。
在相對於第1內部空間22呈隔離之第2內部空間42，從第1開口44流入原料氣體(用來在基板12上形成薄膜)。第2內部空間42內的氣體，通過第2開口46及與其相對向之設置於第1容器的側壁部26之貫通孔，流到第2內部空間42外。
在第2開口46和開閉器27之間的通路上，設置供排氣管50連接之排氣口，藉由渦輪分子泵等的排氣部51，將第2內部空間42內的氣體排往第2容器40的外部。藉此，第2內部空間42內，利用所導入之原料氣體的氣氛而維持既定壓力。第2內部空間42的壓力，與前述第1內部空間22的壓力成為相同壓力或不同壓力皆可。
第2容器40的內側、第2開口46和開閉器27之間等，在基板12搬入及搬出時基板12會通過的部分，設有防著板52(用來防止在應形成薄膜之基板以外附著薄膜)。
此外，在第2容器40，設有用來保護容器之保護蓋54。
(按壓構件)
接著，參照第3圖來說明按壓構件60。第3(a)圖係顯示按壓構件60一例的構造之截面圖；第3(b)圖係第3(a)圖所示的按壓構件60之右側視圖。
在按壓構件60設有：讓原料氣體通過第2容器40的第1開口44供應至第2內部空間42之氣體供應口62。在第3(a)圖所示的例子，在按壓構件60設有二個氣體供應口62a、62b。此外，在按壓構件60，連接著用來將原料氣體或氧化氣體導入第2內部空間42之氣體導入管64。在第3(a)圖所示的例子，在按壓構件60連接二個氣體導入管64a、64b。
氣體導入管64a，是將原料氣體(例如TMA等的有機金屬的氣體)、沖洗氣體(例如氮氣)通過氣體供應口62a導入第2內部空間42。氣體導入管64b，是將氧化氣體(例如臭氧)通過氣體供應口62b導入第2內部空間42。
如第3(b)圖所示，按壓構件60之按壓第2容器40側的面，具備多數個氣體供應口62。為了對基板12均一地供應原料氣體，是在基板12的寬度方向(第3(b)圖的左右方向)等間隔地設置氣體供應口62。氣體供應口62是設置在比基板12的寬度方向更寬廣的範圍。
在第3圖所示的例子，在與第2容器40的第1開口44a相對向的高度方向位置，設置氣體供應口62(氣體供應口62a、62b之任一者)。因此，朝向第2內部空間42之原料氣體的供應，是在設有基板支承部47的高度方向位置之鉛垂上方的位置進行。
原料氣體，通過基板支承部47所載置之基板12上，其一部分被基板12吸附。此外，活化之氧化氣體，可將基板12上所吸附之原料氣體成分予以氧化。
在第2圖、第3圖所示的例子，不是在第2內部空間42全體讓原料氣體流過，而是在設有基板支承部47的高度方向位置之鉛垂上方的位置讓原料氣體流過。因此，依據本實施形態，可僅在薄膜成長所需的部分讓原料氣體流過，而能提昇原料氣體的使用效率。
又在第2容器40，第2容器40之第1開口44b不一定是必要的，因此，採用不設置第1開口44b而僅設置第1開口44a的構造亦可。
此外，第1圖所示的例子之按壓構件60，可朝第2容器40的筒狀的長邊方向(水平方向)移動。按壓構件60朝第2容器40的筒狀的長邊方向移動以按壓第2容器40，藉此相對於第1內部空間22將第2內部空間42隔離。
又相對於第1內部空間22將第2內部空間42隔離是指：在空間上分離成第1內部空間22的壓力和第2內部空間42的壓力能個別控制的程度。
(清洗時之原子層沉積裝置的概略構造)
接著，參照第4圖來說明清洗時之原子層沉積裝置的概略構造。第4圖係ALD裝置10的第1容器20的上側部分32和下側部分30分離的狀態之截面圖。
在進行第2容器40的清洗時，首先，將按壓構件60朝水平方向(圖中的左方)移動，以解除其對第2容器40的按壓。接著，藉由昇降機構36，將第1容器20之包含底部28的下側部分30相對於上側部分32往下方移動，藉此使下側部分30和上側部分32分離。藉此，底部28上的支承機構34所支承之第2容器40，也會和上側部分32分離。
如第4圖所示，將第1容器20的上側部分32和下側部分30予以分離後，將支承機構34朝水平方向移動，藉此能將第2容器40從第1容器的上側部分32的鉛垂下方移動。與第1容器20的下側部分30一起移動之第2容器40，從第1容器20的下側部分30卸下。如此將第2容器40從第1容器20卸下。
依據第4圖所示的例子，可容易地取出設置於第1容器20內部之第2容器40，因此容易進行第2容器40的清洗。作為清洗處理是包括：進行溼蝕刻、將防著板52取出而進行更換或清洗等。
10．．．原子層沉積裝置
12．．．基板
20．．．第1容器
22．．．第1內部空間
24、25．．．加熱器
26．．．側壁部
27．．．開閉器
28．．．底部
29．．．O型環
30．．．下側部分
32．．．上側部分
34．．．支承機構
35．．．移動機構
36．．．昇降機構
38．．．排氣管
39．．．排氣部
40．．．第2容器
42．．．第2內部空間
44、44a、44b．．．第1開口
45a、45b．．．O型環
46．．．第2開口
47．．．基板支承部
50．．．排氣管
51．．．排氣部
52．．．防著板
54．．．保護蓋
60．．．按壓構件
62、62a、62b．．．氣體供應口
64、64a、64b．．．氣體導入管
70．．．叉部
第1圖係本發明的原子層沉積裝置之一實施形態的概略裝置構造的截面圖。
第2(a)圖係第1圖所示的原子層沉積裝置之第2容器的概略構造圖；第2(b)圖係用來說明基板的搬入及搬出方法。
第3(a)圖係第1圖所示的原子層沉積裝置之按壓構件的構造之截面圖；第3(b)圖係第3(a)圖所示的按壓構件的右側視圖。
第4圖係第1圖所示的原子層沉積裝置的第1容器之上側部分和下側部分分離的狀態之截面圖。
10．．．原子層沉積裝置
12．．．基板
20．．．第1容器
22．．．第1內部空間
24、25．．．加熱器
26．．．側壁部
27．．．開閉器
28．．．底部
29．．．O型環
34．．．支承機構
35．．．移動機構
36．．．昇降機構
38．．．排氣管
39．．．排氣部
40．．．第2容器
42．．．第2內部空間
45a、45b．．．O型環
47．．．基板支承部
50．．．排氣管
51．．．排氣部
52．．．防著板
54．．．保護蓋
60．．．按壓構件
64．．．氣體導入管

Claims (5)

  1. 一種原子層沉積裝置，是用來在基板上形成薄膜之原子層沉積裝置，其特徵在於：係具備第1容器、第2容器及按壓構件；該第1容器，是用來形成第1內部空間；該第2容器，是設置於前述第1容器的內部而用來形成第2內部空間之筒狀的容器，在筒狀的一端具備朝向該第2內部空間內讓原料氣體(用來在基板上形成薄膜)流過之第1開口；該按壓構件，係具備將前述原料氣體通過前述第1開口供應至前述第2內部空間之氣體供應口，而且為了相對於前述第1內部空間將前述第2內部空間隔離，是朝向前述第2容器的筒狀的長邊方向將該第2容器按壓。
  2. 如申請專利範圍第1項記載的原子層沉積裝置，其中，前述第2容器，是在與具備前述第1開口的一側相反側的端，具備讓前述第2內部空間內的氣體流到該第2內部空間外之第2開口。
  3. 如申請專利範圍第2項記載的原子層沉積裝置，其中，前述第2容器，係具備用來載置基板之基板支承部；該基板支承部之前述第2開口側的形狀，是與將基板搬入及搬出之搬運台車的基板載置前端之叉部對應而形成梳齒狀。
  4. 如申請專利範圍第3項記載的原子層沉積裝置，其中，前述第2容器，是設置成前述長邊方向成為水平方向，朝向前述第2內部空間之前述原料氣體的供應，是在設有前述基板支承部之高度方向位置的鉛垂上方的位置進行；前述按壓構件，是在與前述第1開口相對向之高度方向位置具備前述氣體供應口。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項記載的原子層沉積裝置，其中，前述第1容器可分離成：包含該第1容器的底部之下側部分、該下側部分以外的上側部分；前述第2容器，是使用從前述第1容器的底部延伸之支承機構來支承；前述第1容器的底部，相對於該第1容器的前述上側部分可分離地朝上下方向移動，前述下側部分下降而從前述上側部分分離，藉此使前述第2容器從前述第1容器卸下。
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