TWI475129B

TWI475129B - 薄膜沉積方法及其系統

Info

Publication number: TWI475129B
Application number: TW100146079A
Authority: TW
Inventors: Woong Chul Shin; Min Baek; Kyu Jeong Choi
Original assignee: Ncd Co Ltd
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2015-03-01
Also published as: EP2465972A3; EP2465972B1; CN102560421A; CN102560421B; EP2465972A2; TW201235505A

Description

薄膜沉積方法及其系統

本發明的實施例涉及用於薄膜沉積的方法和系統，並且更具體地講，本發明涉及這樣的用於薄膜沉積的方法和系統，其包括處理室，所述處理室被構造成在反應氣和吹淨氣依次被供入到處理室中時提供分層式氣流，並且所述處理室被虛擬地劃分成多個空間，從而所述各虛擬的空間在處理室內移動時，針對多個基片能夠完成原子層沉積，因而減少了處理進行時間。

大體上，半導體器件或平板顯示器通過多個工序被製造。特別地，在晶片或玻璃(此後稱為“基片”)上沉積薄膜的工序不可避免地被完成。通過濺射、化學蒸鍍(CVD)、原子層沉積(ALD)等實現這種薄膜沉積。

具體地，原子層沉積(ALD)是這樣一種過程，即通過連續地將反應劑輸入到用於形成薄膜的處理室內而通過兩種或多種反應劑的分解與吸收將薄膜分單位地沉積為原子層。具體地，第一反應氣以脈衝化的方式被供應到處理室內，從而在處理室內化學沉積至基片的下層，並且與其物理耦合的剩餘的第一反應氣以吹淨(purging)的方式被排出。然後，第二反應氣也通過脈衝化和吹淨的方式被供應並被排出，從而通過第二反應氣與第一反應氣(即、第一反應劑)之間的某種化學反應，所期望的薄膜能夠沉積在基片上。通過原子層沉積所製造的薄膜的實施例包括Al₂O₃、Ta₂O₃、TiO₂以及Si₃O₄薄膜。

因為原子層沉積使得甚至在600℃或更低的低溫也能夠形成具有良好臺階覆蓋率(step coverage)的薄膜，所以所期望的是原子層沉積將廣泛應用於下一代半導體器件的製造。在如上所述的原子層沉積中，相應的氣體完成脈衝化與吹淨處理一次所需的時間段被稱為一迴圈。

然而，因為用於原子層沉積的傳統設備通過擴散板的噴嘴孔以點式方式而非平面的方式供應氣體，所以氣體在處理室內並沒有被均勻地分佈，因而使得薄膜的均勻性變差。

本發明旨在解決如上所述的問題，並且本發明的各方面為提供用於薄膜沉積的方法和系統，其包括處理室，所述處理室被構造成在反應氣和吹淨氣被連貫地供入處理室內時提供層流狀氣流(laminar gas flow)並且虛擬地劃分成多個空間，從而在虛擬劃分的空間在處理室內移動時，針對多個基片能夠實現原子層沉積，因而減小了處理時間。

根據本發明的一個方面，薄膜沉積系統包括包括外室，在其一側上具有開口；處理室，其在所述外室內安置，並且在所述處理室的一側上具有開口；第一門，該第一門打開或關閉所述處理室的開口；料盒保持件，其連接至所述第一門的內壁，並且在所述料盒保持件上裝載至少一個料盒；第二門，該第二門打開或關閉所述外室的開口；連接構件，其將所述第一門連接至所述第二門；以及移動單元，其使得所述第一門和所述料盒保持件與所述第二門一起水平地往復運動。

根據本發明的另一個方面，薄膜沉積系統可以包括料盒，其裝載多個基片，以使得各基片之間彼此隔開恆定的距離，並且相應的基片之間的距離為層流(分層的流)之間的距離；處理室，其中所述處理室接收所述料盒，以使得所述料盒與所述處理室的內壁之間的距離為層流之間的距離，並且，在所述處理室內，所述各基片經受原子層沉積；供氣單元，其中所述供氣單元安置在所述處理室的一個側壁上並且將氣體沿與所述基片的佈置平行的方向供至在所述料盒內安置的所有基片，從而所述氣體以層流狀被提供至各基片的前端、各基片之間的空間、以及基片與處理室的壁之間的空間；以及排氣單元，其中所述排氣單元在所述處理室內安置在與供氣單元相反的側部上，並且所述排氣單元通過在所述各基片的後側抽吸氣體而將氣體從所述處理室排出。

現在，參照附圖將說明本發明的示意性實施例。

參看圖1和圖2，根據本發明一個實施例的薄膜沉積系統1包括外室10；處理室20；門11、21；料盒保持件30；連接構件70；以及移動單元60。

外室10在其一側上形成開口12，料盒C被傳送經過該開口。外室10接收/容納多個處理室20。

每個處理室20接收料盒C，其中，基片被裝載在所述料盒上，從而在所述處理室內，詳細如下所述地在基片上實現原子層沉積。

處理室形成有開口22；並包括用於打開或關閉該開口的第一門21以及用於打開或關閉外室的開口12的第二門11。第一門21通過連接構件70連接至第二門11。接著，將更加詳細地說明這種結構。在此，第一門21與第二門11之間的距離t1大於外室的開口12與處理室的開口22之間的距離t2，即t1>t2。

另外，在第一門21的內壁上設有能夠裝載多個料盒C的料盒保持件30。

這樣，第二門11、第一門21和料盒保持件30固定地彼此相連，並且處理室還包括移動單元60，其中該移動單元使得第一與第二門以及料盒保持件同時沿水平方向往復運動。

移動單元60包括諸如傳統滾珠絲杠構件的絲杠61；在所述絲杠61旋轉時往復運動的螺母構件62；夾具63，其將所述螺母構件62連接至第二門11；以及用於使得所述絲杠61旋轉的驅動源(未示出)。

系統還包括供氣單元40，其中該供氣單元將源氣和吹淨氣通過外室10供入處理室20內；以及排氣單元50，其使得氣體從處理室20排出。

儘管圖中未示出，但是系統還可以包括位於外室10與處理室20之間的加熱器。加熱器將處理室20維持在恆定的溫度。

根據該實施例的薄膜沉積系統的主要部件將參照圖3進行說明。參看圖3，將第一門21連接至第二門11的連接構件70由彈性可擴展的伸縮探針(pogo pin)構件製成。具體地，連接構件70包括固定至第二門11的大直徑區段71；固定至第一門21的小直徑區段72；以及壓縮彈簧73，其中該壓縮彈簧在大直徑區段71內彈性支承小直徑區段72。此外，通過伸縮探針構件所實現的連接構件70在其外周上還設有附加的壓縮彈簧74，其中該附加的壓縮彈簧具有與壓縮彈簧73相比更高的彈性係數。因而，第一門21與第二門11之間的距離能夠是改變的而並非是固定的，從而第一門21和第二門11能夠彼此相互接近或彼此相互遠離。

此外，第一門21和第二門11中的每個設有密封構件11a或21b，其通過機械密封件、O形環或現有技術中已知的其它密封構件實現。例如，第一門21的密封構件21a是機械密封件，而第二門的密封構件11a是O形環。

圖4示出了在處理室20內裝載的料盒C。參看圖4，多個基片以直立的姿態(沿豎直方向地或者相對於豎直方向以特定的角度傾斜地)在料盒C內被裝載。

接著，將參照圖2、5和6說明薄膜沉積系統的操作。

首先，隨著第一門21和第二門11的打開，多個接收基片的料盒C被安裝在料盒保持件30上，其中所述料盒保持件30連接至第一門21的一側(見圖2)。

接著，在絲杠61通過主要地使得驅動源驅動而被旋轉時，螺母構件62直線地移動，以使得彼此相連的第一和第二門21、11移動，從而第一門21關閉處理室的開口22。同時，料盒保持件30進入處理室20，從而料盒C通過料盒保持件被轉移到處理室20內。在此階段中，第二門11並未接觸外室10的側壁(見圖5)。

接著，在絲杠61通過輔助地使得驅動源驅動而被旋轉時，第二門11通過如上所述同一方法直線地移動，從而第二門11關閉外室10的開口12。然而，第一門21和料盒保持件30處於如圖6所示的同一狀態，並且在壓縮彈簧73、74被收縮時，將第一門21連接至第二門11的料盒保持件30被收縮(如圖6所示)。

這樣，隨著料盒C被轉移到處理室20內並且外室10和處理室20被關閉，源氣和吹淨氣被交替地供入到處理室內，以針對基片實現原子層沉積。

因而，在該實施例中，料盒(或基片)的轉移以及外室和處理室的關閉在同時完成。

明顯地，該實施例的上述說明僅僅出於示意性的目的提供，並且在不脫離本發明的前提下可以實現各種不同的改型和改變。例如，第一門和第二門之間的距離可以小於處理室的開口與外室的開口之間的距離。在這種情況中，第二門通過驅動源的主要驅動被移動以關閉外室的開口，並且第一門然後通過驅動源的輔助驅動被移動以關閉處理室。

在另一實施例中，薄膜沉積系統可以取消外室。在這種情況中，用於打開或關閉外室的第二門以及用於將第二門連接至第一門的連接構件也被取消，並且移動單元可以直接連接至第一門。在該實施例中，料盒保持件連接至第一門的內壁。因而，在第一門關閉處理室時，料盒可以被轉移到處理室內。因而，在該實施例中，料盒(或基片)的轉移與處理室的關閉也是同時完成的。

接著，參見圖7和8，將詳細說明根據該實施例的處理室20。在處理室20內，多個料盒C以串聯(in-line)佈置的方式被轉移，從而允許同時處理多個基片，其中每個料盒C接收以直立的姿態(沿豎直方向地或者相對於豎直方向以特定的角度傾斜地)佈置的基片S。

換句話說，多排基片在處理室內以串聯佈置結構的方式安置。此外，各排的基片之間的相應的空間提供了氣流通道。

具體地，在該實施例中，在料盒C在處理室20內安置時，料盒C安置成每個料盒與處理室的側壁之間的距離或者在每個料盒C內所接收的相應的基片之間的距離為層流之間的距離。

正如在此所用，術語“層流”指的是供入到窄空間內並沿特定的方向沒有彌散且顯著不擴散地移動的氣體的流。

此外，正如在此所用，術語“層流之間的距離”指的是兩股氣體的層流之間的距離。在該實施例中，層流之間的距離可以是0.2至10mm。如果層流之間的距離小於0.2mm，則系統不僅很難進行處理和生產，而且很難控制氣體供應。如果層流之間的距離超過10mm，則氣體的層流不被維持，造成了氣體的自由彌散。

根據該實施例，不僅每個料盒C內的各基片S之間的空間還有每個料盒C與室的每個壁之間的空間以及料盒C或基片S的前端與直供氣凹槽之間的空間根據層流之間的距離被設定。

在處理室20的一個側壁28上形成氣體擴散供應區段42，以在氣體通過供氣埠27被供應時沿側壁將氣體傳輸至側壁的前端。

氣體擴散供應區段42包括在處理室的一個側壁28的外表面上以臺階的方式形成的凹部41；以及關閉該凹部41的蓋43。當然，儘管凹部41由蓋43覆蓋，但是蓋43與凹部41的底表面隔開，以限定使得氣體在凹部41與蓋43之間流動的空間。

氣體擴散供應區段42可以在處理室20的任何側壁上、例如在上側壁23、下側壁24、右側壁28或左側壁29上形成。

氣體擴散供應區段42被形成為具有從側壁28上的供氣埠27朝向側壁的前端逐漸增加的橫截面面積。這種結構允許氣體經過氣體擴散供應區段42到達處理室20的前側之前實現氣體的均勻分佈。此外，在經過氣體擴散供應區段42時，經由供氣埠27供應的氣體維持實現層流狀態。因而，氣體擴散供應區段42與蓋43之間的距離設定成維持層流狀的氣流。

接著，將說明該實施例的處理室的操作。

首先，在氣體從供氣單元被供應至在處理室20的一個側壁上形成的供氣埠27時，氣體沿氣體擴散供應區段42流至處理室的前側(即側壁的前端)，同時氣體通過氣體擴散供應區段42被均勻地擴散。

然後，沿氣體擴散供應區段42被足夠擴散的氣體作為層流狀的氣流沿在處理室20的前側上形成的直供氣凹槽朝向相反的側壁移動。

在到達基片的前側、即直供氣凹槽之後，氣體在每個基片上形成薄膜，同時作為層流而移動經過各排的基片之間的空間。

因此，相應的排的基片之間的空間構成流道，該流道維持層流之間的間距，從而允許氣體像層流那樣在處理室內移動。此外，在處理室內，多個料盒C1至C4彼此相鄰地以串聯佈置的結構安置，並且在相鄰的料盒內接收的基片S1至S4也彼此相鄰地佈置，從而氣體均勻地流到多個料盒內，同時維持層流。

在該實施例中，並非是在定制第一反應氣的供應之後就實現自處理室泵送或吹淨第一反應氣的操作，吹淨氣在第一反應氣進入處理室之後立刻被供應，從而第一反應氣和吹淨氣在單個真空室內共存，同時虛擬地劃分了真空室的內部空間。

在該實施例中，第一反應氣空間指的是處理室的充滿第一反應氣的想像的空間，並且第一吹淨氣空間指的是處理室的充滿吹淨氣且與第一反應氣空間連續的想像的空間。此外，第二反應氣空間指的是處理室的充滿第二反應氣的想像的空間，並且第二吹淨氣空間指的是處理室的充滿吹淨氣且與第二反應氣空間連續的想像的空間。根據該實施例，第一反應氣空間、第一吹淨氣空間、第二反應氣空間和第二吹淨氣空間同時沿預定的方向以特定的速度移動，而並不是維持在特定的位置。

具體地，此後將說明形成各氣空間的過程。首先，在第一反應氣被供至處理室時，充滿第一反應氣的想像的第一反應氣空間在真空期內創建，並且在處理室內從一個場所移動至另一個場所。

然而，在停止第一反應氣的供應之後供應吹淨氣時，與第一反應氣空間連續的第一吹淨氣空間在真空室內被創建，並且在沿第一反應氣的方向推動第一反應氣時跟隨在第一反應氣空間之後。在此，第一反應氣空間與第一吹淨氣空間之間的介面並沒有明顯地形成，在介面處可以出現第一反應氣與吹淨氣之間的混合部分。此外，第一反應氣的濃度朝向第一反應氣空間的中心逐步增加，並且吹淨氣的濃度朝向第一吹淨氣空間的中心逐步增加。

如上所述，根據該實施例，為了實現第一反應氣從處理室的完全吹淨，形成第一吹淨氣空間的吹淨氣以比第一反應氣大得多的量被供應，從而第一反應氣由於第一吹淨氣的移動而沿相對於直供氣凹槽相反的方向移動。

然後，第二反應氣空間通過供應第二反應氣而與第一吹淨氣空間連續地被形成。此外，第二吹淨氣空間通過供應大量的吹淨氣而與第二反應氣空間連續地被形成，從而第二反應氣能夠通過第二吹淨氣空間的移動而被完全地排出。

這樣，根據該實施例，在第一反應氣空間、第一吹淨氣空間、第二反應氣空間和第二吹淨氣空間依次在處理室內移動時，實現原子層沉積。因而，根據該實施例，反應氣供應與吹淨像在單個處理室內掃描基片的過程那樣連貫地完成，與反應氣供應和吹淨相對於處理室的總內空間被間歇地實現的傳統的過程相比，因而顯著減少了處理室時間同時明顯增加了產量。

此外，上述過程能夠按照需要被反覆實現多個迴圈。應該理解的是，在各氣體供應的過程中實現排氣操作。

如上所述，根據該實施例，薄膜沉積系統包括處理室和料盒，其中所述料盒佈置成在處理室內形成層流狀的氣流，在反應氣和吹淨氣隨後被供入到處理室內時，所述處理室內的氣流虛擬地被劃分成多個空間，從而在各虛擬地被劃分的空間以掃描的方式在處理室內移動時，在處理室內裝載的多個基片上實現原子層沉積，因而減小了處理時間。

也就是說，根據該實施例的薄膜沉積系統允許連貫地實現原子層沉積，同時反應氣和吹淨氣被依次地供入到單個處理室內，而並不是針對處理室內的每種反應氣單獨實現泵送或吹淨操作。

另外，在根據該實施例的沉積系統內，各基片以多個排的方式佈置，從而將氣體供至各基片之間的空間，因而實現均勻薄膜的沉積。

此外，在根據該實施例的沉積系統中，用於打開或關閉處理室的門與料盒保持件一體形成，從而各料盒能夠在打開或關閉處理室的同時被裝載或卸載。

儘管已經說明了一些實施例，但是本領域技術人員應該清楚，這些實施例是示意性給出的，並且在不脫離本發明的精神和範圍的前提下可以實現各種不同的改型、添加、改變和更改。因此，本發明的範圍僅僅由權利要求書限定。

1‧‧‧薄膜沉積系統

10‧‧‧外室

11‧‧‧門

11a‧‧‧密封構件

12‧‧‧開口

20‧‧‧處理室

21‧‧‧門

21a‧‧‧機械密封件

21b‧‧‧密封構件

22‧‧‧開口

23‧‧‧上側壁

24‧‧‧下側壁

27‧‧‧供氣埠

28‧‧‧右側壁

29‧‧‧左側壁

30‧‧‧料盒保持件

40‧‧‧供氣單元

41‧‧‧凹部

42‧‧‧氣體擴散供應區段

43‧‧‧蓋

50‧‧‧排氣單元

60‧‧‧移動單元

61‧‧‧絲杠

62‧‧‧螺母構件

63‧‧‧夾具

70‧‧‧連接構件

71‧‧‧大直徑區段

72‧‧‧小直徑區段

73‧‧‧壓縮彈簧

74‧‧‧壓縮彈簧

C‧‧‧料盒

C1,C2,C3,C4‧‧‧料盒

S‧‧‧基片

S1,S2,S3,S4‧‧‧基片

通過結合附圖給出的實施例的以下說明將清楚本發明的上述和其它方面、特定和優點，其中：圖1是根據本發明一個實施例的薄膜沉積系統的透視圖；圖2是根據本發明示意性實施例的薄膜沉積系統的剖視圖；圖3是根據本發明實施例的薄膜沉積系統的連接構件的剖視圖；圖4是根據本發明實施例的薄膜沉積系統的處理室內裝載的料盒的剖視圖；圖5是根據本發明實施例的薄膜沉積系統的剖視圖；圖6是根據本發明實施例的薄膜沉積系統的剖視圖；並且圖7和圖8是根據本發明實施的薄膜沉積系統的處理室的視圖；圖9和10示出了本發明的操作過程。