TWI522489B - Plasma secondary atomic layer deposition system - Google Patents

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Description

電漿輔原子層沉積系統
本發明係有關於一種原子層沈積技術，更詳而言之，係有關於一種電漿輔原子層沉積系統。
隨著科技的演進，一種原子層沈積(Atomic Layer Deposition,ALD)技術乃被發展出來以形成介電薄膜，ALD技術是利用製程氣體與材料表面進行化學吸附反應，此種反應具有「自我侷限」(self-limited)特性，使得每一次進氣循環的過程，僅形成厚度為一層原子的薄膜，此項特性讓薄膜厚度的精確性可達原子級的尺度。相較於傳統薄膜製程，ALD技術所形成的薄膜，其成長過程被侷限在材料表面，使薄膜具高階梯覆蓋率及極佳的厚度均勻性。
此外，為使製程溫度有效降低，遂有電漿輔原子層沉積(PEALD)技術的誕生，PEALD技術與ALD技術作比較，除了具有製程溫度較低的優點以外，還具有薄膜表面較平整、較佳薄膜電性及短工作週期等優勢。在現有的PEALD系統中，會設置有單一管徑的石英腔體，及可與該石英腔體連通的製程腔體。此外，該石英腔體設置有閘閥，以在PEALD製程進行時透過閘閥的啟閉而讓反應電漿由石英腔體內部進入製程腔體照設基板而產生原子層沉積。
應說明的是，在PEALD的製程中，閘閥是需要頻繁地啟閉，以在ALD前驅物流出時關閉閘閥，而避免ALD前驅物流至電漿腔體或與反應電漿產生CVD(chemical vapor deposition,化學氣相沈積)，但由於一般閘閥啟閉所佔用的時間很長，因而可能會發生ALD前驅物流至電漿腔體而造成污染，或前驅物與反應電漿產生CVD的情形，而影響到基板原子層沉積的結果。此外，現有閘閥並無擴散的結構設計，導致流出於閘閥的反應電漿無法均勻分散於全部基板，而影響成品之良率，且長期頻繁地啟閉閘閥，亦容易造成閘閥的損壞，而使後續維修的成本居高不下。
因此，如何提供一種電漿輔原子層沉積系統，以解決上述閘閥所造成的種種問題，遂為所屬技術領域中所關注的課題。
本發明之主要目的在於提供一種電漿輔原子層沉積系統，以解決上述閘閥所造成的種種問題。
基於上述及其他目的，本發明係提供一種電漿輔原子層沉積系統，係用於在基板上生成薄膜，包括：電漿腔體，主要係由兩個同軸心之不同管徑的石英外管與石英內管所構成，在該石英外管與石英內管之間的環狀空間中會產生反應電漿，該電漿腔體的一側係形成有開口，以供開放該環狀空間而釋出該環狀空間中所產生的反應電漿；製程腔體，係供收容該基板，並具有前驅物進氣環、氮氣進氣盤，且可連通該電漿腔體的開口，該前驅物進氣環係供釋出前驅物而與該基板產生反應，該氮氣進氣盤係設於該前驅物進氣環上方，而提供以背離該電漿腔體的方向流向該前驅物進氣環的氮氣；第一遮板，設於該製程腔體中與該電漿腔體連通的內腔壁，並具有對應該開口環繞設置的多個第一通孔；第二遮板，設於該第一遮板背離該電漿腔體的一側，具有分別對應各該第一通孔的多個第二通孔，各該第二通孔的孔徑係大於與其對應的第一通孔孔徑；以及撥動件，設於該製程腔體內以接觸該第二遮板，用以撥動該第二遮板，俾令該第二遮板相對該第一遮板進行往復旋轉運動，而讓各該對應的第一通孔與第二通孔間歇性地對齊、錯開，當該第一通孔與第二通孔對齊時，該電漿腔體所釋出的反應電漿得依續通過該開口、第一通孔、第二通孔，而進入該製程腔體對該基板產生反應；當該第一通孔與第二通孔錯開時，該第二遮板會遮蔽該開口，而中斷該製程腔體與電漿腔體的連通。
綜上所述，本發明之電漿輔原子層沉積系統係用於在基板上生成薄膜，具有電漿腔體、製程腔體、多個遮板以及撥動件。該電漿腔體為由兩個同軸心之不同管徑的石英管所構成，故能有效把反應電漿均勻分布並侷限於上述兩個石英管之間的環狀空間內，且藉由該些遮板上通孔的對齊與錯開，使反應電漿得均勻照射至基板的大部分面積，而於基板生成均勻分布之薄膜與奈米顆粒，透過該些遮板還可快速地啟閉該製程腔體與電漿腔體的連通，而在適當時候中止反應電漿進入該製程腔體，以避免CVD情形出現。
相較於習知，本發明之電漿輔原子層沉積系統毋需透過閘閥就能控制該電漿腔體中的反應電漿進入該製程腔體，因而不會有因閘閥的損壞而衍生後續維修成本居高不下的問題。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
為改善現有電漿輔原子層沉積設備中的種種問題，本發明乃提供一種電漿輔原子層沉積(PEALD)系統，用於在基板上生成薄膜與奈米顆粒，請參閱第1圖，係為本發明之一實施例之電漿輔原子層沉積系統之系統架構圖。如圖所示，電漿輔原子層沉積系統1係具有電漿腔體11、製程腔體12、第一遮板13、第二遮板14以及撥動件15。該電漿腔體11主要係由兩個同軸心之不同管徑的石英外管111與石英內管112所構成，在該石英外管111與石英內管112之間的環狀空間113中會產生反應電漿，相較於現有的電漿輔原子層沉積系統，本發明的反應電漿係產生在該環狀空間113內而有集聚的效果，故該電漿腔體11可提供分布較為均勻之反應電漿。該電漿腔體11復具有進氣口114，以供注入Ar、O2、N2、Ar/H2或NH3氣體至該石英外管111與石英內管112之間的環狀空間113中，並藉由RF電源供應器18對該電漿腔體11所提供的電能而產生反應電漿。應說明的是，該電漿輔原子層沉積系統1在運作時可持續透過該進氣口114通入Ar氣體，以維持該電漿腔體11穩定地產生反應電漿，並因Ar氣體在電漿中無反應性，故Ar氣體的持續通入並不影響電漿輔原子層的沉積。此外，通入Ar氣體另具有可使反應電漿較易點燃的有益效果。該石英內管112為非真空的並可填充有氮氣(N2)，以避免反應電漿在該石英內管112中產生。
再者，該電漿腔體11之石英外管111外圍環繞多條通有冷卻水之銅管17，以提供冷卻該電漿腔體11，以使該電漿腔體11維持在適當的溫度，甚至還可避免該電漿腔體11因過熱而毀壞。該電漿腔體11的一側係形成有開口115，以供開放該環狀空間113而釋出該環狀空間113中所產生的反應電漿。
該製程腔體12係供收容該基板2，並具有前驅物進氣環121、氮氣進氣盤122，且可與該電漿腔體11的開口115相連通，該前驅物進氣環121係供釋出前驅物而與該基板2產生反應，如第1圖所示，該氮氣進氣盤122係對應該前驅物進氣環121而設置，於本實施例中，該氮氣進氣盤122係設於該前驅物進氣環121上方，而提供以背離該電漿腔體11的方向流向該前驅物進氣環121的氮氣，而使該前驅物進氣環121釋出的前驅物不易回流至該電漿腔體11，進而可有效避免發生前驅物與反應電漿產生CVD的情形。另外，該氮氣進氣盤122具有多個分散排列的氮氣出氣孔1221，以對該前驅物進氣環121釋出前驅物的各部位提供氮氣。
該製程腔體12係連接有真空邦浦16，以提供該電漿腔體11與製程腔體12所需之真空壓力值，所述之真空壓力值較佳為10-2Torr。該製程腔體12的四周復設有加熱裝置123，以加熱該製程腔體12的內腔壁，而使該製程腔體12內腔壁的溫度可維持在70至100℃之間，避免由該前驅物進氣環121釋出的前驅物，因該製程腔體12的內腔壁過冷，而凝結於該製程腔體12的內腔壁上。
該製程腔體12還可設置連接閥125及基板載台126，該連接閥125係供與另一製程腔體(圖未示)連通，而利於未來多腔式系統(cluster system)的發展。該基板載台126係供承載該基板2，該基板載台126內部具有由鉬金屬製成的加熱線圈1261，以對承載於該基板載台126之基板2加熱。於本實施例中，該加熱線圈1261的最高加熱溫度為500℃。
復請一併參閱第2圖，如第1、2圖所示，該第一遮板13係設於該製程腔體12中與該電漿腔體11連通的內腔壁。該第一遮板13具有對應該開口115環繞設置的多個第一通孔131。該第二遮板14係設於該第一遮板13背離該電漿腔體11的一側。該第二遮板14具有分別對應各該第一通孔131的多個第二通孔141。各該第二通孔141的孔徑係大於與其對應的第一通孔131孔徑。較佳地，各該第二通孔141的孔徑尺寸係為與其對應的第一通孔131孔徑尺寸的一至二倍。
該撥動件15係設於該製程腔體12內以接觸該第二遮板14，用以撥動該第二遮板14，俾令該第二遮板14相對該第一遮板13進行往復(或前後)旋轉運動，而讓各該對應的第一通孔131與第二通孔141間歇性地對齊、錯開，以快速地啟閉該製程腔體12與電漿腔體11的連通。該撥動件15可為一撥桿機構而撥動該第二遮板14往復旋轉，於本發明之一實施例中，該第二遮板14的旋轉範圍僅有前後兩個第二通孔141的距離，因此該撥動件15之機構無需使用齒輪等較複雜之組件，單純使用簡單撥桿機構，可避免通入的前驅物吸附於複雜之機構上而產生CVD反應。
再請參閱第3、4圖，係分別為本發明電漿輔原子層沉積系統之第一遮板與第二遮板的通孔對齊與錯開時的系統運作示意圖。如第3圖所示，當該第一通孔131與第二通孔141對齊時，該電漿腔體11所釋出的反應電漿得依續通過該開口115、第一通孔131、第二通孔141，而進入該製程腔體12對該基板2產生反應，此時該前驅物進氣環121係停止釋出前驅物，以避免前驅物與反應電漿產生反應，且因各該第二通孔141的孔徑係大於與其對應的第一通孔131孔徑，而使得反應電漿的照射區域由該開口115至該基板載台126逐漸增加，換言之，反應電漿通過該些遮板13之多個通孔131、141能被均勻分散成數個小束放射狀之反應電漿，而有效增加反應電漿均勻照射到全部基板2的機會。較佳地，反應電漿照射到該基板載台126的區域範圍可涵蓋該基板載台126面積之1/4至3/4。
如第4圖所示，當該第一通孔131與第二通孔(圖未示)錯開時，該第二遮板14會遮蔽該開口115，而中斷該製程腔體12與電漿腔體11的連通，因而電漿腔體11中的反應電漿就無法進入該製程腔體12，此時該前驅物進氣環121就可釋出前驅物至該製程腔體12中而對該基板2進行反應。
綜上所述，本發明之電漿輔原子層沉積系統係用於在基板上生成薄膜，具有電漿腔體、製程腔體、多個遮板以及撥動件。該電漿腔體為由兩個同軸心之不同管徑的石英管所構成，故能有效把反應電漿均勻分布並侷限於上述兩個石英管之間的環狀空間內，且藉由該些遮板上通孔的對齊與錯開，使反應電漿得均勻照射至基板的大部分面積，而於基板生成均勻分布之薄膜與奈米顆粒，透過該些遮板還可快速地啟閉該製程腔體與電漿腔體的連通，而在適當時候中止反應電漿進入該製程腔體，以避免CVD情形出現。
相較於習知，本發明之電漿輔原子層沉積系統毋需透過閘閥就能控制該電漿腔體中的反應電漿進入該製程腔體，因而不會有因閘閥的損壞而衍生後續維修成本居高不下的問題。
上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1．．．電漿輔原子層沉積系統
11．．．電漿腔體
111．．．石英外管
112．．．石英內管
113．．．環狀空間
114．．．進氣口
115．．．開口
12．．．製程腔體
121．．．前驅物進氣環
122．．．氮氣進氣盤
1221．．．氮氣出氣孔
123．．．加熱裝置
125．．．連接閥
126．．．基板載台
1261．．．加熱線圈
13．．．第一遮板
131．．．第一通孔
14．．．第二遮板
141．．．第二通孔
15．．．撥動件
16．．．真空邦浦
17．．．銅管
18．．．RF電源供應器
2．．．基板
第1圖係為本發明之一實施例之電漿輔原子層沉積系統之系統架構圖。
第2圖係為本發明電漿輔原子層沉積系統之第一遮板與第二遮板的放大示意圖。
第3圖係為本發明電漿輔原子層沉積系統之第一遮板與第二遮板的通孔對齊時的系統運作示意圖。
第4圖係為本發明電漿輔原子層沉積系統之第一遮板與第二遮板的通孔錯開時的系統運作示意圖。
1．．．電漿輔原子層沉積系統
11．．．電漿腔體
111．．．石英外管
112．．．石英內管
113．．．環狀空間
114．．．進氣口
115．．．開口
12．．．製程腔體
121．．．前驅物進氣環
122．．．氮氣進氣盤
1221．．．氮氣出氣孔
123．．．加熱裝置
125．．．閘閥
126．．．基板載台
1261．．．加熱線圈
13．．．第一遮板
131．．．第一通孔
14．．．第二遮板
141．．．第二通孔
15．．．撥動件
16．．．真空邦浦
17．．．銅管
18．．．RF電源供應器
2．．．基板

Claims (10)

  1. 一種電漿輔原子層沉積系統，係用於在基板上生成薄膜，包括：電漿腔體，主要係由兩個同軸心之不同管徑的石英外管與石英內管所構成，在該石英外管與石英內管之間的環狀空間中會產生反應電漿，該電漿腔體的一側係形成有開口，以供開放該環狀空間而釋出該環狀空間中所產生的反應電漿；製程腔體，係供收容該基板，並具有前驅物進氣環、氮氣進氣盤，且可連通該電漿腔體的開口，該前驅物進氣環係供釋出前驅物而與該基板產生反應，該氮氣進氣盤係設於該前驅物進氣環上方，而提供以背離該電漿腔體的方向流向該前驅物進氣環的氮氣；第一遮板，設於該製程腔體中與該電漿腔體連通的內腔壁，並具有對應該開口環繞設置的多個第一通孔；第二遮板，設於該第一遮板背離該電漿腔體的一側，具有分別對應各該第一通孔的多個第二通孔，各該第二通孔的孔徑係大於與其對應的第一通孔孔徑；以及撥動件，設於該製程腔體內以接觸該第二遮板，用以撥動該第二遮板，俾令該第二遮板相對該第一遮板進行往復旋轉運動，而讓各該對應的第一通孔與第二通孔間歇性地對齊、錯開，當該第一通孔與第二通孔對齊時，該電漿腔體所釋出的反應電漿得依續通過該開口、第一通孔、第二通孔，而進入該製程腔體對該基板產生反應；當該第一通孔與第二通孔錯開時，該第二遮板會遮蔽該開口，而中斷該製程腔體與電漿腔體的連通。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，該石英內管為非真空的並填充有氮氣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，該電漿腔體復具有進氣口，以供注入Ar、O2、N2、Ar/H2或NH3至該石英外管與石英內管之間的環狀空間中而產生反應電漿。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，該氮氣進氣盤具有多個氮氣出氣孔，以對該前驅物進氣環釋出前驅物的各部位提供氮氣。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，該製程腔體係連接有真空邦浦，以提供該電漿腔體與製程腔體所需之真空壓力值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，該製程腔體復具有加熱裝置，以加熱該製程腔體的內腔壁，而避免該前驅物凝結於該製程腔體的內腔壁。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，該電漿腔體之石英外管外圍環繞多條通有冷卻水之銅管。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，復包括RF電源供應器，係對該電漿腔體提供電能，以在該石英外管與石英內管之間的環狀空間中產生反應電漿。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，該製程腔體復具有閘閥及基板載台，該閘閥係供與另一製程腔體連通，該基板載台係供承載該基板且其內部具有由鉬金屬製成的加熱線圈。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電漿輔原子層沉積系統，其中，各該第二通孔的孔徑尺寸係為與其對應的第一通孔孔徑尺寸的一至二倍。
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