TWI572737B - 薄膜沈積裝置與方法 - Google Patents

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Description

薄膜沉積裝置與方法
本發明是有關於一種薄膜沉積裝置，且更具體而言是一種可改善薄膜品質、避免基板損害且藉由原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)增加產能的薄膜沉積裝置。
做為在基板如半導體晶圓(以下，稱為「基板」)上形成薄膜的沉積方法，已使用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、原子層沉積(ALD)等。
圖13是繪示出自薄膜沉積方法中的原子層沉積的基本概念的示意圖。參照圖13，將說明原子層沉積的基本概念於下。
首先，供應來源氣體(如三甲基鋁(trimethyl aluminium，TMA))至腔室中。來源氣體的來源材料吸附於基板上以在基板上形成吸附層。接著，供應沖洗氣體至腔室內部。將未吸附於基板上的來源氣體的氣體成分與沖洗氣體由腔室排出。在此之後，供應反應氣體至腔室內部。反應氣體與吸附於基板上的來源材料反應。然後，供應沖洗氣體至腔室內部，並將未與來源材料反應的反應氣體與沖洗氣體由腔室排出。藉由上述步驟，在基板上形成 單一原子層的薄膜層。
根據注入方向與注入各種氣體(如來源氣體、反應氣體、沖洗氣體與其他基板表面上的氣體)的方法，有各種用於原子層沉積的習用的薄膜沉積裝置。然而，習用的薄膜沉積裝置有如下問題：其無法同時滿足優良的薄膜品質與基板產能。換句話說，在達到優良的薄膜品質的情況下，基板產能則顯著地降低，而相反地，在基板產能改善的情況下，薄膜品質則下降。
此外，如果使用氣體活化單元，如電漿產生器，以改善基板產能，則活化的氣體將直接供應至基板，而因此造成基板的損傷或在基板的邊緣區域上造成不必要的薄膜沉積。
因此，本發明致力於解決先前技術中所發生的上述問題，且本發明的目的是提供一種薄膜沉積裝置，其可顯著地改善基板產能並增進薄膜品質。
本發明的另一個目的是提供一種薄膜沉積裝置，其可增加基板產能並減少習用的薄膜沉積裝置的佔用面積。此外，本發明的進一步目的是提供一種薄膜沉積裝置，其可避免基板的損害，並且亦避免在活化氣體供應時薄膜沉積在不必要的區域。
為了完成上述目的，一種薄膜沉積裝置包括：腔室，具有預設的內部空間；基板支撐部件，配置於腔室內並且支撐基板；以及氣體供應裝置，具有至少一個供應通道及活化通道，供應通道用以供應處理氣體至基板，活化通道含氣體活化單元用以 活化處理氣體，其中活化通道具有打開的下部與密封的上部。
在薄膜沉積裝置中氣體供應裝置與基板支撐部件中至少一個進行相對於彼此的相對運動。
供應通道包括：至少一個第一供應通道，用以供應來源氣體；以及至少一個第二供應通道，用以供應反應氣體，且第二供應通道相鄰於活化通道。
氣體供應裝置進一步包括：處理氣體引導部件，用以調整處理氣體的注入方向。
供應通道包括：至少一個第一供應通道，用以供應來源氣體；以及至少一個第二供應通道，用以供應反應氣體。而且，處理氣體引導部件包括：至少一個來源氣體引導部件，用以調整來源氣體的注入方向；以及反應氣體引導部件，用以調整反應氣體的注入方向。
氣體供應裝置進一步包括：排氣通道，用以排出基板與氣體供應裝置間的處理氣體。氣體供應裝置包括內部排氣通道，對稱配置於第一供應通道，用以排出殘餘氣體。
第二供應通道對稱配置於第一供應通道。
氣體供應裝置進一步包括：外部排氣通道，配置在活化通道的外側。
供應通道包括：至少一個第一供應通道用以供應來源氣體；以及至少一個第二供應通道用以供應反應氣體。並且，氣體供應裝置包括：內部排氣通道，配置在第一供應通道的一側，且內部排氣通道配置在第一供應通道與第二供應通道之間。
氣體供應裝置不具有任何排出第一供應通道之另一側與第二供應通道之間的殘餘氣體的排氣部件。
氣體供應裝置包括：外部排氣通道，配置於第二供應通道的一側用以排出殘餘氣體，且外部排氣通道對稱配置於第一供應通道。
氣體供應裝置進一步包括：至少一個來源氣體引導部件，用以調整來源氣體的注入方向；以及反應氣體引導部件，用以調整反應氣體的注入方向。
此外，薄膜沉積裝置進一步包括：附屬腔室，具有預設的壓力；來源氣體供應部件，用以選擇性地供應來源氣體至腔室與附屬腔室；以及排氣部件，用以分別自腔室與附屬腔室排出來源氣體。
來源氣體供應部件供應來源氣體至附屬腔室，直到來源氣體的進料量達到預設的進料率，進而供應來源氣體至腔室。
當供應來源氣體至附屬腔室時，基板被負載入或卸載出腔室。
由供應通道供應的處理氣體通過開口部而導入至活化通道中，使處理氣體由氣體活化單元活化。
由氣體活化單元活化的處理氣體通過活化通道而供應至基板上，使基板與氣體供應裝置間未活化的處理氣體活化。
為了完成上述目的，一種薄膜沉積方法包括下述步驟：吸附來源氣體至基板；第一次活化供應至基板上的反應氣體；藉由第一次活化的反應氣體，第二次活化未活化的反應氣體；以及 藉由第二次活化的反應氣體與吸附於基板上的來源材料間的化學反應而形成薄膜。不使用用以沖洗來源氣體或反應氣體的沖洗氣體。
當基板或氣體供應裝置沿著直線路徑移動時，根據本發明的薄膜沉積裝置供應包含處理氣體的各種氣體，以使基板表面上均勻沉積，因此提供了優良品質的薄膜。
此外，根據本發明的氣體供應裝置包括：氣體活化單元的電漿產生部，以提供自由基，因此增進薄膜品質與減少沉積的時間週期。具體而言，當提供自由基時，為了產生自由基的反應氣體不是直接由腔室的上部供應至電漿產生部，而是由「非直接供應的方法」來供應，將由反應氣體供應通道注入的反應氣體供應至活化通道中的電漿產生部，因此避免了基板的損害且提供了優良品質的薄膜。
另外，氣體供應裝置藉由產生自由基的反應氣體沖洗殘餘氣體，而不供應沖洗氣體，使用於沉積製程的氣體總量大幅地降低且簡單化裝置的結構，因此大幅地降低製造成本。
此外，根據本發明的薄膜沉積裝置配置為在主要腔室中進行沉積製程所需的步驟，且在穩定期中穩定來源氣體在附屬腔室中的起始進料量，因此降低沉積所需的沉積時間週期，並改善基板產能。
110‧‧‧腔室
120‧‧‧腔室頂蓋
130‧‧‧腔室主體
134‧‧‧開口部
150‧‧‧基板支撐部件
170‧‧‧加熱部件
172‧‧‧加熱板
174‧‧‧支撐部
200‧‧‧氣體供應裝置
202‧‧‧外蓋
210、230‧‧‧供應通道
212‧‧‧第一供應單元
220、250‧‧‧排氣通道
232‧‧‧第二供應單元
240‧‧‧活化通道
242‧‧‧開口部
300‧‧‧氣體活化單元
310‧‧‧電源電極
312‧‧‧屏蔽構件
410‧‧‧第一供應管道
420、440‧‧‧排氣管道
430‧‧‧第二供應管道
500、510、520‧‧‧來源氣體引導部件
505、512‧‧‧供應狹縫
600‧‧‧反應氣體引導部件
1000‧‧‧薄膜層積裝置
1210‧‧‧腔室
1212‧‧‧第一供應管道
1220‧‧‧附屬腔室
1222‧‧‧第二供應管道
1230‧‧‧來源氣體儲存部件
1250‧‧‧閥門
1240‧‧‧排氣部件
1242、1244‧‧‧控制部件
1300‧‧‧來源氣體供應部
2000‧‧‧薄膜層積裝置
W‧‧‧基板
A、B‧‧‧區域
圖1是根據本發明的優選的實施例的薄膜沉積裝置的側剖面 圖。
圖2是繪示薄膜沉積裝置的氣體供應裝置的結構的側剖面圖。
圖3是繪示圖2的反應氣體的活化步驟的示意圖。
圖4至圖10是繪示根據本發明的另一個優選的實施例的薄膜沉積裝置的氣體供應裝置的結構的側剖面圖。
圖11是繪示薄膜沉積裝置的基本沉積概念的示意圖。
圖12是根據本發明的進一步優選的實施例的薄膜沉積裝置的示意性方塊圖。
圖13是繪示根據先前技術的原子層沉積(ALD)裝置的基本概念的示意圖。
現在將參照附圖，對本發明的優選的實施例揭露予以更詳細說明。
圖1是繪示根據本發明的優選的實施例的薄膜沉積裝置1000的內部結構的側剖面圖。
參照圖1，薄膜層積裝置1000包括：腔室110，具有預設的內部空間，用以進行容納於腔室110中的基板上的沉積；以及基板負載及卸載元件(未繪示)，用以負載與卸載基板。同時，未繪示於圖中，但薄膜沉積裝置可進一步包括：負載鎖室，連接腔室110之一側，用以轉換真空狀態或大氣狀態；多個舟皿，其上負載將被沉積的基板；以及多個舟皿，其上負載完成沉積的基 板。
薄膜層積裝置1000包括：腔室110，具有預設的內部空間；基板支撐部件150，配置於腔室110內並且支撐基板(W)；以及氣體供應裝置200。在此，氣體供應裝置200包括：至少一個供應通道210及230，用以供應處理氣體至基板(W)；以及活化通道240，具有氣體活化單元300，氣體活化單元300用以活化處理氣體(見圖2)。氣體供應裝置200以預設距離與基板支撐部件150分隔開而相對於基板支撐部件150進行相對運動。此外，薄膜沉積裝置可進一步包括：基板負載及卸載元件，用以負載基板(W)至腔室110或由腔室110的內部卸載基板(W)。
腔室110容納有基板(W)於其中，以進行基板的沉積，且具有安裝各種構件的空間。此外，腔室110藉由真空設備如幫浦(未繪示)排出氣體以維持內部處於真空狀態，而提供進行基板處理工作如沉積的環境。
腔室110包括：腔室主體130，具有內部空間及打開的上部；以及腔室頂蓋120，用以開啟與關閉腔室主體130打開的上部。腔室主體130具有開口部134，配置於腔室主體130的一側，且基板(W)通過開口部134而負載進及卸載出腔室110。
同時，在腔室頂蓋120上方配置有供應至少一種處理氣體及沖洗氣體的氣體供應裝置200，且氣體供應裝置200將詳細描述於後。
在腔室110內部配置有支撐基板(W)的基板支撐部件150。基板支撐部件150設置成相對於氣體供應裝置200進行相 對運動。換句話說，基板支撐部件150與氣體供應裝置200中至少一個以預設距離平行另一個而進行相對運動。例如，所有氣體供應裝置200及基板支撐部件150可建構成互相進行相對運動，或基板支撐部件150及氣體供應裝置200中其中一個可相對於另一個進行相對運動。例如，基板支撐部件150與氣體供應裝置200可以此方式建構：固定氣體供應裝置200，而移動基板支撐部件150；或所有基板支撐部件150及氣體供應裝置200皆移動。
然而，在大尺寸或大表面的基板(W)的例子中，為了使基板(W)移動至腔室110內部，腔室110必須是大尺寸的，但此導致沉積裝置的總體佔用面積(footprint)增加。因此，為了進行甚至對大尺寸或大表面的基板的沉積，本發明的實施例可以此方式配置：在沉積製程中，固定基板(W)而氣體供應裝置200進行相對於基板(W)的相對運動。例如，可將氣體供應裝置200配置為以預設距離平行於基板(W)而直線移動。同時，如上所述，當基板(W)沿著直線路徑進行相對運動時，因整個基板的表面區域以相同的速度移動，在沉積製程中，沉積厚度在整個表面區域是一致的。
在此同時，將加熱部件170配置於基板支撐部件150下方。將加熱部件170配置在距支撐基板(W)的基板支撐部件150的預設距離，並且加熱基板(W)。
詳細地說，將加熱部件170沿著基板支撐部件150移動路徑而配置。加熱部件170可包括：例如，至少一個加熱板172 及支撐加熱板172的支撐部174。將加熱板172配置在距支撐基板(W)的基板支撐部件150的預設距離，以加熱基板(W)。在下文中，將參照圖式詳細地描述氣體供應裝置200。
圖2是繪示氣體供應裝置200的詳細結構的放大剖面圖。如上所述，基板支撐部件150及氣體供應裝置200可以此方式配置：基板支撐部件150及氣體供應裝置中至少一個以預設距離平行另一個而進行相對運動。
參照圖2，氣體供應裝置200包括：至少一個供應通道210及230，用以供應處理氣體至基板(W)；以及活化通道240，具有氣體活化單元300用以活化處理氣體。
在此實施例中，氣體活化單元300活化處理氣體或反應氣體以轉變其至活化原子類型或自由基類型的處理氣體或反應氣體。在此，氣體活化單元300可具有電漿產生部、微波產生部、UV輻射部及雷射輻射部中任一種形式。
在此，在以微波產生部的形式而準備氣體活化單元300的例子中，微波產生部利用高於109Hz的超高頻率來活化處理氣體。當微波產生部施加超高頻率時，使處理氣體轉變至活化原子或自由基，然後注入至基板(W)。
此外，在以UV輻射部的形式而準備氣體活化單元300的例子中，處理氣體藉來自UV輻射部的UV輻射轉變至活化原子或自由基，然後注入至基板(W)。
再者，在以雷射輻射部的形式而準備氣體活化單元300的例子中，處理氣體藉來自雷射輻射部的雷射輻射轉變至活化原 子或自由基，然後注入至基板(W)。
在下文中，將說明以電漿產生部的形式而準備的氣體活化單元300。在以電漿產生部的形式而準備氣體活化單元300的例子中，氣體活化單元300包括電源電極310，配置在活化通道240一側的內壁上，且供應電源，而活化通道240另一側的內壁是接地的，以做為接地電極。在此例子中，氣體活化單元300具有屏蔽構件312，配置於活化通道240一側的內壁上，且屏蔽構件312支持電源電極310。電源電極310及氣體供應裝置200藉由屏蔽構件312而彼此電性分離，使電源電極310電性屏蔽於氣體供應裝置200。在此例子中，屏蔽構件312作為支撐部用以支撐電源電極310且電性屏蔽電源電極310。
在此實施例中，氣體供應裝置200以此方式配置：供應由供應通道230供應的處理氣體至活化通道240。即，氣體供應裝置200不直接供應處理氣體或反應氣體至配置有氣體活化單元300的活化通道，而採用「非直接供應的方法」，導入或供應由供應通道230供應的處理氣體或反應氣體至活化通道240。如上所述，當氣體供應裝置200提供處理氣體至氣體活化單元300時，氣體供應裝置200採用非直接供應的方法，為了以下理由。
一般而言，在利用氣體活化單元活化處理氣體的用以沉積基板的裝置的例子中，裝置直接供應其中一種處理氣體，例如反應氣體，如O2，至配置有氣體活化單元的空間、區域或通道中。在此例子中，反應氣體由氣體活化單元活化且供應至位於氣體活化單元下的基板以進行沉積製程。
然而，在習用的裝置中，因為直接供應反應氣體至配置有氣體活化單元的空間、區域或通道中，當反應氣體被活化時，在氣體活化單元的內壁上及/或空間、區域或通道中可能形成不期望的膜。在形成此膜的例子中，因為氣體活化單元的效率可能大幅減少，故需要週期性地除去在區域上沉積的膜，但此可能增加為維護沉積裝置所需的一段時間與花費。此外，在習用的裝置中，因為藉由氣體活化單元活化或自由基化的反應氣體是直接供應至基板(W)，活化的反應氣體可能損害基板(W)，因此，為了解決上述問題，根據本發明的實施例的氣體供應裝置200在配置氣體活化單元300的例子中，不直接供應處理氣體或反應氣體至氣體活化單元300，而將由用於供應反應氣體的供應通道230所供應的反應氣體導入或供應至活化通道240。
詳細地說，活化通道240可具有閉合的上部及朝向活化通道240下方基板(W)打開的下部。在此例子中，活化通道240的上部可由外蓋202屏蔽，外蓋202用以密封腔室頂蓋120的開口部。同時，在氣體供應裝置200中，供應通道230與活化通道240可彼此相鄰。也就是說，供應通道230與活化通道240相鄰，而通過供應通道230下部供應的處理氣體及/或反應氣體導入至相鄰的活化通道240。如上所述，活化通道240是朝向基板(W)打開的，且包括如圖中所示配置於活化通道240下部的開口部242，而使由供應通道230供應的處理氣體通過開口部242而供應至活化通道240，以藉由氣體活化單元300來活化。此外，藉由氣體活化單元300活化的處理氣體通過活化通道240而供應至 基板(W)上，以活化流動於基板(W)與氣體供應裝置200間的未活化的處理氣體。
圖3是繪示在氣體供應裝置200中處理氣體或反應氣體被活化的反應過程的示意圖。
參照圖3，在以電漿產生部的形式而準備氣體活化單元300的例子中，氣體活化單元300包括電源電極310，配置在活化通道240一側的內壁上，且提供電源供應至電源電極310，而活化通道240另一側的內壁是接地的，以做為接地電極。
在此例子中，由相鄰的供應通道230供應反應氣體(例如O2氣體)通過形成於活化通道240下部的開口部242而被導入至活化通道240中，且同時沿著基板(W)的上部流動。導入至活化通道240中的O2氣體藉由氣體活化單元300活化且轉變至活化原子或自由基。如上所述，轉變至活化原子或自由基的O2氣體影響了鄰近的O2氣體，使鄰近的O2氣體也轉變至活化原子或自由基。因此，直接藉由氣體活化單元300活化的O2氣體存在於鄰近氣體活化單元300的區域(A)中，而藉由自由基化的氣體非直接活化的O2氣體則存在於與氣體活化單元300略間隔開的區域(B)中，例如，在活化通道240的下部區域中或在活化通道240與基板(W)間的區域中。最後，在鄰近氣體活化單元300的區域(A)中，氣體以直接電漿(direct plasma)的形式而活化，而在於與氣體活化單元300略間隔開的區域(B)中，氣體則以遠程電漿(remote plasma)的形式而活化。因此，反應氣體不是以直接電漿的形式，而是以遠程電漿的形式供應至基板(W)。如上所述，在 反應氣體以遠程電漿的形式供應至基板(W)的例子中，基板(W)的損害是可防止的。同時，在此實施例中，因為處理氣體或反應氣體不是直接供應至活化單元300，故在氣體活化單元300上沉積的膜可減少。最終，本發明的實施例可解決發生在習用的氣體供應裝置的氣體活化單元中的問題。在下文中，參照圖2，將更詳細地說明氣體供應裝置200的結構。
參照圖2，氣體供應裝置200包括外蓋202，以密封腔室頂蓋120打開的部份。
為了密封腔室頂蓋120的開口部，於腔室頂蓋120上配置外蓋202。因此，未繪示於圖中，為了密封外蓋202與腔室頂蓋120的間隙，可以配置墊片(未繪示)。外蓋202可包括各種管道以供應處理氣體至供應通道210及供應通道230(將說明於下)，或排出廢氣。
詳細地說，外蓋202可包括第一供應管道410，用以供應來源氣體(或第一處理氣體)。第一供應管道410與來源氣體供應源(未繪示)連接，以供應來源氣體至氣體供應裝置200的第一供應通道210(將說明於下)。此外，外蓋202可進一步包括第二供應管道430，用以供應反應氣體(或第二處理氣體)。第二供應管道430與反應氣體供應源(未繪示)連接，以供應反應氣體至第二供應通道230。此外，外蓋202可進一步包括排氣管道420及排氣管道440，用以排出由供應通道210及供應通道230供應的處理氣體。排氣管道420及排氣管道440與幫浦部件(未繪示)連接，以藉由幫浦部件的抽氣動作排出腔室110內部的殘餘氣體。
如上所述，氣體供應裝置200包括供應通道210及供應通道230，用以供應處理氣體，即來源氣體及/或反應氣體。氣體供應裝置200中配置有供應通道210及供應通道230中至少一個，優選為配置有多個供應通道。供應通道可包括至少一個第一供應通道210，用以供應來源氣體；至少一個第二供應通道230，用以供應反應氣體。此外，氣體供應裝置200可進一步包括排氣通道220及排氣通道250，用以排出流動於基板(W)與氣體供應裝置200間的處理氣體。
根據此實施例的氣體供應裝置200包括第一供應通道210，第一供應通道210配置在氣體供應裝置200的中央用以供應來源氣體，且氣體供應裝置200可以第一供應通道210為基準對稱地配置。詳細地說，氣體供應裝置200包括第一供應單元212；以及第一供應通道210，配置在第一供應單元212的內部面。
上述結構在基板(W)與氣體供應裝置200的相對運動是往復於預設距離的往復運動的例子中是較佳的。例如，當基板(W)沿著預設長度的直線移動路徑往復時，甚至在只配置一個氣體供應裝置200的例子中，仍可充分地沉積沿著氣體供應裝置200的下部移動的基板(W)。此外，當基板(W)在一方向與相反方向往返時，較佳的是氣體供應裝置200以其中間的第一供應通道210為基準對稱地形成，藉此即使基板(W)以任意方向移動仍可被沉積。
第一供應通道210由第一供應管道410獲得來源氣體， 且供應來源氣體至位於第一供應通道210下方的基板(W)。在此同時，氣體供應裝置200可包括一對內部排氣通道220，配置於第一供應通道210的兩側用以排出殘餘氣體。為了避免由第一供應通道210供應的來源氣體與反應氣體(將說明於下)混合，則以第一供應通道210為基準對稱地配置一對排氣通道220。
氣體供應裝置200可包括相鄰於內部排氣通道220的用以供應反應氣體的第二供應通道230。在本發明的實施例中，第二供應通道230以第一供應通道210為基準對稱地配置。第二供應通道230由第二供應管道430獲得反應氣體，且供應反應氣體至位於第二供應通道230下方的基板(W)。詳細地說，氣體供應裝置200包括第二供應單元232及配置於第二供應單元232內部的第二供應通道230。
在此例子中，內部排氣通道220配置在第一供應單元212與第二供應單元232之間的空間中。即是，本發明的實施例對於內部排氣通道220不需要額外的單元，而使氣體供應裝置的材料花費減少，且使總體積減少。
此外，氣體供應裝置200可包括相鄰於第二供應通道230的活化通道240。活化通道240在其上部是密封的，且在其下部配置有開口部242，藉此使活化通道240朝向基板(W)是打開的。如上所述，活化通道240有氣體活化單元300用以活化反應氣體，且供應反應氣體，將由相鄰的第二供應通道230供應的反應氣體通過開口部242而導入至活化通道240，然後將反應氣體活化。活化通道240的結構與運作已說明於上，因此將省略重 複的說明。同時，未繪示於圖中，但活化通道可配置於第一供應通道與第二供應通道之間，即於第一供應單元與第二供應單元之間。
因此，在氣體供應裝置200中，用於排出殘餘氣體的內部排氣通道220與用於供應反應氣體的第二供應通道230以第一供應通道210為基準而對稱地配置，且活化通道240配置相鄰於第二供應通道230。
在此同時，氣體供應裝置200可進一步包括外部排氣通道250，配置於活化通道240的外側，用以排出殘餘氣體。將由第二供應通道230供應的反應氣體通過活化通道240的下部導入至活化通道240或在經過活化通道240後供應至氣體供應裝置200的邊緣。在藉由基板(W)與氣體供應裝置200的相對運動進行沉積的例子中，當反應氣體由氣體供應裝置200漏出時，可能會降低下一次沉積製程的效率。因此，將外部排氣通道250配置在氣體供應裝置200的邊緣，即在活化通道240的外側，而排出殘餘氣體，即供應後的反應氣體。
最後，將氣體供應裝置200以位於中央用以供應來源氣體的第一供應通道210為基準對稱地配置，且依序包括內部排氣通道220；第二供應通道230，用以供應反應氣體；活化通道240，具有用以活化反應氣體的氣體活化單元300；以及外部排氣通道250。
由第一供應通道210供應的來源氣體在基板(W)的上部上形成單一分子層，且通過內部排氣通道220排出。接著，供應 至基板(W)的反應氣體通過第二供應通道230沿著基板(W)的上部移動，且通過相鄰的活化通道240的開口部242而導入至活化通道240中。導入至活化通道240中的反應氣體藉由氣體活化單元300而活化，且位於活化通道240下方的反應氣體也藉由連續的反應而活化，然後與基板(W)的來源材料反應，而形成單一原子層的薄膜。經過活化通道240的殘餘氣體由外部排氣通道250排出。
在此同時，氣體供應裝置200不供應含有未活化氣體如氬氣(Ar)的沖洗氣體。圖11是繪示根據本發明的實施例的薄膜沉積裝置的基本沉積概念的示意圖。參照圖11，根據本發明的實施例的薄膜沉積裝置注入含有來源材料的來源氣體至基板上，然後簡單地排出未反應的殘餘氣體而未供應未活化的沖洗氣體。因此，藉由注入含有反應物如臭氧(O3)的反應氣體與來源材料反應，且簡單地排出未反應的材料/副產物，而未供應未活化的沖洗氣體，根據本發明的實施例的薄膜沉積裝置在基板上形成單一原子層(AI-O)。因此，本發明的實施例不需要供應沖洗氣體，因為透過簡單的排出過程可充分地排出殘餘氣體，而因此避免反應氣體與來源氣體相混合。
現在，具有上述結構的薄膜沉積裝置的沉積製程將說明如下。
首先，薄膜層積裝置1000藉由氣體供應裝置200供應來源氣體至基板(W)上，以此方式使來源氣體吸附於基板(W)上。在此例子中，將來源氣體通過氣體供應裝置200的第一供應通道 210供應至基板(W)上。供應至基板(W)上的來源氣體被吸附於基板(W)。而未被吸附於基板(W)的來源氣體則由氣體供應裝置200的內部排氣通道220排出。
在此同時，將反應氣體由氣體供應裝置200供應至基板(W)上。在此例子中，反應氣體由氣體供應裝置200的第二供應通道230供應至基板(W)上。如上所述，供應至基板(W)上的反應氣體沿著基板(W)與氣體供應裝置200間的空間流動，且一些反應氣體被導入至活化通道240中。
在此，將注入至基板(W)上與流動於基板(W)與氣體供應裝置200間的反應氣體活化。活化的步驟包括：第一次活化步驟，由配置於氣體供應裝置200中的氣體活化單元300第一次活化反應氣體；第二次活化步驟，由在第一次活化步驟中第一次活化的反應氣體第二次活化在基板(W)與氣體供應裝置200間的反應氣體。即在第一次活化步驟中，導入至活化通道240中的反應氣體由氣體活化單元300直接活化。在此之後，在第二次活化步驟中，在第一次活化步驟中活化的反應氣體非直接地活化流動於基板(W)與氣體供應裝置200間的未活化的反應氣體。
接下來，第二次活化的反應氣體與吸附於基板(W)上的來源材料進行化學反應，而形成單一原子層薄膜。在薄膜沉積後殘留的氣體則由內部排氣通道220及/或外部排氣通道250排出。同時，在上述步驟中，基板(W)與氣體供應裝置200中至少一個進行相對於另一個的相對運動。
在此同時，原子層沉積是藉由注入來源氣體，如三甲基 鋁(trimethyl aluminium，以下簡稱‘TMA’)，以在基板上吸附單一分子層，並且藉由注入含有反應物的反應氣體，如臭氧(O3)，以在基板上形成單一原子層(Al-O)。因此，在原子層沉積中，調整所供應的處理氣體的量是重要的，特別是，調整來源氣體TMA的供應量。換句話說，原子層沉積由僅一次的沉積製程而形成單一原子層，而當重複沉積製程時，則可形成期望厚度的薄膜。如果由一次的沉積製程，不是形成單一原子層而是形成多個原子層，則無法保證薄膜的品質，且根據沉積製程的次數調整薄膜的厚度是困難的。為了形成單一原子層，當供應TMA時，在沉積製程期間避免TMA供應多於需要的進料流率是重要的。如果，TMA供應多於需要的進料流率，在基板上可能形成多個分子層。為了供應TMA少於進料流率，必須控制來源氣體供應源或供應TMA的第一供應管道。然而，因為TMA被加壓且藉由蒸氣壓而供應，降低TMA的供應量至小於進料流率可能是困難的。此外，在由原子層沉積的薄膜沉積裝置的例子中，避免供應至基板(W)的來源氣體及反應氣體直接互相混合是重要的。因此，在下文中，將說明另一個優選的薄膜沉積裝置的實施例，其包括處理氣體引導部件，用以調整來源氣體進料量與調整處理氣體的注入方向，以避免來源氣體與反應氣體混合。處理氣體引導部件可包括：至少一個來源氣體引導部件500(見圖4)，用以調整來源氣體的注入方向；以及反應氣體引導部件600(見圖6)，用以調整反應氣體的注入方向。在下文中，將更詳細地說明處理氣體引導部件。
圖4是繪示根據本發明的另一個優選的實施例的氣體供應裝置的結構的側剖面圖。此實施例與上述的實施例不同，其不同在於薄膜沉積裝置進一步包括在第一供應通道210下方的來源氣體引導部件500。
參照圖4，根據此實施例的氣體供應裝置200進一步包括：來源氣體引導部件500，用來調整來源氣體的注入方向，而調整來源氣體至基板(W)的注入量或進料量。
例如，來源氣體引導部件500配置於具有第一供應通道210的第一供應單元212下方，且垂直配置於第一供應通道。在此例子中，用於排出供應的來源氣體的內部排氣通道220配置在第一供應通道210的兩側，且具有預設尺寸的供應狹縫505形成於來源氣體引導部件500與內部排氣通道220的內壁間，即第二供應單元232的外壁。因此，通過第一供應通道210供應的來源氣體藉由來源氣體引導部件500而彎曲方向，使相對大量的來源氣體通過內部排氣通道220而排出，而相對小量的來源氣體通過供應狹縫505而供應至基板(W)。最後，透過位於第一供應單元212下方的來源氣體引導部件500，根據本發明的實施例的薄膜沉積裝置可藉由調整來源氣體供應至基板(W)的注入方向，而降低來源氣體的進料量。
同時，圖5繪示根據本發明的另一個優選的實施例的來源氣體引導部件510的結構。此實施例與圖4的實施例不同，其不同在於來源氣體引導部件510是與第一供應單元212分隔開而與內部排氣通道220末端部份連結。在此例子中，來源氣體引導 部件510可由內部排氣通道220末端部份，即第二供應單元232的末端部份，延伸至第一供應通道210。
參照圖5，第一供應通道210短於內部排氣通道220，且來源氣體引導部件510由第二供應單元232的外壁凸出至第一供應通道210。一對來源氣體引導部件510各自由第二供應單元232的外壁凸出至第一供應通道210，且將來源氣體引導部件510間的空間當作供應狹縫512來供應來源氣體。因此，由第一供應通道210供應的來源氣體擴散至第一供應通道210與來源氣體引導部件510之間的空間。相對大量的氣體通過內部排氣通道220而排出，而相對小量的氣體通過供應狹縫512而供應至基板(W)。
同時，來源氣體引導部件500及來源氣體引導部件510可與具有第一供應通道210的第一供應單元212一體成形，或可藉由另外的構件連接第一供應單元212。
圖6到圖9繪示根據本發明的另一個優選的實施例的氣體供應裝置，用以避免反應氣體與來源氣體的混合且引導反應氣體及/或來源氣體的注入方向。在圖中，氣體供應裝置200可進一步包括反應氣體引導部件600，用以避免由第二供應通道230供應的反應氣體與來源氣體混合，且用以引導反應氣體面向活化通道240。圖6到圖8分別繪示在圖2、4及5的氣體供應裝置中額外地配置反應氣體引導部件600的實施例。此外，圖9繪示另一個實施例，其第一供應通道210相對短於內部排氣通道220，以避免反應氣體與來源氣體彼此直接混合，且其配置有反應氣體 引導部件600。
參照圖6到圖9，反應氣體引導部件600配置於具有第二供應通道230的第二供應單元232的末端部份用以提供反應氣體，且引導由第二供應通道230供應的反應氣體的流動路徑至面向活化通道240。
詳細地說，反應氣體引導部件600可由具有第二供應通道230的第二供應單元232凸出預設的長度至活化通道240。因此，由第二供應通道230供應的反應氣體不與來源氣體混合，而是面向活化通道240。反應氣體引導部件600可與具有第二供應通道230的第二供應單元232一體成形，或可藉由另外的構件連接第二供應單元232。同時，圖7及圖8中的來源氣體引導部件500及來源氣體引導部件510已說明於上，因此將省略重複的說明。
圖10是根據本發明的另一個優選的實施例的氣體供應裝置200的側剖面圖。此實施例與上述的實施例不同，不同在於其非配置一對內部排氣通道220，而是僅配置用以排出來源氣體的一個內部排氣通道220。
參照圖10，氣體供應裝置200包括：第一供應通道210，用以供應來源氣體；至少一個第二供應通道230，用以供應反應氣體；內部排氣通道220，配置於第一供應通道210之一側，內部排氣通道220配置於第一供應通道210與第二供應通道230之間；以及外部排氣通道250，配置在第二供應通道230之一側，用以排出殘餘氣體。在此例子中，內部排氣通道220的末 端部份與第一供應通道210的末端部份相連通。此外，第二供應通道230及外部排氣通道250可以第一供應通道210為基準對稱地配置。
詳細地說，用以排出來源氣體的內部排氣通道220配置在用以供應為處理氣體中之一種的來源氣體的第一供應通道210之一側。也就是說，與上述實施例不同，根據此實施例的薄膜沉積裝置非在第一供應通道210之兩側具有一對排氣通道，而是僅在第一供應通道210之一側具有一個內部排氣通道220。參照圖10，內部排氣通道220配置於第一供應通道210之右側。然而，當然，本發明的實施例不限於上，而內部排氣通道可配置於第一供應通道210之左側。
同時，第一供應通道210與至少一個第二供應通道230可彼此鄰接。也就是說，在僅有一個內部排氣通道220的例子中，在未配置有內部排氣通道220之一側，第一供應通道210與第二供應通道230彼此鄰接，且更詳細地說，具有第一供應通道210的第一供應單元212與具有第二供應通道230的第二供應單元232彼此鄰接。此外，在未配置有內部排氣通道220的第一供應通道210的另一側，即在第一供應通道210的另一側與第二供應通道230之間，未配置有任何用以排出殘餘氣體的排氣部件。如上所述，因為排氣通道只配置在第一供應通道210之一側，故氣體供應裝置200的總體結構可以更簡單化，且因此可以縮小氣體供應裝置200的總體積。
然而，在上述結構中，因為內部排氣通道220配置在第 一供應通道210的一側，即只在第一供應通道210的右側，所以根據基板(W)的移動方向，可能不能有效地將來源氣體排出，也就是說，在圖10中，當氣體供應裝置200往左移動(在此例子中基板(W)往右移動)，由第一供應通道210供應的來源氣體能相對順利地排出至內部排氣通道220，相反地，當氣體供應裝置200往右移動(在此例子中基板(W)往左移動)，由第一供應通道210供應的來源氣體則不能相對順利地排出至內部排氣通道220，因此，在此實施例中，氣體供應裝置可進一步包括來源氣體引導部件520，以改變由第一供應通道210供應的來源氣體的移動方向。
例如，來源氣體引導部件520可以在垂直的方向或以預設角度傾斜的方式，由具有第一供應通道210的第一供應單元212的末端部延伸至內部排氣通道220。參照圖10，來源氣體引導部件520是以在垂直的方向，由第一供應通道210的末端部延伸至內部排氣通道220，但是本發明的實施例不限定於上，且可向上或向下傾斜而形成。因此，來源氣體供應的方向或來源氣體供應至基板(W)的角度可根據來源氣體引導部件520的傾斜角度來調整。來源氣體引導部件520可與第一供應單元212一體成形，以形成第一供應通道210，或可藉由另外的構件連接第一供應單元212。
由第一供應通道210供應的來源氣體藉由來源氣體引導部件520而改變移動方向以面對內部排氣通道220，且因此，相對大量的氣體排出至內部排氣通道220，而相對小量的氣體供應 至基板(W)。最後，根據本發明的實施例的薄膜沉積裝置可藉由來源氣體引導部件520來改變來源氣體的移動方向，以更順利地由排氣通道排出來源氣體，且可降低供應至基板的來源氣體的量，以更準確地進行沉積製程。同時，來源氣體引導部件520與第一供應單元212分隔開且形成於內部排氣通道220的末端部。在此例子中，來源氣體引導部件520由內部排氣通道220的末端部延伸至第一供應通道210。
在此同時，氣體供應裝置200包括第一供應通道210，配置於氣體供應裝置200之中央用以供應來源氣體；以及內部排氣通道220用以排出殘餘氣體，且氣體供應裝置200可以第一供應通道210與內部排氣通道220為基準對稱地配置。因為，用以供應反應氣體的第二供應通道230，具有氣體活化單元300的活化通道240，及外部排氣通道250與上述的實施例的該些構件相似，將省略其重複的說明。此外，根據此實施例的氣體供應裝置200可包括上述反應氣體引導部件600。因已說明於上，故將省略反應氣體引導部件600的重複說明。
同時，在由原子層沉積的薄膜沉積裝置的例子中，改善基板產能是重要的，且為此，降低沉積的時間週期也是重要的。然而，為了進行沉積製程，例如，在沉積Al2O3的例子中，起初將供應TMA，且在此例子中，一般而言TMA的起始進料量仍多於沉積製程所需的進料量，且在一些例子中，必須供應氣相的來源氣體，但可能供應了液相的來源氣體，如上所述，如果供應了過多的TMA或供應了液相的來源氣體，在沉積製程期間，則可 能不是形成單一原子層而是多個原子層，且因此造成薄膜的品質及沉積製程的準確度的下降。因此，在供應TMA為來源氣體的例子中，必須具有時間週期(以下，稱為穩定期)，藉由減少來源氣體的進料量直到達到沉積製程中所需的進料量，以穩定沉積製程。最後，在穩定期中，不能準確地進行沉積製程，且會排出來源氣體直到來源氣體的進料量穩定為止，使得沉積製程週期增加。如果沉積週期延長，則會導致薄膜沉積裝置的基板產能的下降及初始薄膜品質的下降，如折射率(R.I)、蝕刻率、膜密度等。以下，將說明根據一個進一步的實施例以解決上述問題的薄膜沉積裝置。
圖12是繪示根據本發明的進一步實施例的薄膜沉積裝置結構的示意性方塊圖。
參照圖12，薄膜沉積裝置2000包括：腔室1210，容納基板(W)用以進行沉積製程；附屬腔室1220，具有實質上與在腔室1210中進行沉積製程的壓力相同的壓力或預設量(300mmTorr至1.2Torr)的真空壓力；來源氣體供應部1300，用以選擇性地供應來源氣體至腔室1210與附屬腔室1220；排氣部件1240，分別適用於排出腔室1210與附屬腔室1220中的來源氣體；以及控制部件1242及1244，用以調整排氣部件1240的排氣量。
腔室1210容納基板(W)於其中以進行沉積製程，且因已經說明於上，將省略腔室1210的說明。
同時，附屬腔室1220具有內部壓力實質上與在腔室1210中進行 沉積製程的壓力相同的壓力或預設量(300mmTorr至1.2Torr)的真空壓力。對此，附屬腔室1220可具有預設的空間或可直接配置於排出氣體的管道結構的內部(未繪示於圖中)。在此例子中，附屬腔室1220越大，薄膜沉積裝置2000的總體佔用面積越大，而因此可將附屬腔室1220配置成小於腔室1210。附屬腔室1220具有閥門以調整預設量的壓力且具有可同時放入來源氣體與非活化氣體(Ar、N2、He及其他)的結構。
同時，在穩定期中，在供應來源氣體至腔室1210前，來源氣體供應部1300供應來源氣體至附屬腔室1220。如上所述，當初始供應TMA為來源氣體時，如果TMA的起始進料量仍多於沉積製程所需的進料量，來源氣體會先供應至附屬腔室1220直到TMA的進料量穩定為止。在穩定期中，供應至附屬腔室1220的來源氣體由排氣部件1240排出至腔室外。持續地，在穩定期經過之後，當來源氣體的進料量達到沉積所需的進料量時，來源氣體供應部1300停止供應來源氣體至附屬腔室1220而供應來源氣體至腔室1210。也就是說，在來源氣體進料量達到先前預設的供應率的穩定期中，來源氣體供應部1300供應來源氣體至附屬腔室1220，然後，在來源氣體的進料量達到所需的進料率後，供應來源氣體至腔室1210。
在穩定期中藉由來源氣體供應部1300供應來源氣體至附屬腔室1220，沉積製程必要的步驟則可在腔室1210中進行。例如，可將其上未形成薄膜的基板(W)負載至腔室1210中。此外，可將其上已形成薄膜且處理完成的基板(W)由腔室1210中卸 載，並且可調整腔室1210的內部壓力。在穩定期中，為穩定來源氣體的進料量，而將來源氣體由附屬腔室1220中排出。附屬腔室1220的排氣可避免來源氣體藉由在與連接腔室1210的來源氣體供應管道中的飽和蒸氣壓而相變化至液相，並以避免液相來源材料的供應。最後，腔室1210可進行沉積製程所需的準備步驟且可穩定在附屬腔室1220中的來源氣體的進料量，以降低沉積製程所需的總時間週期。因此，根據本發明的實施例的薄膜沉積裝置由於沉積的時間週期的降低，而可增加基板的佔用面積。
來源氣體供應部1300可以各種方式實施，例如，可包括：來源氣體儲存部件1230，用以儲存來源氣體；第一供應管道1212，用以連接來源氣體儲存部件1230與腔室1210彼此；第二供應管道1222，分支自第一供應管道1212以供應來源氣體至附屬腔室1220；以及閥門1250，用以選擇性地開啟第一供應管道1212與第二供應管道1222
因此，在初始供應來源氣體的例子中，當使用者操縱閥門1250時，來源氣體通過第二供應管道1222供應至附屬腔室1220，接下來，在穩定期經過之後，當來源氣體的進料量穩定時，使用者再次操縱閥門1250，以通過第一供應管道1212供應來源氣體至腔室1210。
如上所述，儘管已參考例示性實施例具體地繪示且描述了本發明，但本領域中具有通常知識者應理解，上述本發明的實施例是例示性的，在不脫離如由所附申請專利範圍所定義出之本發明的技術理念與範疇的情況下，可在本發明中進行各種改變與 修飾。因此，應理解的本發明的改變與修飾應屬於本發明技術的範圍內，如果其本質上包括由所附申請專利範圍所定義的構件與部件。
120‧‧‧腔室頂蓋
150‧‧‧基板支撐部件
200‧‧‧氣體供應裝置
202‧‧‧外蓋
210、230‧‧‧供應通道
212‧‧‧第一供應單元
220、250‧‧‧排氣通道
232‧‧‧第二供應單元
240‧‧‧活化通道
242‧‧‧開口部
300‧‧‧氣體活化單元
310‧‧‧電源電極
312‧‧‧屏蔽構件
410‧‧‧第一供應管道
420、440‧‧‧排氣管道
430‧‧‧第二供應管道
W‧‧‧基板

Claims (20)

  1. 一種薄膜沉積裝置，包括：一腔室，具有預設的內部空間；一基板支撐部件，配置於該腔室內並且支撐一基板；以及一氣體供應裝置，具有至少一個供應通道及一活化通道，該供應通道用以供應一處理氣體至該基板，該活化通道含有一氣體活化單元用以活化該處理氣體，其中該活化通道具有一打開的下部與一密封的上部，不直接供應該處理氣體至配置有該氣體活化單元的該活化通道，由該供應通道供應的該處理氣體通過該打開的下部而供應至該活化通道中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置與該基板支撐部件中至少一個進行相對於彼此的相對運動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該供應通道包括：至少一個第一供應通道，用以供應一來源氣體；以及至少一個第二供應通道，用以供應一反應氣體，且該第二供應通道相鄰於該活化通道。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置進一步包括：一處理氣體引導部件，用以調整該處理氣體的注入方向。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之薄膜沉積裝置，其中該供應通道包括： 至少一個第一供應通道，用以供應一來源氣體；以及至少一個第二供應通道，用以供應一反應氣體；且其中，該處理氣體引導部件包括：至少一個來源氣體引導部件，用以調整該來源氣體的注入方向；以及一反應氣體引導部件，用以調整該反應氣體的注入方向。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置進一步包括：一排氣通道，用以排出該基板與該氣體供應裝置間的該處理氣體。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置包括一內部排氣通道，對稱配置於該第一供應通道，用以排出一殘餘氣體。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之薄膜沉積裝置，其中該第二供應通道對稱配置於該第一供應通道。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置進一步包括：一外部排氣通道，配置在該活化通道的外側。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該供應通道包括：至少一個第一供應通道，用以供應一來源氣體；以及至少一個第二供應通道，用以供應一反應氣體；且其中，該氣體供應裝置包括：一內部排氣通道，配置在該第一供應通道的一側，且該內部排氣通道配置在該第一供應通道與該第二供應通道之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置不具有任何排出該第一供應通道之另一側與該第二供應通道之間的一殘餘氣體的排氣部件。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置包括：一外部排氣通道，配置於該第二供應通道的一側，用以排出一殘餘氣體，且該外部排氣通道對稱配置於該第一供應通道。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之薄膜沉積裝置，其中該氣體供應裝置進一步包括：至少一個來源氣體引導部件，用以調整該來源氣體的注入方向；以及一反應氣體引導部件，用以調整該反應氣體的注入方向。
  14. 如申請專利範圍第1項至第13項任一項所述之薄膜沉積裝置，進一步包括：一附屬腔室，具有預設的壓力；一來源氣體供應部件，用以選擇性地供應該來源氣體至該腔室與該附屬腔室；以及一排氣部件，用以分別自該腔室與該附屬腔室排出該來源氣體。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之薄膜沉積裝置，其中該來源氣體供應部件供應該來源氣體至該附屬腔室，直到該來源氣體的進料量達到預設的進料率，進而供應該來源氣體至該腔室。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之薄膜沉積裝置，其中當供應該來源氣體至該附屬腔室時，該基板被負載入或卸載出該腔室。
  17. 如申請專利範圍第1項至第10項任一項所述之薄膜沉積裝置，其中供應至該活化通道中的該處理氣體由該氣體活化單元活化。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之薄膜沉積裝置，其中由該氣體活化單元活化的該處理氣體通過該活化通道而供應至該基板上，使該基板與該氣體供應裝置間未活化的該處理氣體活化。
  19. 一種薄膜沉積方法，包括下述步驟：吸附一來源氣體至一基板；第一次活化供應至該基板上的一反應氣體；藉由第一次活化的該反應氣體，第二次活化未活化的該反應氣體；以及藉由第二次活化的該反應氣體與吸附於該基板上的一來源材料間的化學反應而形成一薄膜。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之薄膜沉積方法，其中不使用用以沖洗該來源氣體或該反應氣體的一沖洗氣體。
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