TWI614365B - 薄膜沉積方法 - Google Patents

Abstract

一種加熱器模組，應用於一薄膜沉積裝置。加熱器模組包括一氣體混合室、一反應室以及一加熱器。氣體混合室包括至少一氣體分散板及一擋板，擋板設置於氣體分散板上方。反應室設置於氣體混合室下游(downstream)，並與氣體混合室相連通。加熱器鄰設於氣體混合室。

Description

薄膜沉積方法

本發明是關於一種加熱器模組，特別是關於一種使用加熱器模組製備高品質薄膜的薄膜沉積裝置及方法。

化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)裝置可分為熱壁式(hot-wall)沉積裝置及冷壁式(cold-wall)沉積裝置。由於冷壁式沉積裝置可藉由沉積時間的改變而調控薄膜成長的層數，且具有膜厚均勻性佳等優點，故相較於熱壁式沉積裝置更適合用來製備奈米尺度的二維層狀材料。然而，傳統的冷壁式沉積裝置僅對基板進行加熱，故不同管路的反應氣體需到達基板表面才有足夠的熱源進行化學反應。由於薄膜成長前的化學反應是影響薄膜品質的重要因素，因而於薄膜成長前，不同管路的反應氣體需維持於高溫狀態，以便進行充分的化學反應，進而提升沉積薄膜的品質。

因此，如何提供一種加熱器模組，以提升沉積薄膜的品質，實為當前重要的課題之一。

有鑑於此，本發明之目的為提供一種加熱器模組、薄膜沉積裝置及方法，以提升沉積薄膜的品質。

為達上述目的，本發明提供一種加熱器模組，應用於一薄膜沉積裝置。加熱器模組包括一氣體混合室、一反應室以及一加熱器。氣體混合室包括至少一氣體分散板及一擋板，擋板設置於氣體分散板上方。反應室設置於氣體混合室下游，並與氣體混合室相連通。加熱器鄰設於氣體混合室。

在一實施例中，氣體混合室更包括複數個進氣通道。

在一實施例中，氣體分散板具有複數個通孔。

在一實施例中，加熱器是選自燈泡、燈管、加熱線圈其中之一或其組合。

在一實施例中，擋板為石英板。

為達上述目的，本發明提供一種薄膜沉積裝置包括一製程腔室以及至少一氣體供應管路。製程腔室包括一基座及一前述的加熱器模組。至少一氣體供應管路與加熱器模組相連接。

在一實施例中，薄膜沉積裝置為冷壁式化學氣相沉積裝置。

為達上述目的，本發明提供一種薄膜沉積方法，包括以下步驟：加熱一基板至一反應溫度；提供一第一反應氣體及一第二反應氣體；隔絕第一反應氣體及第二反應氣體；使第一反應氣體及第二反應氣體保持於一預熱溫度；於預熱溫度下，混合第一反應氣體及第二反應氣體以進行成膜反應；以及於基板上沉積一薄膜。

在一實施例中，提供第一反應氣體及第二反應氣體的步驟更包括：加熱一第一前驅物至一第一溫度，以產生第一反應氣體；以及加熱一第二前驅物至一第二溫度，以產生第二反應氣體。

在一實施例中，預熱溫度為500~800℃。

在一實施例中，第一前驅物是選自過渡金屬化合物。

在一實施例中，第二前驅物是選自硫、硒、碲等硫族元素其中之一。

承上所述，本發明藉由在薄膜沉積裝置中增設加熱器模組，使第一反應氣體及第二反應氣體在混合前先進行預熱的步驟，並確保第一反應氣體及第二反應氣體可於高溫狀態下進行混合反應，以使薄膜成長前的化學反應更完全，改善了習知技術中只對基板加熱的缺點，故本發明的加熱器模組、薄膜沉積裝置及方法可達成製備高品質薄膜的功效。

1‧‧‧第一前驅物

1a‧‧‧第一反應氣體

2‧‧‧第二前驅物

2a‧‧‧第二反應氣體

3‧‧‧製程腔室

4‧‧‧基座

5‧‧‧基板

6‧‧‧第二加熱源

7‧‧‧第一加熱源

8‧‧‧第一載流氣體

9‧‧‧第二載流氣體

10a‧‧‧第二氣體供應管路

10b‧‧‧第一氣體供應管路

11‧‧‧加熱器模組

100‧‧‧薄膜沉積裝置

111‧‧‧反應室

112‧‧‧氣體分散板

113‧‧‧氣體混合室

114‧‧‧擋板

115‧‧‧加熱器

1121‧‧‧通孔

1131、1132、1133、1134‧‧‧進氣通道

S10~S15‧‧‧方法步驟

G‧‧‧氣體

圖1為本發明一實施例中薄膜沉積裝置的示意圖。

圖2A為本發明一實施例中加熱器模組的側視圖。

圖2B至圖2F為圖2A中各元件的俯視圖。

圖3為本發明一實施例中成長MoS₂薄膜的溫度與時間關係圖。

圖4為本發明一實施例中MoS₂薄膜的拉曼光譜圖。

圖5A為本發明一實施例中於MoS₂薄膜上不同量測位置的示意圖。

圖5B為圖5A中各量測位置的光激螢光(PL)光譜圖。

圖6為本發明一實施例中薄膜沉積方法的流程示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明具體實施例的加熱器模組、薄膜沉積裝置及方法，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明，所附圖式僅為說明用途，並非用於侷限本發明。

關於本文中所使用之「連接」的用詞，除了包括元件與元件直接的相連，亦包括元件與元件間接的相連，例如二元件之間可能另包括介質或其他元件。其中，部分已知的元件可能會省略以避免模糊本發明的概念。

圖1為本發明一實施例中薄膜沉積裝置的示意圖。請參閱圖1所示，本發明提供一種薄膜沉積裝置100，包括一製程腔室3、一第一氣體供應管路10b以及一第二氣體供應管路10a。製程腔室3包括一基座4及一加熱器模組11。基座4可隨製程需要升降以調整基板5與加熱器模組11之距離，第一氣體供應管路10b及第二氣體供應管路10a分別與加熱器模組11相連接，其中薄膜沉積裝置100可以是冷壁式化學氣相沉積裝置。此外，第一氣體供應管路10b及第二氣體供應管路10a的周圍設置有一第一加熱源7，以對第一前驅物1及第二前驅物2進行加熱。基座4可承載一基板5，並設置有一第二加熱源6，以對基板5進行加熱。

圖2A為本發明一實施例中加熱器模組的側視圖。請參閱圖2A所示，本發明提供一種加熱器模組11，可裝設於圖1的薄膜沉積裝置100內。加熱器模組11包括一氣體混合室113、一反應室111以及一加熱器115。氣體混合室113包括至少一氣體分散板112及一擋板114。圖2B至2F為圖2A中各元件的俯視圖。請參閱圖2A至2F所示，氣體混合室113 可包括複數個進氣通道(1131、1132、1133、1134)，以供不同管路的氣體進氣，而氣體分散板112具有複數個通孔1121，可均勻分散進入反應室的氣體。圖2D所繪示的4個進氣通道(1131、1132、1133、1134)僅為示意圖，本發明並未限制進氣通道的數量。

承上所述，本實施例中的反應室111是由石英管所構成，並設置於氣體混合室113下游。反應室111的上端與氣體混合室113相連通，而反應室111的下端可直接架設於薄膜沉積裝置100內的製程腔室3上，故基板5可隔絕於反應室111內。此外，加熱器115鄰設於氣體混合室113，以使氣體混合室113保持於高溫狀態。於本實施例中，加熱器115設置於氣體混合室113上方僅為舉例說明，加熱器115亦可設置於氣體混合室113兩側或設置於氣體混合室113周圍的任何地方。擋板114設置於氣體分散板112上方，可隔離加熱器115與氣體混合室113內的反應氣體，以防止反應氣體吸附於加熱器115表面。本實施例中是採用石英板做為擋板114，因此不會影響加熱器115的熱傳遞，又能夠避免反應氣體汙染加熱器115。

於上述實施例中，是以6個燈泡做為加熱器115的熱源，加熱器115亦可選自燈管或加熱線圈，或是燈泡、燈管及加熱線圈的任一組合。此外，加熱器115的操作溫度範圍為50~800℃，較佳為500~800℃，操作溫度的選擇是依據所欲成長的薄膜種類而定。

圖3為本發明一實施例中成長MoS₂薄膜的溫度與時間關係圖。圖6為本發明一實施例中薄膜沉積方法的流程示意圖。請同時參閱圖1、圖2A、圖3及圖6所示，以下將以成長二硫化鉬(MoS₂)薄膜為例，說明本發明所提供的薄膜沉積方法。首先，於步驟S10中，將薄膜沉積裝置100內的基板5加熱至約850~950℃的反應溫度，並使製程腔室3保持於約10~30Torr的壓力。於步驟S11中，將一第一前驅物1加熱至約65~75℃的溫度，使第一前驅物1蒸發而形成一第一反應氣體1a，並將一第二前驅物2加熱至約190℃的溫度，使第二前驅物2蒸發而形成一第二反應氣體2a，於此實施例中，第一前驅物1為六羰基鉬(Mo(CO)₆)，第二前驅物2為硫粉(Sulfur)。

於步驟S12中，分別藉由第一載流氣體8及第二載流氣體9 將第一反應氣體1a及第二反應氣體2a帶入加熱器模組11內，此時可藉由閥門的控制使第一反應氣體1a及第二反應氣體2a相互隔絕，於此實施例中，第一載流氣體8及第二載流氣體9均為氬氣(Ar)。於步驟S13中，以加熱器115為熱源使第一反應氣體1a及第二反應氣體2a保持於約500~800℃的預熱溫度，此過程約持續10分鐘，於此實施例中，較佳的預熱溫度可為650℃、700℃或750℃。於步驟S14中，藉由氬氣將第一反應氣體1a帶至第二反應氣體2a所在位置，並於約500~800℃的溫度下混合第一反應氣體1a及第二反應氣體2a，以便進行後續的成膜反應。於步驟S15中，沉積MoS₂薄膜於基板5。

承上所述，本發明所提供的薄膜沉積裝置及方法亦可用來製備其他種類的二維層狀硫族化合物。例如：硫化鉬(MoS₂)、硒化鉬(MoSe₂)、碲化鉬(MoTe₂)、硫化鉿(HfS₂)、硒化鉿(HfSe₂)、碲化鉿(HfTe₂)、硫化鎢(WS₂)、硒化鎢(WSe₂)、碲化鎢(WTe₂)、硫化鈮(NbS₂)、硒化鈮(NbSe₂)、碲化鈮(NbTe₂)、硫化錸(ReS₂)、硒化錸(ReSe₂)、碲化錸(ReTe₂)等。其中，第一前驅物可選自過渡金屬化合物，例如是氧化鉬(MoO₃)、氧化鎢(WO₃)、氧化鈮(Nb₂O₅)、氧化錸(ReO₃)、氧化鉿(HfO₂)等過渡金屬氧化物，而第二前驅物可選自硫族元素其中之一或其化合物，硫族元素例如為硫、硒、碲…等等。

圖4為本發明一實施例中MoS₂薄膜的拉曼光譜圖。請參閱圖4所示，拉曼光譜中顯示出383.5cm-1及405.6cm-1兩個特徵峰，故可判斷所製備的薄膜為多層結構的MoS₂薄膜。

圖5A為本發明一實施例中於MoS₂薄膜上不同量測位置的示意圖。圖5B為圖5A中各量測位置的光激螢光(PL)光譜圖。請同時參閱圖5A-5B所示，本實施例中，是將MoS₂薄膜成長於藍寶石(sapphire)基板上，並於MoS₂薄膜上任取9個點進行光激螢光(PL)分析。如圖5B所示，MoS₂薄膜的PL強度於各量測位置上均遠大於基板的PL強度，故在薄膜沉積裝置中加裝本發明的加熱器模組有助於製備高品質的MoS₂薄膜。

綜上所述，本發明藉由在薄膜沉積裝置中增設加熱器模組，使第一反應氣體及第二反應氣體在混合前先進行預熱的步驟，並確保第一 反應氣體及第二反應氣體可於高溫狀態下進行混合反應，以使薄膜成長前的化學反應更完全，改善了習知技術中只對基板加熱的缺點，故本發明的加熱器模組、薄膜沉積裝置及方法可達成製備高品質薄膜的功效。

上述實施例並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在未脫離本發明之精神與範疇內，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

11‧‧‧加熱器模組

111‧‧‧反應室

112‧‧‧氣體分散板

1121‧‧‧通孔

113‧‧‧氣體混合室

114‧‧‧擋板

115‧‧‧加熱器

G‧‧‧氣體

Claims (11)

1. 一種薄膜沉積方法，包括以下步驟：加熱一基板至一反應溫度；提供一第一反應氣體及一第二反應氣體，包括：加熱一第一前驅物至一第一溫度，以產生該第一反應氣體；及加熱一第二前驅物至一第二溫度，以產生該第二反應氣體；隔絕該第一反應氣體及該第二反應氣體；使該第一反應氣體及該第二反應氣體保持於一預熱溫度；於該預熱溫度下，混合該第一反應氣體及該第二反應氣體以進行成膜反應；以及於該基板上沉積一薄膜。
2. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中加熱該基板至該反應溫度的步驟是將該基板加熱至850~950℃的反應溫度，並保持於10~30Torr的壓力。
3. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中該第一溫度為65~75℃，該第二溫度為約190℃。
4. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中該預熱溫度為500~800℃。
5. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中混合該第一反應氣體及該第二反應氣體的步驟是分別藉由一第一載流氣體及一第二載流氣體將該第一反應氣體及該第二反應氣體帶入作混合。
6. 如申請專利範圍第5項所述的薄膜沉積方法，其中該第一載流氣體及該第二載流氣體為氬氣(Ar)。
7. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中該第一前驅物為過渡金屬化合物。
8. 如申請專利範圍第7項所述的薄膜沉積方法，其中該過渡金屬化合物為氧化鉬(MoO₃)、氧化鎢(WO₃)、氧化鈮(Nb₂O₅)、氧化錸(ReO₃)、或氧化鉿(HfO₂)。
9. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中該第二前驅物是選自 硫、硒、碲等硫族元素其中之一或其化合物。
10. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中該第一前驅物為六羰基鉬(Mo(CO)₆)，該第二前驅物為硫粉(Sulfur)。
11. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜沉積方法，其中沉積步驟是沉積硫化鉬(MoS₂)、硒化鉬(MoSe₂)、碲化鉬(MoTe₂)、硫化鉿(HfS₂)、硒化鉿(HfSe₂)、碲化鉿(HfTe₂)、硫化鎢(WS₂)、硒化鎢(WSe₂)、碲化鎢(WTe₂)、硫化鈮(NbS₂)、硒化鈮(NbSe₂)、碲化鈮(NbTe₂)、硫化錸(ReS₂)、硒化錸(ReSe₂)、或碲化錸(ReTe₂)薄膜。