TWI626330B - 適用於原子層沉積系統之石英晶體微天秤組件 - Google Patents

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Abstract

一種石英晶體微天秤(QCM)組件,其包含一原子層沉積(ALD)系統之一反應腔室之一蓋體。QCM晶體設置在形成於蓋體中之中央凹孔之底部中。QCM晶體之前表面之中央區裸露於反應腔室之內部。一固定器設置於中央凹孔中且位於QCM晶體上方,其下壓QCM晶體使其靠抵蓋體中之一止擋緣,而在QCM晶體之前表面與止擋緣之間構成密封,也建立與QCM晶體之電接觸。凸緣緊鄰於蓋體之上表面且密封中央凹孔,同時也透過固定器提供與QCM晶體之電接觸。傳感器位於反應腔室外,其透過凸緣內之一連接器與QCM晶體電接觸並驅動QCM電晶體。

Description

適用於原子層沉積系統之石英晶體微天秤組件
本發明係關於原子層沉積(Atomic-layer deposition,ALD),特別是關於適用於ALD之石英晶體微天秤組件。
本說明書於此所敘及的任何公開文獻或專利文件均視為本說明書的一部分。
原子層沉積(Atomic Layer Deposition,ALD)是一種在基板表面以非常良好控制的手段沉積一薄膜的方法。沉積製程透過使用一或多個氣相的化學物質(前驅物),並且使其在基板表面以一自限制的方式依序反應而良好控制。此依序的反應被重複而層層地堆疊,其中每一層係為原子尺度。
ALD被用來形成多種不同的薄膜,例如用於先進閘極與電容介電質之二元、三元及四元氧化物,以及用於金屬基化合物之互連阻障(interconnect barriers)與電容電極。ALD製程的描述在George所著之一篇名為「Atomic Layer Deposition:an Overview,”Chem.Rev.2010,110,pp 111-113」的文章中(於2009年11月20日發表於網路)。ALD製程也描述在公告號US 7,128,787號美國專利中。一例示的ALD系統也揭露在公開號US 2006/0021573號美國專利申請案以及PCT申請案WO 2015/080979中。
ALD薄膜典型地係在製程結束之後,透過使用橢圓偏振(ellipsometry)或者其它技術之非原地(ex-situ)的膜厚量測手段來進行特徵化。然而,原地(in-situ)膜特徵化技術將會是較佳的,因為它可以提供有關ALD製程之關鍵的即時成長資訊。
石英晶體微天秤(Quartz Crystal Microbalance,QCM)已經在許多薄膜成長系統中被用來量測膜成長,特別是物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)系統。某些嘗試曾經應用QCM於ALD系統中。遺憾地,目前並沒有真正商業上可行的QCM。這是因為ALD與QCM技術所固有的關鍵技術挑戰涉及大量的量測。舉例來說,一技術挑戰係和ALD的微小沉積率有關,其典型地是在0.1nm/min至10nm/min之範圍間。即使QCM的解析度可以低至0.01nm,干擾對於晶體共振頻率的影響會遠比其他具有較大沉積率之膜沉積製程(例如PVD)來得更為嚴重。
另一技術挑戰係ALD的熱學天性。ALD典型地使用50℃至350℃之範圍間的溫度。因為QCM量測和溫度相關,因此QCM必須是熱穩定的。
一額外的挑戰是和ALD製程之高度正形性(conformality)有關。ALD膜可以沉積地非常均勻,即使是在反應物源之視線範圍外之3D凹洞中。因此,若沒有小心的量測,ALD也可能在QCM感測器中沉積一薄膜而阻礙其運作。這是可能發生的,舉例而言,不慎地沉積一介電膜於QCM感測器之QCM晶體之背面之電接觸上,將會使QCM晶體與QCM電路的電子元件絕緣。為了解決此問題所做的努力包含使用環氧樹脂來密封QCM的背面,以及使用吹掃氣體。遺憾地,在商業ALD系統中使用環氧樹脂是我們所不希望的,這是因為適當地施用環氧樹脂有其難度,以及環氧樹脂本身會在腔室環境中導入不需要的化學物 質。用來減少QCM上不需要之膜沉積的吹掃氣體流本身也是有問題的,因為它可能影響反應腔室內部的流體動力學並且對膜成長造成不利影響。逆流吹掃(back flow purge)也可能在氣體流經晶體周圍時導致訊號雜訊,以及需要QCM晶體背面與反應腔室內部之間的主動壓力差管理。此種主動管理是複雜的同時也是高成本的。
另一挑戰和反應腔室尺寸有關。大多數商業ALD反應器具有小的反應腔室體積以最佳化製程週期時間。舉例而言,來自Ultratech/Cambridge Nanotech of Waltham Massachusetts之Savannah ALD系統具有直徑100mm至300mm間與高度大約僅5mm之環形反應腔室。基於非常有限的反應腔室體積,現有的QCM設置,包含所謂的「棒上(on a stick)」配置,對於實際應用來說也過大與過於笨重。
本發明的其中一概念是一種石英晶體微天秤(QCM)組件,適用於具有一反應腔室之一原子層沉積系統,該反應腔室具有一內部。QCM組件包含反應腔室之一蓋體。蓋體具有一中央凹孔。QCM組件也包含一QCM晶體,其具有一前表面、一背表面與一直徑DQ。QCM晶體設置於中央凹孔之一底部,並以前表面接觸一止擋緣使前表面之一中央部位於相鄰於具有一直徑DO之一QCM開口之處。於此配置下,QCM晶體之前表面之中央部會透過QCM開口裸露於反應腔室之內部。此外,直徑DO滿足(0.25)DQDO(0.6)DQ。QCM組件也包含一固定器,其具有一上表面與向下延伸之複數傳導彈性件。固定器設置於中央凹孔中,且傳導彈性件與QCM晶體電接觸。傳導彈性件下壓靠抵QCM晶體,因而QCM晶體之前表面之外部被下壓靠抵止擋緣,此會在QCM晶體之前表 面與止擋緣之間形成一第一密封。QCM組件也包含一凸緣。凸緣具有一中央部,中央部位於中央凹孔之一頂部中且緊鄰固定器。凸緣也具有一外部,凸緣的外部具有一較低表面,所述較低表面緊鄰蓋體之一上表面而形成一第二密封。凸緣可操作地支撐與固定器作電接觸之一電接觸元件。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,第一密封未包括有密封材料或密封元件。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,中央凹孔中沒有吹掃氣體流。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,其中(0.25)DQDO(0.4)DQ。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一傳感器,經由凸緣電性連接於固定器。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一控制器,電性連接於傳感器。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一基座,可操作地固接於蓋體而定義反應腔室。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一隔熱蓋,其尺寸被調整以覆蓋反應腔室。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,其中反應腔室之內部具有範圍介於3mm至50mm之間的高度。
本發明的另一概念係一種石英晶體微天秤(QCM)組件,適用於具有一反應腔室之一原子層沉積系統,反應腔室具有一蓋體。QCM組件包含 蓋體,蓋體具有一上表面、一底表面與一中央凹孔。中央凹孔包含位於蓋體之上表面之一凸緣開口,凸緣開口通向中央凹孔之一頂部。中央凹孔也包含位於蓋體之底表面之一QCM開口,QCM開口通向中央凹孔之一底部。QCM開口具有一直徑DO,直徑DO由一止擋緣所定義。中央凹孔也包含位於頂部與底部之間的一中間部。蓋體之上表面具有環繞中央凹孔之一O形環槽,O形環槽可操作地支撐一O形環。QCM組件也包含一QCM晶體,其具有一前表面、一背表面與一直徑DQ。QCM晶體設置於中央凹孔之底部,並以其前表面接觸止擋緣使其前表面之一中央部位於相鄰於QCM開口之處。QCM開口的直徑DO滿足(0.25)DQDO(0.6)DQ。QCM組件也包含一固定器,設置於中央凹孔之中間部中。固定器具有一上表面與向下延伸之複數傳導彈性件。傳導彈性件接觸QCM晶體之背表面並將QCM晶體之前表面之一外部壓入止擋緣中以形成一第一密封。QCM組件也包含一凸緣,其具有一中央部,中央部位於中央凹孔之頂部中。凸緣具有一外部,外部具有一較低表面,較低表面緊鄰蓋體之上表面而與O形環形成一第二密封。凸緣可操作地支撐一連接器,連接器包含與固定器作電接觸之一電接觸元件。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,其中(0.25)DQDO(0.4)DQ。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一傳感器,經由凸緣電性連接於固定器。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一控制器,電性連接於傳感器。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一基座,可操作地固接於蓋體而定義反應腔室。
本發明的另一概念係上述QCM組件中,更包含一隔熱蓋,其尺寸被調整以覆蓋反應腔室。
本發明的另一概念係一種於一原子層沉積系統中執行一薄膜成長原地量測之方法,原子層沉積系統包含一反應腔室,反應腔室具有由一基座與一蓋體所定義之一內部,反應腔室可操作地支撐一基板。所述方法包含提供與蓋體一體設置之一石英晶體微天秤(QCM)組件。QCM組件具有一QCM晶體,QCM晶體具有一前表面。QCM晶體設置於一止擋緣上,止擋緣位於形成於蓋體中之一凹孔之一底部中,致使QCM晶體之一中央部裸露於反應腔室之內部且位於基板上方,且一固定器下壓QCM晶體之前表面之一外部使外部靠抵止擋緣而形成一第一密封,第一密封未包括有密封材料或密封元件。所述方法也包含於反應腔室之內部中執行一原子層沉積製程,以沉積一第一薄膜於基板上以及沉積一第二薄膜於QCM晶體之中央部上,並以一傳感器驅動QCM晶體且量測來自QCM晶體之一輸出訊號。
本發明的另一概念係上述方法中,QCM晶體具有一直徑DQ,QCM晶體之前表面之中央部具有一直徑DO,且其中(0.25)DQDO(0.6)DQ。
本發明的另一概念係上述方法中,其中下壓QCM晶體之步驟係藉由固定器之向下延伸之複數傳導彈性件所執行,固定器位於QCM晶體上方且位於蓋體之凹孔內。
本發明的另一概念係上述方法中,更包含以設置於蓋體上之一隔熱蓋來熱絕緣QCM組件。
本發明的另一概念係上述方法中,其中反應腔室之內部具有範圍介於3mm至50mm之間的高度。
本發明的另一概念係一種石英晶體微天秤(QCM)組件,適用於一原子層沉積系統。QCM組件包含原子層沉積系統之一反應腔室之一蓋體。蓋體具有一中央凹孔,中央凹孔具有一底部,底部具有一止擋緣,止擋緣定義一開口,開口連通於反應腔室之一內部。QCM晶體具有一前表面且設置於中央凹孔之底部中,QCM晶體以其前表面之一外部接觸止擋緣使前表面之一中央部透過所述開口裸露於反應腔室。QCM組件也包含一固定器,其設置於中央凹孔中且位於QCM晶體上。固定器設置以下壓QCM晶體之外部使QCM晶體之外部靠抵止擋緣,因而在QCM晶體之前表面與止擋緣之間形成一第一密封以及形成電接觸於固定器與QCM晶體之間。QCM組件也包含一凸緣,緊鄰設置於蓋體之一頂部,藉此密封中央凹孔且透過固定器提供與QCM晶體之電接觸。QCM組件也包含一傳感器,位於反應腔室外,經由凸緣與固定器電性連接於QCM晶體。
在下列的實施方式中提出本揭示內容之額外的特徵及優點,且熟習此項技術者將自該描述而易於得知部分特徵及優點,或藉由實踐如本文所述之該揭示內容(包含下列的實施方式、申請專利範圍以及隨附之圖式)而認知部分特徵及優點。應瞭解的是,以上之發明內容及下列之實施方式兩者呈現本揭示內容之若干實施例,且意欲提供用於瞭解如所請求之本揭示內容的本質及特性的一概述或框架。
10‧‧‧ALD系統
20‧‧‧艙室
22‧‧‧艙門
24‧‧‧側板
26‧‧‧頂板
28‧‧‧內部
30‧‧‧真空幫浦
40‧‧‧隔熱蓋
50‧‧‧控制器
100‧‧‧反應器組件
120‧‧‧反應腔室
140‧‧‧蓋體
141‧‧‧蓋體之樞軸固定件
142‧‧‧上表面
144‧‧‧底表面
146‧‧‧側面
148‧‧‧把手
150‧‧‧中央凹孔
152‧‧‧頂部
153‧‧‧止擋緣
154‧‧‧底部
155‧‧‧止擋緣
156‧‧‧中央部
157‧‧‧止擋緣
162‧‧‧中央開口(凸緣開口)
164‧‧‧QCM開口
170‧‧‧基座
172‧‧‧圓柱形壁
174‧‧‧底面
176‧‧‧內部
182‧‧‧上表面
184‧‧‧槽
186‧‧‧O形環
200‧‧‧半導體基板(晶圓)
202‧‧‧上表面
211‧‧‧基座之樞軸固定件
213‧‧‧樞軸
244‧‧‧槽
246‧‧‧O形環
300‧‧‧QCM組件
310‧‧‧QCM晶體
312‧‧‧前表面
312A‧‧‧環狀外部
312C‧‧‧中央部
314‧‧‧背表面
320‧‧‧固定器
322‧‧‧上表面
324‧‧‧下表面
325‧‧‧傳導彈性件
326‧‧‧傳感器
330‧‧‧凸緣
340‧‧‧連接器
342‧‧‧電接觸元件
344‧‧‧電纜線
346‧‧‧第二纜線
350‧‧‧凸緣的中央部
354‧‧‧中央部的較低表面
360‧‧‧凸緣的外部
362‧‧‧外部的較低表面
370‧‧‧穿孔
AC‧‧‧中央軸
DO‧‧‧QCM開口的直徑
DQ‧‧‧QCM晶體的直徑
W‧‧‧環狀寬度
圖1A為一例示ALD系統之前視圖; 圖1B為圖1A之例示ALD系統之放大前視圖,顯示反應腔室上之處於關閉位置之絕緣蓋;圖2為圖1A之ALD系統之反應器組件的前視圖;圖3為圖2之反應器組件的放大前視圖,反應腔室之蓋體處於關閉位置,顯示出凸緣的一部份以及QCM組件的連接器;圖4為反應腔室之蓋體之中央部的放大剖視圖,顯示出用於容置QCM組件之零件之中央凹孔的一例示配置;圖5A為圖4之反應腔室之蓋體之中央部連同QCM組件之零件的局部爆炸剖面圖;圖5B類似圖5A,顯示出處於組合狀態之QCM組件,也顯示出反應腔室之基座,以及一晶圓設置於反應腔室之內部中;圖6A為中央凹孔之底部的放大剖面圖,顯示出QCM晶體可操作地設置於止擋緣上,因此QCM晶體之中央部位於QCM開口上且裸露於反應腔室之內部;及圖6B為一例示QCM晶體之面朝上的視圖,顯示出被止擋緣所支撐之QCM晶體之環狀外部,以及位於QCM開口上之QCM晶體的中央部。
現請參考本發明之各個不同的實施例,其也在附圖中予以繪示說明。無論何時,在所有圖式中相同或相似元件符號及標記係用以意指相同或相似部件。圖式並非以原比例繪示,且所屬技術領域中具有通常知識者將能理解圖式已經被簡化以繪示本發明之重要概念。
以下所提出的申請專利範圍係構成實施方式的一部份。
部分圖式中所繪示的卡氏座標僅作為參考與方便說明之用,並非意圖限制方向或方位。
ALD系統
圖1A為一例示ALD系統10的前視圖,圖1B為ALD系統10的放大前視圖,圖2為ALD系統10之反應器組件100的前視圖。於此簡單描述之ALD系統10在公告號US8,202,575號美國專利中有更詳盡的描述。
ALD系統10具有艙室20,其包含艙門22、側板24以及支撐反應器組件100之頂板26。艙室20包含內部28,其尺寸可容納ALD系統10及反應器組件100之不同元件,例如真空幫浦30以及前驅物氣體罐32,以及其他如控制電子元件、閥門、真空管線等諸如此類的元件(圖未示)。
反應器組件100包含反應腔室120,反應腔室120位在艙室20之頂板上。ALD系統10包含隔熱蓋40,其尺寸可覆蓋反應腔室120以及以下所描述和介紹之QCM組件300的相關元件。隔熱蓋40用以熱絕緣QCM組件300以及用以減少熱擾動所致的量測雜訊。隔熱蓋40可以如圖1B所示般樞接於艙室20之頂板26,或者可以如圖1A所示般未連接於艙室20而可依需求放置於頂板26上以及自頂板26移除。圖3是反應器組件100之放大前視圖,圖中蓋體140係處於關閉位置並顯示出QCM組件300的外部。
ALD系統10更包含控制器50(例如電腦),控制器50控制ALD系統10的操作且也可以作為顯示器以及於此所揭露之QCM組件300的控制器,QCM組件300在以下會有更詳盡的描述。
反應器組件100之反應腔室120由蓋體140以及基座170所定義。蓋體140包含上表面142、底表面144、側面146以及把手148。在一實施例中,基座 170具有由圓柱形壁172所定義之圓柱形狀。基座170包含一底面174,底面174的尺寸可容置一大(例如100mm或300mm)半導體基板(晶圓)200,半導體基板200具有一上表面202(如圖5B)。圓柱形壁172具有實質平坦的上表面182,上表面182包含槽184,槽184支撐O形環186。圓柱形壁172、底面174以及蓋體140定義內部176。O形環186用以在蓋體140與基座170之間構成密封以在ALD製程期間密封內部176。因此,蓋體140定義一密封的內部176,密封的內部176具有高度h(見圖5B)。在一實施例中,高度h可以是在3mm至50mm的範圍間,一例示的高度係為標稱5mm。
基座170也包含樞軸固定件211,其與蓋體140之樞軸固定件141結合而形成樞軸213,樞軸213讓蓋體140可以相對基座170處於一關閉位置或一開啟位置。當蓋體140處於關閉位置時,蓋體140用以使內部176封閉且密封,當蓋體處於開啟位置時,蓋體140用以使內部176開啟。
基座170較佳地係以低熱傳導率材料所形成,例如不銹鋼。反應腔室120包含中央軸AC,其沿著z軸方向延伸且通過蓋體140和基座170的中心(見圖3)。
圖4為蓋體140之中央部的放大剖視圖。蓋體140包含中央凹孔150,其連通於上表面142及底表面144。中央凹孔150包含相鄰於上表面142之頂部152,相鄰於底表面144之底部154,以及位於頂部152與底部154之間之中間部156。在一實施例中,中央凹孔150之頂部152與底部154各具有一實質環形的橫截面,而中間部156則具有可匹配於下述固定器320之尺寸與形狀之一矩形的橫截面。
頂部152包含位於上表面142之一寬的中央開口162,以下稱為「凸緣開口」。中央凹孔150也包含位於底表面144之底部154之一相對窄的中央開口164,以下稱為「QCM開口」。在一實施例中,QCM開口164具有直徑DO。在一實施例中,直徑DO係在3mm至8mm之範圍間。
在一實施例中,中央凹孔150具有階層配置,其中頂部152比中間部156寬,中間部156比底部154寬。此階層配置在頂部152定義止擋緣153,在底部154定義止擋緣155,以及在中間部156定義止擋緣157。
如圖4所示,蓋體140之上表面142包含槽244,槽244環繞凸緣開口162且支撐O形環246。
QCM組件
於此所揭示之QCM組件300係可操作地配置於蓋體140中。因此,在一實施例中,蓋體140構成QCM組件300之一元件。圖5A為圖4之蓋體140之中央部以及QCM組件300的放大剖面爆炸圖。圖5B類似圖5A,但顯示出處於組合狀態之QCM組件300,也顯示出反應腔室120之基座170,以及位於反應腔室120之內部176之晶圓200。
QCM組件300包含QCM晶體310,QCM晶體310具有一前表面312與一背表面314。在一範例中,QCM晶體310係可被5MHz至6MHz範圍間之一電子訊號所驅動之6MHz石英晶體。QCM組件300也具有固定器320。固定器320具有上表面322、下表面324以及複數傳導彈性件325,傳導彈性件325自下表面324向下延伸。固定器320緊鄰設置於QCM晶體310(設置QCM晶體310上),因而傳導彈性件325與QCM晶體310之背表面314建立電接觸,同時也下壓QCM晶體310,如下所述。
固定器320藉由一電纜線344電性連接於傳感器326。一適當的傳感器326係來自英福康(Inficon)之型號為STM-2的傳感器。因此,傳感器326透過固定器320電性連接於QCM晶體310。
QCM組件300更包含凸緣330,凸緣330包含中央部350以及外部360。中央部350具有較低表面354。中央部350緊配於凸緣開口162中以及中央凹孔150之頂部152中,較低表面354恰好位於止擋緣153上。外部360係為環狀且具有較低表面362。當凸緣330之中央部350位於頂部152中時,外部360之較低表面362位於蓋體140之上表面142上且與O形環246共同構成密封。外部360包含穿孔370,透過使用例如六角螺絲之固定件372(見圖3)將凸緣330固定於蓋體140上。
凸緣330之中央部350可操作地支撐一連接器340。連接器340包含電接觸元件342,用以與固定器320之上表面322建立電接觸。在一實施例中,電接觸元件342迫使固定器320靠抵止擋緣157以保持固定器320位於中間部156中。在另一實施例中,當固定器320向下推而靠抵於QCM晶體310時,中央部350之較低表面354的一部份被用來保持固定器320於中間部156中。
在一實施例中,連接器340係為BNC連接器或類似的連接器,奇允許電纜線344(例如同軸纜線)通向傳感器326而可快速地連接或斷開。在一實施例中,傳感器326以一第二纜線346電性連接於控制器50,第二纜線346可以是USB纜線。
圖6A為可操作地設置於蓋體140之中央凹孔150之底部154之QCM晶體310的放大圖,圖6B為QCM晶體310之面朝上的視圖。請參照圖5B、圖6A及圖6B,QCM晶體310之前表面312之環狀外部312A止擋於止擋緣155上。此 設置使前表面312之中央部312C位於底部154之QCM開口164上方,因而此中央部312C裸露於反應腔室120之內部176。
在ALD製程中,QCM晶體310被傳感器326所驅動,因而QCM晶體310會在一選定頻率共振,此現象會被觀測而作為來自QCM晶體310之一輸出訊號。反應腔室120之內部176中之反應物產品沉積於QCM晶體310之中央部312C。此沉積會改變QCM晶體310的共振頻率,藉此可以提供沉積材料的量的量測,且共振頻率的改變率係對應於沉積率。
在一實施例中,QCM晶體310具有14mm的直徑DQ,位於底部154之QCM開口164則具有3mm至8mm的直徑DO,一例示的直徑DO=4.25mm。在一實施例中,DO滿足(0.2)DQDO(0.6)DQ,而在另一實施例中,DO滿足(0.25)DQDO(0.4)DQ。
與止擋緣155接觸之前表面312的環狀外部312A具有面積AA,裸露的中央部312C具有裸露面積AE。在一實施例中,環狀外部312A之環狀寬度W=(DQ-DO)/2,W大約為5mm。環狀外部312A之面積AA係等於πW2。對於14mm的直徑DQ以及4mm的直徑DO而言,W=5mm且面積AA=π(5mm)2=78.5mm2。同時,裸露面積AE=π(2mm)2=12.56mm2。因此AA/AE的比值R=6.25。在一實施例中,比值R係在2與11之間,較佳地係在4與8之間。
將對於中央部312C的面積AE來說,相對大的環狀外部312A的面積AA可以起許多重要的功效。第一,其使得QCM晶體310接地於蓋體140。第二,實質避免或限制反應腔室120之內部176中的反應氣體流到QCM晶體310的背表面314。第三,其提供QCM晶體310機械支撐及機械穩定度,因而在ALD製程中,當反應腔室120之內部發生突然壓力改變,例如在進行排氣和通入氣體程序時, 可以限制QCM晶體310的應力總量。第四,其提供QCM晶體310與蓋體140之大熱質量之間良好的熱接觸,因而QCM晶體310的溫度可以很快的平衡。
固定器320位在中央凹孔150的中間部156,在一實施例中係止擋於止擋緣157上。傳導彈性件325與QCM晶體310的背表面314電接觸,且提供下壓力使QCM晶體310之前表面312之環狀外部312A靠抵止擋緣155。此可將QCM晶體210密封於底部154之止擋緣155而無須使用密封材料(例如黏著劑或環氧樹脂),或者密封件(例如O形環),或者在中央凹孔150中(特別在底部154中)使用吹掃氣體流,來避免在ALD製程中產生不想要的沉積膜。
如上所述,凸緣330的中央部350係經由凸緣開口162插入中央凹孔150之頂部152中,且緊密地位於其中。而凸緣330之外部360之較低表面362係位在蓋體140之上表面142上。在一實施例中,凸緣330係透過將固定件372穿過穿孔370且穿入位於其下的蓋體140中而固定於蓋體140上。在一實施例中,穿孔370係有螺紋,且與蓋體140之螺孔(圖未示)對準。O形環246在凸緣330與蓋體140之間形成一密封,使中央凹孔150獨立於外界環境。
當凸緣330可操作地設置於蓋體140時,連接器340之電接觸元件342提供與固定器320之上表面322的電接觸,藉此在QCM晶體310、傳感器326及控制器50之間建立一電子路徑(電接觸)。
中央凹孔150的形狀,特別是止擋緣155的形狀是要讓QCM晶體310之前表面312之中央部312C實質上平行於半導體基板(晶圓)200的上表面202。此外,裸露的中央部312C係緊鄰於半導體基板(晶圓)200的上表面202,例如,對於內部高度h=5mm的情況下,大約相距7mm。此確保QCM晶體310之裸露的中央部312C以及位於反應腔室12之內部176之半導體基板(晶圓)200的 上表面202暴露於實質相同的ALD反應物的量。裸露的中央部312C上的沉積率可能和半導體基板(晶圓)200上的沉積率不同,因為此二表面通常由不同材料製成(例如分別為石英和矽)。然而,根據理論或經驗,假設他們個別所暴露於ALD反應物的量是實質相同的,則此沉積率可以是彼此相關的。
如上所述,QCM組件300的設置確保了QCM晶體310緊密地熱耦接於反應腔室120的蓋體140,因而QCM晶體310的溫度迅速地和蓋體140與反應腔室120熱平衡。此部分得益於QCM晶體310之環狀外部312A具有相當大的環狀接觸面積AA可發揮有效率的熱轉移。凸緣330的熱質量和形狀因素也同樣有助於快速熱平衡。
中央凹孔150以及體積以及形狀因素已經被實質地最小化以限制相鄰於QCM晶體310背表面314的總空間。舉例而言,凸緣330的中央部向下延伸入中央凹孔150的頂部且緊位於固定器320的上表面322。此限制了可位於相鄰於背表面314處的氣體總量,同時使QCM讀值在設定反應腔室120之內部176為真空後得以快速的平衡。
在一實施例中,QCM組件300被設置以工作在1毫托耳(mTorr)的真空以及被加熱到溫度350℃。
雖然本發明已以實施例揭露如上然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,故本發明之保護範圍當視後附之專利申請範圍所界定者為準。

Claims (21)

  1. 一種石英晶體微天秤(QCM)組件,適用於具有一反應腔室之一原子層沉積系統,該反應腔室具有一內部,該石英晶體微天秤組件包含: 該反應腔室之一蓋體,該蓋體具有一中央凹孔; 一QCM晶體,具有一前表面、一背表面與一直徑DQ,設置於該中央凹孔之一底部,該QCM晶體以該前表面接觸一止擋緣使該前表面之一中央部位於相鄰於具有一直徑DO之一QCM開口之處,且使該前表面之該中央部透過該QCM開口裸露於該內部,其中(0.25)DQ ≤ DO ≤ (0.6)DQ; 一固定器,具有一上表面與向下延伸之複數傳導彈性件,該固定器設置在該中央凹孔中,該些傳導彈性件與該QCM晶體電接觸並下壓該QCM晶體之該前表面之一外部使該外部靠抵該止擋緣,因而在該QCM晶體之該前表面與該止擋緣之間形成一第一密封;及 一凸緣,具有一中央部,該中央部位於該中央凹孔之一頂部中且緊鄰該固定器,該凸緣具有一外部,該外部具有一較低表面,該較低表面緊鄰該蓋體之一上表面而形成一第二密封,該凸緣可操作地支撐一電接觸元件,該電接觸元件與該固定器作電接觸。
  2. 如請求項1所述之石英晶體微天秤組件,其中該第一密封未包括有密封材料或密封元件。
  3. 如請求項1所述之石英晶體微天秤組件,其中該中央凹孔中沒有吹掃氣體流。
  4. 如請求項1所述之石英晶體微天秤組件,其中(0.25)DQ ≤ DO ≤ (0.4)DQ。
  5. 如請求項1所述之石英晶體微天秤組件,更包含一傳感器,經由該凸緣電性連接於該固定器。
  6. 如請求項5所述之石英晶體微天秤組件,更包含一控制器,電性連接於該傳感器。
  7. 如請求項1所述之石英晶體微天秤組件,更包含一基座,可操作地固接於該蓋體而定義該反應腔室。
  8. 如請求項7所述之石英晶體微天秤組件,更包含一隔熱蓋,覆蓋該反應腔室。
  9. 如請求項1所述之石英晶體微天秤組件,其中該反應腔室之內部具有範圍介於3 mm至 50 mm之間的一高度。
  10. 一種石英晶體微天秤(QCM)組件,適用於具有一反應腔室之一原子層沉積系統,該反應腔室具有一蓋體,該石英晶體微天秤組件包含: 該蓋體,具有一上表面、一底表面與一中央凹孔,該中央凹孔包含位於該上表面之一凸緣開口與位於該底表面之一QCM開口,該凸緣開口通向該中央凹孔之一頂部,該QCM開口通向該中央凹孔之一底部,該QCM開口具有一直徑DO,該直徑DO由一止擋緣所定義,該中央凹孔具有位於該頂部與該底部之間的一中間部,該上表面具有環繞該中央凹孔之一O形環槽,該O形環槽可操作地支撐一O形環; 一QCM晶體,具有一前表面、一背表面與一直徑DQ,設置於該中央凹孔之該底部,該QCM晶體以該前表面接觸該止擋緣使該前表面之一中央部位於相鄰於該QCM開口之處,其中(0.25)DQ ≤ DO ≤ (0.6)DQ; 一固定器,設置於該中央凹孔之該中間部中,該固定器具有一上表面與向下延伸之複數傳導彈性件,該些傳導彈性件接觸該QCM晶體之背表面並將該QCM晶體之該前表面之一外部壓入該止擋緣中以形成一第一密封;及 一凸緣,具有一中央部,該中央部位於該中央凹孔之該頂部中,該凸緣具有一外部,該外部具有一較低表面,該較低表面緊鄰該蓋體之該上表面而與該O形環形成一第二密封,該凸緣可操作地支撐一連接器,該連接器包含與該固定器作電接觸之一電接觸元件。
  11. 如請求項10所述之石英晶體微天秤組件,其中(0.25)DQ ≤ DO ≤ (0.4)DQ。
  12. 如請求項10所述之石英晶體微天秤組件,更包含一傳感器,電性連接於該固定器。
  13. 如請求項12所述之石英晶體微天秤組件,更包含一控制器,電性連接於該傳感器。
  14. 如請求項10所述之石英晶體微天秤組件,更包含一基座,可操作地固接於該蓋體而定義該反應腔室。
  15. 如請求項14所述之石英晶體微天秤組件,更包含一隔熱蓋,覆蓋該反應腔室。
  16. 一種於一原子層沉積系統中執行一薄膜成長原地量測之方法,該原子層沉積系統包含一反應腔室,該反應腔室具有由一基座與一蓋體所定義之一內部,該反應腔室可操作地支撐一基板,該方法包含: 提供與該蓋體一體設置之一石英晶體微天秤(QCM)組件,該QCM組件具有一QCM晶體,該QCM晶體具有一前表面且設置於一止擋緣上,該止擋緣位於形成於該蓋體中之一凹孔之一底部中,致使該QCM晶體之一中央部裸露於該反應腔室之該內部且位於該基板上方,一固定器下壓該QCM晶體之該前表面之一外部使該外部靠抵該止擋緣而形成一第一密封,該第一密封未包括有密封材料或密封元件;及 於該反應腔室之該內部中執行一原子層沉積製程,以沉積一第一薄膜於該基板上以及沉積一第二薄膜於該QCM晶體之該中央部上,並以一傳感器驅動該QCM晶體且量測來自該QCM晶體之一輸出訊號。
  17. 如請求項16所述之方法,其中該QCM晶體具有一直徑DQ,該QCM晶體之該前表面之該中央部具有一直徑DO,且其中(0.25)DQ ≤ DO ≤ (0.6)DQ。
  18. 如請求項17所述之方法,其中下壓該QCM晶體之步驟係藉由該固定器之向下延伸之複數傳導彈性件所執行,該固定器位於該QCM晶體上方且位於該蓋體之該凹孔內。
  19. 如請求項17所述之方法,更包含以設置於該蓋體上之一隔熱蓋來熱絕緣該QCM組件。
  20. 如請求項17所述之方法,其中該內部具有範圍介於3 mm至 50 mm之間的一高度。
  21. 一種石英晶體微天秤(QCM)組件,適用於一原子層沉積系統,該石英晶體微天秤組件包含: 該原子層沉積系統之一反應腔室之一蓋體,該蓋體具有一中央凹孔,該中央凹孔具有一底部,該底部具有一止擋緣,該止擋緣定義一開口,該開口連通於該反應腔室之一內部; 一QCM晶體,具有一前表面,該QCM晶體設置於該中央凹孔之該底部中,該QCM晶體以該前表面之一外部接觸該止擋緣使該前表面之一中央部透過該開口裸露於該反應腔室; 一固定器,設置於該中央凹孔中且位於該QCM晶體上,該固定器設置以下壓該QCM晶體之該外部使該外部靠抵該止擋緣,因而在該QCM晶體之該前表面與該止擋緣之間形成一密封以及形成電接觸於該固定器與該QCM晶體之間; 一凸緣,緊鄰設置於該蓋體之一頂部,藉此密封該中央凹孔且透過該固定器提供與該QCM晶體之電接觸;及 一傳感器,位於該反應腔室外,經由該凸緣與該固定器電性連接於該QCM晶體。
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