TWI656236B - 化學氣相沈積設備 - Google Patents

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Abstract

一種化學氣相沈積設備包含一壓載氣體源以及一質量流量控制器，其中壓載氣體源設置於一分離裝置之上游側，並經由控制壓載氣體的流速來控制一反應腔室中的壓力。由於反應腔室以及與壓載氣體源連接之節點間之空間較小，因而使反應腔室之壓力響應加快。

Description

化學氣相沈積設備
本發明是有關一種沈積設備，特別是一種化學氣相沈積設備。
化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)是可形成純度高、效能好之固態材料，例如半導體產業使用CVD來成長薄膜。典型的CVD製程是將基板(例如晶圓)置於一反應腔室中，並暴露在一種或多種不同的前驅物下，前驅物在基板表面發生化學反應即可在基板表面上形成所需的薄膜。化學氣相沈積(CVD)可大致分類為一低壓化學氣相沈積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)、一大氣壓力化學氣相沈積(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD)、一低溫化學氣相沈積(Low Temperature Chemical Vapor Deposition, LTCVD)、一電漿增強化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)、以及一金屬有機化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)。
反應腔室內之壓力對CVD製程而言是重要的。如果壓力改變，前驅物流速以及濃度也會隨之變化，而這對CVD製程而言非常重要。因此，反應腔室內之壓力應控制在一定值。氣體源壓力的干擾或電力雜訊所造成的幫浦功率不規則變化皆是影響反應腔室內壓力的因子。為了補償這些反應腔室內壓力的不規則變化，CVD設備一般具有一機制來維持反應腔室內壓力恆定。
習知之化學氣相沈積設備是利用排氣路徑上之一節流閥來控制反應腔室內之壓力。壓力控制是透過改變節流閥的流導率來調整。當節流閥的開啟程度降低時，氣流淤積而導致反應腔室內之壓力上升。相反的，當節流閥的開啟程度增加時，氣流加快而導致反應腔室內之壓力下降。為了避免節流閥被來自反應腔室的廢氣污染，節流閥之上游側需設置一過濾器以過濾廢氣。未反應之反應氣體及/或反應之副產物以結構上具有足夠大空間之過濾器捕捉。然而，過濾器具有較大的空間，導致反應腔室之壓力無法隨著節流閥的調節而快速響應。由於這個大空間存在於節流閥的控制手段以及反應腔室之控制標的之間，因此反應腔室內的壓力無法快速響應節流閥的調整。
有鑑於此，加快反應腔室之壓力響應便是目前極需努力的目標。
本發明提供一種化學氣相沈積設備，其是在分離裝置之上游側設置一壓載氣體源，並控制壓載氣體之流量來改變壓載氣體所連接之節點中包含廢氣的局部壓力，以使反應腔室內之壓力能夠快速響應。
本發明一實施例之化學氣相沈積設備是用以形成一薄膜於一基板，且其包含一反應腔室、一第一壓力偵測器、一壓力控制器、一分離裝置、一壓載氣體源以及一質量流量控制器。反應腔室包含一進氣口以及一排氣口，其中一製程氣體經由進氣口通入反應腔室，一廢氣經由排氣口排出反應腔室，且製程氣體包含一反應氣體。第一壓力偵測器與反應腔室連接，以偵測反應腔室之一壓力，並輸出一第一壓力訊號。壓力控制器與第一壓力偵測器電性連接，以依據第一壓力訊號產生一回饋訊號。分離裝置與反應腔室之排氣口連接，以濾除廢氣中之反應氣體以及一副產物至少其中之一。壓載氣體源連接於反應腔室之排氣口以及分離裝置之間。質量流量控制器與壓力控制器電性連接，以依據回饋訊號控制來自壓載氣體源之一壓載氣體之流量。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。
本發明之化學氣相沈積設備是用以形成一薄膜於一基板。請參照圖1，本發明之一實施例之化學氣相沈積設備包含一反應腔室11、一第一壓力偵測器12a、一壓力控制器12b、一分離裝置13、一壓載氣體源(ballast gas source) 16以及一質量流量控制器(mass flow controller，MFC) 17。反應腔室11包含一進氣口以及一排氣口。製程氣體PG經由進氣口通入反應腔室11。反應後之廢氣EG經由排氣口排出反應腔室11。於一實施例中，製程氣體PG包含載流氣體(carrier gas)以及至少一反應氣體(例如前驅物)，其與基板20之表面反應以形成所需之薄膜。廢氣EG包含未與基板20反應的反應氣體以及反應後的副產物。
舉例而言，基板20可為半導體基板、玻璃基板或其它類似物；薄膜為半導體及氧化物膜之化合物。於一實施例中，基板20可為砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、矽(Si)、碳化矽(SiC)及藍寶石(Al2 O3 )等等；所成長的薄膜材料可為三五族化合物半導體，例如砷化鎵(GaAs)、砷化鎵鋁(AlGaAs)、磷化鋁銦鎵(AlGaInP)、氮化銦鎵(InGaN)，或是二六族化合物半導體。上述半導體薄膜可應用於光電元件(例如發光二極體、雷射二極體或太陽能電池)或高電子遷移率電晶體的製作。於一實施例中，反應氣體可為金屬化合物或有機金屬化合物。舉例而言，反應氣體可為砷化氫(AsH3 )、磷化氫(PH3 )、氮化氫(NH3 )、矽乙烷(Si2 H6 )、Trimethylgallium (TMGa)、Trimethylaluminum (TMAl)、Trimethylindium (TMIn)、Bis(cyclopentadienyl)magnesium (Cp2Mg)、Diisopropyltelluride (DIPTe)等。可以理解的是，金屬化合物或有機金屬化合物可利用載流氣體帶入反應腔室11中。於一實施例中，載流氣體可為氫氣(H2 )、氮氣(N2 )或以上之組合。
於一實施例中，化學氣相沈積設備更包含一固持元件111。固持元件111設置於反應腔室11中，以固持基板20。於一實施例中，化學氣相沈積設備更包含一加熱元件112。加熱元件112設置於反應腔室11中，以加熱基板20。舉例而言，加熱元件112設置於固持元件111上加熱基板20，以促使反應氣體於基板20之表面反應而形成薄膜。
第一壓力偵測器12a與反應腔室11連接，以偵測反應腔室內之壓力，並輸出一第一壓力訊號PS1。壓力控制器12b與第一壓力偵測器12a電性連接。壓力控制器12b依據第一壓力偵測器12a所輸出之第一壓力訊號PS1產生一回饋訊號FB。舉例而言，壓力控制器12b可利用比例-積分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制方法依據第一壓力訊號PS1以及一壓力設定值之差值計算出一適當輸出值作為回饋訊號FB並輸出至質量流量控制器17。分離裝置13與反應腔室11之排氣口連接。分離裝置13可濾除廢氣EG中未反應之反應氣體及/或反應後之副產物。舉例而言，分離裝置13可為一過濾器，以濾除廢氣EG中未反應之反應氣體及/或反應後之副產物。於一實施例中，本發明之化學氣相沈積設備更包含一節流閥14，其設置於分離裝置13之下游側，如此可避免未過濾廢氣EG中未反應之反應氣體或副產物弄髒節流閥14。可以理解的是，本發明之化學氣相沈積設備包含一排氣幫浦15，其設置於節流閥14之下游側。排氣幫浦15持續抽氣，可使製程氣體PG以及廢氣EG沿固定的氣流方向依序通過反應腔室11、分離裝置13、節流閥14以及排氣幫浦15後排出。
一般而言，習知之節流閥14在製程中是持續運轉的，以控制反應腔室內之壓力。於圖1所示之實施例中，節流閥14在製程中的開啟程度應為固定。在進行薄膜沈積製程之前通常要進行一排空程序，並在進行排空程序時決定節流閥14之開啟程度以使反應腔室11達到目標壓力，且在進行薄膜沈積製程時維持節流閥14之開啟程度。然而，如果在薄膜沈積製程中需要劇烈改變反應腔室11內之壓力或反應氣體PG之流量，節流閥14之開啟程度可再次被調整。在調整節流閥14之開啟程度時，壓載氣體BG之流量應固定於質量流量控制器17之可控制範圍的一平均值，以在反應腔室11之壓力過高於或過低於設定壓力時獲得良好的控制能力。如果在沈積製程中反應腔室11之壓力或反應氣體PG之流量沒有變化，或者依據運轉情況，製程條件沒有太大差異，節流閥14能夠以手動閥取代，以降低成本。如果整個排氣管線適合製程條件以及抽氣功率，則節流閥14可以被省略。
壓載氣體源16連接於反應腔室11之排氣口以及分離裝置13之間，亦即反應腔室11之下游側以及分離裝置13之上游側。質量流量控制器17則與壓力控制器12b電性連接，以接受壓力控制器12b所輸出之回饋訊號FB。質量流量控制器17可依據回饋訊號FB控制來自壓載氣體源16之一壓載氣體BG之流量，以調整反應腔室11內之壓力。詳細之控制方法容後說明。
請參照圖2，於一實施例中，節流閥14亦與壓力控制器12b電性連接，且節流閥14可依據壓力控制器12b所輸出之回饋訊號FB調整節流閥14之開啟程度，進而調整反應腔室11之壓力。舉例而言，假設通入反應腔室11之製程氣體PG之流量固定且反應腔室11之壓力穩定時，增加節流閥14之開啟程度可使廢氣EG的流量增加，如此反應腔室11之壓力即隨之降低。反之，減少節流閥14之開啟程度可使廢氣EG的流量降低，如此反應腔室11之壓力即因製程氣體PG的累積而升高。於圖2所示之實施例中，壓力控制器12b可透過質量流量控制器17及/或節流閥14來調整反應腔室11內之壓力。可以理解的是，相較於圖1所示之實施例，其僅透過控制壓載氣體BG之流量來調整反應腔室11內之壓力，圖2所示之實施例導入節流閥14，不僅有更多調整反應腔室11壓力之手段，且可獲得較快之壓力控制響應。
為了使本發明之控制方法更加清楚，首先解釋習知之壓力控制方法。請參照圖1、圖4a以及圖4b，圖4a顯示習知之化學氣相沈積設備於一穩定態之排氣路徑的壓力分佈，其中排氣路徑區分成多個部分，包含反應腔室R、反應腔室11以及分離裝置13之間的排氣管線EPa、分離裝置SD、分離裝置13以及節流閥14之間的排氣管線EPb、以及節流閥14以及排氣幫浦15之間的排氣管線EPc。如前所述，通入反應腔室11之製程氣體PG之流量固定且反應腔室11之壓力穩定。為了增加反應腔室11之壓力，可降低從反應腔室11排出之廢氣EG的流量，亦即降低節流閥14之開啟程度，以使通入反應腔室11之製程氣體PG能夠累積。可以理解的是，分離裝置13內之壓力必須事先增加，接著製程氣體PG將會逐漸在反應腔室11中累積。如圖4b所示，靠近節流閥14的壓力首先增加，如圖4b中之短虛線所示。接著，分離裝置13內之壓力增加，如圖4b中之長虛線所示。最後，反應腔室11內之壓力逐漸增加，如圖4b中之一點鏈線以及兩點鏈線所示。然而，分離裝置13具有較大的空間，因此壓力上升的時間較長，這導致反應腔室11內之壓力響應將會延遲，亦即反應腔室11內之壓力響應較慢。因此，具有大空間之分離裝置13對於反應腔室11內之壓力控制響應是不利的。
請參照圖1、圖5a以及圖5b，圖5a顯示圖1所示實施例之化學氣相沈積設備於一穩定態之排氣路徑的壓力分佈，其中反應腔室11以及分離裝置13之間的排氣管線區分為反應腔室11以及壓載氣體BG所連接之節點間之排氣管線EPa1以及該節點以及分離裝置13間之排氣管線EPa2。以下說明本發明之控制方法。假設反應腔室11之壓力在穩定流量之壓載氣體BG下維持在目標值。然後反應腔室11之壓力因為某些原因而小於目標值。此時，如果壓載氣體BG的流量增加，接著壓載氣體BG所連接之節點的局部壓力變高，如圖5b所示之短虛線所示。由於該節點非常靠近反應腔室11且沒有大空間，因此該節點之局部壓力增高的效應將會立即轉移至反應腔室11，如圖5b之長虛線所示。結果是反應腔室11太低的壓力立即校正至目標值。
在此，質量流量控制器17增加了壓載氣體BG之流量，以使分離裝置13的空間迅速充滿壓載氣體BG，從而分離裝置13中之壓力將迅速增加。換言之，製程氣體PG將在較短時間內累積在反應腔室11中，以使反應腔室11內之壓力迅速增加，如圖5b之單點鏈線和雙點鏈線所示。因此，本發明之壓力響應(如圖6之實線所示)比傳統之壓力控制方法(如圖6之虛線所示)更快。當反應腔室11之壓力達到一預定值時，質量流量控制器17可以降低或關閉壓載氣體BG的流量。相反的，要降低反應腔室11之壓力，質量流量控制器17可以降低或關閉壓載氣體BG的流量，如此一來，在節流閥14之相同開啟程度下，分離裝置13以及反應腔室11之壓力將會降低。
可以理解的是，壓載氣體BG所連接之節點之壓力應小於反應腔室11之壓力，以避免壓載氣體BG逆向流入反應腔室11。請參照圖3，於一實施例中，本發明之化學氣相沈積設備更包含一第二壓力偵測器12c，其連接反應腔室11之排氣口以及分離裝置13之間。較佳者，第二壓力偵測器12c連接於壓載氣體BG所連接之節點。第二壓力偵測器12c偵測該節點之壓力，並輸出一第二壓力訊號PS2至壓力控制器12b，壓力控制器12b即可在該節點之壓力大於反應腔室11之壓力時，降低壓載氣體BG的流量以降低該節點之壓力。於一實施例中，壓力控制器12b依據第一壓力訊號PS1以及第二壓力訊號PS2至少其中之一產生相對應之回饋訊號FB，以控制壓載氣體BG之流量及/或節流閥14之開啟程度。
需注意的是，反應腔室11之壓力能夠以節流閥14之開啟程度粗略地調整，接著再以壓載氣體之流量細微地調整，其也具有控制壓力雜訊的功能。此外，節流閥14能夠以可調整流導率之手動閥取代，或者在沒有任何流導閥的情況下，可調整吸力之排氣幫浦15可用於粗略地調整反應腔室11之壓力。在特別的情況下，如果整個排氣系統之流導率與製程氣體之總流速相匹配而獲得令人滿意的壓力，則可不需要流導閥或專用幫浦。
於一實施例中，分離裝置13可為一吸附式或反應式過濾器，如此，未反應之反應氣體或反應後之副產物可吸附於濾材上或與濾材反應。可以理解的是，壓載氣體BG與分離裝置13之反應活性應小於反應氣體或副產物與分離裝置13之反應活性，以避免壓載氣體BG消耗分離裝置13之濾材而使分離裝置13的使用壽命縮短。於一實施例中，壓載氣體BG可與製程氣體PG中之載流氣體相同。舉例而言，壓載氣體BG可為氫氣(H2 )、氮氣(N2 )或以上之組合。
綜合上述，本發明之化學氣相沈積設備是在分離裝置之上游側設置一壓載氣體源，並控制壓載氣體之流量，以改變壓載氣體所連接之節點的局部壓力。由於反應腔室之排氣口以及壓載氣體所連接之節點間之空間較小，且該節點非常靠近反應腔室，因此改變壓載氣體流量所造成局部壓力改變的效應會立即轉移至反應腔室，進而使反應腔室之壓力響應較快且獲得高品質的薄膜。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
11‧‧‧反應腔室
111‧‧‧固持元件
112‧‧‧加熱元件
12a‧‧‧第一壓力偵測器
12b‧‧‧壓力控制器
12c‧‧‧第二壓力偵測器
13‧‧‧分離裝置
14‧‧‧節流閥
15‧‧‧排氣幫浦
16‧‧‧壓載氣體源
17‧‧‧質量流量控制器
20‧‧‧基板
BG‧‧‧壓載氣體
EG‧‧‧廢氣
EPa‧‧‧排氣管線
EPa1‧‧‧排氣管線
EPa2‧‧‧排氣管線
EPb‧‧‧排氣管線
EPc‧‧‧排氣管線
FB‧‧‧回饋訊號
PG‧‧‧反應氣體
PS1‧‧‧第一壓力訊號
PS2‧‧‧第二壓力訊號
R‧‧‧排氣路徑之反應腔室段
SD‧‧‧排氣路徑之分離裝置段
圖1為一示意圖，顯示本發明第一實施例之化學氣相沈積設備。 圖2為一示意圖，顯示本發明第二實施例之化學氣相沈積設備。 圖3為一示意圖，顯示本發明第三實施例之化學氣相沈積設備。 圖4a為一示意圖，顯示習知之化學氣相沈積設備於一穩定態之排氣路徑的壓力分佈。 圖4b為一示意圖，顯示習知之化學氣相沈積設備在降低節流閥開啟程度後之排氣路徑的壓力分佈。 圖5a為一示意圖，顯示本發明第一實施例之化學氣相沈積設備於一穩定態之排氣路徑的壓力分佈。 圖5b為一示意圖，顯示本發明第一實施例之化學氣相沈積設備在增加壓載氣體流量後之排氣路徑的壓力分佈。 圖6為一模擬圖，顯示習知以及本發明實施例之化學氣相沈積設備在控制壓力後之反應腔室內之壓力轉變。

Claims (14)

  1. 一種化學氣相沈積設備，其用以形成一薄膜於一基板，該化學氣相沈積設備包含：一反應腔室，其包含一進氣口以及一排氣口，其中一製程氣體經由該進氣口通入該反應腔室，一廢氣經由該排氣口排出該反應腔室，且該製程氣體包含一反應氣體；一第一壓力偵測器，其與該反應腔室連接，以偵測該反應腔室之一壓力，並輸出一第一壓力訊號；一壓力控制器，其與該第一壓力偵測器電性連接，以依據該第一壓力訊號產生一回饋訊號；一分離裝置，其與該反應腔室之該排氣口連接，以濾除該廢氣中之該反應氣體以及一副產物至少其中之一；一壓載氣體源，其連接於該反應腔室之該排氣口以及該分離裝置之間；一質量流量控制器，其與該壓力控制器電性連接，以依據該回饋訊號控制來自該壓載氣體源之一壓載氣體之流量；以及一節流閥，其設置於該分離裝置之下游側。
  2. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，其中該節流閥與該壓力控制器電性連接，以依據該回饋訊號調整該節流閥之開啟程度。
  3. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，更包含：一第二壓力偵測器，其連接於該反應腔室之該排氣口以及該分離裝置之間且該壓載氣體源所連接之一節點，以偵測該節點之 一壓力，並輸出一第二壓力訊號至該壓力控制器，其中該壓力控制器依據該第一壓力訊號以及該第二壓力訊號至少其中之一產生該回饋訊號。
  4. 如請求項3所述之化學氣相沈積設備，其中該節點之該壓力小於該反應腔室之該壓力。
  5. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，其中該壓載氣體與該分離裝置之反應活性小於該反應氣體或該副產物與該分離裝置之反應活性。
  6. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，其中該分離裝置為一過濾器。
  7. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，其中該製程氣體包含一載流氣體，且該壓載氣體與該載流氣體相同。
  8. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，其中該壓載氣體包含氫氣、氮氣或以上之組合。
  9. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，其中該製程氣體包含一有機金屬。
  10. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，其中該薄膜為半導體及氧化物膜之化合物。
  11. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，更包含：一排氣幫浦，其設置於該分離裝置之下游側。
  12. 如請求項11所述之化學氣相沈積設備，其中該排氣幫浦之吸力為可調整的。
  13. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，更包含：一固持元件，其設置於該反應腔室中，以固持一基板。
  14. 如請求項1所述之化學氣相沈積設備，更包含：一加熱元件，其設置於該反應腔室中，以加熱該基板。
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