TWI790061B - 用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台 - Google Patents

Abstract

本發明為一種用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，包括一腔體、一承載盤、一加熱單元、一抽氣環及一環形加熱器，其中加熱單元連接承載盤，並用以加熱承載盤承載的基板。抽氣環包括複數個排氣孔及一環形通道，其中排氣孔位於承載盤的周圍，並用以將容置空間內的氣體依序經由排氣孔、環形通道及抽氣通道排出，以在基板上形成穩定的流場。環形加熱器設置在抽氣環的下方，其中環形加熱器位於承載盤的周圍，並用以加熱承載盤的外圍區域，以改善承載盤承載的基板的溫度分布。

Description

用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台

本發明有關於一種薄膜沉積機台，可用以改善承載盤承載的基板的溫度分布。

隨著積體電路技術的不斷進步，目前電子產品朝向輕薄短小、高性能、高可靠性與智能化的趨勢發展。電子產品中電晶體的微縮技術至關重要，隨著電晶體的尺寸縮小，可減少電流傳輸時間及降低耗能，以達到快速運算及節能的目的。在現今微小化的電晶體中，部分關鍵的薄膜幾乎僅有幾個原子的厚度，而原子層沉積製程則是發展這些微量結構的主要技術之一。

原子層沉積製程是一種將物質以單原子的形式一層一層地鍍於基板表面的技術，原子層沉積的主要反應物有兩種化學物質，通常被稱作前驅物，並將兩種前驅物依序傳送至反應空間內。

具體而言，先將第一前驅物輸送至反應空間內，使得第一前驅物被導引至基板表面，化學吸附的過程直至表面飽和時就自動終止。將清潔氣體輸送至反應空間內，並抽出反應空間內的氣體，以去除反應空間內殘餘的第一前驅物。將第二前驅物注入反應空間，使得第二前驅物與化學吸附於基板表面的第一前驅物反應生成所需薄膜，反應的過程直至吸附於基板表面的第一前驅物反應完成為止。之後再將清潔氣體注入反應空間，以去除反應空間內殘餘的第二前驅物。透過上述步驟的反覆進行，並可在基板上形成薄膜。

在沉積的過程中，反應空間內的前驅物均勻分布情形，以及基板的溫度都會對沉積的薄膜均勻度造成相當大的影響。為此各大製程設備廠莫不極盡所能的改善前驅物分布及溫度的均勻度，以提高沉積製程的品質。

如先前技術所述，習用的薄膜沉積機台往往無法使得前驅物均勻的分布在基板上，亦無法在基板上形成均勻的溫度，進而影響沉積在基板表面的薄膜品質。為此本發明提出一種新穎的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，可以在基板及承載盤的上方形成均勻且穩定的流場，並可大幅改善基板溫度的均勻度，以利於在基板的表面形成厚度均勻的薄膜。

本發明的一目的，在於提出一種用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，主要包括一腔體、一承載盤、一抽氣環、一擴散單元及一環形加熱器，其中腔體包括一容置空間及一抽氣通道。承載盤位於腔體的容置空間內，並透過一加熱單元加熱承載盤上的基板。

抽氣環位於承載盤的承載面周圍，用以將容置空間內的氣體傳輸到抽氣通道，以在基板的上方形成均勻且穩定的流場。環形加熱器位於抽氣環的下方，並環繞在承載盤的周圍。

承載盤的承載面包括一中央區域及一外圍區域，其中環形加熱單元用以加熱承載盤的外圍區域，使得承載盤的中央區域及外圍區域的溫度相近，並可在基板上形成均勻的溫度分布，以提高沉積在機板上的薄膜沉積品質。

在沉積的過程中，承載盤會朝抽氣環的方向靠近，並透過擴散單元、承載盤及抽氣環在容置空間內定義出一反應空間，其中環形加熱器位於反應空間的外部。環形加熱器不位於反應空間的抽氣路徑上，亦不會直接接觸排出反應空間的氣體，使得環形加熱器可穩定的將熱量提供給承載盤。

本發明所述的環形加熱器可固定或整合在腔體或抽氣環上，不會隨著承載盤位移，有利於簡化環形加熱器的線路設置。

為了達到上述的目的，本發明提出一種用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，包括：一腔體，包括一容置空間及一抽氣通道，抽氣通道位於容置空間外圍；一承載盤，位於容置空間內，並包括一承載面用以承載至少一基板，其中承載面包括一中央區域及一外圍區域，外圍區域環繞在中央區域的外側；一加熱單元，連接承載盤，並用以加熱承載面承載的基板；一抽氣環，包括一環形外牆及一環形內牆，環形內牆位於環形外牆的內側，其中環形內牆設置複數個排氣孔，環繞設置在承載盤的承載面的周圍，環形外牆及環形內牆之間具有一環形通道，環形通道流體連接腔體的抽氣通道及排氣孔；一擴散單元，包括複數個進氣孔，朝向承載盤的承載面，其中擴散單元、承載盤及抽氣環在容置空間內定義出一反應空間，擴散單元的進氣孔將至少一前驅物輸送至反應空間，並經由排氣孔及環形通道輸送至抽氣通道；及一環形加熱器，位於抽氣環的下方，環繞設置在承載盤的外圍區域周圍，並用以加熱承載盤的外圍區域，其中環形加熱器位於反應空間外。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中環形加熱器整合在抽氣環的內部。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中腔體包括一環形承載部位於抽氣通道的內側，環形承載部用以承載環形加熱器，而排氣環則設置在環形加熱器上。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，包括一基板進出口位於抽氣通道的下方，及一連接管線連接抽氣通道。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中連接管線連接的抽氣通道的高度大於基板進出口上方的抽氣通道的高度。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中抽氣環包括一個或多個連接孔，抽氣環的環形通道經由連接孔連接腔體的抽氣通道，其中基板進出口上方的連接孔的設置密度或孔徑大於連接管線上方的連接孔的設置密度或孔徑。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中承載盤連接一線性致動器，並透過線性制動器驅動承載盤靠近或遠離擴散單元，承載盤靠近擴散單元並定義出反應空間。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中抽氣環的排氣孔、環形通道及抽氣通道形成一抽氣路徑，並經由抽氣路徑抽出反應空間內的前驅物，而環形加熱器與抽氣路徑獨立。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中抽氣環包括一第一環形斜面，相對於承載盤的一軸心傾斜，並朝向擴散單元，擴散單元包括一第二環形斜面環繞設置在複數個進氣孔的周圍，其中第一環形斜面及第二環形斜面的傾斜角度相同，並用以對位擴散單元及抽氣環。

所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中抽氣環包括一環形凸部，連接環形內牆並位於排氣孔的下方。

請參閱圖1，為本發明用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台一實施例的剖面分解示意圖。如圖所示，用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台10主要包括一腔體11、一承載盤13、一抽氣環15、一環形加熱器17及一擴散單元19，其中腔體11包括一容置空間112及一抽氣通道114，抽氣通道114位於容置空間112的外圍。承載盤13位於容置空間112內，並包括一承載面131用以承載至少一基板14。

在本發明一實施例中，腔體11的容置空間112近似圓柱體，而抽氣通道114則為環狀體或管狀體，並環繞設置在容置空間112的外側。在本發明另一實施例中，容置空間112可為多邊形體，而抽氣通道114則為多邊形管狀體。

如圖2所示，抽氣環15為環狀體，並包括一環形外牆151及一環形內牆153，其中環形內牆153位於環形外牆151的內側，並於環形外牆151及環形內牆153之間形成一環形通道152。

環形內牆153上設置複數個排氣孔154，其中排氣孔154流體連接環形通道152及腔體11的容置空間112，並且排氣孔154環繞設置在承載盤13的131承載面的周圍。抽氣環15的底部155設置至少一連接孔156，例如連接孔156與排氣孔154之間的夾角約為90度，當抽氣環15連接腔體11時，位於底部155的連接孔156會連接抽氣通道114。環形通道152經由連接孔156連接114抽氣通道，並經由排氣孔154連接容置空間112。

在本發明一實施例中，抽氣環15可包括一環形凸部159，其中環形凸部159連接環形內牆153，並沿著抽氣環15的徑向內側凸出環形內牆153。環形凸部159位在排氣孔154的下方，當承載盤13靠近抽氣環15時，承載盤13的側面會貼近抽氣環15的環形凸部159，使得承載面131位於環形凸部159的徑向內側，並可透過環形凸部159將基板14及/或承載盤13上方的氣體引導至排氣孔154。

如圖1及圖3所示，承載盤13的承載面131可被定義為一中央區域1311及一外圍區域1313，其中外圍區域1313環繞在中央區域1311的外側，例如中央區域1311為圓形，而外圍區域1313為環形。承載盤13連接一加熱單元133，例如加熱單元133可以是加熱線圈，其中加熱單元133位於承載盤13的承載面131下方，並用以加熱承載面131承載的基板14。

外圍區域1313下方的加熱單元133的設置密度通常較中央區域1311低，且加熱單元133只能由單側加熱承載盤13的外圍區域1313，例如由承載面131的徑向內側朝徑向外側的方向加熱外圍區域1313，使得外圍區域1313溫度上升的速度較中央區域1311緩慢。

此外，承載面131的外圍區域1313靠近承載盤13的側表面，與容置空間112的接觸面積較大，使得外圍區域1313的熱量會以較快的速度傳遞至容置空間112，導致外圍區域1313的溫度低於中央區域1311。

為了改善承載盤13的外圍區域1313溫度較低的問題，本發明進一步提出在抽氣環15的下方設置一環形加熱器17，例如加熱線圈，其中環形加熱器17環繞設置在承載盤13的外圍區域1313周圍，並用以加熱承載盤13的外圍區域1313，使得承載盤13的中央區域1311及外圍區域1313的溫度相近。

在設置時可依據承載盤13的承載面131的面積，選擇適當大小的環形加熱器17，並可改變承載盤13與環形加熱器17之間的間距G，以調整環形加熱器17加熱外圍區域1313的效率。例如環形加熱器17的內緣可對齊抽氣環15的環形凸部159內緣。

在本發明一實施例中，環形加熱器17及抽氣環15可以是兩個獨立的構件，其中環形加熱器17可接觸抽氣環15的底部。在本發明另一實施例中，可將環形加熱器17整合在抽氣環15內部，使得兩者成為單一構件，例如可將環形加熱器17整合在抽氣環15的環形凸部159。

如圖1所示，腔體11可包括一環形承載部113位於抽氣通道114的內側，其中環形承載部113為設置在腔體上的環形凹槽，可用以承載環形加熱器17，而抽氣環15則設置在環形加熱器17上。

擴散單元19包括一擴散面191及複數個進氣孔193，其中擴散單元19連接腔體11時，擴散面191及設置在擴散面191的進氣孔193會朝向承載盤13的承載面131及/或基板14。擴散單元19的進氣孔193流體連接容置空間112，並用以將氣體或前驅物輸送至基板14的上方。

如圖1及圖2所示，抽氣環15包括一第一環形斜面157，其中第一環形斜面157連接環形內牆153，相對於承載盤13的一軸心及環形內牆153傾斜，並朝向擴散單元19。擴散單元19包括一第二環形斜面195環繞設置在複數個進氣孔193的周圍，其中第一環形斜面157及第二環形斜面195的傾斜角度相同，並用以對位擴散單元19及抽氣環15。

如圖4及圖5所示，本發明所述用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台10可操作在進出料狀態及沉積狀態。腔體11包括一基板進出口111，其中基板進出口111位於抽氣通道114的下方。此外抽氣通道114可經由一連接管線121連接一抽氣馬達12，其中連接管線121及基板進出口111彼此面對，並分別設置在腔體11或抽器通道114的兩側。

在本發明一實施例中，連接管線121連接的抽氣通道114的高度，可大於基板進出口111上方的抽氣通道114的高度。此外基板進出口111上方的連接孔156的設置密度或孔徑，可大於連接管線121上方的連接孔156的設置密度或孔徑。

承載盤13可連接一線性致動器135，例如氣缸，其中線性制動器135用以驅動承載盤13靠近或遠離擴散單元19。如圖4所示，當線性制動器135帶動承載盤13遠離擴散單元19，並切齊基板進出口111時，可透過一機械手臂經由基板進出口111將基板14輸送至承載盤13的承載面131上，或者是將承載盤13承載的基板14輸送至腔體11的外部。

如圖5所示，當線性制動器135帶動承載盤13朝擴散單元19位移時，承載盤13會接近抽氣環15，例如承載盤13的側表面與抽氣環15之間僅具有一很小的間隙。腔體11、承載盤13、抽氣環15及/或擴散單元19在容置空間112內區隔出一反應空間116，並在反應空間116內對基板14進行薄膜沉積，其中環形加熱器17位於反應空間116外部。

在進行薄膜沉積的過程中，擴散單元19的進氣孔193用以將氣體及/或前驅物輸送至反應空間116，並經由排氣孔154、環形通道152及抽氣通道114形成一抽氣路徑P1。抽氣路徑P1用以將反應空間116內的氣體及/或前驅物抽出，以在承載盤13的承載面131及基板14的上形成穩定及均勻的流場。

具體而言，在沉積過程中環形加熱器17與反應空間116及/或抽氣路徑P1獨立，使得經由抽氣路徑P1導出反應空間116的氣體不會直接接觸環形加熱器17，避免環形加熱器17的熱量被流動的氣體帶走。環形加熱器17可以穩定加熱承載盤13的外圍區域1313，並提高承載盤13的承載面131及基板14的溫度均勻性。

此外在沉積狀態下，抽氣環15的複數個排氣孔154會環繞設置在承載盤13的承載面131周圍，其中排氣孔154的高度略高於或等於承載面131，或約略與基板14的上表面等高，以利於經由排氣孔154抽出反應空間116內的氣體，並在基板14的表面形成均勻且穩定的流場。

圖6為先前技術的承載盤的承載面的溫度分布狀態圖，其中承載面131的外圍區域1313的溫度明顯低於中央區域1311的溫度，例如當中央區域1311的溫度提高到攝氏538到545度之間時，外圍區域1313的溫度僅提高到攝氏526至533度之間。相較之下，圖7為本發明的承載盤的承載面的溫度分布狀態圖，可明顯看出抽氣環15搭配環形加熱器17的設置，可有效提高承載面131的外圍區域1313的溫度，使得外圍區域1313的溫度與中央區域1311的溫度相近，例如當中央區域1311的溫度提高到攝氏538到545度之間時，外圍區域1313的溫度亦會提高到攝氏533至538度之間。如此一來承載盤13將可以均勻的加熱承載的基板14，使得基板14整體的溫度更為均勻，並有利於在基板14的表面形成厚度均勻的薄膜。

以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10:用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台 11:腔體 111:基板進出口 112:容置空間 113:環形承載部 114:抽氣通道 116:反應空間 12:抽氣馬達 121:連接管線 13:承載盤 131:承載面 1311:中央區域 1313:外圍區域 133:加熱單元 135:線性致動器 14:基板 15:抽氣環 151:環形外牆 152:環形通道 153:環形內牆 154:排氣孔 155:底部 156:連接孔 157:第一環形斜面 159:環形凸部 17:環形加熱器 19:擴散單元 191:擴散面 193:進氣孔 195:第二環形斜面 G:間距 P1:抽氣路徑

[圖1]為本發明用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台一實施例的剖面分解示意圖。

[圖2]為本發明用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台的抽氣環及環形加熱器一實施例的剖面示意圖。

[圖3]為本發明用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台的承載台及環形加熱器一實施例的俯視圖。

[圖4]為本發明用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台操作在進出料狀態一實施例的剖面示意圖。

[圖5]為本發明用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台操作在沉積狀態一實施例的剖面示意圖。

[圖6]為習用的薄膜沉積機台的承載盤一實施例的溫度分布示意圖。

[圖7]為本發明用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台的承載盤一實施例的溫度分布示意圖。

114:抽氣通道

13:承載盤

151:環形外牆

152:環形通道

153:環形內牆

154:排氣孔

155:底部

156:連接孔

157:第一環形斜面

159:環形凸部

17:環形加熱器

Claims (10)

1. 一種用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，包括： 一腔體，包括一容置空間及一抽氣通道，該抽氣通道位於該容置空間外圍； 一承載盤，位於該容置空間內，並包括一承載面用以承載至少一基板，其中該承載面包括一中央區域及一外圍區域，該外圍區域環繞在該中央區域的外側； 一加熱單元，連接該承載盤，並用以加熱該承載面承載的該基板； 一抽氣環，包括一環形外牆及一環形內牆，該環形內牆位於該環形外牆的內側，其中該環形內牆設置複數個排氣孔，環繞設置在該承載盤的該承載面的周圍，該環形外牆及該環形內牆之間具有一環形通道，該環形通道流體連接該腔體的該抽氣通道及該排氣孔； 一擴散單元，包括複數個進氣孔，朝向該承載盤的該承載面，其中該擴散單元、該承載盤及該抽氣環在該容置空間內定義出一反應空間，該擴散單元的該進氣孔將至少一前驅物輸送至該反應空間，並經由該排氣孔及該環形通道輸送至該抽氣通道；及 一環形加熱器，位於該抽氣環的下方，環繞設置在該承載盤的該外圍區域周圍，並用以加熱該承載盤的該外圍區域，其中該環形加熱器位於該反應空間外。
2. 如請求項1所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該環形加熱器整合在該抽氣環的內部。
3. 如請求項1所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該腔體包括一環形承載部位於該抽氣通道的內側，該環形承載部用以承載該環形加熱器，而該排氣環則設置在該環形加熱器上。
4. 如請求項1所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，包括一基板進出口位於該抽氣通道的下方，及一連接管線連接該抽氣通道。
5. 如請求項4所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該連接管線連接的該抽氣通道的高度大於該基板進出口上方的該抽氣通道的高度。
6. 如請求項4所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該抽氣環包括一個或多個連接孔，該抽氣環的該環形通道經由該連接孔連接該腔體的該抽氣通道，其中該基板進出口上方的該連接孔的設置密度或孔徑大於該連接管線上方的該連接孔的設置密度或孔徑。
7. 如請求項4所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該承載盤連接一線性致動器，並透過該線性制動器驅動該承載盤靠近或遠離該擴散單元，該承載盤靠近該擴散單元並定義出該反應空間。
8. 如請求項1所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該抽氣環的該排氣孔、該環形通道及該抽氣通道形成一抽氣路徑，並經由該抽氣路徑抽出該反應空間內的該前驅物，而該環形加熱器與該抽氣路徑獨立。
9. 如請求項1所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該抽氣環包括一第一環形斜面，相對於該承載盤的一軸心傾斜，並朝向該擴散單元，該擴散單元包括一第二環形斜面環繞設置在該複數個進氣孔的周圍，其中該第一環形斜面及該第二環形斜面的傾斜角度相同，並用以對位該擴散單元及該抽氣環。
10. 如請求項1所述的用以改善基板溫度分布的薄膜沉積機台，其中該抽氣環包括一環形凸部，連接該環形內牆並位於該排氣孔的下方。

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