CN103046022B - 基于可伸缩腔室的原子层沉积设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备。所述原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室；沉积室包括第一容积和第二容积；当沉积室在通气状态时，沉积室的容积为第一容积，当通气结束后，沉积室的容积为第二容积；第一容积大于第二容积。本发明还提供一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备的使用方法。本发明通过采用可伸缩腔室结构，提高了原子层沉积设备的化学试剂的利用率，减少清理气体停留时间和化学试剂的去除时间，进而降低沉积反应周期时间，在短时间内加工出所需厚度的膜层，提高了设备的寿命，且能够降低尾气处理的难度。

Description

基于可伸缩腔室的原子层沉积设备及其使用方法

技术领域

 本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备及其使用方法。

背景技术

传统的原子层沉积设备中，为了在任何给定的反应温度下均能使原子层沉积设备反应达到自行终止所需用的时间最小化，进入沉积室的化学试剂的流量必须达到最大化，因而需要在惰性气体的稀释作用最小和高的压力的条件下将分子前体导入沉积室。短的沉积周期时间则要求这些分子前体必须快速从沉积室中去除，即要求沉积室中的气体停留时间最小化。气体停留时间                                               与沉积室容积和反应室中的压力成正比，与流量成反比，即。从该公式可以看出，降低压力有利于降低气体停留时间以及增大化学试剂前体的清理速度。使沉积室反应时间最小化要求通过反应室的流量最大化，气体停留时间和化学试剂的利用效率与流量成反比。因此，虽然降低流量可增大化学试剂的利用率，但又会增大气体停留时间，进而增大沉积反应周期时间。降低沉积室容积亦可有效的减少气体停留时间，且由于容积变小，化学试剂的密度就会变大，进而能够有效提高化学试剂的利用率，减少废气排放，降低污染。

图1为传统沉积腔室在沉积周期的四个阶段的状态图，图中，一次沉积反应周期一般包括四个阶段：第一化学反应气体反应、第一清理气体清理、第二化学反应气体反应和第二清理气体清理，因而针对这四个阶段，给出各自阶段下的沉积腔室的状态。传统的沉积腔室在沉积周期的四个阶段中都保持容积不变的状态，根据公式，可见此时影响气体停留时间的因素主要取决于腔室内的压力以及气体流量的大小，而影响腔室压力的因素众多，且诸多因素中往往具有耦合关系，很难从改变压力的方向出发去调节气体停留时间，气体流量的大小不受外界影响，只和源瓶输出快慢有关系，从公式可以发现流量越大，气体停留时间越短，但这样也造成了化学试剂利用率低下的情况，所以仅从流量控制着手，也要合理的衡量气体停留时间和化学试剂利用率之间的关系。在缩短反应时间和提高化学试剂利用率以及清理气体停留时间和化学试剂去除时间最小化这两方面的折中平衡问题，传统的原子层沉积设备无法很好解决。因而能够实现短的反应时间和良好的化学试剂利用率，且能够使清理气体停留时间和化学试剂去除时间最小化，是现在原子层沉积设备发展的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备，提高了原子层沉积设备的化学试剂的利用率，减少清理气体停留时间和化学试剂的去除时间，进而降低沉积反应周期时间。

本发明的另一目的在于提供一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备的使用方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室；所述沉积室包括第一容积和第二容积；当所述沉积室在通气状态时，所述沉积室的容积为第一容积，当通气结束后，所述沉积室的容积为第二容积；所述第一容积大于所述第二容积。

上述方案中，所述控制部件包括计算机和数据处理模块；所述计算机与所述数据处理模块连接，所述数据处理模块分别与所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件连接；

其中，所述计算机，用于显示***操作界面、接收外部命令、显示***各部件运行中的参数，向数据处理模块发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析；所述数据处理模块，用于对所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件发送的数据进行处理。

上述方案中，所述加热部件中的温控器通过RS232串口与所述数据处理模块连接。

上述方案中，所述真空部件中的压力传感器和真空计分别通过RS232和RS485串口与所述数据处理模块连接。

上述方案中，所述数据处理模块和所述真空部件中的电压电流放大模块连接，所述电压电流放大模块和继电器连接，所述继电器下端为泵组电源。

上述方案中，所述数据处理模块与所述等离子体产生部件中的射频电源连接。

上述方案中，所述数据处理模块与所述气路部件中的质量流量控制器以及各个电磁阀相连。

一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备的使用方法，包括如下步骤：

将沉积室的容积调整为第一容积，然后向所述沉积室通入气体；

通气结束后，将所述沉积室的容积调整为第二容积，所述第二容积小于第一容积。

上述方案中，所述气体为反应气体或清理气体。

上述方案中，将所述沉积室的容积调整为第二容积后，所述气体在所述沉积室中进行反应或清洗。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明通过采用可伸缩腔室结构，提高了原子层沉积设备的化学试剂的利用率，减少清理气体停留时间和化学试剂的去除时间，进而降低沉积反应周期时间，在短时间内加工出所需厚度的膜层，提高了设备的寿命，且能够降低尾气处理的难度。

附图说明

图1为现有技术中原子层沉积设备在沉积周期四个阶段的状态图；

图2为本发明实施例提供的原子层沉积设备的***结构图；

图3为本发明实施例提供的原子层沉积设备在沉积周期四个阶段的状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图2所示，本发明实施例提供一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室15；沉积室15内包括第一容积和第二容积；当沉积室在通气状态时，沉积室的容积为第一容积，当通气结束后，沉积室的容积为第二容积；第一容积大于第二容积。

控制部件包括计算机21和数据处理模块22，计算机21与数据处理模块22连接，数据处理模块22分别与真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件连接。其中，计算机21，用于显示***操作界面、接收外部命令、显示***各部件运行中的参数，向数据处理模块发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析；数据处理模块22，用于对真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件发送的数据进行处理。

计算机21作为原子层沉积设备中的控制中枢，对原子层沉积设备的真空部件、加热部件、气路部件 、等离子体产生部件进行控制操作，控制设备各个部件之间的信息交流，是整个设备的调度中心，负责设备中涉及的数据处理的主要部分，完成设备中指令分析和发送、接收和处理其它部件的请求，实现控制功能，保证设备良好运行。

数据处理模块22作为原子层沉积设备中的辅助数据处理中心，负责对原子层设备的真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件发送的数据进行处理，数据处理模块22中固化了具体的数据处理程序，通过分析各个部件的请求，启用相应的处理程序，实时快速的返回处理结果。

本发明中计算机21和数据处理模块22连接，计算机21用于显示***操作界面、接收外部命令、显示***各部件运行中的参数，向数据处理模块22发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块22接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析，协调和控制整个原子层沉积设备运行在正常工作状态。加热部件中的温控器20通过RS232串口与数据处理模块22连接，真空部件中的压力传感器和真空计23分别通过RS232和RS485串口与数据处理模块22连接，数据处理模块22作为射频电源12、质量流量控制器1、质量流量控制器19、电压电流放大模块25和数据处理模块22的数据信息交流处理通道，使得整个控制部件结构清晰，便于生产。数据处理模块22和电压电流放大模块25连接，电压电流放大模块25和继电器24连接，继电器24下端为泵组电源18。数据处理模块22和气路部件中的电磁阀2至电磁阀7相连。

本发明实施例还提供一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备的使用方法，包括如下步骤：

（1）启动计算机21，进入原子层沉积设备控制***界面，设置预计沉积反应时间和设备其它工作参数；

（2）计算机21通过数据处理模块22发送开启命令，电源电流放大模块25输出高电压，控制继电器24的接通，进而开启控制泵组电源18，启动机械泵17和分子泵16；数据处理模块22和气路部件中的电磁阀2至电磁阀7相连，对电磁阀2至电磁阀5的控制是为了调节气路通断，对电磁阀6和电磁阀7的控制分别是为了调节气路部件中的源瓶8和源瓶9的通断；数据处理模块22将计算机21的指令、数据传送到质量流量控制器和电磁阀中，打开手动阀门10和手动阀门11，对沉积室15和管路进行抽气，抽本底真空（约到5×10^-4torr）；数据处理模块22对温控器20、热电偶提供的温度信息进行分析处理，将结果返回给计算机21，计算机21监控加热盘、源瓶、管路、腔壁的温度，决定各个待加热部件继续加热或停止加热，使它们工作在设置的温度状态，完成对气路部件、加热部件的控制；

（3）通过计算机21设置流量计大小，并保存该值，打开质量流量控制器1、质量流量控制器19、电磁阀2、电磁阀3，气体26、气体27将进入气路，对气路部件进行充气，计算机21对***压强实时监控，当***达到所需工作压强时，关闭上述质量流量控制器和电磁阀，停止充气；

（4）设置沉积工作所需要的参数，计算机21将参数加入控制命令中，发送到数据处理模块22，数据处理模块22作为信息通道，将计算机21的指令发送到射频电源12的接收部件中，控制射频电源12的开启以及对输出功率的设定，同时，射频电源匹配器13保证射频电源12为等离子体产生***14提供稳定的功率。射频电源12的输出功率作为数据处理模块22的接收量反馈给计算机21，计算机21对该功率进行分析，以使等离子体产生部件中的等离子体产生***14工作在稳定的状态，从而完成对等离子体产生部件的控制并进行沉积；

（5）在向沉积室15通入气体前，沉积室15保持原始状态，其容积为V1，此时源瓶输入第一反应气体，待源瓶关闭后，计算机21控制沉积室15的腔壁向里推进，至沉积室15的容积为V2时停止，等待化学试剂在设定时间内完成反应；反应结束后，计算机21控制第一清理气体进入沉积室15，并使沉积室15恢复初始容积V1，待第一清理气体停止通入后，沉积室进入V2状态；清洗结束后，同样恢复沉积室15至初始状态，并通入第二反应气体，完成如上同样操作，待第二反应气体反应完毕后，通入第二清理气体，进行相同的清洗过程，这样就完成一个反应周期，如图3所示；

（6）在每一次沉积反应周期结束后，都进行上述步骤（5）的工作，直至沉积工作完成；

（7）沉积结束后，计算机21控制整个设备空运行n个周期，对原子层沉积设备进行吹扫净化，发送指令，打开电磁阀6和电磁阀7，开启源瓶8和源瓶9，对沉积室15进行净化。

（8）吹扫结束后，关闭程序，完成原子层沉积的全部工作。

本发明从沉积室的容积出发，设计了在沉积周期四个阶段中可以改变容积的腔室，有效的改变影响气体停留时间的因素容积V，虽然V的变化会导致腔室压力P的改变，但相较容积改变对停留时间的影响，压力的改变对时间的影响较小，因而总体上可以只考虑容积改变带来的结果。

本发明在进行原子层沉积时，可确保原子层沉积设备能够有效降低气体停留时间的同时提高化学试剂的利用率，减少试剂浪费和尾气污染，并能合理权衡利用率和气体停留时间以及清理气体停留时间和化学试剂去除时间之间的问题，缩短了沉积反应的总时间，提高设备的使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于可伸缩腔室的原子层沉积设备，包括真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件、控制部件和沉积室，其特征在于：所述沉积室包括第一容积和第二容积；当所述沉积室在通气状态时，所述沉积室的容积为第一容积，当通气结束后，所述沉积室的容积为第二容积；所述第一容积大于所述第二容积；

其中，所述控制部件包括计算机和数据处理模块；所述计算机与所述数据处理模块连接，所述数据处理模块分别与所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件连接；

其中，所述计算机，用于显示***操作界面、接收外部命令、显示***各部件运行中的参数，向数据处理模块发送运行指令和数据和对设备其它部件进行控制，并从数据处理模块接收指令数据，对接收到的指令数据进行分析；所述数据处理模块，用于对所述真空部件、加热部件、气路部件、等离子体产生部件发送的数据进行处理；

其中，所述数据处理模块和所述真空部件中的电压电流放大模块连接，所述电压电流放大模块和继电器连接，所述继电器下端为泵组电源；

其中，所述数据处理模块与所述等离子体产生部件中的射频电源连接；

其中，所述数据处理模块与所述气路部件中的质量流量控制器以及各个电磁阀相连。

2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述加热部件中的温控器通过RS232串口与所述数据处理模块连接。

3.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述真空部件中的压力传感器和真空计分别通过RS232和RS485串口与所述数据处理模块连接。