CN105463407B - 原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原子层沉积设备。一种原子层沉积设备包括：反应室(110)；上盖板(120)，其可密封地接合于反应室的顶部，并设置有开口，工艺气体经由开口进入反应室的内部腔室；安置于反应室的一侧且与之连通的加载闭锁室(130)；气体分配器(140)，其包括多个输入端口、多个输出端口、以及阀组，多个输出端口中的至少一部分连通于工艺气体管道，阀组可控地选择多个输入端口和多个输出端口之间的连通关系；工艺气体管道可经由反应室和上盖板接合处的接合件而密封地连通于上盖板的开口；当上盖板脱离与反应室的接合时，工艺气体管道在接合件处断开。这样的设计使得工艺气体管道在上盖板以上保留的部分较少，便于开启检修维护。

Description

原子层沉积设备

技术领域

本发明大体上涉及原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)，更具体地，涉及原子层沉积设备。

背景技术

原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基材上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种技术。当前驱体达到沉积基材表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。原子层沉积的表面反应具有自限制性(self-limiting)，不断重复这种自限制反应就形成所需要的薄膜。根据沉积前驱体和基材材料的不同，原子层沉积有两种不同的自限制机制，即化学吸附自限制(CS)和顺次反应自限制(RS)过程。化学反应一般在精准控温(50-600℃)下进行，也可能再添加射频功率产生的等离子体来提高反应速率。

化学吸附自限制沉积过程中，第一种反应前驱体输入到基材材料表面并通过化学吸附(饱和吸附)保持在表面。当第二种前驱体通入反应器，起就会与已吸附于基材材料表面的第一前驱体发生反应。两个前驱体之间会发生置换反应并产生相应的副产物，直到表面的第一前驱体完全消耗，反应会自动停止并形成需要的原子层。该反应过程可以由下面的公式(1)表示，其中ML2表示第一种前驱体，AN2表示第二种前驱体，MA表示所生成的原子层

ML2+AN2---MA+2LN (1)

与化学吸附自限制过程不同，顺次反应自限制原子层沉积过程是通过活性前驱体物质与活性基材材料表面化学反应来驱动的。这样得到的沉积薄膜是由于前驱体与基材材料间的化学反应形成的。对于顺次反应自限制过程首先是活化剂(AN)活化基材材料表面；然后注入的第一种前驱体ML2在活化的基材材料表面反应形成吸附中间体AML，这可以用反应方程式(2)表示。反应(2)着活化剂AN的反应消耗而自动终止，具有自限制性。当沉积反应第二种前驱体AN2注入反应器后，就会与上述的吸附中间体反应并生成沉积原子层，这可以用反应方程式(3)表示。

AN+ML2---AML+NL (2)

AML+AN2---MAN+NL (3)

对于顺次反应自限制过程，一方面基材材料表面必须先经过表面活化，另一方面，这种沉积反应实际是半反应(2)和(3)的组合。

发明内容

现有的原子层沉积设备仍有待进一步改进。

在本发明的一个实施例中，揭示了一种原子层沉积设备，该原子层沉积设备包括：反应室，在其中经由工艺气体的反应将原子层沉积于基材的表面；上盖板，其可密封地接合于所述反应室的顶部，并设置有开口，工艺气体经由所述开口进入所述反应室的内部腔室；加载闭锁室，其安置于所述反应室的一侧且与所述反应室连通，配备有传送装置，所述传送装置经配置为将基材装载入所述反应室或将基材从所述反应室卸载；气体分配器，其包括多个输入端口、多个输出端口、以及阀组，所述多个输入端口中的至少一部分经配置为输入工艺气体，所述多个输出端口中的至少一部分连通于工艺气体管道，所述阀组可控地选择所述多个输入端口和多个输出端口之间的连通关系；所述工艺气体管道可经由所述反应室和上盖板接合处的接合件而密封地连通于所述上盖板的开口；当所述上盖板脱离与反应室的接合时，所述工艺气体管道在所述接合件处断开。这样的设计使得工艺气体管道在上盖板上保留的部分较少，便于开启检修维护。反应室、工艺气体通路和抽气管路均可设置为具有加热保温功能，以防止反应气体冷凝。优选地，在输出端口之间，尤其是连通至反应室的输出端口之间，设有互锁功能，其中一者开启时其他者关闭。如此设计使得不期望的气体混合得以避免。阀组可经***控制使得两种或更多种气体可以脉冲交替的地导入，在进入反应室之前互不混合，以避免不期望的并非在基材表面产生的化学反应。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，在所述反应室和加载闭锁室之间的通道位于反应室的入口处设置有挡板，所述挡板可以在露出所述通道的位置和封闭所述反应室的内部腔室的位置之间移动；所述反应室的内部腔室封闭时形状大体上对称、内壁装设有对沉积反应不敏感的耐受层。所述耐受层例如但不限于陶瓷材料。反应室内部腔室的对称形状和内壁的均一材料有利于沉积反应的一致性，以得到一致的沉积厚度和/或晶相排列。挡板的另外一个好处是可以阻挡热量，防止腔体与装载锁定室之间的门阀的密封圈损坏。

在本发明的一个实施例中，揭示了一种原子层沉积设备，该原子层沉积设备包括：反应室，在其中经由工艺气体的反应将原子层沉积于基材的表面；上盖板，其可密封地接合于所述反应室的顶部，并设置有开口，工艺气体经由所述开口进入所述反应室的内部腔室；加载闭锁室，其安置于所述反应室的一侧且与所述反应室连通，配备有传送装置，所述传送装置经配置为将基材装载入所述反应室或将基材从所述反应室卸载；气体分配器，其包括多个输入端口、多个输出端口、以及阀组，所述多个输入端口中的至少一部分经配置为输入工艺气体，所述多个输出端口中的至少一部分经由工艺气体管道连通于所述上盖板的开口，所述阀组可控地选择所述多个输入端口和多个输出端口之间的连通关系；在所述反应室和加载闭锁室之间的通道位于反应室的入口处设置有挡板，所述挡板可以在露出所述通道的位置和封闭所述反应室的内部腔室的位置之间移动；所述反应室的内部腔室封闭时形状大体上对称、内壁装设有对沉积反应不敏感的耐受层。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述原子层沉积设备还包括旁路装置，所述气体分配器的多个输出端口中的一部分通过管道经由所述旁路装置连通于抽气管道，所述旁路装置中为其中每一管道设置有开关以在这些开关关闭时隔离所述气体分配器和所述抽气管道的运行。因此，可以在抽气管道保持运行的情况下检修、拆卸、或安装气体分配器。经由旁路装置可以实现气体不进入反应腔室而直接进入抽气管道的切换。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述原子层沉积设备还包括设置于所述上盖板一角的提升机构、以及设置于对角的环绕着固定导轨的滑道，所述上盖板可在所述提升机构、固定导轨和滑道的作用下移动以接合或脱离所述反应室。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述原子层沉积设备还包括附着于所述上盖板的喷淋板，所述喷淋板连通于所述开口且经配置为将工艺气体均匀的喷淋到所述反应室中。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述原子层沉积设备还包括设加热保温组件，以防止气体冷凝。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述原子层沉积设备还包括等离子体源，其经配置为产生等离子流以促进所述反应室中的化学反应。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，所述原子层沉积设备还包括传片口，其在与所述反应室相反的一侧连接于所述加载闭锁室，且经配置为在大气环境下人工地置入或取出基材。

在上述原子层沉积设备的一个实施例中，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括与所述加载闭锁室连通的前端模块，其经配置为自动地置入或取出基材。

根据本发明的部分实施例，实现了原子层沉积设备的小型化，适于实验室应用，并能够保证工业等级的原子层沉积质量。根据本发明的部分实施例，原子层沉积设备具备扩充为工业级设备的能力。

附图说明

结合附图，以下关于本发明的优选实施例的详细说明将更易于理解。本发明以举例的方式予以说明，并非受限于附图，附图中类似的附图标记指示相似的元件。

图1为本发明一个实施例的原子层沉积设备100的立体结构图；

图2示出了图1所示设备偏转一定角度之后的局部；

图3a和图3b为图1中反应室110的剖视图；

图4示出了图1放大的局部；

图5示出了图1放大的局部；

图6为本发明一个实施例的原子层沉积设备600的立体结构图。

具体实施方式

附图的详细说明意在作为本发明的当前优选实施例的说明，而非意在代表本发明能够得以实现的仅有形式。应理解的是，相同或等同的功能可以由意在包含于本发明的精神和范围之内的不同实施例完成。

图1为本发明一个实施例的原子层沉积设备100的立体结构图，图2示出了图1所示设备偏转一定角度之后的局部。如图所示，该设备100包括框架101用于安装固定各部件。在框架的中部，反应室110和加载闭锁室130沿x轴方向排列且固定地安装在框架上。加载闭锁室130和反应室110相互连通，且各自独立地可封闭。在反应室110中，经由工艺气体的反应将所需的原子层沉积于基材(例如但不限于，晶圆)的表面。该沉积过程通常在真空环境下进行。反应室110中配备有，例如但不限于，12英寸或18英寸的加热盘，配合相应的夹持工具，可装载2至12英寸、或18英寸的各种尺寸、各种形式——单一或复合、圆形或方形——的基材(晶圆)。

加载闭锁室130配备有传送装置(未示出)和抽气装置。传送装置，例如但不限于，机械手或滑动轨道，在加载闭锁室130和反应室110之间可控地传递基材。当加载闭锁室130需要与反应室110连通时，通过抽气装置将加载闭锁室130中转变为与反应室110近似的真空环境，排出的气体通过管道132转移出去。反应室110也配置有抽气装置，排出的气体通过管道112转移出去。通过传送装置将基材从加载闭锁室130装载入反应室110、或将基材从反应室110卸载到加载闭锁室130。

在加载闭锁室130的与反应室110相反的另一侧连接有手动传片口135。加载闭锁室130中的传送装置还在加载闭锁室130和手动传片口135之间可控地传递基材。而手动传片口135用于在大气环境下由手工置入或取出基材。该实施例中的原子层沉积设备100因而可在实验室中应用。

在本发明另一些实施例中，在加载闭锁室130的与反应室110相反的另一侧并非连接手动传片口135，而是连接至前端模块(未示出)。传送装置在加载闭锁室130和前端模块之间传递基材。前端模块自动地置入或取出基材，并可以连接至基材的生产线。

在框架101的***设置有电源箱102、104以及气源箱108。电源箱102中配置设备100的动力部分的电源(强电)。电源箱104中配置设备100的控制部分的电源(弱电)。气源箱108包括用于分别容纳多种工艺气体的多个腔室。气体分配器140连通到气源箱108，并经由管道141和142连通到反应室110。气体分配器140中还包括快速动作阀组，通过该阀组实现来自气源箱108的各工艺气体的混合和/或去往反应室的选路。气体分配器140还可以包括加热装置，用于在工艺气体进入反应室之前将其加热到反应所需的温度。虽然图中示出了气体分配器140和反应室110之间的两条气体通道141和142，本领域技术人员应能理解，根据不同的需要，也可以在气体分配器和反应室之间设置仅一条或多于两条气体通道。

在本发明另一些实施例中，电源箱102、104、气源箱108均可省略，由外部设施提供电源和气源。

反应室110配置有可从上方打开或闭合的上盖板120，以便于对反应室内部的检修和清理。上盖板120的一角连接于提升机构121，在对角固定设置有环绕着固定导轨122的滑道123。在提升机构121、导轨122和滑道123的作用下，可以使得上盖板120沿着z轴方向移动。

上盖板120上附着有喷淋板128。喷淋板128与气体管道141和142连通，用于将工艺气体均匀的喷淋到反应室110中。在上盖板120上方的承载板129上还设置有喷淋板温控组件125和等离子体源126。温控组件125用于使得工艺气体进入反应室110时保持在预定温度。等离子体源126产生等离子流以促进反应室110中的化学反应。上盖板120和承载板129之间包覆金属层以防止射频功率溢出而对人体造成损害。

在该实施例中，框架内部、反应室110和加载闭锁室130沿着y轴方向的一侧留出了空位。根据需要，可以在该空位增设另一组反应室和加载闭锁室以提高该设备的产能。本领域技术人员应能理解，在其他一些实施例中，该预留的空位并非必须。

图3a和图3b示出了图1中反应室110的内部结构，部分部件未在图中示出。通道301连接反应室110和加载闭锁室130，基材通过通道301传递。在通道301位于反应室110的入口处设置有可移动的(大体上沿着z轴方向)挡板302。如图3a所示，当挡板302下降时，可露出通道301以传递基材。如图3b所示，当挡板302上升到其极限位置，可从侧面封闭反应室110。反应室110上沿环绕内部腔室设置有若干密封圈303，该密封圈303可与上盖板120的相应结构密封地接合。反应室110的内壁，包括挡板302的内壁，装设有陶瓷或其他合适的材料。当内部腔室闭合后，内部的形状大体上对称，内壁的材料均一，这样的环境有利于沉积反应的一致性以得到一致的沉积厚度和/或晶相排列。挡板302还可以隔热，避免腔体与装载锁定室之间的门阀的密封圈损坏。反应室110中环绕内壁还设置有排气通道311和312，内壁上的通孔316连通反应腔室和排气通道，工艺气体和气态反应产物通过通孔316、排气通道311和312并经由排气口313而排出反应室110。

图4示出了图1放大的局部。如图所示，反应室110的上沿设置有接合件402，其与工艺气体管道141的下半部分连通。上盖板120的下沿设置有接合件401，其与管道141的上半部分连通，管道141的上半部分最终连通到喷淋板128并因而固定于上盖板上。当上盖板120密封地接合于反应室110时，接合件401和402彼此对齐接合，从而密封地接通管道141的上下两部分。当上盖板120开启时，管道141在接合件401、402处断开。类似地，管道142和143的下半部分连通到位于反应室110上沿的接合件404，上半部分连通到位于上盖板120下沿的接合件403。管道142的上半部分最终连通到喷淋板128并因而固定于上盖板上。管道143的上半部分最终连通到等离子体源126。当上盖板120密封地接合于反应室110时，接合件403和404彼此对齐接合，从而密封地接通管道142、143的上下两部分。当上盖板120开启时，管道142、143在接合件401、402处断开。管道143的下半部分另一端连通到气源箱108。这样的设计使得工艺气体管道在上盖板120上保留的部分较少，便于开启检修维护。

图5示出了图1放大的局部。如图所示，气体分配器140包括多个输入端口和多个输出端口。多个输入端口分别连通到来自气源箱108的某一路工艺气体的管路。气体分配器140的阀组经由***控制而实现来自各输入端口的管路的混合、交换、以及去往各路输出端口的选路等功能。多个输出端口的其中两个端口分别连通于管道141和142。其他几个输出端口通过管道经由旁路装置148连通于抽气管道112。优选地，在输出端口之间，尤其是连通工艺气体管道141和142的两个输出端口之间，设有互锁功能，其中一者开启时另一者关闭。如此设计使得不期望的气体混合得以避免。阀组可经***控制使得两种或更多种气体可以脉冲交替的地导入，在进入反应室110之前互不混合，以避免不期望的并非在基材表面产生的化学反应。

经由旁路装置可以实现气体进入反应腔室或(当不需要时)直接进入抽气管道的切换。旁路装置148中为其中每一管道设置有开关，当这些开关关闭时，气体分配器140与抽气管道112之间的管道连通被切断，从而可以隔离气体分配器140和抽气管道112及其抽气装置的运行。因此，可以在抽气管道112及其抽气装置保持运行的情况下检修、拆卸、或安装气体分配器140。

在上述实施例中，反应室、工艺气体通路和抽气管路均可设置为具有加热保温功能，以防止反应气体冷凝。

在其他一些实施例中，上盖板也可以采用(除了图1所示的提升机构121、导轨122、滑道123之外)其他连接方式和移动方式。例如，在一个实施例中，上盖板连接于可转动机械臂，通过可翻转的方式闭合或开启反应室。

图1所示设备采用框架结构来固定安装各部件。在另一些实施例中，设备的各部件采用堆叠结构相对于彼此固定安装，而无需使用框架。

图6为本发明一个实施例的原子层沉积设备600的立体结构图。在该实施例中，框架601内部、反应室610和加载闭锁室630沿着y轴方向的一侧还设置有另一组配套使用的反应室610’和加载闭锁室630’。在加载闭锁室630和630’的另一侧连接至前端模块660。传送装置在加载闭锁室630、630’和前端模块660之间传递基材。前端模块660自动地置入或取出基材，并可以连接至基材的生产线。操作员通过操作台666对设备600的运行进行监控。

尽管已经阐明和描述了本发明的不同实施例，本发明并不限于这些实施例。仅在某些权利要求或实施例中出现的技术特征并不意味着不能与其他权利要求或实施例中的其他特征相结合以实现有益的新的技术方案。在不背离如权利要求书所描述的本发明的精神和范围的情况下，许多修改、改变、变形、替代以及等同对于本领域技术人员而言是明显的。

Claims (10)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，该原子层沉积设备包括：

反应室，在其中经由工艺气体的反应将原子层沉积于基材的表面；

上盖板，其可密封地接合于所述反应室的顶部，并设置有开口，工艺气体经由所述开口进入所述反应室的内部腔室；

加载闭锁室，其安置于所述反应室的一侧且与所述反应室连通，配备有传送装置，所述传送装置经配置为将基材装载入所述反应室或将基材从所述反应室卸载；

气体分配器，其包括多个输入端口、多个输出端口、以及阀组，所述多个输入端口中的至少一部分经配置为输入工艺气体，所述多个输出端口中的至少一部分连通于工艺气体管道，所述阀组可控地选择所述多个输入端口和多个输出端口之间的连通关系，所述阀组经配置以使得两种或更多种工艺气体脉冲交替地导入所述反应室；

所述工艺气体管道可经由所述反应室和上盖板接合处的接合件而密封地连通于所述上盖板的开口；当所述上盖板脱离与反应室的接合时，所述工艺气体管道在所述接合件处断开。

2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，在所述反应室和加载闭锁室之间的通道位于反应室的入口处设置有挡板，所述挡板可以在露出所述通道的位置和封闭所述反应室的内部腔室的位置之间移动；所述反应室的内部腔室封闭时形状大体上对称、内壁装设有对沉积反应不敏感的耐受层。

3.一种原子层沉积设备，其特征在于，该原子层沉积设备包括：

反应室，在其中经由工艺气体的反应将原子层沉积于基材的表面；

上盖板，其可密封地接合于所述反应室的顶部，并设置有开口，工艺气体经由所述开口进入所述反应室的内部腔室；

加载闭锁室，其安置于所述反应室的一侧且与所述反应室连通，配备有传送装置，所述传送装置经配置为将基材装载入所述反应室或将基材从所述反应室卸载；

气体分配器，其包括多个输入端口、多个输出端口、以及阀组，所述多个输入端口中的至少一部分经配置为输入工艺气体，所述多个输出端口中的至少一部分经由工艺气体管道连通于所述上盖板的开口，所述阀组可控地选择所述多个输入端口和多个输出端口之间的连通关系，所述阀组经配置以使得两种或更多种工艺气体脉冲交替地导入所述反应室；

在所述反应室和加载闭锁室之间的通道位于反应室的入口处设置有挡板，所述挡板可以在露出所述通道的位置和封闭所述反应室的内部腔室的位置之间移动；所述反应室的内部腔室封闭时形状大体上对称、内壁装设有对沉积反应不敏感的耐受层。

4.如权利要求1至3中任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括旁路装置，所述气体分配器的多个输出端口中的一部分通过管道经由所述旁路装置连通于抽气管道，所述旁路装置中为其中每一管道设置有开关以在这些开关关闭时隔离所述气体分配器和所述抽气管道的运行。

5.如权利要求1至3中任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括设置于所述上盖板一角的提升机构、以及设置于对角的环绕着固定导轨的滑道，所述上盖板可在所述提升机构、固定导轨和滑道的作用下移动以接合或脱离所述反应室。

6.如权利要求1至3中任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括附着于所述上盖板的喷淋板，所述喷淋板连通于所述开口且经配置为将工艺气体均匀的喷淋到所述反应室中。

7.如权利要求6所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括加热保温组件，以防止气体冷凝。

8.如权利要求1至3中任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括等离子体源，其经配置为产生等离子流以促进所述反应室中的化学反应。

9.如权利要求1至3中任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括传片口，其在与所述反应室相反的一侧连接于所述加载闭锁室，且经配置为在大气环境下人工地置入或取出基材。

10.如权利要求1至3中任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括与所述加载闭锁室连通的前端模块，其经配置为自动地置入或取出基材。