CN109837526A - 一种薄膜沉积设备及清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜沉积设备，包括：反应腔室，内设有用于放置衬底的基座，基座上方设有气体喷淋头，气体喷淋头上设有用于向反应腔室内通入前躯体A的主通道以及用于向反应腔室内通入前躯体B的副通道，基座周围环绕设有气体匀流栅；反应腔室通过真空排气管路连接干泵；还包括：清洗通道，设于气体喷淋头上，且清洗通道的上端连接至清洗气体源，下端通过清洗气体出口连通反应腔室内部，清洗气体出口环绕衬底并向其外侧倾斜设置。本发明可提高设备有效利用率和成膜质量。本发明还公开了一种薄膜沉积设备的清洗方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地，涉及一种薄膜沉积设备及清洗方法。
背景技术
近年来，半导体器件发展迅速，涉及半导体、集成电路、太阳能电池板、平面显示器、微电子、发光二极管等领域，而这些器件主要是由在衬底上形成的数层材质厚度不同的薄膜组成。其中Al2O3薄膜材料以其工艺成熟、成膜温度低、材料绝缘性好、材料透光性高、掺杂导电性好、优良的阻挡性能及耐高温性，在这些领域中广泛应用。例如在透明的导电氧化物薄膜(TCO)玻璃领域，将氧化锌(ZnO)中掺入氧化铝(Al2O3)可大大提高其导电性和耐高温性能；在高密度电容领域，氧化铝可作电介质层；在大规模集成电路领域，氧化铝可作阻挡层等。
现有的原子层沉积(ALD)设备结构一般包括反应腔室及其相关管路。其中，反应腔室内设有用于放置衬底的加热基座，基座周围环绕设有气体匀流栅；基座上方设有气体喷淋头，气体喷淋头上设有用于向反应腔室内通入前躯体的主通道和副通道；反应腔室的下端通过干泵与真空排气管路连接，真空排气管路上可设有插板阀或/和蝶阀。
然而，在应用上述原子层沉积设备，并采用三甲基铝和水反应生长氧化铝的工艺循环过程中，衬底、匀流栅、腔室内壁、真空排气管路、干泵、插板阀、蝶阀等部位都会与前躯体反应源三甲基铝和水接触。因此衬底、匀流栅、腔室内壁、真空排气管路、干泵、插板阀、蝶阀等部位都会生长氧化铝。这些地方生长的氧化铝晶体为无定形晶体，并形成细小的晶体颗粒。随着生长炉次的增加，形成无定形晶体的数量及厚度增加；当晶体颗粒之间的粘合力小于晶体颗粒的重力时，晶体颗粒就会脱落。其中，在插板阀密封面及密封圈处的颗粒，会导致插板阀不能密封，影响工艺；在蝶阀密封面及密封圈处的颗粒会导致不能密封及控压不准确问题，影响工艺；在干泵内的颗粒会导致干泵卡死，从而影响工艺；在腔室内壁及真空管路内壁的颗粒会造成衬底颗粒缺陷。因此消除上述区域存在的氧化铝颗粒、薄膜尤为重要。
目前的维护方式只能对生长薄膜的零件进行除膜处理。其中，对腔室维护，需要将腔室降温，拆除零件，发送到相应清洗厂家进行清洗；对管路维护，需要将管路拆散，用酸液清洗；对于干泵的维护，需要将干泵发回厂家。在维护过程中浪费了大量的人力、财力和时间，造成损失。
综上，现有技术存在以下缺点：
1)设备需要定期维护，维护周期长且工作量大，降低了设备利用率。
2)氧化铝颗粒及薄膜影响插板阀的密封。
3)氧化铝颗粒及薄膜影响蝶阀的密封性及控制压力。
4)氧化铝颗粒及薄膜使干泵有卡死现象。
5)腔室、真空管路及干泵内存在的氧化铝薄膜增加了衬底颗粒问题。
因此，需要设计一种消除氧化铝颗粒、薄膜的装置及方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种薄膜沉积设备及清洗方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种薄膜沉积设备，包括：反应腔室，内设有用于放置衬底的基座，所述基座上方设有气体喷淋头，所述气体喷淋头上设有用于向反应腔室内通入前躯体A的主通道以及用于向反应腔室内通入前躯体B的副通道，所述基座周围环绕设有气体匀流栅；所述反应腔室通过真空排气管路连接干泵；还包括：清洗通道，设于所述气体喷淋头上，且所述清洗通道的上端连接至清洗气体源，下端通过清洗气体出口连通反应腔室内部，所述清洗气体出口环绕所述衬底并向其外侧倾斜设置。
优选地，所述清洗气体出口为多个气孔或连续的气隙。
优选地，由所述清洗气体出口所围成的水平投影区域覆盖所述衬底。
优选地，所述气体喷淋头内设有匀气空腔，所述清洗通道的下端通过所述匀气空腔与所述清洗气体出口连通。
优选地，所述基座边缘表面设有保护挡环。
优选地，所述主通道的上端分别连接前躯体A管路和第一吹扫气体管路，所述副通道的上端分别连接前躯体B管路和第二吹扫气体管路，所述清洗通道的上端分别连接清洗气体管路和第三吹扫气体管路。
优选地，所述前躯体A管路上设有第一阀门，所述第一吹扫气体管路上设有第二阀门，所述前躯体B管路上设有第三阀门，所述第二吹扫气体管路上设有第四阀门，所述清洗气体管路上设有第五阀门，所述第三吹扫气体管路上设有第六阀门。
优选地，所述真空排气管路上设有插板阀和/或蝶阀。
本发明还提供了一种薄膜沉积设备的清洗方法，包括以下步骤：
步骤S01：通过主通道向反应腔室内通入一定流量的前躯体A，使前躯体A吸附在衬底表面，并连带吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上；同时，通过清洗通道的清洗气体出口向反应腔室内通入一定流量的第三吹扫气体；
步骤S02：通过主通道向反应腔室内切换通入一定流量的第一吹扫气体，以吹走反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上未被吸附的前躯体A；
步骤S03：关闭主通道，通过副通道向反应腔室内通入过量的前躯体B，使前躯体B与吸附在衬底表面的前躯体A反应生成预期的沉积薄膜，连带与吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上的前躯体A反应生成非预期的沉积薄膜；并使得过量的前躯体B吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上；
步骤S04：通过副通道向反应腔室内切换通入第二吹扫气体；同时，通过清洗通道的清洗气体出口向反应腔室内切换通入清洗气体，使清洗气体与非预期的沉积薄膜相遇并反应，并使得反应生成物受热升华成气体，随干泵排出。
优选地，步骤S01之前，还包括：
步骤S001：通过副通道向反应腔室内通入第二吹扫气体进行腔室预吹扫；
步骤S002：停止腔室预吹扫，关闭反应腔室的所有进气通道，通过干泵对反应腔室进行干抽。
优选地，所述前躯体A为三甲基铝，所述前躯体B为水汽，所述清洗气体包括氯化氢、溴化氢或三氯化硼。
优选地，还包括：对反应腔室、真空排气管路及干泵进行加热。
优选地，向反应腔室内通入前躯体A前躯体B及清洗气体时，分别以惰性气体为载气对其进行携载。
优选地，向反应腔室内通入清洗气体时，所述载气与清洗气体的混合气体质量比例为1：0.5-1：20。
优选地，所述载气与清洗气体的混合气体质量比例随着清洗时间的延续而降低。
本发明具有以下优点：
1)可在正常的沉积工艺过程中，对反应腔室进行在线除膜，而无须开腔将腔室降温、拆除零件，并发送到相应厂家进行清洗及维护，因而提高了设备有效利用率。
2)可有效避免在腔室、真空管路及干泵内产生颗粒、薄膜，保证了阀门密封性及控制压力，从而提高了成膜质量。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种薄膜沉积设备结构示意图；
图2是图1中气体喷淋头结构示意图；
图中1.反应腔室，2.真空排气管路，3.加热基座，4.衬底，5.上盖，6.气体匀流栅，7.第二吹扫气体管路，8.第四阀门，9.第三阀门，10.前躯体B管路，11.第一阀门，12.前躯体A管路，13.第一吹扫气体管路，14.第二阀门，15.主通道，16.副通道，17.第三吹扫气体管路，18.第六阀门，19.保护挡环，20.干泵，21.插板阀，22.蝶阀，23.气体喷淋头，24.清洗气体出口，25.清洗气体管路，26.第五阀门，27.清洗通道，28.匀气空腔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种薄膜沉积设备结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种薄膜沉积设备，沉积设备可以是原子层沉积(ALD)设备或其他适用的沉积设备。薄膜沉积设备包括反应腔室1及其相关工艺管路，以及包括清洗通道27及其相关管路。
请参阅图1。在反应腔室1内设有加热基座3，基座3的上表面用于放置衬底4；基座3可通过穿过腔室1底部中心孔的转轴连接驱动电机。基座上方设有气体喷淋头23；气体喷淋头23上设有用于向反应腔室内通入前躯体A的主通道15，以及用于向反应腔室内通入前躯体B的副通道16。主通道、副通道大致位于气体喷淋头的中部位置。基座3周围环绕设有气体匀流栅6。
反应腔室1的上端与上盖5及气体喷淋头23连接，反应腔室1的下端与真空排气管路2连接，真空排气管路2又连接干泵20。真空排气管路2上可设有插板阀21或蝶阀22，或者同时设有插板阀和蝶阀。
主通道15的上端由气体喷淋头23上表面伸出，并可分别连接前躯体A管路12和第一吹扫气体管路13；主通道的下端可与气体喷淋头下表面相平齐。副通道16的上端也由气体喷淋头23上表面伸出，并分别连接前躯体B管路10和第二吹扫气体管路7；副通道的下端也可与气体喷淋头下表面相平齐。
前躯体A管路上可设有第一阀门11，第一吹扫气体管路上可设有第二阀门14；前躯体B管路上可设有第三阀门9，第二吹扫气体管路上可设有第四阀门8。
请参阅图1。清洗通道27也设于气体喷淋头23上，并位于主通道、副通道的旁侧。清洗通道27的上端由气体喷淋头23上表面伸出，并可分别连接清洗气体管路25和第三吹扫气体管路17；清洗气体管路连接至清洗气体源。清洗通道27的下端通过清洗气体出口连通反应腔室内部；清洗气体出口环绕衬底并向其外侧倾斜设置。清洗气体管路上可设有第五阀门26，第三吹扫气体管路上可设有第六阀门18。
请参阅图2。作为一优选的实施方式，清洗气体出口24可为多个气孔，气孔优选为圆孔；或者，清洗气体出口24也可以采用连续的气隙形式，气隙可为窄缝。并且，清洗气体出口24与垂直方向成锐角设置，即清洗气体出口与工艺气体(前躯体A/前躯体B)的气流方向成锐角，此锐角优选为45°。
作为一优选的实施方式，由清洗气体出口24所围成的水平投影区域覆盖衬底。
气体喷淋头23内还可设有环形的匀气空腔28，清洗通道27的下端通过匀气空腔28连接清洗气体出口24，使清洗气体得以均匀喷出。
还可在加热基座3边缘表面设有环形台阶，用于在台阶上安装环形的保护挡环19，以进一步保护衬底4表面不会接触到倾斜通入腔室的清洗气体。保护挡环材料可为不锈钢、镍、耐高温高分子材料等，优选不锈钢。
使用本发明上述的薄膜沉积设备，可在正常的沉积工艺过程中，对反应腔室进行在线除膜，而无须开腔将腔室降温、拆除零件，并发送到相应厂家进行清洗及维护，因而提高了设备有效利用率。
本发明还提供了一种基于上述的薄膜沉积设备的清洗方法，以采用三甲基铝(前躯体A)和水(前躯体B)反应生长氧化铝工艺流程为例加以说明，清洗气体以氯化氢为例，载气/吹扫气体以氮气为例(本发明不限于此)，包括以下步骤：
步骤S01：打开第一阀门11，通过前躯体A管路12、主通道15向反应腔室1内通入含有一定流量的三甲基铝的氮气(氮气为载气)，使混合气体中的三甲基铝吸附在衬底4表面，并连带吸附在反应腔室1内壁、气体匀流栅6表面、真空排气管路2内壁和干泵20内壁上(或者是吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁(包括插板阀、蝶阀)或干泵内壁上)；同时，打开第六阀门18，通过第三吹扫气体管路17、清洗通道27及清洗气体出口24向反应腔室1内通入一定流量的第三吹扫气体氮气。有三甲基铝吸附的地方也是有源气体接触的地方及氧化铝生长的地方。
本步骤中，对反应腔室1、真空排气管路2及干泵20可进行预先加热，并设定腔室1压强为2mtorr-10000mtorr，优选1000mtorr，设置腔室1温度例如为300℃、真空排气管路2、干泵20的温度为50-180℃，优选为130-150℃。
含有三甲基铝的氮气混合气体通气时间可为0.1-50sec，优选2sec，流量为1000sccm。第三吹扫气体氮气流量例如为1000sccm。
步骤S02：关闭第一阀门11，同时打开第二阀门14，将前躯体A管路12切换至第一吹扫气体管13路，通过第一吹扫气体管路13、主通道15向反应腔室1内通入一定流量的第一吹扫气体氮气，以吹走反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上未被吸附的三甲基铝。
本步骤中，第一吹扫气体氮气吹扫时间可为0.1-50sec，优选0.2sec，流量可为100-2000sccm，优选1000sccm。
步骤S03：关闭第二阀门14，以关闭主通道15，同时打开第三阀门9，通过前躯体B管路10、副通道16向反应腔室1内通入过量的含有水汽(前躯体B)的氮气(氮气为载气)，使混合气体中的水汽与吸附在衬底表面的三甲基铝反应生成预期的氧化铝薄膜，连带与吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上的三甲基铝反应生成非预期的氧化铝薄膜。因为水汽是过量的，使得过量的水汽可吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上待用。
本步骤中，含有水汽的氮气进入腔室时的通气时间可为2s。
步骤S04：关闭第三阀门9，打开第四阀门8，将前躯体B管路10切换至第二吹扫气体管路7，通过第二吹扫气体管路7、副通道16向反应腔室1内通入第二吹扫气体氮气；同时，关闭第六阀门18，打开第五阀门26，将第三吹扫气体管路17切换至清洗气体管路25，通过清洗气体管路25、清洗通道27以及清洗气体出口24向反应腔室1内通入含有干燥的氯化氢(清洗气体)的氮气(氮气为载气)，使混合气体中的氯化氢溶解在吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上的过量的水汽中形成盐酸，然后，盐酸再与该部位上非预期的氧化铝薄膜相遇并发生反应，生成反应生成物三氯化铝，三氯化铝受热即升华成气体，随干泵排出。
本步骤中，氮气和干燥的氯化氢气体通入时间可为0.1s-1s。而后清洗通道停止，完成一个清洗循环。
上述过程中，三甲基铝与过量的水汽反应，生成氧化铝和甲烷气体，反应式(1)：
2Al(CH3)3+3H2O＝2Al2O3+6CH4 (1)
过量的水汽吸附在腔室内、真空排气管路内、干泵内壁上，遇干燥的氯化氢生成盐酸，反应式(2)：
HCl+H2O→H++Cl- (2)
盐酸与氧化铝反应生成水和三氯化铝，反应式(3)：
Al2O3+HCl→AlCl3+H2O (3)
并且，由于本发明清洗气体出口的特殊位置及角度设计，氮气和干燥的氯化氢气体不会流过衬底表面，所以上述过程不会对衬底表面上的氧化铝薄膜造成影响。
向反应腔室内通入氮气与干燥的HCl的混合气体作为清洗气体时，氮气与干燥的HCl的混合气体质量比例为1：0.5-1：20，优选1：10。并且，氮气与干燥的HCl的混合气体质量比例可随着清洗时间的延续而降低，例如可降到1：20。
在上述步骤S01之前，还可以对反应腔室进行预处理，包括：
步骤S001：通过第二吹扫气体管路7、副通道16向反应腔室1内通入第二吹扫气体氮气进行腔室预吹扫；
步骤S002：停止腔室预吹扫，关闭反应腔室包括主通道15、副通道16、清洗通道27等在内的所有进气通道，通过干泵20对反应腔室进行干抽。
干抽的时间例如可为1小时。同时，可开始对反应腔室、真空排气管路及干泵进行预先加热，并设定腔室1压强例如为1000mtorr，设置腔室1温度例如为300℃、真空排气管路2温度例如为150℃。
作为优选的实施方式，清洗气体还可包括溴化氢或三氯化硼。
载气或吹扫气体可采用其他的惰性气体例如氩气等。
使用本发明基于上述的薄膜沉积设备的清洗方法，可有效避免在腔室、真空管路及干泵内产生颗粒、薄膜，保证了阀门密封性及控制压力，从而提高了成膜质量。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (15)
1.一种薄膜沉积设备，包括：反应腔室，内设有用于放置衬底的基座，所述基座上方设有气体喷淋头，所述气体喷淋头上设有用于向反应腔室内通入前躯体A的主通道以及用于向反应腔室内通入前躯体B的副通道，所述基座周围环绕设有气体匀流栅；所述反应腔室通过真空排气管路连接干泵；
其特征在于，还包括：清洗通道，设于所述气体喷淋头上，且所述清洗通道的上端连接至清洗气体源，下端通过清洗气体出口连通反应腔室内部，所述清洗气体出口环绕所述衬底并向其外侧倾斜设置。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述清洗气体出口为多个气孔或连续的气隙。
3.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，由所述清洗气体出口所围成的水平投影区域覆盖所述衬底。
4.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述气体喷淋头内设有匀气空腔，所述清洗通道的下端通过所述匀气空腔与所述清洗气体出口连通。
5.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述基座边缘表面设有保护挡环。
6.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述主通道的上端分别连接前躯体A管路和第一吹扫气体管路，所述副通道的上端分别连接前躯体B管路和第二吹扫气体管路，所述清洗通道的上端分别连接清洗气体管路和第三吹扫气体管路。
7.根据权利要求6所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述前躯体A管路上设有第一阀门，所述第一吹扫气体管路上设有第二阀门，所述前躯体B管路上设有第三阀门，所述第二吹扫气体管路上设有第四阀门，所述清洗气体管路上设有第五阀门，所述第三吹扫气体管路上设有第六阀门。
8.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述真空排气管路上设有插板阀和/或蝶阀。
9.一种薄膜沉积设备的清洗方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：通过主通道向反应腔室内通入一定流量的前躯体A，使前躯体A吸附在衬底表面，并连带吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上；同时，通过清洗通道的清洗气体出口向反应腔室内通入一定流量的第三吹扫气体；
步骤S02：通过主通道向反应腔室内切换通入一定流量的第一吹扫气体，以吹走反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上未被吸附的前躯体A；
步骤S03：关闭主通道，通过副通道向反应腔室内通入过量的前躯体B，使前躯体B与吸附在衬底表面的前躯体A反应生成预期的沉积薄膜，连带与吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上的前躯体A反应生成非预期的沉积薄膜；并使得过量的前躯体B吸附在反应腔室内壁、气体匀流栅表面、真空排气管路内壁和/或干泵内壁上；
步骤S04：通过副通道向反应腔室内切换通入第二吹扫气体；同时，通过清洗通道的清洗气体出口向反应腔室内切换通入清洗气体，使清洗气体与非预期的沉积薄膜相遇并反应，并使得反应生成物受热升华成气体，随干泵排出。
10.根据权利要求9所述的薄膜沉积设备的清洗方法，其特征在于，步骤S01之前，还包括：
步骤S001：通过副通道向反应腔室内通入第二吹扫气体进行腔室预吹扫；
步骤S002：停止腔室预吹扫，关闭反应腔室的所有进气通道，通过干泵对反应腔室进行干抽。
11.根据权利要求9所述的薄膜沉积设备的清洗方法，其特征在于，所述前躯体A为三甲基铝，所述前躯体B为水汽，所述清洗气体包括氯化氢、溴化氢或三氯化硼。
12.根据权利要求9所述的薄膜沉积设备的清洗方法，其特征在于，还包括：对反应腔室、真空排气管路及干泵进行加热。
13.根据权利要求9所述的薄膜沉积设备的清洗方法，其特征在于，向反应腔室内通入前躯体A前躯体B及清洗气体时，分别以惰性气体为载气对其进行携载。
14.根据权利要求13所述的薄膜沉积设备的清洗方法，其特征在于，向反应腔室内通入清洗气体时，所述载气与清洗气体的混合气体质量比例为1：0.5-1：20。
15.根据权利要求14所述的薄膜沉积设备的清洗方法，其特征在于，所述载气与清洗气体的混合气体质量比例随着清洗时间的延续而降低。
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2017
- 2017-11-24 CN CN201711187587.1A patent/CN109837526A/zh active Pending
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