CN1603455A

CN1603455A - 薄膜沉积装置

Info

Publication number: CN1603455A
Application number: CNA2004100794784A
Authority: CN
Inventors: 石原雅仁
Original assignee: ANNEWHA Co Ltd
Current assignee: ANNEWHA Co Ltd
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2005-04-06
Also published as: KR100639071B1; US20050045101A1; TWI258516B; US20090229971A1; TW200517515A; KR20050021863A; JP4397655B2; JP2005076046A

Abstract

本申请公开了一种薄膜沉积装置，包括一个真空室和一个将真空室内部分隔为两部分的隔板。基底可以通过隔板上的内部开口。内部开口由阀门关闭。薄膜在第一区域沉积到基底上。在沉积之前，基底在第二区域由加热器加热。加热时，基底由一固定器以点接触固定。加热过程中，加压气体被输入第二区域，从而将压力增大到粘滞流动范围。抽气管抽空第一区域使其始终保持真空压力。抽气管也从第二区域抽出输入的加压气体，使第二区域在阀门打开时处于真空压力。

Description

薄膜沉积装置

技术领域

本发明涉及一种薄膜沉积装置，例如溅射装置。

背景技术

在制造半导体器件和其它电子零件的过程中，通常需要将薄膜沉积到基底上。例如，在半导体器件(如存储器或处理器)、电子元件(如压电元件或传感头)、或者显示装置(如液晶显示器或等离子显示器)的制造中将导电薄膜或绝缘薄膜沉积到基底上，在其上形成良好的电路。

在薄膜沉积装置中沉积薄膜到基底上时，基底通常预先加热或在沉积过程中加热。例如，沉积前预先加热基底来脱气，也就是释放基底上所吸附的气体，从而不会在沉积过程中才从基底上释放热的气体。在沉积过程中也会加热基底，认防当基底温度较高时，沉积速率会提高。

加热基底的一种方法是使用与基底相接触的热体，通过接触传递热量。这种方法通常使用机械夹具夹住基底与热体，增强接触。这种方法也经常把加压气体引入基底和热体界面，提高两者的热传导，这是因为形成在界面处的微小空间处于真空压力状态。此外，这种方法还经常使用静电卡盘(ESC)以静电力卡住基底和热体，以增强它们的接触。

在制造半导体器件和电子零件的过程中，电路的集成化和精密度水平已经大大提高。另外，广泛应用减薄的基底的迭片结构和基底双表面的曝光。在曝光步骤中，比以前更加严格要求提高聚焦精确度，这是通过减少基底背面的划痕和减少基底正面的微粒数量来实现的。在制造压电元件或继电器元件的过程中，要求对基底的背面和正面精确加工。

发明概述

为了满足上述要求，本发明提出一种薄膜沉积装置，包括一个真空室和一个将真空室内部分隔为两个区域的隔板。隔板上有一个内部开口，基底可以从内部开口通过。内部开口用一个阀门关闭。薄膜在第一区域由沉积单元沉积到基底上。沉积前基底在第二区域由加热器加热。用加热器加热时基底由固定器固定，基底和固定器为点接触。加热过程中将加压气体引入第二区域，使第二区域的压力增大到粘滞流动的范围。抽气管抽出第一区域的空气，使其始终保持真空压力。当阀门打开使第二区域和第一区域连通时，抽气管也从第二区域把引入的加压气体抽出，使第二区域达到真空压力。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施例的薄膜沉积装置的前视剖面图。

图2为图1所示的热体31的平面图。

图3为图1所示的装置工作过程的前视剖面图。

图4为本发明另一个优选实施例的薄膜沉积装置的平面图。

图5为图4中沿X-X的剖面图。

优选实施例的详细描述

以下是本发明的优选实施例。图1所示的装置包括：一个真空室，其上装有一对抽气管13、14；一个沉积单元2，用于在真空室1中将薄膜沉积在基底9上。该装置还包括一个加热器3，用于在沉积之前预先加热基底9；一个固定器，用于在用加热器3加热时固定基底9。基底9与固定器为点接触。

提供一个隔板10用来将真空室1的内部分隔为两个区域，上区101和下区102。隔板10上有一个开口，基底9可以从开口通过；还有一个阀门15，在下文中称为“隔板阀门”，用于关闭开口；开口在下文中称为“内部开口”。

隔板10的下表面上有一个反射器151。反射器151可以是固定在隔板10上的反射板，或者是沉积在隔板10上的反射膜。反射器151反射从被加热的基底9上发出的辐射射线，将它们返回基底9，从而提高加热效率。

沉积单元2安装在真空室1的上壁中，使得薄膜能够被沉积到置于上区101的基底9上。沉积单元2的结构和组成根据沉积内容适当地设计，沉积内容包括沉积方法、薄膜种类等等。本实施例的沉积单元2采用溅射。

具体地说，沉积单元2包括暴露于上区的靶21，靶21后设置的磁体组件22，和一个为溅射到靶21上提供电压的溅射电源23。靶21与被沉积的薄膜材质相同。例如，在配线上沉积铝薄膜的情况下，靶21就是由铝或铝合金组成的。利用磁体组件22可以进行磁控管溅射。磁体组件22包括一块中心磁铁221和一个环绕着中心磁铁221的***磁铁222。还有一个旋转机构，使磁体组件22相对于靶21转动，从而使溅射靶21能够被均匀腐蚀。

本装置包括一个沉积气体输入管4，为沉积将气体输入上区101。沉积气体输入管4包括与真空室1的上区101相连接的管道41，管道41上有阀门42和气流控制器(未示出)。由于采用溅射沉积，将用于溅射放电的气体如氩气或者氮气用作沉积气体。如果装置采用化学气相沉积(CVD)，输入反应气体的装置就是沉积单元2。

本装置包括一个从真空室1的上壁向下延伸的沉积屏蔽罩5，沉积屏蔽罩5的上端环绕着靶15。沉积屏蔽罩5用于防止溅射颗粒不必要地附着在真空室1的内表面，溅射颗粒指溅射过程中从靶21释放出的颗粒。沉积屏蔽罩5基本上由一个直径稍大于靶21的圆柱部分51和一个端部52组成，端部52是一个固定在圆柱部分51底端的环形盘。圆柱部分51和端部52与靶21都是同轴的。基底9是圆形的，端部52的内径稍大于基底9的直径。

加热器3安装在热体31内。热体31通常用作固定器。热体31位于下区102，热体31是一个平台，基底9置于其上并被加热。加热器3是电阻加热型的。热体31的上表面有凸起32，放置的基底9只与凸起32相接触。

如图2所示，在平视图中本实施例的热体31是圆形的，并设有4个凸起，每个凸起等距离地置于热体31的边缘，即相邻的两个凸起之间为90度。基底9仅仅通过放置在热体31上就被固定，也就是说，本实施例既不使用静电卡住基底9的装置，也不使用机械夹住基底9的装置。

热体31上有4个等距的贯穿孔。如图2所示，每个贯穿孔上有一个传导销6，传导销6垂直安装在真空室1的底部。也可以只有3个传导销6分别安置在每隔120°设置的3个贯穿孔中。

如图1所示，本实施例的装置包括一个***33，把基底9定位在一个调整过的距加热体32适宜的位置上。在本实施例中，***33通过移动热体31调整距离。***33位于真空室1的外面。热体31由圆柱34支撑，真空室1的底部有一个开口，圆柱通过该开口***。圆柱34底端在真空室1下面，底端上固定有支架35。

***33包括一个固定在支架35上的驱动螺杆331，一个与驱动螺杆331啮合的传动螺杆332，和一个旋转传动螺杆332的电动机333。驱动螺杆331和传动螺杆332组成一个所谓的精密螺杆机构。传动螺杆332垂直延伸并通过固定部件334吊在真空室1底部。传动螺杆332可以围绕垂直轴旋转但不能上升。电动机333，特别是伺服电动机，使传动螺杆332旋转，从而使支架35、圆柱34和热体31一起上下移动。圆柱34周围还有一个波纹管36。波纹管36的顶端环绕着圆柱34***的开口，与真空室1底部气密固定。波纹管36的底端气密固定于支架35上。波纹管36防止真空通过圆柱34***的开口泄露。该装置包括托架，其用来将已经加热的基底9携带到上区101的一个位置，在薄膜沉积过程中，基底9定位在该位置上，下文中称作“沉积位置”。所述的***33通常作为该托架。***33携带基底9穿过内部开口到达沉积位置。

本装置还包括一个加压气体输入管7，将气体输入下区102，使压力增加到粘滞流动的范围。加压气体输入管7包括一个与真空室1下区102相连接的管道71，管道71上有一个阀门72和一个气流控制器(未示出)。引入加压气体的目的是提高加热效率。因此，加压气体使用具有高热传导系数的气体，例如氦气、氩气或者氮气。

真空室1的侧壁有一个开口11，用于传送基底9，以下称为“传送开口”。传送开口由阀门12关闭，以下阀门称为“传送阀门”。传送开口11和传送阀门12与下区处于同一高度。

真空室1上装有一对抽气管13、14。第一抽气管13单独抽出上区101的气体。第二抽气管14单独抽出下区102的气体。

如图1所示，真空室1具有这样一个横截面结构：上区101比下区102宽，上区朝向侧边突出。第一抽气管13通过真空室1突出部分上的抽气孔131抽出上区101的气体。第一抽气管13包括一个邻近抽气孔131的主阀门142，一个通过主阀门142抽出上区101气体的真空泵143，和一个抽气速度控制器(未示出)。

本实施例的装置的工作过程描述如下，参见图3。虽然本装置可以是成组设备型的，但在以下的描述中假定该装置是独立型的。

上区101预先由第一抽气管13抽成所要求的真空。下区102则通过加压气体输入管7或流通空气输入管(未示出)而处于大气压下。热体31置于下区102中一个备用位置。

在这种状态下，传送阀门12是开启的。然后，将基底9通过传送开口11传送到下区102。如图3(1)所示，基底9覆在传导销6上。这个传送过程通常由自动机构例如机器人来完成。本发明也不排除由操作人员手工完成。

传送阀门12关闭后，第二抽气管14抽空下区102达到所要求的真空。接下来，加压气体输送管7开始工作，把下区102的压力增大到粘滞流动的范围。然后，如图3(2)所示，***33把热体31升高到所要求的更高的位置。在此升高过程中，基底9通过传导销6到达热体31，并置于其上。基底9仅与凸起32相接触。

由于加热器3预先已经运转，热体31处于高温状态。因此，放置的基底9被热体31加热。在这个加热过程中，由于基底9与热体31的接触面积很小，由接触而发生的热传导很小；而通过空隙中气体分子进行的包括对流的热传导，是主要的。另外，基底9也通过来自热体31的射线所加热。

基底9被加热到某一温度范围以后，加压气体输入管7停止工作，第二抽气管14再次将下区102抽空到所要求的真空压力。然后，隔板阀门15开启，***33把热体31升至更高。当基底9到达沉积位置时，***33停止移动。如图3(3)所示，沉积位置就是基底9处于端部52内部时的位置。

基底9到达沉积位置以后，操作沉积气体输入管4以要求的流动速率输入沉积气体。通过真空计(未示出)确定真空室1保持在要求的真空压力下，操作溅射电源23使其为靶21提供电压，从而产生溅射流。结果，溅射粒子，通常为原子状态，从靶21上释放出来，到达基底9，沉积为薄膜。在溅射过程中，由于加热器3保持工作状态，基底9不断被加热器3加热。沉积气体输入后，上区101的压力低于其输入加压气体时的压力，因此，与加热阶段相比，沉积阶段的加热效率可能会降低。

沉积得到所要求厚度的薄膜以后，溅射电源23停止工作，真空室1再次被第一和第二抽气管13、14抽空至所要求的真空压力。然后，***33把热体31降至最初的备用位置。降低过程中，基底9被传送到传导销6并置于其上。

隔板阀门15关闭后，下区102通过加压气体输入管7或流通空气输入管(未示出)通风，达到大气压力。然后，传导阀门12开启，基底9通过传导开口11传到外面。

在加热基底9的过程中，***33将基底9定位在与热体31表面保持一个调整过的适当的距离。上述工作过程是该距离为零的一个实施例，也就是说，基底9与热体31相接触。***33也可以将热体31置于更低的位置，使基底9处于传导销6上。在这种状态下，基底9是漂浮的，也就是说是与热体31分离的。通过热体31的下移长度来调节该距离，从而调整总的加热功效。

在上述装置中，由于下区102的压力通过加压气体输入达到了粘滞流动范围，基底9和热体31即使通过点接触也能达到很高的加热效率。仅仅与固定基底9的点进行点接触，能够减少基底9背面产生划痕的可能性。在加热过程中，基底9和热体31发生热膨胀。基底9的背面与热体31有轻微的摩擦。如果基底9与热体31的接触面积增大，产生划痕的可能性会增高。相反，如在本实施例中，基底9仅仅通过点接触被固定，则产生划痕的可能性是非常低的。

由于点接触能够防止划痕产生，“接触面积要多小”才能满足术语“点接触”的要求，对应于“完全防止划痕产生的程度”。具体而言，一个点(就是一个凸起)的接触面积，最好在0.15mm²到100mm²的范围内，更优选为0.2mm²到7mm²。如果接触面积大于100mm²，就不能完全防止划痕产生。如果一个点的接触面积小于0.15mm²，基底9就处于一个被放置在类似针尖的尖状凸起的状态，这样划痕的产生相反会提高。接触面积在0.15mm²到100mm²之间的凸起不会带来这些问题，接触面积在0.2mm²到7mm²之间可以完全避免这些问题。

图2所示的凸起32是半球形的，这是点接触的一个例子。可以使用任何有方形接触面或椭圆形横截面的凸起。在基底9通过点接触固定的结构中，热散失很少。这也有助于提高加热效率。

正如所描述的那样，基底9仅仅通过放置在凸起32上被固定。也就是说，基底9不是静电卡在热体32上或者机械地夹在热体32上，而只是被放置在热体上。这一点也有助于减少基底9背面的划痕产生。静电卡和机械夹对于提高接触热传导是有效的。但是，由于基底9被牢固地压在热体31上，很容易产生划痕。本实施例并不是通过静电卡或机械夹来实现高的加热效率的，而是通过增加大气压，也就是说，通过气体分子提高热传导。这样，就防止了基底9背面的划痕产生。作为对上面叙述的理解，“基底仅仅通过放置在凸起上被固定”意味着基底对凸起的压力没有任何静电卡力和机械夹力，而仅仅是基底自身的重力。确切地说，摩擦力作用在基底9和凸起32之间的界面，间隙中的气体分子对基底9施压。“基底仅仅通过放置在凸起上被固定”不排除这些力的作用。

热体31具有增大与输入的加压气体的接触面积的技术意义。如果加热器3本身就具有很大的表面积，热体31就是不必要的了。在加热过程中，基底9需要在真空室1中保持一个固定的位置。在本实施例中，散热器31被用作使基底9保持定位的固定器。这样，真空室1内的结构就简化了，组成元件的数量减少了，从而也降低了装置的成本。

如前所述，将真空室1的内部通过隔板15分隔为两个区域101、102，沉积过程在上区101进行，上区与具有粘滞流动范围的压力的下区102相分隔。这一点可以防止加压气体影响薄膜沉积性能。如果没有隔板10，也就是说，下区102与上区101相连通，输入下区102的加压气体就会扩散到上区101，结果沉积的薄膜中就会混入气体分子。本实施例具有隔板10，避免了这一问题。如前所述，***33将基底9固定在一个经过调整的距热体31表面适宜的距离上。这种调整能够很好的控制加热过程，提高加热精确度。

热体31相对于直立传导销6的移动是为了传送位于热体31和传导销6之间的基底9。移动热体31的***33通常被用作传送工具。这一点也使真空室结构简化，通过组成元件数量的减少来降低装置成本。为了传送位于热体31和传导销6之间的基底9，***33可以使热体31维持不变而同时移动所有的传导销6。

通过用固定器33移动基底9到上区101并将其放在沉积位置，这种结构也可以进一步获得通过减少组件数量来简化真空室结构和降低装置成本的优点。如果***33不是这样的，就需要有另外的托架来携带热的基底9到沉积位置。

本装置也可以设计成能在沉积结束后在下区102中冷却基底9。例如，当处理过的基底9从热体31传送到传导销6时，在下区102引入冷却气流。冷却气体具有所要求的低温，沿着基底9流动，从而冷却基底。

如图4和图5所示，是本发明的薄膜沉积装置的另一个实施例，下面将对其进行描述。图4和图5所示的装置是一种成组设备型的。具体地说，如图4所示，中心有一个传导室81，传导室81***密封连接了处理室82-86和负载锁定室80。每个室80、82-86的各个边界都有一个传导阀门800。薄膜沉积处理在处理室82中进行。处理室82的结构可以与前述实施例中的真空室1相同，因此这里就不再详述。

传导室81内有一个传导机器人811，传导机器人811包括一个多结合点型臂。传送时，基底9被臂顶部夹住。传导机器人811优选为一种用于真空环境例如无尘环境的优化装置。处理室83-86的结构根据在其内的处理过程优化。例如，在沉积多层薄膜情况下，处理室83-86可以设计成在其内进行薄膜沉积。处理室83-86之一可用于冷却沉积后的基底9。如图4所示，在外部大气环境中，有一个箱子88，用于存放未经处理或已处理过的基底9。用自动装载器87来传送位于箱子87和负载锁定室80之间的基底9。

在这个装置中，任一基底9都可以被任一自动装载器88从任一箱子87传送到任一负载锁定室80。当负载锁定室80被抽气到与传导室81相同的真空压力时，打开传导阀门800，基底9由传导机器人811从负载锁定室80传送到处理室82。

在这里，处理室82的下区预先被第二抽气管抽气至与传导室81相同的真空压力。传导阀门800关闭后，进行预加热和基底9的沉积，过程与上一实施例相同。处理室82中的加工结束后，基底9被传送出去。在这里，第二抽气管又将下区抽空至与传导室81相同的真空压力，而不是通风至大气压力。然后，基底9被依次传送到处理室83-86，在处理室83-86中依次进行所需要的加工。全部加工结束后，基底9被传送到任一负载锁定室80。然后，基底9由任一自动装载装置88送回任一箱子87并存放在那里。

在这个实施例中，当传入或传出基底9时，处理室82的下区处于真空压力下。这样，位于处理室82下区的热体就始终处于真空压力下，而不是暴露于空气中。换句话说，负载锁定室80把第二区域与外部大气隔离开来。如果将处于高温的热体暴露在空气中，热体表面会被氧气或空气中的水分氧化，被氧化的表面就会成为杂质的来源，释放氧化物杂质。本实施例的装置不存在这个问题，因为热体一直处于真空压力下。这里使用的词语“一直”的意思是“装置正常工作的所有时间”。例如，当装置由于维修停止工作时，下区就会排气处于大气压力，而不是真空压力下。在这种情况下，散热器可以暴露在空气中，因为此时散热器并不是处于高温而是室温。

如果装置包括负载锁定室，也就是说不是独立型装置，则串联型和所说的成组设备型都是实用的。本发明的装置可以改进为串联型。串联型装置的结构是多个处理室连续地排列在一条直线上。除独立型之外的任何类型，虽然在处理室82和外部大气之间需要负载锁定室80，但是处理室82可以直接与负载锁定室80连通而不需要另外的如传导室81之类的室。换句话说，只要能持续保持真空环境，负载锁定室80可以与处理室82的第二区直接或间接连通。

在上述实施例中，第一区域101在上部，第二区域102在下部。这是可以调换的。而且，第一区域和第二区域也可以是并列的。这种结构在实践中适用于将竖直摆放的基底传送到处理室的情况。虽然所述实施例的真空室1具有两个抽气管13、14，但是也可以只用且通常使用一个抽气管，此时，第一和第二区域在最佳时间点通过排气管上的阀门的开启-关闭操作被排空。通常使用真空泵作为其它抽气管的低真空泵。

Claims

1.一种薄膜沉积装置，包括：

一个真空室，装配有一抽气管；

一个隔板，将真空室内部分隔为第一区域和第二区域这两个区域；

一个内部开口，位于隔板上，基底可以由此通过；

一个隔板阀门，用于关闭该内部开口；

一个沉积单元，位于真空室的第一区域，用于向基底上沉积薄膜；

一个加热器，用于在第一区域进行沉积之前在第二区域加热基底；

一个固定器，当加热器在第二区域加热基底时用于固定基底；

一个加压气体输入管，向第二区域输入加压气体，从而使第二区域的压力增大到粘滞流动范围；

以及一个托架，其将加热的基底通过该内部开口携带到第一区域中所要求的位置；

所述基底与固定器点接触地被固定；

抽气管，抽空第一区域使其始终保持真空压力，从第二区域抽空输入的加压气体，使第二区域在由于隔板阀门开启导致的第二区域与第一区域连通时处于真空压力。

2.如权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于：固定器在其上表面上包括多个凸起，被固定的基底仅与凸起相接触。

3.如权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于：还包括一个热体，加热器设于热体内；还有一个***，将基底定位在一个调整过的与热体表面距离适当的位置。

4.一种薄膜沉积装置，包括：

一个真空室，装配有一抽气管；

一个内部开口，位于隔板上，基底可以由此通过；

一个隔板阀门，用于关闭内部开口；

一个热体，加热器位于该热体内；

一个加压气体输入管，向第二区域输入加压气体，从而使第二区域的压力增大到粘滞流动范围；以及，

一个托架，其将加热的基底通过该内部开口携带到第一区域中所要求的位置；

热体通常用作固定器，当加热器加热基底时用于固定基底；

所述基底与固定器点接触地被固定；

抽气管，抽空第一区域使其始终保持真空压力，从第二区域抽空输入的加压气体，使第二区域在隔板阀门开启、第二区域与第一区域连通时处于真空压力。

5.如权利要求4所述的薄膜沉积装置，其特征在于：还包括一个***，将基底定位在一个调整过的与热体表面距离适当的位置。

6.如权利要求5所述的薄膜沉积装置，其特征在于：还包括热体中设置的多个贯通孔，和相应地穿过贯通孔设置的多个传导销；所述***通过移动热体来调整距离。

7.如权利要求5所述的薄膜沉积装置，其特征在于：所述固定器上还包括多个贯通孔，每个贯通孔上有一个传导销；***通过同时移动所有传导销来调整距离。

8.如权利要求6所述的薄膜沉积装置，其特征在于：***能够将其上放置有基底的热体移动到第一区域中，并能够将基底定位在所要求的位置，从而***通常用作托架。

9.如权利要求3所述的薄膜沉积装置，其特征在于：还包括一负载锁定室，其与真空室气密连接，负载锁定室将真空室的第二区域与外部大气相隔离。

10.如权利要求4所述的薄膜沉积装置，其特征在于：还包括一负载锁定室，其与真空室气密连接，负载锁定室将真空室的第二区域与外部大气相隔离。