具有等離子體源的沉積反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種沉積反應(yīng)器，其包括：限定膨脹空間的進(jìn)給部件，其被構(gòu)造成引導(dǎo)反應(yīng)物作為上到下的流從等離子體源(110)流向反應(yīng)室，所述膨脹空間朝向反應(yīng)室(335)變寬；和提升機(jī)構(gòu)，其用于從反應(yīng)室頂側(cè)將至少一個(gè)基材(360)裝載到所述反應(yīng)室。所述沉積反應(yīng)器被構(gòu)造成在反應(yīng)室中通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述至少一個(gè)基材上。
【專利說明】具有等離子體源的沉積反應(yīng)器
發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總的涉及具有等離子源的沉積反應(yīng)器。更具體地，但不是排他地，本發(fā)明涉及這樣的沉積反應(yīng)器，在其中材料通過順序自飽和表面反應(yīng)沉積在表面上。
_2] 發(fā)明背景
[0003]原子層外延(AtomicLayer Epitaxy, ALE)方法是 Tuomo Suntola 博士在 1970 年代初發(fā)明的。該方法的另一個(gè)通用名是原子層沉積(Atomic Laye Deposition, ALD),并且現(xiàn)在用它代替了 ALE。ALD是基于向基材順序引入至少兩種反應(yīng)性前體物質(zhì)的特殊的化學(xué)淀積方法。所述基材位于反應(yīng)空間內(nèi)。反應(yīng)空間通常被加熱。ALD的基本生長機(jī)制依賴于化學(xué)吸附(chemisorption)與物理吸附(physisorption)之間的結(jié)合強(qiáng)度差異。在所述沉積過程期間，ALD利用化學(xué)吸附并消除物理吸附?；瘜W(xué)吸附期間，在固相表面的原子和從氣相抵達(dá)的分子之間形成強(qiáng)化學(xué)鍵。通過物理吸附的結(jié)合要弱的多，因?yàn)橹簧婕胺兜氯A力。當(dāng)局部溫度超過所述分子的凝結(jié)溫度時(shí)，物理吸附鍵就很容易被熱能斷裂。
[0004]ALD反應(yīng)器的反應(yīng)空間包括能夠交替和順序地暴露于用于薄膜沉積的每種ALD前體的所有加熱表面?；镜腁LD沉積周期由四個(gè)順序的步驟組成:脈沖A，吹掃A，脈沖B，和吹掃B。脈沖A通常由金屬前體蒸氣組成，而脈沖B由非金屬前體蒸氣組成，尤其是氮或氧前體蒸氣。不活潑氣體例如氮?dú)饣驓鍤?、和真空泵用于在吹掃A和吹掃B期間從反應(yīng)空間清除氣態(tài)反應(yīng)副產(chǎn)物和剩余的反應(yīng)物分子。沉積順序包括至少一個(gè)沉積周期。重復(fù)沉積周期，直到沉積順序已經(jīng)產(chǎn)生期望厚度的薄膜。
[0005]前體物質(zhì)通過化學(xué) 吸附與加熱表面的反應(yīng)性部位形成化學(xué)鍵。通常以一個(gè)前體脈沖期間在表面上形成不超過固體材料分子單層的方式來安排條件。因此，所述生長過程是自終結(jié)的或自飽和的。例如，第一種前體可以包括保持與所述吸附物質(zhì)相連并使所述表面飽和的配位體，其阻止進(jìn)一步的化學(xué)吸附。保持反應(yīng)空間溫度超過所使用的前體的凝結(jié)溫度并低于其熱分解溫度，使得所述前體分子物質(zhì)基本上完好地化學(xué)吸附在基材上?；就旰檬侵府?dāng)前體分子物質(zhì)化學(xué)吸附在表面上時(shí)，揮發(fā)性配位體可以離開所述前體分子。所述表面變得基本上被第一種類型的反應(yīng)性部位、即第一種前體分子的吸附物質(zhì)飽和。這個(gè)化學(xué)吸附步驟通常繼之以第一吹掃步驟(吹掃A)，其中過量的第一種前體和可能的反應(yīng)副產(chǎn)物被從反應(yīng)空間除去。然后將第二種前體蒸氣引入反應(yīng)空間。第二種前體分子通常與第一種前體分子的吸附物質(zhì)反應(yīng)，從而形成所期望的薄膜材料。一旦已經(jīng)消耗了吸附的第一種前體的全部量并且所述表面已經(jīng)被第二種類型的反應(yīng)性部位基本飽和，則該生長終止。過量的第二種前體蒸氣和可能的反應(yīng)副產(chǎn)物蒸氣然后通過第二個(gè)吹掃步驟(吹掃B)除去。然后重復(fù)所述周期，直到薄膜已經(jīng)生長到所期望的厚度。沉積周期也可以更復(fù)雜。例如，所述周期可以包括被吹掃步驟分開的三個(gè)或更多個(gè)反應(yīng)物蒸氣脈沖。所有這些沉積周期形成了受邏輯單元或微處理器控制的定時(shí)沉積順序。
[0006]通過ALD生長的薄膜是致密的，無針孔并具有均一的厚度。例如，從三甲基鋁(CH3)3AU也稱為TMA和水在250-300°C通過熱ALD生長的氧化鋁，在100-200mm直徑晶片上通常有約1%的不均一性。通過ALD生長的金屬氧化物薄膜適合于柵極電介質(zhì)、電致發(fā)光顯示器絕緣體、磁讀出頭間隙的填充層、電容器電介質(zhì)和鈍化層。通過ALD生長的金屬氮化物薄膜適合于擴(kuò)散阻擋層，例如在雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中。
[0007]適合于在各種ALD反應(yīng)器中的ALD方法的前體公開于，例如，綜述R.Puurunen, "Surface chemistry of atomic layer deposition:A case study for thetrimethyl aluminium/water process", J.Appl.Phys.，97 (2005) , 121301 頁中，所述文獻(xiàn)通過引用并入本文。
[0008]在ALD方法中使用自由基可以獲得一些優(yōu)點(diǎn)，例如在非常低的沉積溫度下使用熱敏基材的可能性。在等離子體ALD反應(yīng)器中，自由基由等離子體源產(chǎn)生。然而，使用等離子體源可能引起對(duì)沉積反應(yīng)器的一定要求或特定的問題。
[0009]發(fā)明概沭
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)例方面，提供了一種沉積反應(yīng)器，其包括:
[0011]限定膨脹空間的進(jìn)給部件，其被構(gòu)造成引導(dǎo)反應(yīng)物作為上到下的流從等離子體源流向反應(yīng)室，所述膨脹空 間朝向所述反應(yīng)室變寬；和提升機(jī)構(gòu)，用于從所述反應(yīng)室頂側(cè)將至少一個(gè)基材裝載到所述反應(yīng)室，并且
[0012]所述沉積反應(yīng)器被構(gòu)造成在所述反應(yīng)室中通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述至少一個(gè)基材上。
[0013]在某些實(shí)施方式中，沉積反應(yīng)器是等離子體增強(qiáng)原子層沉積反應(yīng)器，PEALD反應(yīng)器。在某些實(shí)施方式中，所述沉積反應(yīng)器包括在反應(yīng)室頂側(cè)上的等離子體源。在某些實(shí)施方式中，等離子體源是感應(yīng)耦合等離子體源。在某些實(shí)施方式中，所述等離子體源被構(gòu)造成產(chǎn)生在沉積反應(yīng)器中用作反應(yīng)物的自由基。
[0014]在某些實(shí)施方式中，所述提升機(jī)構(gòu)能夠從反應(yīng)室的頂側(cè)進(jìn)行裝載。
[0015]在某些實(shí)施方式中，所述限定或形成膨脹空間的進(jìn)給部件，其尺寸或者其形狀或大小是可變的。在某些實(shí)施方式中，所述提升機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成改變所述進(jìn)給部件的尺寸。
[0016]在某些實(shí)施方式中，所述進(jìn)給部件具有收縮形狀和伸展形狀，并且所述提升機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成推動(dòng)或牽拉所述進(jìn)給部件從所述伸展形狀到所述收縮形狀，在所述進(jìn)給部件處于其收縮形狀時(shí)，允許所述至少一個(gè)基材的所述裝載。
[0017]在某些實(shí)施方式中，所述進(jìn)給部件被構(gòu)造成垂直變形。
[0018]在某些實(shí)施方式中，所述進(jìn)給部件包括一組可活動(dòng)以便安裝在彼此內(nèi)的嵌套子部件或環(huán)樣構(gòu)件。所述子部件可以是內(nèi)部中空的。嵌套子部件的數(shù)量可以是兩個(gè)或更多個(gè)，以形成套筒式(telescopic)結(jié)構(gòu)。所述嵌套子部件的形式可以是截錐體(truncated cone)。在一種實(shí)施方式中，在所述進(jìn)給部件實(shí)際上由兩個(gè)或更多個(gè)子部件組成的情況下，至少最接近反應(yīng)空間的子部件可以是截錐體。在某些實(shí)施方式中，所述進(jìn)給部件由兩個(gè)嵌套的子部件組成。
[0019]在某些實(shí)施方式中，所述提升機(jī)構(gòu)包括提升器。它可以包括例如線性饋通(feedthrough)ο
[0020]在某些實(shí)施方式中，沉積期間，所述進(jìn)給部件與膨脹空間凸緣相連，膨脹空間凸緣又靠著反應(yīng)室的上凸緣安裝。藉此，可以提供緊靠表面密封的表面。
[0021]在某些實(shí)施方式中，所述提升機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成在用于裝載或卸載的上部位置和用于沉積的下部位置之間移動(dòng)攜帶所述至少一個(gè)基材的基材架。[0022]在某些實(shí)施方式中，所述沉積反應(yīng)器包括在等離子體源和所述反應(yīng)室之間的基材傳遞室。所述基材傳遞室可以包括用于裝載鎖定的界面。
[0023]在某些實(shí)施方式中，所述沉積反應(yīng)器包括在所述進(jìn)給部件中的手動(dòng)出入艙口(manual access hatch)。
[0024]在某些實(shí)施方式中，所述沉積反應(yīng)器包括包括多個(gè)對(duì)稱放置的升降器的所述提升機(jī)構(gòu)。在某些實(shí)施方式中，升降器的數(shù)量是兩個(gè)。在某些其他實(shí)施方式中，升降器的數(shù)量是三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)。所述升降器可以相對(duì)于進(jìn)給部件對(duì)稱。
[0025]在某些實(shí)施方式中，所述沉積反應(yīng)器被構(gòu)造成使用基材架(其攜帶所述至少一個(gè)基材)作為反應(yīng)空間中氣流的主要障礙物。
[0026]在某些實(shí)施方式中，沉積反應(yīng)器包括或具有流量調(diào)節(jié)部件。所述流量調(diào)節(jié)部件放置在基材架與反應(yīng)室壁之間。它可以在基材架周圍。在某些實(shí)施方式中，它可以基本上填充所述基材架與反應(yīng)室壁之間的空間。在某些實(shí)施方式中，所述流量調(diào)節(jié)部件可以是其中有孔的環(huán)。所述孔可以大小一致，或者它們可以是大小可變的，以便在較大的孔中通過更多的流量。
[0027]在某些實(shí)施方式中，所述進(jìn)給部件是可變形的，并且所述設(shè)備包括至少一個(gè)機(jī)械致動(dòng)器，以將所述進(jìn)給部件在收縮形狀和伸展形狀之間變形。
[0028]在某些實(shí)施方式中 ，攜帶至少一個(gè)基材的基材架與所述可變形的進(jìn)給部件機(jī)械聯(lián)接，并且其中使所述可變形進(jìn)給部件變形，引起所述攜帶至少一個(gè)基材的基材架提升到用于裝載或卸載的上部位置。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)示例性方面，提供了一種方法，所述方法包括:
[0030]操作根據(jù)任何所介紹的實(shí)施方式的沉積反應(yīng)器。
[0031]在某些實(shí)施方式中，所述方法包括使用可變形的進(jìn)給部件，所述進(jìn)給部件可通過至少一個(gè)機(jī)械致動(dòng)器在收縮形狀和伸展形狀之間變形。
[0032]在某些實(shí)施方式中，攜帶至少一個(gè)基材的基材架與所述可變形的進(jìn)給部件機(jī)械聯(lián)接，并且所述方法包括:通過使所述可變形進(jìn)給部件變形，引起所述攜帶至少一個(gè)基材的基材架提升到用于裝載或卸載的上部位置。
[0033]本發(fā)明不同的非限制性示例方面和實(shí)施方式已經(jīng)在上文中說明。上述實(shí)施方式僅用于闡明可以在實(shí)施本發(fā)明中使用的所選的方面或步驟。一些實(shí)施方式可以只參考本發(fā)明的某些示例方面來介紹。應(yīng)該領(lǐng)會(huì)，相應(yīng)的實(shí)施方式同樣可以適用于其他示例方面?？梢孕纬扇魏魏线m的實(shí)施方式組合。
[0034]附圖簡要說明
[0035]現(xiàn)在將只通過示例并參考【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明，在所述附圖中:
[0036]圖1顯示了根據(jù)示例性實(shí)施方式的沉積反應(yīng)器；
[0037]圖2顯示了具有朝向反應(yīng)室變寬的膨脹空間的示例性實(shí)施方式；
[0038]圖3顯示了升降器牽引基材架向上進(jìn)行裝載的示例性實(shí)施方式；
[0039]圖4顯示了在抬升位置的圖3實(shí)施方式中的基材；
[0040]圖5顯示了升降器推動(dòng)基材架向上進(jìn)行裝載的示例性實(shí)施方式；
[0041]圖6顯示了在抬升位置的圖5實(shí)施方式中的基材；
[0042]圖7顯示了具有朝向反應(yīng)室變寬的膨脹空間的另一種示例性實(shí)施方式；[0043]圖8顯示了具有對(duì)稱放置的升降器的示例性實(shí)施方式；
[0044]圖9顯示了以圖3顯示的示例性實(shí)施方式為基礎(chǔ)的另一種示例性實(shí)施方式；
[0045]圖10顯示了在抬升位置的圖9實(shí)施方式中的基材；
[0046]圖11顯示了根據(jù)示例性實(shí)施方式，使用基材架作為主要的流動(dòng)障礙物的原理；
[0047]圖12顯示了具有流量調(diào)節(jié)部件的示例性實(shí)施方式；
[0048]圖13顯示了圖12的流量調(diào)節(jié)部件的示例性實(shí)施；
[0049]圖14顯示了圖12的流量調(diào)節(jié)部件的另一種示例性實(shí)施；
[0050]圖15顯示了根據(jù)示例性實(shí)施方式，在沉積反應(yīng)器內(nèi)加工一批基材；
[0051]圖16顯示了具有 手動(dòng)出入艙口的可替換實(shí)施方式；和
[0052]圖17顯示了根據(jù)示例性實(shí)施方式，沉積反應(yīng)器控制系統(tǒng)的草框圖。
[0053]發(fā)明詳沭
[0054]在下面的說明中，原子層沉積(ALD)技術(shù)被用作例子。然而，目的不是嚴(yán)格限于該技術(shù)，而是必須認(rèn)識(shí)到，某些實(shí)施方式也可以適用于利用其他相當(dāng)?shù)脑右?guī)模沉積技術(shù)的方法和設(shè)備中。
[0055]ALD生長機(jī)制的基礎(chǔ)是技術(shù)人員已知的。ALD方法的詳情也已經(jīng)在本專利申請(qǐng)的引言部分中說明。這些細(xì)節(jié)在此不重復(fù)，但是對(duì)于這方面參考了引言部分。
[0056]圖1顯示了沉積反應(yīng)器(等離子體ALD反應(yīng)器等)的側(cè)視圖。所述沉積反應(yīng)器包括在ALD反應(yīng)器模塊130內(nèi)部基材傳遞室120下方的反應(yīng)室(圖1中未顯示)。源氣體通過源氣體管線101流入在反應(yīng)室頂側(cè)上的等離子體源110。由等離子體源110從源氣體生成的自由基通過管線102流向反應(yīng)室。在等離子體源110和反應(yīng)室之間，有基材傳遞室120。至少一個(gè)基材通過傳遞室120裝載到反應(yīng)室中?；膫鬟f室120包括用于裝載鎖定的界面等，用于裝載所述至少一個(gè)基材。在示例性實(shí)施方式中，所述界面可以是裝載鎖定凸緣122等，具有閘門閥的裝載鎖可以與之相連。在一種示例性實(shí)施方式中，將所述至少一個(gè)基材裝載到傳遞室中的可以是自動(dòng)的程序?；蛘?，可以手工裝載所述至少一個(gè)基材。與傳遞室整合的較大的艙口 123特別適合于手動(dòng)裝載和卸載。
[0057]起于等離子體源的進(jìn)給管線102可以在傳遞室120之前通過與管線102相連的關(guān)閉構(gòu)件或閥115、例如閘門閥等關(guān)閉。在一種實(shí)施方式中，沉積過程期間關(guān)閉構(gòu)件或閥115可以從所述構(gòu)造中省略，存在保護(hù)性惰性氣體(例如氬氣)從源氣體管線101通過等離子體發(fā)生器110流向反應(yīng)空間(331，圖3)。當(dāng)閥115打開時(shí)，由等離子體源110從源氣體生成的自由基通過進(jìn)給管線102流向所述反應(yīng)室。自由基流過傳遞室上凸緣121進(jìn)入朝向反應(yīng)室變寬的膨脹空間(圖1未顯示)。這在圖2中更詳細(xì)地顯示。
[0058]膨脹空間由進(jìn)給部件或組件限定或形成，所述進(jìn)給部件或組件包括一組可活動(dòng)以便安裝在彼此內(nèi)的嵌套子部件或環(huán)樣構(gòu)件。因而子部件241-245形成套筒式結(jié)構(gòu)。在圖2顯示的示例性實(shí)施方式中，最上面的子部件241與傳遞室上凸緣121相連。所述凸緣121也可以表示為真空室凸緣，因?yàn)橥ǔ？梢栽趥鬟f室的圍繞進(jìn)給部件的部分中產(chǎn)生真空或接近真空。在圖2顯示的示例性實(shí)施方式中，最下面的子部件245與膨脹空間凸緣224相連，所述凸緣在沉積期間以基本防滲漏的方式靠著反應(yīng)室凸緣234安裝，防止反應(yīng)空間(331，圖3)和反應(yīng)室周圍的氣體空間(335，圖3)之間漏氣。
[0059]在圖2顯示的實(shí)施方式中，升降器250的可收縮軸與膨脹空間凸緣224相連，或直接與進(jìn)給部件相連。升降器250的主體也可以與傳遞室上凸緣121或與沉積反應(yīng)器中的另一個(gè)合適的對(duì)應(yīng)物相連。升降器250可以是例如利用至少部分被波紋管251等覆蓋的可收縮軸操作的升降器。在一種實(shí)施方式中，這種安排在氣動(dòng)或線性致動(dòng)器與膨脹空間凸緣224或進(jìn)給部件之間形成防漏的豎直柔性覆蓋物。在一種實(shí)施方式中，使用線性饋通(feedthrough),用于將進(jìn)給部件和膨脹空間凸緣與基材架在真空中一起移動(dòng)并從大氣側(cè)控制。
[0060]在一個(gè)實(shí)施方式中，升降器波紋管251的底端與所述軸防滲漏式聯(lián)接。用致動(dòng)器在升降器波紋管251內(nèi)牽引所述軸，使升降器波紋管251收縮，并且可以向上牽引所述至少一個(gè)基材360或基材架361供裝載或卸載，同時(shí)保持基材操作區(qū)和它的周圍處于真空。
[0061]在可替代實(shí)施方式中，膨脹空間凸緣224沒有與進(jìn)給部件分開，而是形成進(jìn)給部件的一部分，從而形成進(jìn)給部件的底部。所述底部在該實(shí)施方式中靠著反應(yīng)室起到邊緣密封的功能。另一方面，它起到升降器250的固定點(diǎn)(升降器軸)的功能。
[0062]所述進(jìn)給部件具有如圖3所示的伸展形狀和如圖4所示的收縮形狀。當(dāng)限定膨脹空間的進(jìn)給部件處于其收縮 形狀(圖4)時(shí)，所述至少一個(gè)水平放置的基材360可以通過傳遞室120 (圖1)裝載和卸載。當(dāng)所述進(jìn)給部件處于它的伸展形狀(圖3)時(shí)，在反應(yīng)室335的反應(yīng)空間331中，通過順序自飽和表面反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生將材料沉積在所述至少一個(gè)基材360上。伸展形狀與收縮形狀之間的轉(zhuǎn)變可通過升降器250 (圖2)等進(jìn)行。在圖2-4顯示的實(shí)施方式中，當(dāng)升降器波紋管251膨脹時(shí)，限定膨脹空間的所述部件處于其伸展形狀(圖3)。并且，當(dāng)升降器波紋管251收縮時(shí)，限定膨脹空間的所述部件處于其收縮形狀(圖4)。
[0063]在圖3顯示的實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)基材360被基材架361支撐或平放在基材架361之上。在一個(gè)實(shí)施方式中，基材架包括兩個(gè)以開放的間隙分開的區(qū)段，所述間隙寬得足夠允許基材叉在所述區(qū)段之間自由移動(dòng)?；募?61通過架支撐體362與膨脹空間凸緣224相連?；蛘?，來自等離子體源110 (圖1和2)和前體蒸氣的自由基流向反應(yīng)室335的反應(yīng)空間331。來自等離子體源110的自由基作為從上到下的流301通過膨脹空間流到反應(yīng)空間331，而前體蒸氣通過進(jìn)給管線371經(jīng)過示例性的管件381和反應(yīng)室凸緣234內(nèi)的通道303或通過進(jìn)給管線372經(jīng)過示例性的管件382和反應(yīng)室凸緣234內(nèi)的通道304流動(dòng)。廢氣通過在底部的廢氣導(dǎo)向裝置被排除，如流向箭頭305所示。
[0064]在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，基材架被構(gòu)造成與膨脹空間凸緣224 —起或與進(jìn)給部件一起移動(dòng)。以這種方式，可以向上牽引所述至少一個(gè)基材360或基材架361進(jìn)行裝載或卸載。在一種實(shí)施方式中，基材架361可與膨脹空間凸緣224可拆卸地連接。以這種方式，當(dāng)處于上部位置(圖4)時(shí)，可以將基材架361與所述至少一個(gè)基材360 —起裝載或卸載。類似地，被垂直放入基材架的一批基材可以裝載到沉積反應(yīng)器中以及從所述沉積反應(yīng)器卸載，如在下面參考圖15的說明中更周密的描述。
[0065]圖5和6顯示的示例性實(shí)施方式在其他方面都對(duì)應(yīng)于圖2-4顯示的實(shí)施方式，但是代之以使用升降器將進(jìn)給部件從伸展形狀牽引到收縮形狀進(jìn)行裝載或卸載，使用的是將所述部件從伸展形狀推動(dòng)到收縮形狀的升降器。
[0066]圖5和6中顯示的升降器包括通過升降器操作的提升框架591。所述升降器可以是例如利用具有步進(jìn)馬達(dá)和導(dǎo)螺桿和線性饋通551等的氣動(dòng)致動(dòng)器或線性致動(dòng)器操作的升降器。在一種實(shí)施方式中，所述升降器包括柔性部件，例如邊緣焊接的波紋管連接器，用于保持真空空間與室內(nèi)空氣隔離。提升框架591與膨脹空間凸緣224相連，或與進(jìn)給部件直接相連。
[0067]在圖5和6顯示的實(shí)施方式中，當(dāng)線性饋通551收縮時(shí)，所述進(jìn)給部件處于其伸展形狀(圖5)。而當(dāng)線性饋通551膨脹時(shí)，所述進(jìn)給部件處于其收縮形狀(圖6)。
[0068]圖7顯示了具有朝向反應(yīng)室變寬的膨脹空間的另一種示例性實(shí)施方式。圖7顯示的示例性實(shí)施方式在其他方面的構(gòu)造和操作都類似于圖2-6顯示的示例性實(shí)施方式，除了在此所述的進(jìn)給部件只包括兩個(gè)嵌套子部件741和742。最下面的子部件742與最上面的子部件741連接，使得最下面的子部件742在最上面的子部件741周圍安裝。至少所述最下面的子部件742可以是截錐體的形式。最上面的子部件741可以優(yōu)選是截錐體的形式或例如圓柱體。
[0069]圖8顯示了升降器對(duì)稱放置的示例性實(shí)施方式。除了圖2-4和7顯示的升降器250之外，圖8中的提升機(jī)構(gòu)還包括在所述進(jìn)給部件的相對(duì)側(cè)上的另一個(gè)升降器850。圖8中顯示的示例性實(shí)施方式在其他方面的構(gòu)造和操作類似于圖2-4和7顯示的示例性實(shí)施方式。升降器850可以是例如利用具有步進(jìn)馬達(dá)和導(dǎo)螺桿和線性饋通851等的氣動(dòng)致動(dòng)器或線性致動(dòng)器操作的升降器。還在其他的實(shí)施方式中，對(duì)稱放置的升降器數(shù)量是三個(gè)或更多個(gè)。
[0070]圖9和10顯示的示例性實(shí)施方式以圖3和4顯示的示例性實(shí)施方式為基礎(chǔ)，并由來自圖7和/或8顯示的示例 性實(shí)施方式的特征加以補(bǔ)充。因此，圖9和10顯示的示例性實(shí)施方式除了在此的進(jìn)給部件只包括兩個(gè)嵌套的子部件741和742之外，其他方面的構(gòu)造和操作與圖3和4顯示的示例性實(shí)施方式類似。任選地，所述提升機(jī)構(gòu)還包括兩個(gè)或更多個(gè)對(duì)稱放置的升降器。
[0071]在圖9中，限定膨脹空間的進(jìn)給部件處于其伸展形狀(基材架361和所述至少一個(gè)基材360處于供沉積的下降位置上)。在一種實(shí)施方式中，上部子部件741具有從所述上部子部件741的下緣向外延伸的外邊緣(例如3-10mm寬)，而下部子部件742具有從所述下部子部件742的上緣向內(nèi)延伸的內(nèi)邊緣(例如3-10mm寬)。當(dāng)所述進(jìn)給部件處于其伸展形狀時(shí)，所述內(nèi)邊緣位于外邊緣上，在所述進(jìn)給部件內(nèi)的膨脹空間與圍繞所述進(jìn)給部件的居間空間之間形成基本上防滲漏的表面靠表面密封。在圖10中，所述進(jìn)給部件已經(jīng)由提升機(jī)構(gòu)變形為其收縮形狀(基材架361和所述至少一個(gè)基材360處于供裝載或卸載的上升位置上)。在一種實(shí)施方式中，當(dāng)進(jìn)給部件處于它的收縮形狀時(shí)，在所述內(nèi)邊緣和外邊緣之間有大而開放的水平間隙。當(dāng)進(jìn)給部件變形成其伸展形狀并且所述內(nèi)邊緣仔細(xì)地壓靠著所述外邊緣時(shí)，所述間隙消失。因?yàn)樵谶M(jìn)給部件從它的伸展形狀變形到它的收縮狀態(tài)和回到它的伸展形狀時(shí)，進(jìn)給子部件的表面彼此不相摩擦，從而避免了形成粒子。
[0072]圖11顯示了根據(jù)示例性實(shí)施方式，使用基材架作為流動(dòng)障礙物的原理。在這個(gè)實(shí)施方式中，基材架361與反應(yīng)室335的整個(gè)寬度相比大得以至于它形成在反應(yīng)室335中氣流的主要或首要障礙物。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，布置在膨脹空間凸緣224等中的基材架連接件，使得所述基材架361在橫向上盡可能接近反應(yīng)室的中心。以這種方式，基材架361到反應(yīng)室335相對(duì)側(cè)的壁的距離(距離a和b)相同。當(dāng)氣流1103和1103’向著廢氣導(dǎo)向裝置，在基材架361的相對(duì)側(cè)上用箭頭305表示的所述廢氣導(dǎo)向裝置內(nèi)的流向接近相同時(shí)，產(chǎn)生在基材360上更均勻的材料生長條件，這是因?yàn)樵诨募芟旅娴臍怏w空間和基材架上面的氣體空間之間形成了壓力梯度，它有助于有效地引導(dǎo)所有的氣態(tài)物質(zhì)以橫向從基材的中心區(qū)到基材360的外緣上和進(jìn)一步到基材架361的外緣上。壓力梯度是指基材架上方的壓力比基材架下面的高。
[0073]為了對(duì)不均勻的氣流進(jìn)行補(bǔ)償，或?yàn)榱艘云渌绞秸{(diào)節(jié)氣流，使得在所述至少一個(gè)基材上的材料生長盡可能均勻，在反應(yīng)室335中可使用流動(dòng)調(diào)節(jié)部件，例如圖12顯示的部件1290。在圖12顯示的示例性實(shí)施方式中，流動(dòng)調(diào)節(jié)部件1290被放置在基材架361與反應(yīng)室335的壁之間。在示例性實(shí)施方式中，它是環(huán)樣構(gòu)件。在示例實(shí)施方式中，它圍繞基材架361。在示例性實(shí)施方式中，所述流動(dòng)調(diào)節(jié)部件1290起到基材架361的支撐體的作用。在示例性實(shí)施方式中，它基本上填充了基材架361與反應(yīng)室壁之間的空間。流動(dòng)調(diào)節(jié)部件1290優(yōu)選是有孔的或至少部分有水平或豎直的狹槽，以便于氣體穿過所述流動(dòng)調(diào)節(jié)部件的受控流動(dòng)或受到所述流動(dòng)調(diào)節(jié)部件控制的流動(dòng)。
[0074]圖13和14顯示了其中包含孔(或通道)的流動(dòng)調(diào)節(jié)部件1290。在這種實(shí)施方式中的流動(dòng)調(diào)節(jié)操作是以較大的孔(較高的氣流傳導(dǎo)率)能夠比較小的孔(較小的氣流傳導(dǎo)率)通過更多的流量這一事實(shí)為基礎(chǔ)。根據(jù)要求，所述孔可以是大小一致的，例如圖13中的孔1391，或者它們可以是大小可變的，例如圖14顯示的孔。在圖14顯示的實(shí)施方式中，在某個(gè)扇形面1495中的孔1492比其他孔1491小，導(dǎo)致在較小的孔的區(qū)域內(nèi)流動(dòng)限制。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述流量調(diào)節(jié)部件具有可變密度的孔，使得孔密度較高的區(qū)域具有比孔密度較小的區(qū)域更高的氣流傳導(dǎo)率。
[0075]圖15顯示了根據(jù)示例性實(shí)施方式，在沉積反應(yīng)器內(nèi)加工一批基材。所述沉積反應(yīng)器可從反應(yīng)室1535的頂側(cè)裝載和卸載。
[0076]當(dāng)膨脹空間凸緣224在其上部位置時(shí)，用攜帶一批豎直放置的基材1560的基材架1561可裝載或卸載反應(yīng)室1535。攜帶基材1560的基材架1561可以在橫向1501中移入膨脹空間凸緣224中的連接件1563等中進(jìn)行裝載，和從所述連接件1563移出進(jìn)行卸載?；募?561包括夾持構(gòu)件1564，例如安裝在連接件1563中的鉤子等。膨脹空間凸緣224與攜帶基材1560的基材架1561 —起,可以在提升機(jī)構(gòu)(圖15中未顯不)的幫助下以垂直方向1502移動(dòng)。它可以下降到反應(yīng) 室1535中進(jìn)行沉積，并隨后在處理之后，從反應(yīng)室1535出升高離開進(jìn)行卸載。沉積過程期間，膨脹空間凸緣224將反應(yīng)空間與圍繞反應(yīng)室1535的居間空間密封開。
[0077]或者，在基材架1561中的所述基材1560批可以在基材架移入反應(yīng)室1535和從反應(yīng)室1535移出，而不連接于膨脹空間凸緣224，例如，合適的機(jī)器人將基材架操縱器(未顯示)延伸過反應(yīng)室，以用新的基材架更換該基材架。
[0078]結(jié)合圖15描述的加載與卸載方法和連接件也適用于本說明書中介紹的其他實(shí)施方式。
[0079]圖16顯示了具有手動(dòng)出入艙口的可替代實(shí)施方式。與前面的示例性實(shí)施方式相似，圖16顯示的示例性實(shí)施方式中的自由基流1601在膨脹空間1640中膨脹成膨脹的自由基流1611。與前面的實(shí)施方式一樣，等離子體發(fā)生器和基材架之間的氣體空間基本上由開放的氣體空間構(gòu)成，使得由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的大部分自由基能夠基本完好到到達(dá)基材，而不會(huì)在所述基材之前擊中任何表面。任何與表面的接觸將降低自由基的濃度。然而，與某些前面的實(shí)施方式介紹的不同，在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，限定膨脹空間1640的所述部件(圖16)不需要它的尺寸可變，但是可以通過安排在限定所述膨脹空間的部件一側(cè)的手動(dòng)出入艙口 1625裝載和卸載所述至少一個(gè)基材。所述手動(dòng)出入艙口 1625可以例如通過圖1顯示的艙口 123便利地操作。
[0080]在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，本文描述的沉積反應(yīng)器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)存在所述系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的計(jì)算機(jī)程序包括指令，其在被所述系統(tǒng)的至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)引起沉積反應(yīng)器按照指令運(yùn)行。所述指令可以是計(jì)算機(jī)可讀程序代碼的形式。圖17顯示了沉積反應(yīng)器控制系統(tǒng)1700的草框圖。在基本的系統(tǒng)設(shè)置中，工藝參數(shù)在軟件的幫助下程序化，并用人機(jī)接口(HMI)終端1706執(zhí)行指令并將所述指令通過以太網(wǎng)總線1704等下載到控制箱1702。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制箱1702包括通用型可編程邏輯控制(PLC)單元。所述控制箱1702包括至少一個(gè)微處理器、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)存儲(chǔ)器、I/O模塊、A/D和和D/A轉(zhuǎn)換器、以及功率繼電器，所述微處理器用于執(zhí)行包括儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的程序代碼在內(nèi)的控制箱軟件。控制箱1702將電力送往沉積反應(yīng)器的合適的閥的氣動(dòng)控制器，與質(zhì)量流量控制器具有雙向通信，控制等離子體源和自由基生成和升降器的操作，以及以其它方式控制沉積反應(yīng)器的操作?？刂粕灯鞯牟僮靼刂粕灯髟谟糜谘b載或卸載的上部位置和用于沉積的下部位置之間移動(dòng)攜帶所述至少一個(gè)基材的基材架?？刂葡?702可以測(cè)量來自沉積反應(yīng)器的探測(cè)讀數(shù)，并將其轉(zhuǎn)播到HMI終端1706。虛線1716指示沉積反應(yīng)器部件和控制箱1702之間的接口線。
[0081]下面的試驗(yàn)實(shí)施例進(jìn)一步展示了選定的示例性實(shí)施方式的操作。
[0082]實(shí)施例1
[0083]在這個(gè)實(shí)施例中，ALD反應(yīng)器配備有自動(dòng)晶片裝載系統(tǒng)，和遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器。所述晶片裝載系統(tǒng)以閘門閥與裝載鎖定凸緣122相連(圖1)。在這個(gè)試驗(yàn)中，在沒有關(guān)閉構(gòu)件115下操作所述沉積反應(yīng)器，并且等離子體發(fā)生器連接在傳遞室上凸緣121的頂部。ALD反應(yīng)器的非自由基前體進(jìn)給管線371、372用氮?dú)獯祾摺Ｔ诿總€(gè)所述進(jìn)給管線中，氮?dú)饬魉偻ǔＴ?0-150sccm的范圍內(nèi)。優(yōu)選在進(jìn)給管線中使用小氮?dú)饬魉?50sccm)，以保持反應(yīng)室331的壓力適合于用自由基加工。
[0084]遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器和ALD反應(yīng)室之間的自由基源線用氬氣吹掃。氬氣的流速通常在IO-1OOsccm的范圍內(nèi)。優(yōu)選使用小IS氣流速(20sccm)以可靠地接通等離子體。
[0085]在用真空泵保持反應(yīng)器真空的同時(shí)，將ALD反應(yīng)室加熱到200°C。用等離子體源生成自由基期間，反應(yīng)室的壓力優(yōu)選在0.2-1.0hPa范圍內(nèi)。用升降器250將膨脹空間凸緣224與嵌套的膨脹空間子部件241、242 —起升起到晶片操作位置。打開閘門閥，用自動(dòng)晶片裝載系統(tǒng)將具有100-mm硅晶片的晶片叉經(jīng)過膨脹空間凸緣224與反應(yīng)室凸緣234之間的開放間隙，推到基材架361區(qū)段上方的空間。然后降低晶片叉，直到所述基材停放在基材架361區(qū)段上?；募?61在所述基材架的左右區(qū)段之間具有足夠?qū)挼拈_放間隙，使得所述晶片叉可以在基材架的側(cè)面之間自由地上下移動(dòng)，同時(shí)基材架的所述區(qū)段可以牢固地支撐從晶片叉抬起的晶片。然后，水平牽引空的晶片叉離開基材架361區(qū)段下面的空間，到達(dá)裝載鎖定空間(未顯示)。
[0086]圍繞反應(yīng)室的反應(yīng)器居間空間用與裝載鎖定凸緣122相連的閘門閥(未顯示)與裝載鎖定空間密封開。用氣動(dòng)提升系統(tǒng)將帶有基材架361的膨脹空間凸緣224降低到反應(yīng)室上的沉積位置，將反應(yīng)室空間與居間空間密封開。[0087]通過將三甲基鋁(TMA)蒸氣經(jīng)進(jìn)給部件371到達(dá)反應(yīng)室脈沖0.ls，啟動(dòng)沉積過程。TMA分子化學(xué)吸附在基材表面上并在所述表面上形成鋁前體物質(zhì)的分子層。然后，用從進(jìn)給管線371、372中非自由基前體抵達(dá)的氮?dú)夂蛷牡入x子體發(fā)生器抵達(dá)的氬氣吹掃所述反應(yīng)室8s，以除去剩余的TMA分子和來源于所述表面反應(yīng)的反應(yīng)副產(chǎn)物(例如甲烷CH4分子)。
[0088]氬氣連續(xù)經(jīng)過遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器流向ALD反應(yīng)室，以阻止活性氣體向遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器返流。氬氣的質(zhì)量流速是20sCCm。打開氧氣管線在遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器之前的脈沖閥，以將氧氣注入流動(dòng)的氬氣中。氧氣的質(zhì)量流速是50sCCm。因?yàn)檠鯕庾⑷敫淖兞诉h(yuǎn)程等離子體發(fā)生器內(nèi)部的壓力，遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器內(nèi)部氬氣和氧氣混合流的穩(wěn)定要等待1.5s。這種預(yù)等待狀態(tài)(這個(gè)試驗(yàn)中為1.5s)有助于在沉積過程期間在每個(gè)脈沖程序中可靠地接通等離子體。接著，將等離子體發(fā)生器的功率水平從RF功率關(guān)閉水平(Pl=OW)提高到RF功率開啟水平(p2=2500W)，并在該RF功率水平上保持6s以生成氧自由基。然后將該功率水平降回到RF功率關(guān)閉水平(pl=0W)。0.5s之后，關(guān)閉氧氣管線的脈沖閥。在降低RF功率水平之后這種任選的后等待狀態(tài)(在這個(gè)試驗(yàn)中為0.5s)用來幫助在沉積過程期間的每個(gè)脈沖程序中以受控的方式可靠地切斷等離子體。
[0089]為了完成所述基本的脈沖順序，用和TMA脈沖之后相同的方式吹掃系統(tǒng)，以從反應(yīng)室除去剩余的前體分子和反應(yīng)副產(chǎn)物。由TMA脈沖/吹掃/自由基脈沖/吹掃組成的脈沖程序重復(fù)500次。
[0090]沉積過程之后，用升降器250將膨脹空間凸緣224與嵌套的膨脹空間子部件241、242—起升起到晶片操作位置。打開閘門閥，用自動(dòng)晶片裝載系統(tǒng)將空晶片叉經(jīng)過膨脹空間凸緣224與反應(yīng)室凸緣234之間的開放間隙，推到基材架361區(qū)段下方的空間。然后升起晶片叉，直到所述基材停放在晶片叉上。然后，水平牽引有晶片的晶片叉離開基材架361區(qū)段上方的空間，到達(dá)裝載鎖定空間(未顯示)。
[0091]結(jié)果，100-mm晶片具有高質(zhì)量的Al2O3薄膜，在所述晶片上從49個(gè)點(diǎn)測(cè)量的1_ σ厚度不均勻性小于2%。
[0092]實(shí)施例2
[0093]用TMA和分子氧(O2)在200°C以熱ALD模式進(jìn)行沉積試驗(yàn)，用于比較。要注意，O2過于惰性而不能與TMA分子反應(yīng)，沒有生長出薄膜。因此，需要氧自由基(Cf )進(jìn)行薄膜生長。
[0094]上述說明通過本發(fā)明的具體實(shí)行和實(shí)施方式的非限制性實(shí)例提供了發(fā)明人考慮的當(dāng)前用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式的充分和信息的描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，本發(fā)明不局限于上面介紹的實(shí)施方式的細(xì)節(jié)，而是它可以使用等價(jià)手段以其他實(shí)施方式實(shí)行，而不偏離本發(fā)明特征。
[0095]此外，在沒有相應(yīng)使用其他特征時(shí)，以上公開的本發(fā)明實(shí)施方式的一些特征可以用來達(dá)成優(yōu)勢(shì)。因此，上文的描述應(yīng)該被認(rèn)為是僅僅說明本發(fā)明的原理，而不是限制本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范圍只受所附的專利權(quán)利要求書的制約。
【權(quán)利要求】
1.一種沉積反應(yīng)器，其包括:限定膨脹空間的進(jìn)給部件，其被構(gòu)造成引導(dǎo)反應(yīng)物作為上到下的流從等離子體源流向反應(yīng)室，所述膨脹空間朝向所述反應(yīng)室變寬；和提升機(jī)構(gòu)，其用于從所述反應(yīng)室頂側(cè)將至少一個(gè)基材裝載到所述反應(yīng)室，并且所述沉積反應(yīng)器被構(gòu)造成在所述反應(yīng)室中通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述至少一個(gè)基材上。
2.權(quán)利要求1的沉積反應(yīng)器，其中所述提升機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成改變所述進(jìn)給部件的尺寸。
3.權(quán)利要求1或2的沉積反應(yīng)器，其中所述進(jìn)給部件具有收縮形狀和伸展形狀，并且所述提升機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成推動(dòng)或牽拉所述進(jìn)給部件從所述伸展形狀到所述收縮形狀，以在所述進(jìn)給部件處于其收縮形狀時(shí)，允許所述至少一個(gè)基材的所述裝載。
4.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其中所述進(jìn)給部件被構(gòu)造成垂直變形。
5.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其中所述進(jìn)給部件包括一組可活動(dòng)以便安裝在彼此內(nèi)的嵌套子部件或環(huán)樣構(gòu)件。
6.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其中所述進(jìn)給部件由兩個(gè)嵌套的子部件組成。
7.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其中在沉積期間，所述進(jìn)給部件與膨脹空間凸緣相連，膨脹空間凸緣又靠著反應(yīng)室的上凸緣安裝。
8.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其中所述提升機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成在用于裝載或卸載的上部位置和用于沉積的下部位置之間移動(dòng)攜帶所述至少一個(gè)基材的基材架。
9.前述權(quán)利要求任 一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其包括在等離子體源和所述反應(yīng)室之間的基材傳遞室。
10.權(quán)利要求8的沉積反應(yīng)器，其中所述基材傳遞室包括用于裝載鎖定的界面。
11.權(quán)利要求1的沉積反應(yīng)器，其包括在所述進(jìn)給部件中的手動(dòng)出入艙口。
12.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其中所述提升機(jī)構(gòu)包括多個(gè)對(duì)稱放置的升降器。
13.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其中所述沉積反應(yīng)器被構(gòu)造成使用攜帶所述至少一個(gè)基材的基材架作為所述反應(yīng)空間中氣流的主要障礙物。
14.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的沉積反應(yīng)器，其包括在所述基材架與反應(yīng)室壁之間的流量調(diào)節(jié)部件。
15.—種方法,所述方法包括:操作根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的沉積反應(yīng)器。
【文檔編號(hào)】C23C16/455GK103459660SQ201180069841
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月7日
【發(fā)明者】V·基爾皮, W-M·李, T·馬利南, J·科斯塔莫, S·林德弗斯 申請(qǐng)人:皮考遜公司