一种防回流的原子层沉积设备及其使用方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103046024 A (43)申请公布日 2013.04.17 CN 103046024 A *CN103046024A* (21)申请号 201110310015.4 (22)申请日 2011.10.13 C23C 16/44(2006.01) C23C 16/52(2006.01) (71)申请人 中国科学院微电子研究所 地址 100029 北京市朝阳区土城西路 3 号 (72)发明人 王燕 李勇滔 夏洋 赵章琰 石莎莉 (74)专利代理机构 北京市德权律师事务所 11302 代理人 刘丽君 (54) 发明名称 一种防回流的原子层沉积设备及其使用方法 (57) 。

2、摘要 本发明涉及半导体制造技术领域， 尤其是涉 及一种防回流的原子层沉积设备。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 ； 气路部件包 括第一管道和第二管道， 第一管道和第二管道的 末端结合处延伸出一段公共管道与沉积室相连 ； 第一管道和第二管道上分别设有一对反应气体源 瓶和清理气体源瓶， 反应气体源瓶设置在第一管 道和第二管道上靠近沉积室的一端。本发明还提 供一种防回流的原子层沉积设备的使用方法。本 发明提高了原子层沉积设备化学试剂的利用率， 降低残留试剂对气体试剂的污染， 减少了流量偏 移， 有效避免了气体回流现象， 同时减少清。

3、理气体 停留时间和化学试剂的去除时间， 降低沉积反应 周期时间。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种防回流的原子层沉积设备， 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 ： 所述气路部件包括第一管道和第二管道， 所述第一 管道和所述第二管道的末端结合处延伸出一段公共管道， 所述公共管道与所述沉积室相 连 ； 所述第一管道和所述第二管道上分别设有一对反应气体源瓶和清理气体源。

4、瓶， 所述清 理气体源瓶设置在所述第一管道和所述第二管道上靠近所述沉积室的一端。 2. 如权利要求 1 所述的原子层沉积设备， 其特征在于 ： 所述反应气体源瓶和所述清理 气体源瓶分别设有直接控制相应源瓶的阀门， 所述反应气体源瓶与所述清理气体源瓶之间 的管道上设有阀门， 所述第一管道与所述第二管道与所述公共管道的交接处分别设有阀 门。 3. 如权利要求 1 所述的原子层沉积设备， 其特征在于 ： 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。

5、示系统操作界面、 接收外部命令、 显示系统各部件运行中的 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。 4. 如权利要求 3 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。 5. 如权利要求 3 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。 6.。

6、 如权利要求 3 所述的原子层沉积设备， 其特征在于 ： 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。 7. 如权利要求 3 所述的原子层沉积设备， 其特征在于 ： 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。 8. 如权利要求 3 所述的原子层沉积设备， 其特征在于 ： 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。 9. 一种防回流的原子层沉积设备的使用方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 打开气路部件第一管道上气体反应源瓶的控制阀门、 所述第一管道上气体反应源瓶与 气体。

7、清理源瓶之间的阀门以及所述第一管道与公共管道交接处的阀门， 在向沉积室输送化 学反应气体至预先设置量后， 关闭上述阀门 ； 当所述沉积室内化学反应气体的反应结束后， 打开所述第一管道上气体清理源瓶的控 制阀门和所述第一管道与公共管道交接处的阀门， 在向所述沉积室通入清理气体至预先设 置量后， 关闭上述阀门 ； 当所述沉积室内清洗完毕后， 打开所述气路部件第二管道上气体反应源瓶的控制阀 门、 所述第二管道上气体反应源瓶与气体清理源瓶之间的阀门以及所述第二管道与所述公 共管道交接处的阀门， 在向沉积室输送化学反应气体至预先设置量后， 关闭上述阀门 ； 当所述沉积室内化学反应气体的反应结束后， 打开。

8、所述第二管道上气体清理源瓶的控 制阀门和所述第二管道与公共管道交接处的阀门， 在向所述沉积室通入清理气体至预先设 权 利 要 求 书 CN 103046024 A 2 2/2 页 3 置量后， 关闭上述阀门。 权 利 要 求 书 CN 103046024 A 3 1/5 页 4 一种防回流的原子层沉积设备及其使用方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体制造技术领域， 尤其是涉及一种防回流的原子层沉积设备及 其使用方法。 背景技术 0002 原子层沉积设备工作时， 一个沉积周期往往包括四个阶段 ： 第一化学反应气体进 入沉积室反应、 第一清理气体清洗沉积室、 第二化学反应气体进入沉积室反应、 。

9、第二清理气 体清洗沉积室， 在这四个阶段， 都会涉及到通入气体及抽取气体的过程。 现有的原子层沉积 设备包含使用了多个阀的同步致动的化学试剂输送支管， 即第一化学反应气体、 第一清理 气体、 第二化学反应气体和第二清理气体都位于同一气路通道上， 每个气体源瓶由相应的 阀门控制， 在这样的系统中， 由于阀本身不可能实现完全的同步致动， 因此， 不可能真正做 到消除流量偏移， 且这些不可避免的流量偏移会发生回流， 产生对沉积产品质量不利的化 学试剂混合， 影响器件的沉积效果。现有结构如图 1 所示。 0003 为了提高原子层沉积设备的产品性能， 消除流量偏移， 尽可能减少气体回流， 避免 化学试剂。

10、的污染对沉积带来的不良影响， 需要对传统的原子层沉积设备的反应气体的输送 结构进行重新设计， 满足待加工器件对沉积效果越来越高的要求。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种防回流的原子层沉积设备， 降低残留试剂对气体试剂 的污染， 减少了流量偏移， 有效避免了气体回流现象。 0005 本发明的另一目的在于提供一种防回流的原子层沉积设备的使用方法。 0006 为了达到上述目的， 本发明采用的技术方案为 ： 一种防回流的原子层沉积设备， 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 ； 所述气路部件包括第一管道和第二管道， 所述第一管道和所述第二 管道的末。

11、端结合处延伸出一段公共管道， 所述公共管道与所述沉积室相连 ； 所述第一管道 和所述第二管道上分别设有一对反应气体源瓶和清理气体源瓶， 所述清理气体源瓶设置在 所述第一管道和所述第二管道上靠近所述沉积室的一端。 0007 上述方案中， 所述反应气体源瓶和所述清理气体源瓶分别设有直接控制相应源瓶 的阀门， 所述反应气体源瓶与所述清理气体源瓶之间的管道上设有阀门， 所述第一管道与 所述第二管道与所述公共管道的交接处分别设有阀门。 0008 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。

12、子体产 生部件连接 ； 其中， 所述计算机， 用于显示系统操作界面、 接收外部命令、 显示系统各部件运行中的 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 说 明 书 CN 103046024 A 4 2/5 页 5 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。 0009 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。 0010 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 RS48。

13、5 串 口与所述数据处理模块连接。 0011 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。 0012 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。 0013 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。 0014 一种防回流的原子层沉积设备的使用方法， 包括如下步骤 ： 打开气路部件第一管道上气体反应源瓶的控制阀门、 所述第一管道上气体反应源瓶与 气体清理源瓶之间的阀门以及所述第一管道与公共管道交接处的阀门， 在向沉积室输送化 学反应气体。

14、至预先设置量后， 关闭上述阀门 ； 当所述沉积室内化学反应气体的反应结束后， 打开所述第一管道上气体清理源瓶的控 制阀门和所述第一管道与公共管道交接处的阀门， 在向所述沉积室通入清理气体至预先设 置量后， 关闭上述阀门 ； 当所述沉积室内清洗完毕后， 打开所述气路部件第二管道上气体反应源瓶的控制阀 门、 所述第二管道上气体反应源瓶与气体清理源瓶之间的阀门以及所述第二管道与所述公 共管道交接处的阀门， 在向沉积室输送化学反应气体至预先设置量后， 关闭上述阀门 ； 当所述沉积室内化学反应气体的反应结束后， 打开所述第二管道上气体清理源瓶的控 制阀门和所述第二管道与公共管道交接处的阀门， 在向所述沉。

15、积室通入清理气体至预先设 置量后， 关闭上述阀门。 0015 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 ： 本发明通过采用双气体输送通道和双阀门结构， 提高了原子层沉积设备的化学试剂的 利用率， 降低残留试剂对气体试剂的污染， 极好的减少了流量偏移， 有效避免了气体回流现 象， 同时也能够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。 附图说明 0016 图 1 为现有技术中原子层沉积设备气体输送管道的结构示意图 ； 图 2 为本发明实施例提供的原子层沉积设备的气体输送管道的结构示意图 ； 图 3 为本发明实施例提供的原子层沉积设备的系统结构图。 。

16、具体实施方式 0017 下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。 0018 本发明实施例提供一种防回流的原子层沉积设备， 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。如图 2 所示， 气路部件包括第一管道 101 和 第二管道 201， 第一管道 101 和第二管道 201 的末端结合处延伸出一段公共管道 301， 公共 说 明 书 CN 103046024 A 5 3/5 页 6 管道 301 与沉积室 15 相连。第一管道 101 上设有第一反应气体源瓶 102 和第一清理气体 源瓶 103， 第二管道 201 上设有第二反应气体源瓶 202 。

17、和第二清理气体源瓶 203。第一清理 气体源瓶 103 和第二清理气体源瓶 203 分别设置在第一管道 101 和第二管道 201 上靠近沉 积室 15 的一端。 0019 第一反应气体源瓶 102、 第一清理气体源瓶 103、 第二反应气体源瓶 202 和第二清 理气体源瓶 203 分别设有直接控制相应源瓶的阀门 104、 阀门 106、 阀门 204 和阀门 206 ； 第 一反应气体源瓶102与第一清理气体源瓶103之间的管道上设有阀门105， 第二反应气体源 瓶 202 与第二清理气体源瓶 203 之间的管道上设有阀门 205， 第一管道 101 与第二管道 201 与公共管道 301。

18、 的交接处分别设有阀门 107 和阀门 207。 0020 本发明采用双通道输送反应气体， 有效避免了两种反应气体的混合， 减少化学试 剂的污染， 降低化学试剂的使用量， 使产品品质和生产效率都得到提高。 本发明在双通道的 基础上， 每个源瓶采用了双阀门， 在相应化学反应试剂输送完毕后， 关闭气体的双阀门， 避 免管道中残余的气体进入公共输送管道， 并跟随别的化学试剂进入沉积室， 造成试剂的污 染。 0021 如图 3 所示， 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。

19、 接。其中， 计算机 21， 用于显示系统操作界面、 接收外部命令、 显示系统各部件运行中的参 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。 0022 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。

20、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。 0023 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。 0024 本发明中计算机 21 和数据处理模块 22 连接， 计算机 21 用于显示系统操作界面、 接收外部命令、 显示系统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 2。

21、2 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。

22、。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。 0025 本发明实施例还提供一种防回流的原子层沉积设备的使用方法， 包括如下步骤 ： 说 明 书 CN 103046024 A 6 4/5 页 7 （1） 启动计算机 21， 进入原子层沉积设备控制系统界面， 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。

23、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 510-4torr） ； 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。

24、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 对系统压强实时监控， 当系统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。

25、 13 保证射频 电源 12 为等离子体产生系统 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 的等离子体产生系统 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） 打开控制第一化学反应气体的阀门 104 和阀门 105， 同时第一清理气体靠近沉积室 15 的阀门 107 亦处于打开状态， 向沉积室 15 输送化学试剂， 至预先设置量后， 控制第一化 学反应气体双阀门关闭， 同时关闭第一清理气体的近沉积室 15 的阀门 107 ； 待第一化学反 应气体反应。

26、结束后， 打开控制第一清理气体的阀门 106 和阀门 107， 向沉积室 15 通入清理 气体至预先设置量， 关闭控制第一清理气体的双阀门 ； 清洗工作完毕， 打开控制第二化学反 应气体的阀门 204 和阀门 205， 同时开启第二清理气体靠近沉积室 15 的阀门 201， 向沉积室 15 输送第二化学反应气体， 至预先设置量， 控制第二反应气体的双阀门关闭， 同时关闭第二 清理气体的近沉积室 15 的阀门 207 ； 待第二化学反应气体结束后， 打开控制第二清理气体 的阀门206和阀门207， 向沉积室15输送清理气体至预设量， 关闭控制第二清理气体的双阀 门 ； （6） 清理工作完毕， 一。

27、个沉积反应周期结束， 继续进行上述步骤 （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。 0026 （8） 吹扫结束后， 关闭程序， 完成原子层沉积的全部工作。 0027 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 说 明 书 CN 103046024 A 7 5/5 页 8 相较容积改变对停。

28、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。 0028 本发明通过采用双气体输送通道和双阀门结构， 在进行原子层沉积时， 可确保原 子层沉积设备有效减少化学试剂回流问题， 降低流量偏移， 防止化学试剂污染， 提高化学试 剂的利用率， 减少试剂浪费和尾气污染， 进而降低沉积反应周期时间， 从而提高沉积性能， 得到高质量的产品。 0029 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。 说 明 书 CN 103046024 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103046024 A 9 2/2 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103046024 A 10 。