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TW201819676A - 原子層沉積設備及其抽氣速率控制方法 - Google Patents

原子層沉積設備及其抽氣速率控制方法 Download PDF

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TW201819676A TW105137536A TW105137536A TW201819676A TW 201819676 A TW201819676 A TW 201819676A TW 105137536 A TW105137536 A TW 105137536A TW 105137536 A TW105137536 A TW 105137536A TW 201819676 A TW201819676 A TW 201819676A
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吳學憲
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Abstract

本發明揭露一種用於一原子層沉積設備之抽氣速率控制方法及使用此方法之原子層沉積設備。該原子層沉積設備包含反應室、供氣裝置、抽氣裝置及並聯管路，該供氣裝置連接至該反應室以選擇性提供該反應室至少二反應氣體及至少一清洩氣體，該抽氣裝置連接至該反應室以對該反應室抽氣，該並聯管路連接該供氣裝置及該抽氣裝置並包含並聯控制閥門，該供氣裝置經由該並聯管路提供該抽氣裝置不與該反應氣體反應之負載氣體。藉由控制該並聯控制閥門的開、閉，可改變該抽氣裝置的抽氣負載，進而達到改變該抽氣裝置對該反應室的抽氣速率的目的。

Description

原子層沉積設備及其抽氣速率控制方法
本發明關於一種原子層沉積設備，尤指一種關於原子層沉積設備之抽氣速率控制方法。
原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)製程是使基板在兩種不同反應氣體(前驅物)環境下交替浸泡(soak)，經反應後於其上形成單層膜(monolayer)。兩種不同反應氣體不能同時存在於反應室中，否則兩種反應氣體反應而產生大量顆粒狀汙染物，因此反應氣體的交替過程間要經過適當的清洩(purge)程序(例如以清洩氣體清洗反應室)。為提昇反應氣體的使用率，反應室的容積(volume)愈小愈好。此外，在浸泡狀態時關閉抽氣閥門可進一步提昇反應氣體使用率。然而，瞬間啟動的真空(抽氣)易使粉塵(particulates) (包含存在於反應室內的汙染物)揚起而破壞鍍膜品質，且於較小的反應室中，此問題將更形嚴重。對此問題，通常於浸泡狀態時，可對反應室保持抽氣，以使反應室內的氣體能保持一定程度流動狀態，進而抑制粉塵的揚起。此時，為避免反應氣體過度浪費，抽氣幫浦通常以較低的抽氣速率運作。但於清潔程序時，抽氣幫浦需增加抽氣速率以縮短清潔程序所耗時間。
對此抽氣速率需求目前有以改變(或切換)氣體流路(例如使用特殊設計之進氣室或進氣網(Shower)或快速轉動孔狀輪盤)的方式實作者，但其反應室機構複雜，且切換動作均為機械式，速度慢，製程時間因而增加。另有以改變抽氣閥門之閥體設計(例如節流閥、蝴蝶閥)的方式實作者，但此閥體動作均為機械式，速度仍不夠快，且容易在閥體的組件之間累積粉塵，進而影響鍍膜品質。亦有以改變幫浦抽氣端(例如抽氣管路大小為可調變)的方式實作者，但其反應室機構設計相當複雜，且可能會影響其電漿阻抗，又其切換動作均為機械式，速度慢，容易於曲折處累積粉塵，進而影響鍍膜品質。還有以改變幫浦排氣端(exhaust)氣導以降低幫浦抽氣效率的方式實作，但此僅適用於渦輪分子(turbo molecular)幫浦，其他種類的幫浦則有油氣回流的疑慮。
鑑於先前技術中的問題，本發明提供一種抽氣速率控制方法，用於一原子層沉積設備。該抽氣速率控制方法利用改變抽氣裝置的抽氣負載(loading)，以達到改變該抽氣裝置對該反應室的抽氣速率的目的。
根據本發明之抽氣速率控制方法用於一原子層沉積設備，該原子層沉積設備包含一反應室、一供氣裝置、一抽氣裝置及一並聯管路，該供氣裝置連接至該反應室以選擇性提供該反應室至少二反應氣體及至少一清洩氣體，該抽氣裝置連接至該反應室以對該反應室抽氣，該並聯管路連接該供氣裝置及該抽氣裝置並包含一並聯控制閥門，該供氣裝置經由該並聯管路提供該抽氣裝置不與該至少二反應氣體反應之一負載氣體。該抽氣速率控制方法包含下列步驟：當該供氣裝置提供該反應室該至少二反應氣體其中之一時，打開該並聯控制閥門以使該抽氣裝置同時對該反應室及該並聯管路抽氣，降低對該反應室之抽氣速率；以及當該供氣裝置提供該反應室該至少一清洩氣體時，關閉該並聯控制閥門以使該抽氣裝置對該反應室抽氣但不對該並聯管路抽氣。藉此，該抽氣裝置對該反應室始終保持抽氣，可避免揚起粉塵，且於該反應室進行清洩程序時，該抽氣裝置對該反應室的抽氣，能以較大的抽氣速率進行，故該抽氣速率控制方法兼具維護鍍膜品質及縮短該反應室切換不同反應氣體的時間。
本發明之另一目的在於提供一種原子層沉積設備，具有一並聯管路，透過此並聯管路可改變抽氣裝置的抽氣負載，以達到改變該抽氣裝置對該反應室的抽氣速率的目的。
根據本發明之原子層沉積設備包含一反應室、一抽氣裝置、一供氣裝置及一並聯管路。該抽氣裝置連接至該反應室。該供氣裝置包含至少三個氣源，用以提供一第一反應氣體、一第二反應氣體、一清洩氣體及一負載氣體，該供氣裝置連接至該反應室以選擇性提供該反應室該第一反應氣體、該第二反應氣體及該清洩氣體，該清洩氣體及該負載氣體均是不與該第一反應氣體及該第二反應氣體反應的。該並聯管路直接連接該抽氣裝置及用以提供該負載氣體之氣源，該並聯管路包含一並聯控制閥門，該供氣裝置經由該並聯管路提供該抽氣裝置該負載氣體。其中，當該供氣裝置提供該反應室該第一反應氣體或該第二反應氣體時，該並聯控制閥門打開以使該抽氣裝置同時對該反應室及該並聯管路抽氣，以及當該供氣裝置提供該反應室該至少一清洩氣體時，該並聯控制閥門關閉以使該抽氣裝置對該反應室抽氣但不對該並聯管路抽氣。藉此，該抽氣裝置對該反應室始終保持抽氣，可避免揚起粉塵，且於該反應室進行清洩程序時，該抽氣裝置對該反應室的抽氣，能以較大的抽氣速率進行，故該抽氣速率控制方法兼具維護鍍膜品質及縮短該反應室切換不同反應氣體的時間。
相較於先前技術，根據本發明之原子層沉積設備及其抽氣速率控制方法係利用額外的抽氣空間(即該並聯管路)來調節該抽氣裝置的抽氣負載，該原子層沉積設備之其他構件無需配合修改，亦即其他構件結構上均可保持不變。因此，該原子層沉積設備經由結構上簡單的變化(即相對於慣用之原子層沉積設備增加該並聯管路)，即可輕易地滿足於浸泡狀態時對該反應室保持抽氣以避免揚起粉塵及於清洩程序時對該反應室加速抽氣以縮短切換反應氣體的時間之要求。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參閱圖1。根據本發明之一實施例之一原子層沉積設備1包含一反應室10、一供氣裝置12、一抽氣裝置14、一並聯管路16及一控制系統(未顯示於圖中)。抽氣裝置14連接至反應室10。供氣裝置12包含一第一氣源122、一第二氣源124、一第三氣源126及一第四氣源127，第一氣源122用以提供一第一反應氣體，第二氣源124用以提供一第二反應氣體，第三氣源126用以提供一清洩氣體，第四氣源127用以提供一負載氣體。供氣裝置12連接至反應室10以選擇性提供反應室10該第一反應氣體、該第二反應氣體及該清洩氣體，該清洩氣體及該負載氣體均是不與該第一反應氣體及該第二反應氣體反應的；於實作上，該清洩氣體及該負載氣體可為惰性氣體或氮氣，但本發明不以此為限；例如其他不與反應室10內的反應氣體(即該第一反應氣體及該第二反應氣體)反應的氣體。並聯管路16直接連接抽氣裝置14及用以提供該負載氣體之第四氣源127並包含一並聯控制閥門162，供氣裝置12經由並聯管路16提供抽氣裝置14該負載氣體。
具體來說，於本實施例中，供氣裝置12包含一第一連接管路128、一第二連接管路130、一第一旁通管路132及一第二旁通管路134。第一連接管路128連接至反應室10且經由一閥門V1a連接至第一氣源122，第三氣源126經由一閥門V3a連接至第一連接管路128；第二連接管路130連接至反應室10且經由一閥門V2a連接至第二氣源124，第三氣源126經由一閥門V3b連接至第二連接管路130；第一旁通管路132連接至抽氣裝置14且經由閥門V1b連接至第一氣源122；第二旁通管路134連接至抽氣裝置14且經由閥門V2b連接至第二氣源124。並聯管路16連接至抽氣裝置14且經由閥門V4連接至第四氣源127。並聯管路16獨立於第一連接管路128、第二連接管路130、第一旁通管路132及第二旁通管路134，故並聯管路16不會有該第一反應氣體及該第二反應氣體流通。抽氣裝置14經由一抽氣閥門142連接至反應室10。該控制系統與電連接反應室10、供氣裝置12、抽氣裝置14及各閥門V1a、V1b、V2a、V2b、V3a、V3b、V4、142、162電連接，以控制原子層沉積設備1的運作。抽氣裝置14經由其排氣氣導將氣體排出。於實作上，原子層沉積設備1可由一般原子層沉積設備加上並聯管路16實作，故關於原子層沉積設備1之其他說明，可參酌一般原子層沉積設備，不另贅述，例如抽氣裝置14使用一般抽氣幫浦。另外，於實作上，閥門V1a、V2a、V3a、V3b、162均得以膜片閥實作，以能快速作動。
於原子層沉積設備1運作時，當供氣裝置12順序交替提供反應室10該第一反應氣體或該第二反應氣體以於設置於反應室10內之一基板W上形成鍍膜時(亦即反應室10處於浸泡狀態)，該控制系統打開並聯控制閥門162以使抽氣裝置14同時對反應室10及並聯管路16抽氣。換言之，此時抽氣裝置14的抽氣負載包含反應室10及並聯管路16(即其內形成的空間，邏輯上得以一負載空間16a表示，如圖1中虛線框所示者)；從另一方面而言，此時抽氣裝置14持續不斷地抽取反應室10內的氣體(即該第一反應氣體或該第二反應氣體)並經由並聯管路16抽取該負載氣體。因此，此時反應室10的抽氣速率較低。此外，當供氣裝置12提供反應室10該清洩氣體用於清洩反應室10內的反應氣體(即該第一反應氣體或該第二反應氣體)時，該控制系統關閉並聯控制閥門162以使抽氣裝置14對反應室10抽氣但不對並聯管路16抽氣。換言之，此時抽氣裝置14的抽氣負載不包含並聯管路16，故反應室10可獲得較高的抽氣速率，有利於反應室10內反應氣體的切換作業。
於本實施例中，原子層沉積設備1於鍍膜沉積運作時，抽氣閥門142保持開啟狀態，抽氣裝置14對反應室10始終保持抽氣，此可避免揚起粉塵，且於反應室10進行清洩程序時，抽氣裝置14對反應室10的抽氣，能以較大的抽氣速率進行，故原子層沉積設備1採用之抽氣速率控制方法兼具維護鍍膜品質及縮短反應室10切換不同反應氣體的時間。另外，於實作上，並聯管路16可實體上包含一負載腔體164(如圖2所示)，用以容置該負載氣體，並聯控制閥門162位於負載腔體164及抽氣裝置14之間。因此，當並聯控制閥門162打開時，抽氣裝置14對負載腔體164抽氣，亦對並聯管路16管路內的空間(即前述負載空間16a)；當並聯控制閥門162關閉時，抽氣裝置14不對負載腔體164抽氣。故負載腔體164增加抽氣裝置14的抽氣負載，透過控制負載腔體164的容積，有助於控制抽氣裝置14對反應室10的抽氣速率。例如當負載腔體164與反應室10體積相同時，大體上，反應室10處於浸泡狀態時的抽氣速率約為清洩程序實施時的一半；於實作上，負載腔體164容積為反應室10容積的1/5到5倍，但本發明不以此為限。
請併參閱圖3。圖3為根據本發明之一實施例之一抽氣速率控制方法之流程圖。於本實施例中，該抽氣速率控制方法實施於如前述之原子層沉積設備1(圖1或圖2所示者)，原子層沉積設備1之相關說明如前文所述，不再贅述。原子層沉積設備1於運作時，閥門142、V4保持開啟，抽氣裝置14保持抽氣狀態，故閥門142、V4可使用作動速度較慢的閥門，但本發明不以此為限；此外，閥門V1b、V2b保持關閉。閥門V1a、V2a、V3a、V3b初始為關閉狀態，原子層沉積設備1依該抽氣速率控制方法進行抽氣控制。如圖3所示，該抽氣速率控制方法對反應室10抽真空至一預期背景壓力，如步驟S110所示；接著，打開並聯控制閥門162以降低反應室10的抽氣速率，並使該第一反應氣體進入反應室10，例如保持閥門V2a、V3a、V3b關閉，打開閥門V1a使得該第一反應氣體能經由第一連接管路128進入反應室10，以使反應室10能處於該第一反應氣體浸泡狀態，如步驟S120所示。
於該第一反應氣體與基板W(包含其上之膜層)反應完畢後，該抽氣速率控制方法關閉閥門V1a使得該第一反應氣體停止經由第一連接管路128進入反應室10，關閉並聯控制閥門162以提高抽氣裝置14對反應室10的抽氣速率，並使該清洩氣體進入反應室10，例如保持閥門V3b關閉，打開閥門V3a使得該清洩氣體能經由第一連接管路128進入反應室10，以清潔反應室10，如步驟S130所示。
於反應室10清潔完畢後，該抽氣速率控制方法關閉閥門V3a使得該清洩氣體停止經由第一連接管路128進入反應室10，打開並聯控制閥門162以降低反應室10的抽氣速率，並使該第二反應氣體進入反應室10，例如保持閥門V1a、V3a、V3b關閉，打開閥門V2a使得該第二反應氣體能經由第二連接管路130進入反應室10，以使反應室10能處於該第二反應氣體浸泡狀態，如步驟S140所示。
於該第二反應氣體與基板W(包含其上之膜層)反應完畢後，該抽氣速率控制方法關閉閥門V2a使得該第二反應氣體停止經由第二連接管路130進入反應室10，關閉並聯控制閥門162以提高抽氣裝置14對反應室10的抽氣速率，並使該清洩氣體進入反應室10，例如保持閥門V3a關閉，打開閥門V3b使得該清洩氣體能經由第二連接管路130進入反應室10，以清潔反應室10，如步驟S150所示。
於反應室10清潔完畢後，即完成一次基板W上的鍍膜沉積。接著，該抽氣速率控制方法判斷基板W上的鍍膜是否達預定厚度，如步驟S160所示。若判斷尚未達到預定厚度，該流程回到步驟S120，並重覆步驟S120~S150；若判斷已達到預定厚度，則結束沉積作業。接著，該抽氣速率控制方法對反應室10充氣，如步驟S170所示；例如關閉抽氣閥門142，再透過打開閥門V3a、V3b以該清洩氣體或以其他氣體(經由現有管路或另行配合設置的管路)對反應室10充氣。充完氣後，即可自反應室10取出鍍完膜的基板W。
補充說明的是，前述實施例係基於兩種反應氣體，但本發明不以此為限；於實作上，本技術領域中具有通常知識基於前述說明可推得以更多種反應氣體形成鍍膜之原子層沉積設備及其抽氣速率控制方法，不待贅述。此外，於前述實施例中，使用相同的清洩氣體來清除反應室10內的氣體(包含該第一反應氣體及該第二反應氣體)，但本發明不以此為限。於實作上，配合不同的反應氣體可使用不同的清洩氣體，而該負載氣體可與其中一種清洩氣體相同，或是以其他的氣體實作。此外，於前述實施例中，該負載氣體與該清洩氣體分別由第三氣源126及第四氣源127提供，故該負載氣體與該清洩氣體可為不同的氣體。於實作上，該負載氣體與該清洩氣體亦可為相同的氣體，此時可省略第四氣源127而由第三氣源126(或謂該第三氣源與該第四氣源合併)同時提供該負載氣體與該清洩氣體，如圖4所示。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧原子層沉積設備
10‧‧‧反應室
12‧‧‧供氣裝置
122‧‧‧第一氣源
124‧‧‧第二氣源
126‧‧‧第三氣源
127‧‧‧第四氣源
128‧‧‧第一連接管路
130‧‧‧第二連接管路
132‧‧‧第一旁通管路
134‧‧‧第二旁通管路
14‧‧‧抽氣裝置
142‧‧‧抽氣閥門
16‧‧‧並聯管路
16a‧‧‧負載空間
162‧‧‧並聯控制閥門
164‧‧‧負載腔體
V1a、V1b、V2a、V2b、V3a、V3b、V4‧‧‧閥門
W‧‧‧基板
S110~S170‧‧‧實施步驟
圖1為根據本發明之一實施例之一原子層沉積設備之配置示意圖。 圖2為根據另一實施例之一原子層沉積設備之配置示意圖。 圖3為根據本發明之一實施例之一抽氣速率控制方法之流程圖。 圖4為根據另一實施例之一原子層沉積設備之配置示意圖。

Claims (12)

  1. 一種抽氣速率控制方法，用於一原子層沉積設備，該原子層沉積設備包含一反應室、一供氣裝置、一抽氣裝置及一並聯管路，該供氣裝置連接至該反應室以選擇性提供該反應室至少二反應氣體及至少一清洩氣體，該抽氣裝置連接至該反應室以對該反應室抽氣，該並聯管路連接該供氣裝置及該抽氣裝置並包含一並聯控制閥門，該供氣裝置經由該並聯管路提供該抽氣裝置不與該至少二反應氣體反應之一負載氣體，該抽氣速率控制方法包含下列步驟： 當該供氣裝置提供該反應室該至少二反應氣體其中之一時，打開該並聯控制閥門以使該抽氣裝置同時對該反應室及該並聯管路抽氣；以及 當該供氣裝置提供該反應室該至少一清洩氣體時，關閉該並聯控制閥門以使該抽氣裝置對該反應室抽氣但不對該並聯管路抽氣。
  2. 如請求項1所述之抽氣速率控制方法，其中該並聯管路包含一負載腔體，用以容置該負載氣體，該並聯控制閥門位於該負載腔體及該抽氣裝置之間，當該並聯控制閥門打開時，該抽氣裝置對該負載腔體抽氣，且當該並聯控制閥門關閉時，該抽氣裝置不對該負載腔體抽氣。
  3. 如請求項2所述之抽氣速率控制方法，其中該負載腔體容積為該反應室容積的1/5到5倍。
  4. 如請求項1所述之抽氣速率控制方法，其中該清洩氣體為氮氣或惰性氣體。
  5. 如請求項1所述之抽氣速率控制方法，其中該負載氣體為氮氣或惰性氣體。
  6. 如請求項1所述之抽氣速率控制方法，其中該清洩氣體及該負載氣體均是不與該第一反應氣體及該第二反應氣體反應的。
  7. 一種原子層沉積設備，包含： 一反應室； 一抽氣裝置，連接至該反應室； 一供氣裝置，包含至少三個氣源，用以提供一第一反應氣體、一第二反應氣體、一清洩氣體及一負載氣體，該供氣裝置連接至該反應室以選擇性提供該反應室該第一反應氣體、該第二反應氣體及該清洩氣體，該清洩氣體及該負載氣體均是不與該第一反應氣體及該第二反應氣體反應的；以及 一並聯管路，直接連接該抽氣裝置及用以提供該負載氣體之氣源，該並聯管路包含一並聯控制閥門，該供氣裝置經由該並聯管路提供該抽氣裝置該負載氣體； 其中，當該供氣裝置提供該反應室該第一反應氣體或該第二反應氣體時，該並聯控制閥門打開以使該抽氣裝置同時對該反應室及該並聯管路抽氣，以及當該供氣裝置提供該反應室該至少一清洩氣體時，該並聯控制閥門關閉以使該抽氣裝置對該反應室抽氣但不對該並聯管路抽氣。
  8. 如請求項7所述之原子層沉積設備，其中該並聯管路包含一負載腔體，用以容置該負載氣體，該並聯控制閥門位於該負載腔體及該抽氣裝置之間，當該並聯控制閥門打開時，該抽氣裝置對該負載腔體抽氣，且當該並聯控制閥門關閉時，該抽氣裝置不對該負載腔體抽氣。
  9. 如請求項8所述之原子層沉積設備，其中該負載腔體容積為該反應室容積的1/5到5倍。
  10. 如請求項7所述之原子層沉積設備，其中該清洩氣體為氮氣或惰性氣體。
  11. 如請求項7所述之原子層沉積設備，其中該負載氣體為氮氣或惰性氣體。
  12. 如請求項7所述之原子層沉積設備，其中該清洩氣體及該負載氣體均是不與該第一反應氣體及該第二反應氣體反應的。
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