TWI275660B - Method and device for depositing thin layers on a substrate in a height-adjustable process chamber - Google Patents

Description

1275660 玖：、.發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種在一基板上沉積薄膜之方法及裝 置，包括一在一反應器殻體中的反應室，其底部由一可控 溫之基板座構成，該基板座可繞其垂直軸被驅動旋轉，其 頂部由一進氣機構構成，該進氣機構平行於反應室底部， 其篩孔狀氣體流出孔構成一涵蓋整個基板座基板承載面的 氣體流出面。 【先前技術】 此種裝置及方法參閱專利U S 5，8 7 1，5 8 6。該裝置具一反 應器殼體。反應器殻體內設有一可被驅動旋轉的基板座。 該基板座位在一水平平面上，可繞其垂直中心軸旋轉。基 板座上方設有一進氣機構，其與基板座之距離遠小於基板 座之直徑。進氣機構朝向基板座的一側設有多個篩孔狀的 氣體流出孔。該蓮蓬頭狀面構成一氣體流出面，由一輸入 管輸送到進氣機構的反應氣體可經此氣體流出面而流入反 暉室中。反應氣體之反應分子基本上以擴散方式到達基板 表面。如裝置進行一 MOCVD法時，金屬有機材料及氫化 物可在離開氣體流出面後在一氣相中解離。爲防止在離開 進氣機構流出孔前解離，氣體流出面可被冷卻。基板座下 方被一加熱裝置加熱。該加熱裝置可是一高頻感應線圈。

Journal of Cristal Growth，Band 1 9 5 (1998)，P. 72 5 -7 3 2依據模式計算而提出理論推斷：反應室高度，亦 即基板承載面與氣體流出面間的距離，縮短時，沉積於基 6 312/發明說明書(補件)/92_〇6/921〇92〇1 1275660 板座所承載基板上之薄膜的特性可被改善。並推斷反應室 高度在1 6至2 5 m m之間時可得到最佳結果。但此推斷只 適用某些反應條件，例如反應氣體種類、反應室壓力及總 氣流。 專利 US，5781，69 3，WO 99/42638，US 6,086,67 7，US 5，595，606，US 5,709,757 及 US 5,422,139 提出不同設計之 進氣機構，其同樣具篩孔狀氣體流出孔。 【發明內容】 本發明之目的在於提供一種開始時所述之裝置及方 法，其由於增大有影響之反應參數的範圍而可改善組成成 分及薄膜厚度的均勻性。 本目的由申請專利範圍所述之本發明而達成。依據申請 專利範圍第1項，由基板承載面與氣體流出面距離所定義 的反應室高度可在沉積製程開始及/或進行時被調整。 申請專利範圍第2項提出之裝置與先前技術不同之處在 於，反應室高度可調整。 反應室高度小於 75 mm，60 mm，50 mm，40 mm，35 mm， 30 mm，25 mm，20 mm，16mm，甚至 11 mm 時，可進行本發 明方法。反應室高度可藉操作一設在反應室殻體上的間隔 件而被改變。反應室高度的改變尤其可在反應室殼體關閉 時進行。依據本發明反應室高度的改變可臨場，亦即在反 應進行時，進行。反應室高度在反應器殼體關閉時可改變 使得沉積製程時可在兩製程步驟間改變反應室高度。如此 反應室高度可配合各參數。如製程步驟之總壓力或總氣流 7 312/發明說明書(補件)/92-06/92109201 1275660 不同時，則可每次適當調整反應室高度，以使該參數可得 到最佳結果。基板座溫度不同時亦適用之。藉改變反應室 高度可最佳化基板座上方的等溫線曲線。在本發明一進一 步設計中，基板座可相對於反應器殻體底部及/或側壁移 動。如反應器殼體爲鍋形，則如此爲特別有利。反應器殻 體開啓時可同時打開反應室，而可由上方進行裝卸。間隔 件可設在反應器殻體底部及/或側壁上。依據本發明之一設 計，間隔件爲螺桿傳動裝置。該螺桿傳動裝置可設在反應 器殼體底部上。反應器殼體底部上可設一可由外部操作的 螺桿傳動裝置，藉該螺桿傳動裝置而可調整反應室高度。 螺桿頭部支撐基板座及一承載基板座的載板。該載板亦可 承載一排氣環。排氣環環形圍繞反應室且具一中空空間， 反應室流出的反應氣體可流入該中空空間中。爲此排氣環 具朝向反應室中心的開口。不僅排氣環與基板座一起進行 高度調整爲有利，加熱元件與基板座一起進行高度調整亦 爲有利。如此可使傳輸至基板座的加熱功率保持不變。在 本發明另一設計中，基板座與加熱裝置及/或排氣環一起被 彈簧支撐，該彈簧在反應器殼體可被蓋板密封的開口方向 上有一預應力。蓋板關閉時基板座由於設在蓋板上的可調 整間隔件而改變高度。此處可在反應器殼體側壁上設一制 動件，基板座或可與基板座一起移動的載板可抵靠該制動 件。此種設計的優點在於，反應室殼體蓋板開啓時基板座 始終升至相同的高度，使得反應器的裝卸容易進行。故可 使用一自動裝置，不管反應時基板座的高度如何調整，使 8 312/發明說明書(補件)/92-06/92109201 1275660 用自動裝置時的基板座高度皆一致。 以下將依據附圖說明本發明之實施例。 【實施方式】 實施例中所述裝置具一鍋形反應器殻體，其由一環狀包 圍反應器內部空間的側壁2及一水平底部3構成。反應器 殻體可被一蓋板1密封。一反應氣體輸入管25穿過蓋板 1。該輸入管通到一固定在蓋板1內側的中空體，該中空體 構成一進氣機構7。進氣機構7以未示出的構件與蓋板i 固定連接。進氣機構7中空空間中設有一氣體分散板3 0， 以使由輸入管2 5流出的反應氣體均勻地通過進氣機構7 底部的篩孔狀流出孔8而進入反應室4中。該進氣機構7 底部被流出孔8穿透的外表面構成氣體流出面1 0，其與基 板承載面9具一均等距離Η。 基板承載面9由一尤其是石墨製成之基板座5的表面構 成。 基板座5藉一驅動軸而可繞轉軸6被驅動旋轉。 基板座5下方設有一載板1 7，該載板1 7不需爲實心， 而可在基板座5處設有輻條。但須確保加熱元件1 5釋放的 熱能可加熱基板座5。在一優先設計中加熱元件1 5由一高 頻線圈構成，其藉渦流感應而在基板座5內部產生熱’使 得基板座5被加熱至反應溫度。 反應室4被一排氣環1 6環繞。該排氣環1 6具複數個開 孔28，其約在基板承載面高度上，而使得經流出孔8進入 反應室4的氣體在基板29上進行適當氣相反應或表面反應 9 312/發明說明書(補件)/92-〇6/921 〇9201 1275660 後被排出反應室4。實施例中該排氣環16設在載板17上。 加熱元件1 5亦與載板1 7固定連接，使得載板1 7高度改變 時，不僅基板座5及排氣環1 6 ’加熱元件1 5亦被連帶移 動。 實施例舉例顯示數個不同的間隔件1 1 ’以改變基板座 5，尤其是基板承載面的高度位置，亦即基板承載面與氣體 流出面1 〇間的距離Η。在一未示出之另一設計中’該距離 可由基板座5驅動軸或其他驅動元件的軸向位移而改變。 圖1所示實施例中反應器殼體底部3上設有多個螺桿座 1 3。該螺桿座1 3中容置可被由外部驅動或以一該處之電動 馬達驅動之螺桿驅動馬達。螺桿驅動馬達可驅動一螺桿 1 2，其螺帽設在一螺桿軸承1 4中，該螺桿軸承位在載板 17下方。藉螺桿12之同步轉動可調整載板17高度及距離 Η (反應室高度）。此處排氣環1 6的高度在所有調整的反 應室高度Η皆側向包圍反應室。 圖2所示實施例中載板1 7及基板座5被彈簧2 0支撐， 彈簧頂撐在反應器殼體底部3之上。彈簧20在反應器殻體 蓋板1方向上有一預應力。在此實施例中載板具一擋肩 1 8，其在反應器殼體蓋板1開啓時抵靠反應器殻體側壁2 一制動件1 9。在該反應器殼體蓋板1開啓位置時’可將一 或多個基板2 9放置或取離基板座5。 反應器殼體蓋板1的內側面上設一間隔環2 1。間隔環 2 1的寬度可不相同，其定義反應室高度Η。故間隔環2 1 頂撐在載板1 7及被載板1 7承載的排氣環1 6上。蓋板1 10 312/發明說明書(補件)/92-06/92109201 1275660 關閉時，載板座5下移而達到高度η的調整。 圖3所示實施例中間隔件丨丨同樣設在反應器殻體蓋板1 上。在此實施例中間隔件11可進行高度調整。圖3顯示一 種最簡單的高度調整，其使一螺桿22壓向一壓縮環23， 該壓縮環與間隔環2 1具類似功能。螺桿2 2可穿過反應器 殻體蓋板1 一螺紋穿孔2 6。藉旋轉螺桿2 2可調整壓縮環 23及反應室高度Η。螺桿22可被一鎖緊螺帽27固定在其 旋轉位置上。 反應器殻體蓋板1可設多個此種間隔件1 1，尤其是使間 隔件1 1被馬達控制。此處可使螺桿2 2被螺桿驅動件驅動， 而在反應時或至少在反應器殻體關閉時可改變反應室高度 Η。 圓形基板座5的直徑可大於10 cm，30 cm，35 cm，40 cm 或45 cm。基板座5直徑基本上等於圓形氣體流出面10的 直徑。反應室高度Η遠小於基板座5直徑，其可小於75 mm， 60 mm, 50 mm, 40 mm, 35 mm, 30 mm 3 2 5 mm, 20 mm, 16mm，甚至11 mm。反應室高度H的調整在塗佈反應時， 尤其是反應步驟之間的沖刷程序時進行。沉積薄膜的方法 優先爲MOCVD法，其將III族元素的金屬有機化合物經輸 入管2 5輸送入進氣機構7中，並將V族元素之氫化物經 輸入管2 5輸送入進氣機構7中。進氣機構7底部氣體流出 孔8的部分被冷卻，故可避免氣態材料提前解離。反應室 高度可視反應參數，例如總氣流、總壓力及基板座轉速， 而調整。設在反應器殼體上使進氣機構7或構成反應室底 11 312/發明說明書(補件)/92-06/92109201 1275660 部3的基板座5移動的提升裝置可是一磁液（Ferr〇fluid)提 升裝置。此種氦密度提升裝置特別適合於Z方向的提升。 所有揭示特徵本身皆具有發明性質。本發明揭示之特徵 完全包含於本案之申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明第一實施例之截面示意圖，其中間隔件是 螺桿傳動裝置。 圖2係本發明第二實施例之截面示意圖，其中間隔件是 間隔環，其固定在反應器殼體蓋板上。 圖3係本發明第二實施例之截面示意圖，其中間隔件同 樣設在反應器殼體蓋板上，且可由反應器殻體外部被調整。 (元件符號說明） 1 蓋板 2 側壁 3 底部 4 反應室 5 基板座 6 轉軸 7 進氣機構 8 流出孔 9 基板承載面 10 氣體流出面 11 間隔件 12 螺桿 312/發明說明書(補件)/92-06/92109201 12 1275660 13 螺桿座 14 螺桿軸承 15 加熱元件 16 排氣環 17 載板 18 擋肩 19 制動件 20 彈簧 2 1 間隔環 22 螺桿 23 壓縮環 24 驅動軸 25 輸入管 26 螺紋穿孔 27 鎖緊螺帽 28 開孔 29 基板 30 氣體分散板 Η 反應室高度

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Claims (1)

1275660 拾、申請專利範圍 八^ 1. 一種在一反應器殼體（1，2, 3)之反應室（4)中的基板上 沉積薄膜之方法，該反應室底部由一可控溫之基板座（5) 構成，該基板座可繞其垂直軸（6)被驅動旋轉’頂部由一進 氣機構（7)構成，該進氣機構平行於反應室底部’其篩孔狀 氣體流出孔（8)構成一涵蓋整個基板座（5)基板承載面（9)的 氣體流出面（1〇)，反應氣體由該氣體流出面被輸送入反應 室（4)中，其特徵爲，由基板承載面（9)與氣體流出面（10) 距離（H)所定義的反應室高度可在沉積製程開始及/或進行 時被改變。 2. —種在一反應器殼體（1，2, 3)之反應室（4)中的基板上 沉積薄膜之裝置，該反應室底部由一可控溫之基板座（5 ) 構成，該基板座可繞其垂直軸（6)被驅動旋轉，頂部由一進 氣機構（7)構成，該進氣機構平行於反應室底部’其篩孔狀 氣體流出孔（8)構成一涵蓋整個基板座（5)基板承載面（9)的 氣體流出面（10)，反應氣體由該氣體流出面被輸送入反應 室（4)中，其特徵爲，由基板承載面（9)與氣體流出面（10) 距離（H)所定義的反應室高度可調整。 3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中，反應室高度（H) 可在反應室殼體（1，2，3 )關閉時改變。 4. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中，在可氣密密封 的反應器殻體（1，2, 3)上設調整反應室高度（H)的間隔件 (11)。 5 ·如申請專利範圍第3項之裝置，其中，基板座（5 )可相 14 312/發明說明書(補件)/92-06/92109201 1275660 對於反應器殻體底部（3)及/或側壁（2)移動。 6 ·如申請專利範圍第2項之裝置，其中，進氣機構（7)與 反應器殻體蓋板（1 )固定連接。 7 .如申S靑專利範圍第4項之裝置，其中，間隔件（1丨）設 在反應器殻體底部（3 )及/或側壁（2 )上，且尤其爲一鐵流體 提升裝置等之螺桿傳動裝置（12，13，14)。 8·如申請專利範圍第3項之裝置，其中，基板座（5)下方 的加熱裝置（1 5)可與基板座（5)—起進行高度調整。 9 ·如申請專利範圍第3項之裝置，其中，以最大高度側 向包圍基板座（5)及反應室（4)的排氣環（16)可與基板座（5) 一^起進f了局度調整。 I 〇 .如申請專利範圍第3項之裝置，其中，基板座（5 )與 加熱裝置（15)及/或排氣環（16)—起被彈簧（20)支撐，該彈 簧（20)在反應器殼體可被蓋板（1)密封的開口方向上有一 預應力’蓋板（1)關閉時基板座可藉設在蓋板上的可調整間 隔件（11)而調整高度。 II ·如申請專利範圍第3項之裝置，其中，設在蓋板上的 間隔件（11)爲一間隔環（21)或一被一螺桿（2 2)操作之壓縮 環（23)，該壓縮環與承載排氣環（16)的載板（17)及排氣環 (16)互相作用。 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項之裝置，其中，反應器殻體 蓋板（1)開啓時載板（17)或基板座（5)之一擋肩（18)抵靠一 設在殻體上的制動件（1 9)。 15 312/發明說明書(補件)/92-06/92109201