Реактор для осаждения с плазменным источником
Изобретение относится к реактору и способу осаждения слоев металла на подложку. Подающее устройство реактора ограничивает расширительное пространство, предназначенное для проведения реагентов в виде нисходящего потока от плазменного источника (110) по направлению к реакционной камере. Расширительное пространство расширяют по направлению к реакционной камере (335). Подъемный механизм предназначен для загрузки по меньшей мере одной подложки (360) в реакционную камеру с верхней стороны реакционной камеры (335). Реактор осаждения имеет конфигурацию, обеспечивающую осаждение материала в реакционной камере на по меньшей мере одну подложку посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 17 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к реакторам осаждения с плазменным источником. Более конкретно, но не исключительно, изобретение относится к таким реакторам осаждения, в которых материал осаждают на поверхности посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способ атомно-слоевой эпитаксии (АСЭ, англ. аббревиатура ALE, от Atomic Layer Epitaxy) был изобретен доктором Туомо Сунтола в начале 1970-х годов. Другим родовым названием способа является термин «атомно-слоевое осаждение» (АСО, англ. аббревиатура ALD, от Atomic Layer Deposition), который в настоящее время используется вместо АСЭ (ALE). АСО (ALD) - это специальный способ химического осаждения, основанный на последовательной подаче по меньшей мере двух видов химически активных прекурсоров (предшественников) к подложке. Подложка расположена в реакционном пространстве. Реакционное пространство обычно подогревают. Основной механизм наращивания в способе АСО (ALD) основан на различиях прочности сцепления в случае химической адсорбции (хемосорбции) и физической адсорбции (физисорбции). В АСО (ALD) во время процесса осаждения используют хемосорбцию и исключают физисорбцию. Во время хемосорбции формируется сильная химическая связь между атомом (или атомами) поверхности твердой фазы и молекулой, поступающей из газовой фазы. Связывание посредством физисорбции гораздо слабее, поскольку в нем участвуют только силы Ван-дер-Ваальса. Физисорбционные связи легко разрушаются за счет тепловой энергии, если локальная температура превышает температуру конденсации молекул.
Реакционное пространство АСО-реактора содержит нагреваемые поверхности, которые попеременно или последовательно могут быть подвергнуты воздействию каждого из АСО-прекурсоров, используемых для осаждения тонких пленок. Базовый цикл АСО-осаждения содержит четыре последовательные стадии: импульс A, продувка A, импульс B и продувка B. Импульс A в характерном случае состоит из парообразного металлического прекурсора, а импульс B - из парообразного неметаллического прекурсора, в частности - парообразного прекурсора, являющегося азотом или кислородом. Химически неактивный газ, такой как азот или аргон, и вакуумный насос используют для удаления газообразных побочных продуктов реакции и остаточных молекул реагента из реакционного пространства во время продувки A и продувки B. Последовательность осаждения содержит по меньшей мере один цикл осаждения. Циклы осаждения повторяют до тех пор, пока в результате последовательности осаждения не будет получена тонкая пленка желаемой толщины.
Молекулы прекурсора посредством хемосорбции формируют химическую связь с реакционноспособными центрами нагреваемых поверхностей. Условия обычно выбирают таким образом, чтобы на поверхностях за один импульс прекурсора формировался не более чем молекулярный монослой твердого материала. Соответственно, процесс наращивания является самоостанавливающимся или самонасыщающимся. Например, первый прекурсор может содержать лиганды, которые остаются связанными с адсорбированными молекулами и насыщают поверхность, что препятствует дальнейшей хемосорбции. Температуру в реакционном пространстве поддерживают выше температуры конденсации и ниже температуры термического разложения используемых прекурсоров, так что молекулы прекурсоров, хемосорбированные на подложке (или подложках), остаются по существу интактными. Термин «по существу интактные» в контексте настоящего изобретения означает, что летучие лиганды могут покидать молекулы прекурсора, когда молекулы прекурсора хемосорбируются на поверхности. Поверхность становится по существу насыщенной первым типом реакционноспособных центров, то есть адсорбированными молекулами первого прекурсора. За этой стадией хемосорбции в характерном случае следует стадия первой продувки (продувка A), во время которой избыток первого прекурсора и возможные побочные продукты реакции удаляют из реакционного пространства. Затем в реакционное пространство подают второй парообразный прекурсор. Молекулы второго прекурсора в характерном случае реагируют с адсорбированными молекулами первого прекурсора, за счет чего формируется желаемый тонкопленочный материал. Этот рост завершается после того, как израсходовано все количество адсорбированного первого прекурсора и поверхность по существу насыщена вторым типом реакционноспособных центров. Затем избыток пара второго прекурсора и возможные пары побочных продуктов реакции удаляют посредством стадии второй продувки (продувки B). Затем цикл повторяют до тех пор, пока пленка не нарастает до желаемой толщины. Циклы осаждения также могут быть более сложными. Например, циклы могут включать три импульса парообразных реагентов и более, разделенных стадиями продувки. Все эти циклы осаждения образуют согласованную по времени последовательность осаждения, управление которой осуществляется логическим устройством или микропроцессором.
Тонкие пленки, выращенные способом АСО, являются плотными, не содержат точечных дефектов и имеют равномерную толщину. Например, пленка из оксида алюминия, выращенная посредством термического АСО из триметилалюминия (CH3)3Al, также обозначаемого как ТМА, и воды при 250-300°C, обычно имеет степень неоднородности порядка 1% на подложке диаметром 100-200 мм. Тонкие пленки оксидов металлов, выращенные способом АСО, можно использовать в качестве подзатворных диэлектриков, изоляторов для люминесцентных дисплеев, прокладок для рабочих зазоров магнитных головок воспроизведения, диэлектриков для конденсаторов и пассивирующих слоев. Тонкие пленки нитридов металлов, выращенные способом АСО, пригодны для использования в качестве диффузионных барьеров, например - в структурах, полученных способом двойной инкрустации.
Прекурсоры, пригодные для АСО-процессов в различных АСО-реакторах, описаны, например, в обзорной статье R. Puurunen, «Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminium/water process», J. Appl. Phys., 97 (2005), p.121-301, содержание которой полностью включено в настоящую работу посредством ссылки.
Использование радикалов в АСО-процессах может обеспечить определенные преимущества, такие как возможность использования термочувствительных подложек при очень низких температурах осаждения. В плазменном АСО-реакторе радикалы генерирует плазменный источник. Однако использование плазменного источника может стать причиной предъявления определенных требований или возникновения специфических проблем, связанных с реактором осаждения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому характерному аспекту настоящего изобретения предусмотрен реактор осаждения, содержащий:
подающее устройство, которое ограничивает расширительное пространство, предназначенное для проведения реагентов в виде нисходящего потока от плазменного источника по направлению к реакционной камере, причем расширительное пространство расширяется по направлению к реакционной камере, и
подъемный механизм для загрузки по меньшей мере одной подложки в реакционную камеру с верхней стороны реакционной камеры, и
реактор осаждения имеет конфигурацию, обеспечивающую осаждение материала в реакционной камере на по меньшей мере одну подложку посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения является плазменно-стимулированным реактором атомно-слоевого осаждения - PEALD-реактором (от англ. Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition Reactor). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения содержит плазменный источник на верхней стороне камеры реактора. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения плазменный источник является индуктивно-сопряженным плазменным источником. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения плазменный источник генерирует радикалы, используемые в качестве реагентов в реакторе осаждения.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подъемный механизм обеспечивает загрузку с верхней стороны реакционной камеры.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подающее устройство, ограничивающее или образующее расширительное пространство, имеет переменные размеры, форму или размер. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подъемный механизм устроен так, что он изменяет размеры подающего устройства.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подающее устройство имеет сокращенную форму и расширенную форму, а подъемный механизм устроен так, что он сжимает или растягивает подающее устройство, обеспечивая переход от расширенной формы к сокращенной форме и загрузку по меньшей мере одной подложки в то время, когда подающее устройство находится в сокращенной форме.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подающее устройство устроено так, что оно деформируется в вертикальном направлении.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подающее устройство содержит совокупность вкладываемых друг в друга составных частей или кольцеобразных элементов, которые можно перемещать так, чтобы они входили друг в друга. Составные части могут быть полыми внутри. Количество вкладываемых друг в друга составных частей может быть равно двум или более, и они образуют телескопическую структуру. Формой вкладываемых друг в друга составных частей может быть усеченный конус. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором подающее устройство практически состоит из двух или более составных частей, по меньшей мере одна составная часть, расположенная ближе всего к реакционному пространству, может быть усеченным конусом. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подающее устройство состоит из двух вкладываемых друг в друга составных частей.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подъемный механизм содержит подъемник. Он может содержать, например, линейный проходной канал.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подающее устройство соединено с фланцем расширительного пространства, который, в свою очередь, примыкает к верхнему фланцу реакционной камеры во время осаждения. Таким образом может быть обеспечено герметичное соединение типа «поверхность к поверхности».
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подъемный механизм устроен так, что он перемещает держатель подложки, удерживающий по меньшей мере одну подложку, между верхним положением для загрузки или удаления подложки и нижним положением для осаждения.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения содержит камеру для загрузки подложки, расположенную между плазменным источником и реакционной камерой. Камера для загрузки подложки может содержать стыковочное устройство для загрузочного люка.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения содержит в подающем устройстве люк для ручного доступа.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения содержит множество симметрично расположенных подъемников. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения число подъемников равно двум. В некоторых других вариантах осуществления настоящего изобретения число подъемников равно трем, четырем или более. Подъемники могут быть расположены симметрично относительно подающего устройства.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения имеет конфигурацию, обеспечивающую использование держателя подложки, удерживающего по меньшей мере одну подложку, в качестве первичной преграды для потока газа в реакционное пространство.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения содержит или снабжен устройством для регулирования потока газа. Устройство для регулирования потока газа размещено между держателем подложки и стенкой реакционной камеры. Оно может окружать держатель подложки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения оно может по существу заполнять пространство между держателем подложки и стенкой реакционной камеры. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для регулирования потока газа может быть кольцом с отверстиями в нем. Отверстия могут быть одинакового размера или они могут быть различного размера, так что в отверстия большего размера проходит больший поток.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения подающее устройство является деформируемым, и установка содержит по меньшей мере один механический привод для деформации подающего устройства с переходом из сокращенной формы в расширенную форму и обратно.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения держатель подложки, удерживающий по меньшей мере одну подложку, механически соединен с деформируемым подающим устройством, причем деформация деформируемого подающего устройства вызывает подъем держателя подложки, удерживающего по меньшей мере одну подложку, в верхнее положение для загрузки или удаления подложки.
Согласно второму характерному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ, включающий эксплуатацию реактора осаждения согласно любому из представленных вариантов осуществления настоящего изобретения.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает использование деформируемого подающего устройства, которое может быть деформировано с переходом из сокращенной формы в расширенную форму и обратно по меньшей мере одним механическим приводом.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения держатель подложки, удерживающий по меньшей мере одну подложку, механически соединен с деформируемым подающим устройством, причем способ включает подъем держателя подложки, удерживающего по меньшей мере одну подложку, в верхнее положение для загрузки или удаления подложки при деформации деформируемого подающего устройства.
Выше проиллюстрированы различные неограничивающие иллюстративные аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения. Указанные выше варианты осуществления настоящего изобретения использованы исключительно для разъяснения избранных аспектов или стадий, которые могут быть использованы при осуществлении настоящего изобретения. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут быть представлены исключительно со ссылкой на определенные иллюстративные аспекты настоящего изобретения. Следует понимать, что соответствующие варианты осуществления настоящего изобретения также можно применять к другим иллюстративным аспектам. Могут быть сформированы любые подходящие комбинации вариантов осуществления настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее изобретение будет описано, исключительно в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:
Фиг.1 изображает реактор осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 изображает иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с расширительным пространством, расширяющимся по направлению к реакционной камере;
Фиг.3 изображает иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с подъемником, тянущим держатель подложки вверх для загрузки подложки;
Фиг.4 изображает подложку из варианта осуществления настоящего изобретения согласно Фиг.3 в поднятом положении;
Фиг.5 изображает иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с подъемником, толкающим держатель подложки вверх для загрузки подложки;
Фиг.6 изображает подложку из варианта осуществления настоящего изобретения согласно Фиг.5 в поднятом положении;
Фиг.7 изображает другой иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с расширительным пространством, расширяющимся по направлению к реакционной камере;
Фиг.8 изображает иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с симметрично расположенными подъемниками;
Фиг.9 изображает другой иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения, основанный на иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг.3;
Фиг.10 изображает подложку из варианта осуществления настоящего изобретения согласно Фиг.9 в поднятом положении;
Фиг.11 демонстрирует принцип использования держателя подложки в качестве первичной преграды для потока газа согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12 изображает иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с устройством для регулирования потока газа;
Фиг.13 изображает иллюстративное исполнение устройства для регулирования потока газа согласно Фиг.12;
Фиг.14 изображает другое иллюстративное исполнение устройства для регулирования потока газа;
Фиг.15 демонстрирует обработку партии подложек в реакторе осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.16 изображает альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий люк для ручного доступа, и
Фиг.17 представляет собой схематичное изображение блок-схемы системы управления реактором осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее в качестве примера будет использована технология атомно-слоевого осаждения (АСО). Однако задачу настоящего изобретения не следует жестко ограничивать этой технологией, поскольку следует понимать, что некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут быть также применимыми в способах и установках, в которых использованы другие сопоставимые технологии атомного осаждения.
Принципы механизма наращивания посредством атомно-слоевого осаждения известны специалистам в данной области техники. Подробности способов АСО описаны в вводной части данной работы. Эти подробности не будут повторены в данном разделе, однако в этой связи дается ссылка на вводную часть.
На Фиг.1 изображен реактор осаждения (реактор плазменного АСО или сходный) в виде сбоку. Реактор осаждения содержит реакционную камеру (не показана на Фиг.1), расположенную под камерой 120 для загрузки подложки внутри модуля 130 АСО-реактора. Исходный газ поступает через линию 101 для исходного газа в плазменный источник 110, расположенный на верхней стороне реакционной камеры. Радикалы, генерируемые плазменным источником 110 из исходного газа, по линии 102 двигаются по направлению к реакционной камере. Между плазменным источником 110 и реакционной камерой расположена камера 120 для загрузки подложки. Через камеру 120 для загрузки подложки в реакционную камеру загружают по меньшей мере одну подложку. Камера 120 для загрузки подложки содержит стыковочное устройство для загрузочного люка или сходного устройства, предназначенного для загрузки по меньшей мере одной подложки. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения стыковочным устройством может быть фланец 122 загрузочного люка или сходное устройство, к которому может быть присоединен загрузочный люк, содержащий шиберный клапан. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения загрузка по меньшей мере одной подложки в камеру для загрузки подложки может быть автоматизированной процедурой. Альтернативно, по меньшей мере одна подложка может быть загружена вручную. Люк 123 большего размера, встроенный в камеру для загрузки подложки, особенно хорошо подходит для ручной загрузки и удаления подложки.
Питающая линия 102, идущая от плазменного источника, может быть перекрыта перед камерой 120 для загрузки подложки запирающим устройством или клапаном 115, например - шиберным клапаном или сходным устройством, встроенным в линию 102. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения запирающее устройство или клапан 115 может быть исключено из конструкции, и имеется поток защитного инертного газа (например, аргона) от линии 101 для исходного газа через генератор плазмы 110 по направлению к реакционному пространству (331, Фиг.3) во время процесса осаждения. Если клапан 115 открыт, то радикалы, генерируемые плазменным источником 110 из исходного газа, двигаются по питающей линии 102 по направлению к реакционной камере. Радикалы проходят через верхний фланец 121 камеры для загрузки подложки в расширительное пространство (не показанное на Фиг.1), которое расширяется по направлению к реакционной камере. Это более подробно показано на Фиг.2.
Расширительное пространство ограничено или образовано подающим устройством или сборкой, содержащей совокупность вкладываемых друг в друга составных частей или кольцеобразных элементов 241-245, которые можно перемещать так, чтобы они входили друг в друга. Соответственно, составные части 241-245 образуют телескопическую структуру. В иллюстративном варианте осуществления, изображенном на Фиг.2, самая верхняя составная часть 241 присоединена к верхнему фланцу 121 камеры для загрузки подложки. Фланец 121 может быть также назван фланцем вакуумной камеры, поскольку в участке камеры для загрузки подложки, окружающем подающее устройство, обычно создается вакуум или почти вакуум. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг.2, самая нижняя составная часть 245 соединена с фланцем 224 расширительного пространства, который во время осаждения по существу герметично соединен с фланцем 234 реакционной камеры, что предотвращает утечки газа между реакционным пространством (331, Фиг.3) и газовым пространством, окружающим реакционную камеру (335, Фиг.3).
В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг.2, втягивающийся стержень подъемника 250 соединен с фланцем 224 расширительного пространства или непосредственно с подающим устройством. Корпус подъемника 250 может быть также соединен с верхним фланцем 121 камеры для загрузки подложки или с другой подходящей сопряженной деталью реактора осаждения. Подъемник 250 может быть, например, подъемником, который работает за счет втягивающегося стержня, по меньшей мере частично покрытого гофрированной трубкой 251 или сходным устройством. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения такая конструкция образует герметичную, подвижную по вертикали оболочку между пневматическим или линейным приводом и фланцем 224 расширительного пространства или подающим устройством. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения используют линейный проходной канал для перемещения подающего устройства и фланца расширительного пространства совместно с держателем подложки в вакууме с управлением со стороны атмосферы.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения нижний конец гофрированной трубки 251 подъемника герметично соединен со стержнем. Когда привод вдвигает стержень в гофрированную трубку 251 подъемника, гофрированная трубка 251 подъемника сокращается, и по меньшей мере одна подложка 360 или держатель 361 подложки могут быть подняты вверх для загрузки или удаления подложки, причем в зоне обращения с подложкой и ее окружении сохраняется вакуум.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения фланец 224 расширительного пространства не является отдельным от подающего устройства, а образует часть подающего устройства, формирующую нижнюю часть подающего устройства. Нижняя часть в данном варианте осуществления настоящего изобретения функционирует как уплотняющий затвор для реакционной камеры. С другой стороны, она функционирует как точка фиксации подъемника 250 (стержня подъемника).
Подающее устройство имеет расширенную форму, изображенную на Фиг.3, и сокращенную форму, изображенную на Фиг.4. По меньшей мере одна горизонтально расположенная подложка 360 может быть загружена или удалена через камеру 120 для загрузки подложки (Фиг.1), когда подающее устройство, ограничивающее расширительное пространство, находится в сокращенной форме (Фиг.4). Осаждение материала на по меньшей мере одну подложку 360 происходит посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций в реакционном пространстве 331 реакционной камеры 335, в свою очередь, происходит, когда подающее устройство имеет расширенную форму (Фиг.3). Переходы между расширенной формой и сокращенной формой могут быть обеспечены подъемником 250 (Фиг.2) или сходным устройством. В вариантах осуществления настоящего изобретения, изображенных на Фиг.2-4, в то время, когда гофрированная трубка 251 подъемника растянута, подающее устройство, ограничивающее расширительное пространство, имеет расширенную форму (Фиг.3). А в то время, когда гофрированная трубка 251 подъемника сокращена, подающее устройство, ограничивающее расширительное пространство, имеет сокращенную форму (Фиг.4).
В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг.3, по меньшей мере одна подложка 360 поддерживается держателем 361 подложки или лежит на нем. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения держатель подложки содержит две раздельные части с открытым зазором между ними, достаточно широким для обеспечения свободного перемещения вилки для установки и извлечения подложки между этими частями. Держатель 361 подложки соединен с фланцем 224 расширительного пространства опорами 362 держателя подложки. Радикалы из плазменного источника 110 (Фиг.1 и 2) и парообразный прекурсор попеременно поступают в реакционное пространство 331 реакционной камеры 335. Радикалы из плазменного источника 110 в виде нисходящего потока 301 проходят через расширительное пространство в реакционное пространство 331, а парообразный предшественник идет либо по питающей линии 371 через необязательную трубопроводную арматуру 381 и канал 303, расположенный во фланце 234 реакционной камеры, либо по питающей линии 372 через необязательную трубопроводную арматуру 382 и канал 304, расположенный во фланце 234 реакционной камеры. Отработанные газы удаляют через расположенное на дне выпускное отверстие, как показывает стрелка 305, указывающая направление потока.
В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения держатель подложки устроен так, что он может перемещаться совместно с фланцем 224 расширительного пространства или совместно с подающим устройством. Таким образом по меньшей мере одна подложка 360 или держатель 361 подложки могут быть подняты вверх для загрузки или удаления подложки. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения держатель 361 подложки съемным образом соединен с фланцем 224 расширительного пространства. При этом держатель 361 подложки совместно с по меньшей мере одной подложкой 360 можно загрузить или разгрузить, если он находится в верхнем положении (Фиг.4). Сходным образом, множество подложек, вертикально размещенных в держателе подложек, можно загрузить в реактор осаждения или удалить из него, что более подробно описано ниже со ссылкой на Фиг.15.
Иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения, изображенный на Фиг.5 и 6, соответствует вариантам осуществления настоящего изобретения, изображенным на Фиг.2-4, за исключением того, что вместо подъемника, который тянет подающее устройство, обеспечивая его переход из расширенной формы в сокращенную форму, использован подъемник, который толкает подающее устройство, обеспечивая его переход из расширенной формы в сокращенную форму.
Подъемник, изображенный на Фиг.5 и 6, содержит подъемную раму 591, управляемую подъемником. Подъемник может быть, например, подъемником, который работает за счет пневматического привода или линейного привода с шаговым двигателем и подающим винтом, с линейным проходным каналом 551 или сходным устройством. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения подъемник содержит гибкий элемент, например гофрированный коннектор с торцевым сварным швом, для обеспечения изоляции вакуумного пространства от воздуха помещения. Подъемная рама 591 соединена с фланцем 224 расширительного пространства или непосредственно с подающим устройством.
В вариантах осуществления настоящего изобретения, изображенных на Фиг.5 и 6, когда линейный проходной канал 551 сокращен, подающее устройство имеет расширенную форму (Фиг.5). А когда линейный проходной канал 551 расширен, подающее устройство находится в сокращенной форме (Фиг.6).
Фиг.7 изображает другой иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с расширительным пространством, расширяющимся по направлению к реакционной камере. Иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения, изображенный на Фиг.7, в основном имеет такую же конструкцию и работает так же, как иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, изображенные на Фиг.2-6, за исключением того, что подающее устройство содержит всего две вкладываемые друг в друга составные части 741 и 742. Нижняя составная часть 742 соединена с верхней составной частью 741 так, что нижняя составная часть 742 окружает верхнюю составную часть 741. По меньшей мере нижняя составная часть 742 может иметь форму усеченного конуса. Верхняя составная часть 741 предпочтительно может иметь форму усеченного конуса или, например, цилиндра.
Фиг.8 изображает иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения с симметрично расположенными подъемниками. Кроме подъемника 250, изображенного на Фиг.2-4 и 7, подъемный механизм на Фиг.8 содержит другой подъемник 850 на противоположной стороне подающего устройства. В остальном, иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения, изображенный на Фиг.8, имеет такую же конструкцию и работает сходным образом с иллюстративными вариантами осуществления настоящего изобретения, изображенными на Фиг.2-4 и 7. Подъемник 850 может быть, например, подъемником, который работает за счет пневматического привода или линейного привода с шаговым двигателем и подающим винтом и с линейным проходным каналом 851, или сходным устройством. В следующих вариантах осуществления настоящего изобретения число симметрично расположенных подъемников равно трем или более.
На Фиг.9 и 10 изображены иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, основанные на иллюстративных вариантах осуществления настоящего изобретения, изображенных на Фиг.3 и 4, и дополненные признаками иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, изображенных на Фиг.7 и/или Фиг.8. Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, изображенные на Фиг.9 и 10, в основном сконструированы и работают сходным образом с иллюстративными вариантами осуществления настоящего изобретения, изображенными на Фиг.3 и 4, за исключением того, что в данном случае подающее устройство содержит всего две вкладываемые друг в друга составные части 741 и 742. Подъемный механизм необязательно содержит также два или более симметрично расположенных подъемника.
На Фиг.9 подающее устройство, ограничивающее расширительное пространство, имеет расширенную форму (держатель подложки 361 и по меньшей мере одна подложка 360 находятся в нижнем положении для осаждения). В данном варианте осуществления настоящего изобретения верхняя составная часть 741 имеет наружный ободок (например, шириной от 3 до 10 мм), выступающий наружу из нижнего края верхней составной части 741, а нижняя составная часть 742 имеет внутренний ободок (например, шириной от 3 до 10 мм), выступающий внутрь из верхнего края нижней составной части 742. Когда подающее устройство находится в расширенной форме, внутренний ободок опирается на наружный ободок, образуя по существу герметичное уплотнение типа «поверхность к поверхности» между расширительным пространством внутри подающего устройства и промежуточным пространством, окружающим подающее устройство. На Фиг.10 подающее устройство деформировано подъемным механизмом до сокращенной формы (держатель 361 подложки и по меньшей мере одна подложка 360 находятся в поднятом положении для загрузки или удаления подложки). В варианте осуществления настоящего изобретения, когда подающее устройство находится в сокращенной форме, имеется большой открытый горизонтальный зазор между внутренним ободком и наружным ободком. Зазор исчезает, когда подающее устройство деформируется до его расширенной формы и внутренний ободок осторожно прижимается к наружному ободку. Образование частиц исключено, так как поверхности составных частей подающего устройства не трутся друг о друга, когда подающее устройство деформируется из расширенной формы в сокращенную форму и обратно в расширенную форму.
Фиг.11 изображает принцип использования держателя подложки в качестве преграды для потока газа согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления настоящего изобретения держатель 361 подложки настолько велик по сравнению с общей шириной реакционной камеры 335, что он образует основную или первичную преграду для потока газа в реакционную камеру 335. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения крепление (или крепления) держателя подложки к фланцу 224 расширительного пространства или сходные устройства расположены так, что боковые стороны держателя 361 подложки расположены настолько близко к центру реакционной камеры, насколько это возможно. При этом расстояния от держателя 361 подложки до стенки реакционной камеры 335 на противоположных сторонах (расстояния a и b) одинаковы. Когда газовые потоки 1103 и 1103′ движутся к выпускному отверстию, направление потока внутри выпускного отверстия, указанное стрелкой 305, является иллюстративно одинаковым с противоположных сторон держателя подложки, что обеспечивает условия для более равномерного наращивания материала на подложке 360, поскольку образуется перепад давления между газовым пространством, расположенным ниже держателя подложки, и газовым пространством, расположенным выше держателя подложки, что помогает эффективно направлять все молекулы газа в боковом направлении от центральной части подложки через наружный край подложки 360 и далее через наружный край держателя 361 подложки. Перепад давления означает, что давление над держателем подложки выше, чем под держателем подложки.
Для того чтобы компенсировать неравномерность потока газа или другим образом отрегулировать поток газа, чтобы наращивание материала на по меньшей мере одной подложке было как можно более равномерным, в реакционной камере 335 можно использовать устройство для регулирования потока газа, например устройство 1290, изображенное на Фиг.12. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг.12, устройство 1290 для регулирования потока газа размещено между держателем 361 подложки и стенкой реакционной камеры 335. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения это устройство является кольцеобразной деталью. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения это устройство окружает держатель 361 подложки. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения устройство 1290 для регулирования потока газа действует как опора для держателя 361 подложки. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения оно по существу заполняет пространство между держателем 361 подложки и стенкой реакционной камеры. Устройство 1290 для регулирования потока предпочтительно перфорировано или по меньшей мере частично прорезано по горизонтали или вертикали для облегчения регулируемого потока газов через устройство для регулирования потока газа или вдоль него.
На Фиг.13 и 14 изображено устройство 1290 для регулирования потока газа, содержащее отверстия (или каналы). В этом варианте осуществления настоящего изобретения регулирование потока основано на том, что большее отверстие способно пропускать больший поток (более высокая пропускающая способность в отношении потока газа), чем меньшее отверстие (более низкая пропускающая способность в отношении потока газа). В зависимости от требований отверстия могут быть одинакового размера, такими как отверстия 1391 на Фиг.14, или быть разного размера, как показано на Фиг.14. В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг.14, отверстия 1492 в определенном секторе 1495 меньше, чем другие отверстия 1491, что приводит к ограничению потока газа в зоне с меньшими отверстиями. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для регулирования потока газа имеет различную плотность отверстий, так что зоны с большей плотностью отверстий обладают более высокой способностью пропускать поток газа, чем зоны с меньшей плотностью отверстий.
На Фиг.15 изображена обработка партии подложек в реакторе осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. Реактор осаждения можно загружать и разгружать с верхней стороны реакционной камеры 1535.
Когда фланец 224 расширительного пространства находится в верхнем положении, в реакционную камеру 1535 можно загружать подложки или удалять их из нее с помощью держателя 1561 подложек, удерживающего партию вертикально расположенных подложек 1560. Держатель 1561 подложек, удерживающий подложки 1560, можно перемещать в латеральном направлении 1501 в крепления 1563, расположенные в фланце 224 расширительного пространства, или в сходные устройства для загрузки подложек и вынимать из креплений 1563 для удаления подложек. Держатель 1561 подложек содержит захватывающие устройства 1564, например крючки или сходные устройства, которые входят в крепления 1563. Фланец 224 расширительного пространства совместно с держателем 1561 подложки, удерживающим подложки 1561, можно перемещать в вертикальном направлении 1502 с помощью подъемного механизма (не изображенного на Фиг.15). Его можно опускать в реакционную камеру 1535 для осаждения, а затем, после обработки, поднимать из реакционной камеры 1535 для удаления подложек. Во время процесса осаждения фланец 224 расширительного пространства изолирует реакционное пространство от промежуточного пространства, окружающего реакционную камеру 1535.
Альтернативно, партию подложек 1560, находящуюся в держателе 1561 подложек, можно перемещать в реакционную камеру 1535 и из реакционной камеры 1535 без крепления к фланцу 224 реакционного пространства, например - с использованием подходящего робота, который выдвигает манипулятор держателя подложки (не изображен на рисунке) в реакционную камеру для замены держателя подложек новым держателем подложек.
Способы загрузки и удаления подложек и крепления, описанные в связи с Фиг.15, применимы также к другим вариантам осуществления настоящего изобретения, описанным в данной работе.
Фиг.16 изображает альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения с люком для ручного доступа. Как и в ранее описанных иллюстративных вариантах осуществления настоящего изобретения, поток 1601 радикалов в иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг.16, расширяется в расширительном пространстве 1640 с образованием расширенного потока 1611 радикалов. Как и в ранее описанных иллюстративных вариантах осуществления настоящего изобретения, газовое пространство, расположенное между плазменным генератором и держателем подложки, по существу является открытым газовым пространством, так что большинство радикалов, генерируемых генератором плазмы, способны достигать подложки 360, будучи по существу интактными и не взаимодействуя ни с какими поверхностями до подложки. Любой контакт с поверхностями может снизить концентрацию радикалов. Однако, в отличие от того, что описано в некоторых предыдущих вариантах осуществления настоящего изобретения, в этом иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения нет необходимости в том, чтобы устройство 1640, ограничивающее расширительное пространство (Фиг.16), имело переменные размеры; тем не менее по меньшей мере одну подложку можно загрузить и удалить через люк 1625 для ручного доступа, расположенный на боковой стороне устройства, ограничивающего расширительное пространство. Люк 1625 для ручного доступа можно удобно использовать, например - через люк 123, изображенный на Фиг.1.
В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения описываемый в данной работе реактор осаждения является системой с компьютерным управлением. Компьютерная программа, хранящаяся в памяти системы, содержит инструкции, которые при выполнении их по меньшей мере одним процессором системы приводят к тому, что реактор работает согласно инструкциям. Инструкции могут быть в форме машиночитаемой управляющей программы. На Фиг.17 приведено схематичное изображение блок-схемы системы 1700 управления реактором осаждения. В базовых настройках системы с помощью программного обеспечения запрограммированы технологические параметры, а инструкции выполняются через терминал 1706 человекомашинного интерфейса (ЧМИ) и загружаются через шину 1704 Ethernet или сходное устройство в блок 1702 управления. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения блок 1702 управления содержит блок программируемого логического контроллера (ПЛК) общего назначения. Блок 1702 управления содержит по меньшей мере один микропроцессор для исполнения программного обеспечения блока управления, содержащего управляющую программу, хранящуюся в памяти, динамическую и статическую память, I/O модули, A/D и D/A конвертеры и реле мощности. Блок 1702 управления направляет электрическую мощность к пневматическим контроллерам соответствующих клапанов реактора осаждения, имеет двухстороннюю связь с регуляторами массового расхода и управляет работой плазменного источника, генерацией плазмы и подъемником (или подъемниками), а также обеспечивает другое управление работой реактора осаждения. Управление работой подъемника (или подъемников) включает управление перемещением подъемником (или подъемниками) держателя подложки, удерживающего по меньшей мере одну подложку, между верхним положением для загрузки подложки и нижним положением для удаления подложки. Блок 1702 управления может измерять и передавать показания датчиков из реактора осаждения на терминал 1706 ЧМИ. Пунктирная линия 1716 показывает интерфейсную линию между элементами реактора осаждения и блоком 1702 управления.
Приведенные ниже экспериментальные примеры дополнительно демонстрируют работу избранных иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
В данном примере АСО-реактор был оборудован автоматизированной системой загрузки подложки и удаленным генератором плазмы. Система загрузки подложки была соединена шиберным клапаном с фланцем 122 загрузочного люка (Фиг.1). В этом эксперименте реактор осаждения работал без запирающего устройства 115, и генератор плазмы был присоединен к верхней стороне верхнего фланца 121 камеры для загрузки подложки. Питающие линии 371, 372 АСО-реактора для нерадикальных прекурсоров продували газообразным азотом. Объемная скорость потока азота в характерном случае лежала в диапазоне от 50 до 150 кубических сантиметров в минуту. В питающих линиях предпочтительно использовали низкую объемную скорость потока азота (50 кубических сантиметров в минуту) для поддержания давления в реакционной камере 331, подходящего для обработки радикалами.
Линию от источника радикалов, расположенную между генератором плазмы и реакционной камерой АСО-реактора, продували газообразным аргоном. Объемная скорость потока аргона в характерном случае лежала в диапазоне от 10 до 100 кубических сантиметров в минуту. Предпочтительно использовали низкую объемную скорость потока аргона (20 кубических сантиметров в минуту) для надежного получения плазмы.
Реакционную камеру АСО-реактора нагревали до 200°C, при этом в реакторе поддерживали вакуум с помощью вакуумного насоса. Давление в реакционной камере предпочтительно лежало в диапазоне от 0,2 до 1,0 гПа во время генерации радикалов плазменным источником. Фланец 224 расширительного пространства поднимали совместно с вкладываемыми друг в друга составными частями 241, 242 расширительного пространства с помощью подъемника до положения, удобного для обращения с подложкой. Шиберный клапан открывали и вилку для установки подложки, несущую кремниевую подложку размером 100 мм, проталкивали с помощью автоматизированной системы загрузки подложки через открытый зазор между фланцем 224 расширительного пространства и фланцем 234 реакционной камеры в пространство, расположенное выше элементов держателя 361 подложки. Затем вилку для установки подложки опускали до тех пор, пока подложка не оказывалась на элементах держателя 361 подложки. Держатель 361 подложки имел достаточно широкий открытый зазор между левым и правым элементами держателя подложки, так что вилка для установки подложки могла свободно перемещаться вверх и вниз между сторонами держателя подложки, тогда как элементы держателя подложки обеспечивали надежную опору для подложки, захваченной с вилки для установки подложки. После этого пустую вилку для установки подложки вытягивали в горизонтальном направлении из пространства под элементами держателя 361 подложки в пространство загрузочного люка (не изображено).
Промежуточное пространство реактора, окружающее реакционную камеру, было герметично изолировано от пространства загрузочного люка шиберным клапаном (не изображен), присоединенным к фланцу 122 загрузочного люка. Фланец 224 расширительного пространства с держателем 361 подложки опускали с помощью пневматической подъемной системы в положение для осаждения на реакционную камеру, герметично изолируя пространство реакционной камеры от промежуточного пространства.
Процесс осаждения начинался с импульса парообразного триметилалюминия (ТМА) через подающее устройство 371 в реакционную камеру в течение 0,1 с. Молекулы ТМА хемосорбировались на поверхности подложки и формировали на поверхности молекулярный слой алюминиевого прекурсора. После этого реакционную камеру продували азотом, поступавшим из питающих линий 371, 372 для нерадикального прекурсора, и газообразным аргоном, поступавшим из генератора плазмы, в течение 8 с для удаления избытка молекул ТМА и побочных продуктов реакции (таких как молекулы метана CH4), образовавшихся в ходе поверхностных реакций.
Газообразный аргон непрерывно протекал через удаленный генератор плазмы к реакционной камере АСО-реактора для блокирования обратного потока химически активных газов к удаленному генератору плазмы. Массовая скорость потока аргона была равна 20 кубическим сантиметрам в минуту. Импульсный клапан линии для газообразного кислорода перед удаленным генератором плазмы открывался для инжекции газообразного кислорода в поток газообразного аргона. Массовая скорость потока газообразного кислорода была равна 50 кубическим сантиметрам в минуту. Поскольку инжекция газообразного кислорода изменяла давление внутри удаленного генератора плазмы, ожидали стабилизации потока смеси аргона и газообразного кислорода внутри удаленного генератора плазмы в течение 1,5 с. Эта стадия предварительного ожидания (равная 1,5 с в данном эксперименте) помогала надежно обеспечить поступление плазмы в течение каждой импульсной последовательности во время процесса осаждения. Затем уровень мощности генератора плазмы повышали от уровня отсутствия радиочастотной мощности (p1=0 Вт) до уровня включенной радиочастотной мощности (p2=2500 Вт) и удерживали на уровне включенной радиочастотной мощности в течение 6 с для генерации кислородных радикалов. Затем уровень мощности снова снижали до уровня отсутствия радиочастотной мощности (p1=0 Вт). Через 0,5 с импульсный клапан для газообразного кислорода закрывали. Это необязательное состояние последующего ожидания (длившееся 0,5 с в данном эксперименте) после снижения уровня радиочастотной мощности использовали для обеспечения надежного получения плазмы регулируемым образом в течение каждой импульсной последовательности во время процесса осаждения.
Для завершения базовой импульсной последовательности систему продували так же, как и после ТМА-импульса, для удаления остаточных молекул прекурсора и побочных продуктов реакции из реакционной камеры. Импульсную последовательность, состоявшую из ТМА-импульса/продувки/радикального импульса/продувки, повторяли 500 раз.
После завершения процесса осаждения фланец 224 расширительного пространства поднимали вверх вместе с вкладываемыми друг в друга составными частями 241, 242 расширительного пространства с помощью подъемника 250 до положения, удобного для обращения с подложкой. Открывали шиберный клапан, и пустую вилку для загрузки подложки проталкивали с помощью автоматизированной системы загрузки подложки через открытый зазор между фланцем 224 расширительного пространства и фланцем 234 реакционной камеры в пространство, расположенное под элементами держателя 361 подложки. Затем вилку для загрузки подложки поднимали до тех пор, пока подложка не оказывалась на вилке для загрузки подложки. После этого вилку для загрузки подложки вместе с подложкой вытягивали в горизонтальном направлении из пространства, расположенного выше элементов держателя 361 подложки, в пространство загрузочного люка (не показано).
В результате подложка размером 100 мм имела высококачественную тонкую пленку из Al2O3, у которой полуширина доверительного интервала неоднородности толщины, равная 1 сигме, была меньше 2% по результатам измерения в 49 точках подложки.
Пример 2
Для сравнения был проведен эксперимент с осаждением при 200°C с использованием ТМА и молекулярного кислорода (O2) в термическом АСО-режиме. Было отмечено, что O2 был слишком инертным для того, чтобы реагировать с молекулами ТМА, и тонкая пленка не нарастала. Таким образом, для роста тонкой пленки необходимы радикалы кислорода (O*).
Приведенное выше описание обеспечило за счет неограничивающих примеров конкретных исполнений и вариантов осуществления настоящего изобретения полное и информативное описание наилучшего способа, в настоящее время предлагаемого авторами настоящего изобретения для его осуществления. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что изобретение не ограничено деталями вариантов его осуществления, описанных выше, и оно может быть осуществлено в других вариантах с использованием эквивалентных средств без отклонения от характеристик настоящего изобретения.
Кроме того, некоторые признаки описанных выше вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть с успехом использованы без соответствующего использования других признаков. Поэтому приведенное выше описание следует считать только иллюстрирующим принципы настоящего изобретения, а не ограничивающим его. Соответственно, объем изобретения ограничен исключительно прилагаемой формулой изобретения.
1. Реактор для плазменного осаждения слоев материала на подложку, содержащий:
реакционную камеру;
плазменный источник;
подающее устройство реагентов, генерируемых плазменным источником из исходного газа, выполненное с расширительным пространством, предназначенное для проведения упомянутых реагентов в виде нисходящего потока от плазменного источника по направлению к реакционной камере, причем расширительное пространство расширяется по направлению к реакционной камере и выполнено с возможностью деформирования в вертикальном направлении; и
подъемный механизм для загрузки по меньшей мере одной подложки в реакционную камеру с верхней стороны реакционной камеры, выполненный с возможностью деформирования подающего устройства путем его сжатия или растяжения для обеспечения возможности загрузки по меньшей мере одной подложки в реакционную камеру; и
питающую линию подачи парообразного предшественника в реакционную камеру.
2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что подъемный механизм выполнен с возможностью обеспечения изменения размеров подающего устройства.
3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что подающее устройство содержит совокупность вкладываемых друг в друга составных частей или кольцеобразных элементов, выполненных с возможностью перемещения и вхождения друг в друга.
4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что подающее устройство состоит из двух вкладываемых друг в друга составных частей.
5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что подающее устройство снабжено фланцем и прикреплено к нему и реакционная камера выполнена с верхним фланцем, при этом фланец подающего устройства соединен с верхним фланцем реакционной камеры во время осаждения.
6. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что подъемный механизм выполнен с возможностью обеспечения перемещения держателя подложки, удерживающего по меньшей мере одну подложку, между верхним положением для загрузки или удаления подложки и нижним положением для осаждения.
7. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит камеру для загрузки подложки между плазменным источником и реакционной камерой.
8. Реактор по п. 7, отличающийся тем, что камера для загрузки подложки содержит стыковочное устройство для загрузочного люка.
9. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит люк для ручного доступа в подающем устройстве.
10. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что подъемный механизм содержит множество симметрично расположенных подъемников.
11. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что реактор осаждения имеет конфигурацию, позволяющую использовать держатель подложки, удерживающий по меньшей мере одну подложку, в качестве первичной преграды для потока газа в реакционное пространство.
12. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит устройство для регулирования потока газа между держателем подложки и стенкой реакционной камеры.
13. Способ осаждения слоев на подложку в реакторе по любому пп. 1-12, включающий:
загрузку по меньшей мере одной подложки в реакционную камеру с верхней стороны реакционной камеры с помощью подъемного механизма, посредством которого осуществляют вертикальное деформирование подающего устройства путем его сжатия или растяжения, и
проведение реагентов, генерируемых плазменным источником из исходного газа, в виде нисходящего потока от плазменного источника по направлению к реакционной камере через подающее устройство, имеющее расширительное пространство, расширяющееся по направлению к реакционной камере.
