Атомно-слоевое осаждение с плазменным источником - RU2584841C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

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 А, продувка А, импульс В и продувка В. Импульс А в характерном случае состоит из парообразного металлического прекурсора, а импульс В - 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 А и продувки В. 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 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 А), 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 В). 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 (СН₃)₃Аl, 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 предложен способ, включающий:

эксплуатацию реактора плазменного атомно-слоевого осаждения, конфигурация которого обеспечивает осаждение материала в реакционной камере на по меньшей мере одну подложку посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций; и обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа в расширительное устройство для подачи радикалов, открывающееся в реакционную камеру, по существу в течение всего цикла осаждения.

Выражение «обеспечение потока» может на практике означать «направление», «проведение» или «обеспечение направленного потока».

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 выход активированных частиц плазменного источника состоит из радикалов. В этих вариантах осуществления настоящего изобретения выход активированных частиц состоит из радикалов и по существу не содержит ионов.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения плазменный реактор атомно-слоевого осаждения (плазменный АСО-реактор) может быть использован как для плазменного АСО, так и для термического АСО. Питающие линии для термического АСО могут быть отдельными от питающей линии для плазменного АСО, через которую радикалы направляют в реакционную камеру.

Процесс осаждения состоит из одного или более последовательных циклов осаждения. Каждый цикл осаждения может состоять из периода термического АСО, за которым следует период плазменного АСО, или из периода плазменного АСО, за которым следует период термического АСО. Каждый период плазменного АСО может по существу состоять из периода импульса плазменного АСО (периода генерации радикалов) и последующего периода продувки плазменного АСО. Сходным образом, каждый период термического АСО может состоять по существу из периода импульса термического АСО и последующего периода продувки термического АСО. В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения каждый цикл АСО может включать более двух периодов импульса (за которыми могут следовать соответствующие периоды продувки).

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает:

обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов через плазменный источник в течение периода импульса плазменного прекурсора, входящего в период плазменного атомно-слоевого осаждения, причем газ в этот период импульса функционирует в качестве газа-носителя генерируемых радикалов.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает:

обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов через плазменный источник в течение периода продувки, входящего в период плазменного атомно-слоевого осаждения, причем газ в этот период продувки функционирует в качестве продувочного газа и инертного защитного газа.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает:

обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов через плазменный источник, как в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения, так и в течение периода термического атомно-слоевого осаждения.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает:

обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов по пути, который идет в обход плазменного источника.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает:

обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов как по пути, проходящему через плазменный источник, так и по пути, который идет в обход плазменного источника, в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает:

обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов только по пути, который идет в обход плазменного источника, в течение периода термического атомно-слоевого осаждения, и

обеспечение потока газа из источника химически неактивного газа через плазменный источник в отводящую линию в течение этого периода.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает:

направление инертного газа в реакционную камеру через питающую линию (или линии) термического атомно-слоевого осаждения в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения, причем питающая линия (или линии) термического атомно-слоевого осаждения является отдельной от линии (или линий) плазменного источника, по которой радикалы подают в реакционную камеру в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения.

Соответственно, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реактор осаждения может содержать два пути от источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов, тогда как в некоторых других вариантах осуществления настоящего изобретения используют только один путь. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения плазменный источник может быть отделен от реакционной камеры клапаном или сопоставимым закрывающим элементом, при необходимости перекрывающим путь через плазменный источник, так что этот путь не проходит через устройство для подачи радикалов в реакционную камеру, а идет в обход реакционной камеры.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает использование способного деформироваться устройства для подачи радикалов, которое может деформироваться с переходом из сокращенной формы в расширенную форму и обратно за счет по меньшей мере одного механического привода.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения держатель подложки, удерживающий по меньшей мере одну подложку, механически соединен с деформируемым устройством для подачи радикалов, и способ включает:

обеспечение, за счет деформации деформируемого устройства для подачи радикалов, подъема держателя подложки, удерживающего по меньшей мере одну подложку, в верхнее положение для загрузки или удаления подложки.

Согласно второму характерному аспекту настоящего изобретения предложена установка для атомно-слоевого осаждения, содержащая:

газовую линию из источника химически неактивного газа к расширительному устройству для подачи радикалов, которое открывается в реакционную камеру; и

систему управления, конфигурация которой обеспечивает поступление потока газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов по существу в течение всего цикла осаждения; и

реактор плазменного атомно-слоевого осаждения, конфигурация которого обеспечивает осаждение материала в реакционной камере на по меньшей мере одну подложку посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения конфигурация установки или системы управления обеспечивает поток газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов через плазменный источник в течение периода импульса плазменного прекурсора, входящего в период плазменного атомно-слоевого осаждения, причем газ в течение этого периода импульса функционирует в качестве газа-носителя генерируемых радикалов.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения установка или система управления настроена так, что она обеспечивает поток газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов через плазменный источник в течение периода продувки, входящего в период плазменного атомно-слоевого осаждения, причем газ в течение этого периода продувки функционирует в качестве продувочного и инертного защитного газа.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения конфигурация установки или системы управления обеспечивает поток газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов через плазменный источник как в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения, так и в течение периода термического атомно-слоевого осаждения.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения конфигурация установки или системы управления обеспечивает поток газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов по пути, который идет в обход плазменного источника.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения конфигурация установки или системы управления обеспечивает поток газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов как по пути, проходящему через плазменный источник, так и по другому пути, который идет в обход плазменного источника, в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения конфигурация установки или системы управления обеспечивает поток газа из источника химически неактивного газа в устройство для подачи радикалов только по пути, который идет в обход плазменного источника, в течение периода термического атомно-слоевого осаждения, и обеспечивает поток газа из источника химически неактивного газа через плазменный источник в отводящую линию в течение этого периода.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения конфигурация установки или системы управления обеспечивает направление инертного газа в реакционную камеру через питающую линию (или линии) термического атомно-слоевого осаждения в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения, причем питающая линия (или линии) термического атомно-слоевого осаждения является отдельной от линии (или линий) плазменного источника, по которой радикалы подают в реакционную камеру в течение периода плазменного атомно-слоевого осаждения.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для подачи радикалов, 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 устройства для подачи радикалов.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для подачи радикалов является устройством, через которое радикалы поступают в реакционную камеру. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для подачи радикалов имеет сокращенную форму и расширенную форму, переход между этими формами обеспечивает подъемный механизм (подъемник или сходное устройство). Подъемник может быть устроен так, что он сжимает или растягивает устройство для подачи радикалов, обеспечивая переход от расширенной формы к сокращенной форме и загрузку по меньшей мере одной подложки в то время, когда устройство для подачи радикалов находится в сокращенной форме. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для подачи радикалов устроено так, что оно деформируется в вертикальном направлении.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для подачи радикалов 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 устройство для подачи радикалов практически состоит из двух или более составных частей, по меньшей мере одна составная часть, расположенная ближе всего к реакционной камере, может быть усеченным конусом. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для подачи радикалов состоит из двух вкладываемых друг в друга составных частей.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для подачи радикалов является деформируемым, и установка содержит по меньшей мере один механический привод для деформации устройства для подачи радикалов 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 устройством для подачи радикалов, причем деформация деформируемого устройства для подачи радикалов вызывает подъем держателя подложки, удерживающего по меньшей мере одну подложку, в верхнее положение для загрузки или удаления подложки.

Согласно третьему характерному аспекту настоящего изобретения предложена установка для плазменного атомно-слоевого осаждения, содержащая:

устройство управления реактором плазменного атомно-слоевого осаждения, конфигурация которого обеспечивает осаждение материала в реакционной камере на по меньшей мере одну подложку посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций; и

устройство, обеспечивающее поток газа из источника химически неактивного газа в расширительное устройство для подачи радикалов, открывающееся в реакционную камеру, по существу в течение всего цикла осаждения.

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 на основании примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:

Фиг. 1 изображает общую схему реактора осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 изображает некоторые детали реактора осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 3 изображает реакционную камеру и некоторые относящиеся к ней детали реактора осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4 изображает технологическое оборудование реактора осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 изображает пример временной диаграммы для иллюстративного варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 6 изображает технологическое оборудование реактора осаждения согласно другому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 7 изображает пример временной диаграммы для иллюстративного варианта осуществления настоящего изобретения из Фиг. 6; и

Фиг. 8 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 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 для загрузки подложки внутри модуля 130 АСО-реактора. Исходный газ поступает через линию 101 для газа-носителя и продувочного газа в плазменный источник 110, расположенный на верхней стороне реакционной камеры. Радикалы, генерируемые плазменным источником 110 из исходного газа, по питающей линии реакционной камеры или линии 102 плазменного источника 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 при атмосферном давлении.

Линия 102 плазменного источника, идущая от плазменного источника, может быть перекрыта перед камерой 120 для загрузки подложки запирающим устройством или клапаном 115, например - шиберным клапаном или сходным устройством (далее называемым шиберным клапаном 115), встроенным в линию 102 плазменного источника. Если клапан 115 открыт, то радикалы, генерируемые плазменным источником 110 из исходного газа, двигаются по линии 102 плазменного источника 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 и другие дополнительные детали более подробно показаны на Фиг. 2. В варианте осуществления настоящего изобретения, более детально изображенном на Фиг. 6 и описанном на основании этого изображения, запирающее устройство или клапан 115 могут быть исключены из конструкции, и в этом случае защитный инертный газ (например, аргон) течет из линии 101 для исходного газа через генератор 110 плазмы по направлению к реакционному пространству (331, Фиг. 3) в течение процесса осаждения.

Расширительное пространство ограничено или образовано устройством или конструкцией для подачи радикалов, содержащей совокупность вкладываемых друг в друга составных частей или кольцеобразных элементов, которые можно перемещать так, чтобы они входили друг в друга. В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг. 2, количество составных частей равно двум. Составные части 241 и 242 образуют телескопическую структуру. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг. 2, верхняя составная часть 241 соединена с верхним фланцем 121 камеры для загрузки подложки. Фланец 121 может быть также назван фланцем вакуумной камеры, поскольку в участке камеры для загрузки подложки, окружающем устройство для подачи радикалов, обычно создается вакуум или почти вакуум. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг. 2, нижняя составная часть 242 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 газом, 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 устройством для подачи радикалов. 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 жесткого 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 устройством для подачи радикалов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения используют линейный проходной канал для перемещения устройства для подачи радикалов и фланца расширительного пространства совместно с держателем подложки в вакууме с управлением со стороны атмосферы.

Реактор осаждения, изображенный на Фиг. 2, содержит необязательную отводящую линию 207, находящуюся в гидравлической связи с линией 102 плазменного источника. Отводящая линия 207 соединена с линией 102 плазменного источника на участке линии 102 плазменного источника, расположенном между плазменным источником 110 и шиберным клапаном 115.

Кроме того, реактор осаждения, изображенный на Фиг. 2, содержит необязательную линию 204 для защитного газа, находящуюся в гидравлической связи с линией 102 плазменного источника. Химически неактивный защитный газ, текущий по линии для защитного газа, предотвращает поток частиц или газа в восходящем направлении. Линия 204 для защитного газа соединена с линией 102 плазменного источника на участке линии 102 плазменного источника, расположенном после шиберного клапана 115, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения - непосредственно за шиберным клапаном 115 ниже по течению потока.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения фланец 224 расширительного пространства не является отдельным от устройства для подачи радикалов, а образует часть устройства для подачи радикалов, формирующую нижнюю часть устройства для подачи радикалов. 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).

В реакционном пространстве 331 реакционной камеры 335, как показано на Фиг. 3, по меньшей мере одна горизонтально расположенная 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. Держатель 361 подложки соединен с фланцем 224 расширительного пространства опорами 362 держателя подложки. В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения держатель 361 подложки устроен так, что он перемещается совместно с фланцем 224 расширительного пространства. 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 иди держатель 361 подложки могут быть подняты вверх для загрузки или удаления подложки, причем в зоне обращения с подложкой и ее окружении сохраняется вакуум. Устройство для подачи радикалов, содержащее составные части 241 и 242, сокращается в вертикальном направлении, когда составная часть 242 надвигается на составную часть 241 меньшего размера, оставляя пространство для загрузки или удаления подложки в камере 120 для загрузки подложки (Фиг. 1). Могут иметься больше одного подъемника, например - два подъемника. Гофрированная трубка 351 второго подъемника показана на Фиг. 3 пунктирными линиями.

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, подняв его вверх. Сходным образом, множество подложек, вертикально размещенных в держателе подложек, можно загрузить в реактор осаждения или удалить из него.

Осаждение материала на по меньшей мере одну подложку 360 происходит посредством чередования последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций в реакционном пространстве 331 реакционной камеры 335. Радикалы из плазменного источника 110 (Фиг. 1 и Фиг. 2) и пары другого прекурсора попеременно поступают в реакционное пространство 331 реакционной камеры 335. Радикалы из плазменного источника 110 проходят через расширительное пространство реакционного пространства 331 в виде потока 301, направленного сверху вниз. Пары другого прекурсора поступают либо через питающую линию 371, коннектор 381 и канал 373, расположенный во фланце 234 реакционной камеры, либо через питающую линию 372, коннектор 382 и канал 374, расположенный во фланце 234 реакционной камеры. В характерной конструкции реактора количество питающих линий равно, например, 4 или 6. Альтернативно, другой прекурсор может также поступать в реакционную камеру 335 через линию 102 плазменного источника при отключенном генераторе плазмы. Отработанные газы удаляют через расположенное на дне выпускное отверстие, ведущее в выпускную линию, как показывает стрелка 305, указывающая направление потока.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения газовое пространство, расположенное между генератором плазмы (плазменным источником 110) и держателем 261 подложки по существу содержит открытое газовое пространство, так что большинство радикалов, генерируемых генератором плазмы, могут достигать подложки 360, будучи по существу интактными и не взаимодействуя ни с какими поверхностями до подложки.

На Фиг. 4 изображено технологическое оборудование реактора осаждения согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. Поток инертного газа из источника инертного (или химически неактивного) газа разделен на поток газа-носителя или продувочного газа, который течет по линии 101 для газа-носителя или продувочного газа, и поток защитного газа, который течет по линии 204 для защитного газа. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в качестве инертного газа используют аргон, гелий или сходные газы. Линию 101 для газа-носителя или продувочного газа можно перекрывать и открывать с использованием клапана 410 для газа-носителя или продувочного газа. Во время работы реактора положением по умолчанию клапана 410 является положение «открыто». Линию 204 для защитного газа можно перекрывать и открывать с использованием клапана 416 для защитного газа. Во время работы реактора положением по умолчанию клапана 416 является положение «открыто». Скорость потока газа в линии 101 для газа-носителя или продувочного газа регулируется регулятором 431 массового расхода (MFC, от Mass Flow Controller), a скорость потока газа в линии 204 для защитного газа регулируется регулятором 432 массового расхода. Линия 204 для защитного газа соединяется с линией 102 от плазменного источника ниже по течению относительно шиберного клапана 115. Во время работы реактора положением по умолчанию шиберного клапана 115 является положение «открыто». Объединенный поток течет по линии 102 от плазменного источника и поступает в реакционную камеру 335 через расширительное пространство 425. Вакуумный насос 438 используют для удаления отработанных газов из реакционного пространства 331 в выпускную линию. Датчик давления (РТ, от англ. Pressure Transducer) используют для подтверждения того, что давление в линии от плазменного источника находится в диапазоне, подходящем для работы удаленного генератора плазмы.

Ниже по течению относительно клапана 410 для газа-носителя или продувочного газа и перед входом в плазменный источник 110 газ-носитель или продувочный газ протекает через импульсные клапаны 411-414 для подачи прекурсоров в плазменный источник. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения клапаны являются трехходовыми клапанами. Газ-носитель или продувочный газ втекает в первый вход импульсного клапана и вытекает через выход. В этом контексте, прекурсор, который может поступать через импульсный клапан 411-414 в линию 101 для газа-носителя или продувочного газа и впоследствии может быть использован для образования радикалов в плазменном источнике 110, называют прекурсором для плазменного источника. Желаемый прекурсор для плазменного источника, в зависимости от проводимого цикла осаждения, направляют через массовый расходомер (MFM, от англ. Mass Flow Meter) и через капиллярный или игольчатый клапан во второй вход соответствующего импульсного клапана. Во время работы реактора положение по умолчанию клапанов 411-414 является таким, что первый вход и выход находятся в положении «открыто», а второй вход находится в положении «закрыто» и открывается только во время периодов импульсной подачи выбранного прекурсора для плазменного источника.

В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг. 4, газообразный азот, газообразный водород, газообразный аммиак и газообразный кислород являются примерами прекурсоров для плазменного источника. Массовый расходомер (MFM) 441 измеряет скорость потока газообразного азота от источника газообразного азота через капиллярный или игольчатый клапан 451 к импульсному клапану 411 для подачи азота. Сходным образом, MFM 442 измеряет скорость потока газообразного водорода от источника газообразного водорода через капиллярный или игольчатый клапан 452 к импульсному клапану 412 для подачи водорода, MFM 443 измеряет скорость потока газообразного аммиака от источника газообразного аммиака через капиллярный или игольчатый клапан 453 к импульсному клапану 413 для подачи аммиака, а MFM 444 измеряет скорость потока газообразного кислорода от источника газообразного кислорода через капиллярный или игольчатый клапан 454 к импульсному клапану 414 для подачи кислорода. MFM 441-444 используют для подтверждения того, что массовая скорость потока прекурсора для плазменного источника соответствует желаемому значению, регулируемому давлением прекурсора для плазменного источника выше по течению относительно капиллярного или игольчатого клапана 451-454 и размером отверстия капилляра или посредством настройки игольчатого клапана 451-454. Если второй вход импульсного клапана открыт, то соответствующий предшественник для плазменного источника смешивается в потоком газа-носителя и течет дальше по направлению к плазменному источнику 110 для генерации радикалов.

Отводящая линия 207, соединенная с линией 101 плазменного источника ниже по течению относительно плазменного источника 110 и выше по течению шиберного клапана 115, не используется во время нормальной работы. Соответственно, положение по умолчанию отводящего клапана 417 (за счет которого можно открывать и перекрывать отводящую линию 207) является положением «закрыто».

На Фиг. 4 также показаны другие питающие линии 371 и 372, которые видны и на Фиг 3, и через которые пары другого прекурсора могут поступать в реакционную камеру 335 в течение, например, термического АСО-периода.

Фиг. 5 иллюстрирует работу реактора осаждения, изображенного на Фиг. 4, посредством временной диаграммы согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. Процесс осаждения в своей основе состоит из повторяющихся циклов осаждения. В момент времени t₁ шиберный клапан 115 в линии 102 плазменного источника открывается. Шиберный клапан 115 остается открытым в течение всего процесса осаждения. В момент времени (2 открывается изолирующий клапан (клапан 410 для газа-носителя или продувочного газа) в линии 101 для газа-носителя или продувочного газа. Регулятор 431 массового расхода (MFC) в линии 101 для газа-носителя или продувочного газа установлен на рабочее значение, равное, например, 50 кубическим сантиметрам в минуту. В момент времени t₃ MFC 432 линии 204 защитного газа переключается с высокого значения на низкое значение, например, равное 20 кубическим сантиметрам в минуту. Время между моментами t₃ и t₄ можно использовать для продувки реакционной камеры 335. В момент времени t₄ открывается импульсный клапан для подачи (неметаллического) прекурсора для плазменного источника. В примере, изображенном на Фиг. 5, в качестве прекурсора для плазменного источника использован газообразный водород, так что в момент времени t₄ открывается импульсный клапан 412. В момент времени t₅ мощность генератора плазмы (плазменного источника 110) возрастает до уровня генерации радикалов, например - до 2000 Вт. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения указанная мощность является радиочастотной (RF, от англ. Radio Frequency) мощностью. Радикалы генерируются в промежуток времени от t₅ до t₆. Другими словами, в промежуток времени между моментами t₅ и t₆ осуществляется плазменная АСО-фаза. В момент времени t₆ мощность генератора плазмы (плазменного источника 110) понижается до уровня, при котором радикалы не генерируются, например - до мощности менее 100 Вт. В момент времени t₇ импульсный клапан (здесь: клапан 412) для подачи прекурсора для плазменного источника закрывается. В момент времени t₈ MFC 432 линии 204 защитного газа переключается с низкого значения на высокое значение. Промежуток времени между t₇ и t₉ может быть использован для продувки реакционной камеры 335. В момент времени t₉ второй парообразный прекурсор направляют в реакционную камеру 335. В данном варианте осуществления настоящего изобретения вторым прекурсором является металлический прекурсор. В промежуток времени между t₉ и t₁₀ осуществляется фаза импульсной подачи второго прекурсора. Промежуток времени между t₉ и t₁₀ может содержать импульс второго прекурсора и третий продувочный период для удаления избытка молекул второго прекурсора и побочных продуктов реакции из реакционного пространства 331, причем массовая скорость потока защитного газа через линию 204 защитного газа имеет высокое значение для предотвращения обратного потока химически активных молекул к шиберному клапану 115 и удаленному генератору 110 плазмы. Это может быть осуществлено в форме известного стандартного способа термического АСО. Цикл осаждения, состоящий из периода продувки между t₃ и t₄, фазы плазменного АСО между t₅ и t₆, второго периода продувки между t₇ и t₉ и фазы термического АСО между t₉ и t₁₀. повторяют до тех пор, пока не будет наращена желаемая толщина материала на по меньшей мере одной подложке в реакционной камере 335. В конце, в момент времени t₁₁, клапан 410 для продувочного газа-носителя закрывается, и MFC 431 линии 101 продувочного газа-носителя устанавливается на нулевое значение. В заключение, закрывается шиберный клапан 115 в момент времени t₁₂.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения относится, например, к ситуациям, в которых по определенной причине желательно, чтобы линия 102 от плазменного источника была перекрыта шиберным клапаном 115 в течение процесса осаждения. Это может иметь место, например, во время фазы термического АСО, или если желательно провести в реакторе процесс осаждения только с фазами термического АСО. В этих вариантах осуществления настоящего изобретения путь через импульсные клапаны 411-414 и плазменный источник 110 к реакционному пространству 331 закрыт. Поскольку предпочтительно следует поддерживать постоянное давление в плазменном источнике 110, то клапан 417 отводящей линии открывают и поток газа через плазменный источник 110 направляют через отводящую линию 207 прямо в выпускную линию для поддержания постоянного давления. Защитный газ, вытекающий из линии 204 защитного газа, образует защитный буфер, предотвращающий нарастание потока частиц и газа в направлении от реакционной камеры 335 к шиберному клапану 115.

На Фиг. 6 изображено технологическое оборудование реактора осаждения согласно другому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления настоящего изобретения, изображенный на Фиг. 6, в основном соответствует варианту осуществления настоящего изобретения, изображенному на Фиг. 4, за исключением того, что он не содержит шиберного клапана 115, соответствующей отводящей линии 207, линии 204 защитного газа и клапана 410 для продувочного газа-носителя.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения кислородные радикалы, генерируемые из газообразного кислорода, используют для наращивания оксидов металлов, таких как оксиды металлов 3-й группы (например, оксид иттрия), оксидов металлов 4-й группы (например, диоксид гафния), оксидов металлов 5-й группы (например, пентоксид тантала) и оксидов металлов 13-й группы (например, оксид алюминия). Радикалы аммиака, генерируемые из газообразного аммиака, и радикалы азота, генерируемые из газообразного азота, используют для наращивания нитридов металлов, таких как нитриды металлов 4-й группы (например, нитрид титана), нитридов металлов 5-й группы (например, нитрид тантала и сверхпроводящий нитрид ниобия) и нитридов элементов 14-й группы (например, нитрид кремния). Радикалы водорода, генерируемые из газообразного водорода, используют в качестве восстановителей для наращивания тонких пленок, состоящих из отдельных элементов, таких как металлы 4-й группы (например, титан), металлы 5-й группы (например, тантал), металлы 6-й группы (например, вольфрам) и металлы 11-й группы (например, серебро). Летучие углеводороды используют для генерации углеводородных радикалов для наращивания карбидов металлов, таких как карбиды металлов 4-й группы (например, карбид титана).

На Фиг. 7 работа реактора осаждения из Фиг. 6 проиллюстрирована посредством временной диаграммы согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. В момент времени t_A MFC 431 линии 101 для продувочного газа-носителя 101 устанавливается на технологический уровень, предпочтительно - в диапазоне от 10 до 200 кубических сантиметров в минуту, более предпочтительно - в диапазоне от 20 до 100 кубических сантиметров в минуту, например - на 50 кубических сантиметров в минуту. Промежуток времени между t_B и t_C используют для импульсной подачи парообразного металлического прекурсора, например - триметилалюминия (ТМА), в режиме термического АСО в реакционное пространство 331, нагретое до температуры, выбранной в диапазоне от примерно 50 до примерно 500°С, например - до 200°С при использовании ТМА в качестве металлического прекурсора. Промежуток времени между t_C и t_D используют для продувки реакционного пространства 331 инертным газом, который содержит газообразный аргон или гелий из линии 102 плазменного источника и газообразного азота из питающих линий 371, 372. В момент времени 1в открывается импульсный клапан для (неметаллического) прекурсора для плазменного источника. На Фиг. 6 из доступных газов для плазменного источника выбран газообразный кислород, так что в момент времени t_D открывается импульсный клапан 414. В момент времени t_E мощность генератора плазмы (плазменного источника 110) возрастает до уровня, обеспечивающего генерацию радикалов, то есть до радиочастотной мощности, выбранной в диапазоне от 100 до 3000 Вт, например - равной 2000 Вт в случае генерации кислородных радикалов. Радикалы генерируются в течение промежутка времени между t_E и t_F. Другим словами, в промежуток времени между моментами t_E и t_F осуществляют фазу плазменного АСО. В момент времени t_F мощность генератора плазмы (плазменного источника 110) снижают до уровня, при котором радикалы не генерируются, предпочтительно - до мощности менее 100 Вт, например - до 0 Вт. В момент времени t_G закрывается импульсный клапан (здесь: клапан 414 для газообразного кислорода) прекурсора для плазменного источника. Промежуток времени между t_G и t_H используют для продувки системы инертным газом. Цикл осаждения от момента времени t_B до момента времени t_H, состоящий из импульса металлического прекурсора, продувки, импульса прекурсора радикалов и продувки, повторяют до тех пор, пока на подложке 360 не будет наращена тонкая пленка желаемой толщины.

Следует отметить, что могут быть осуществлены различные варианты представленных в данной работе примеров осуществления настоящего изобретения. В конструкции, изображенной на Фиг. 4, цикл осаждения может быть проведен в порядке, изображенном на Фиг. 5, или, например, в порядке, изображенном на Фиг. 7.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения поток газа из источника химически неактивного газа направляют в устройство для подачи радикалов (или расширительное пространство 425) через генератор плазмы (плазменный источник 110) в период импульса плазменного прекурсора во время периода плазменного АСО, причем в течение этого периода импульса газ функционирует в качестве газа-носителя для генерированных радикалов, тогда как в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения поток газа из источника химически неактивного газа направляют в расширительное пространство 425 через генератор плазмы в период продувки во время периода плазменного АСО, причем этот газ во время периода продувки функционирует как инертный или продувочный газ. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения газ направляют таким образом во время обоих этих периодов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения во время обоих этих периодов газ из источника химически неактивного газа дополнительно направляют в расширительное пространство 425 через линию 204 защитного газа. Например, во время периода термического АСО газ из источника химически неактивного газа в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения направляют в расширительное пространство 425 по обоим путям или только через линию 204 для защитного газа (например, в случае, если путь от генератора плазмы к расширительному пространству 425 закрыт). Также, если путь от генератора плазмы к расширительному пространству 425 закрыт, газ из источника химически неактивного газа в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения во время этих периодов направляют в расширительное пространство 425 через линию 204 для защитного газа, что приводит к непрерывному потоку инертного газа в расширительное пространство 425 и препятствует появлению эффекта обратного потока. Если путь от генератора плазмы к расширительному пространству 425 закрыт, то в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения поток газа из источника химически неактивного газа, текущий через генератор плазмы, во время этого периода направляют в отводящую линию для поддержания постоянного давления в генераторе плазмы.

Приведенный ниже пример эксперимента также демонстрирует работу избранных вариантов осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1

Кремниевую подложку размером 100 мм загружали в реакционную камеру 335 с помощью двойного подъемника, изображенного на Фиг. 3. Технологическое оборудование реактора осаждения согласно Фиг. 6 и временную диаграмму согласно Фиг. 7 использовали для наращивания оксида алюминия Аl₂О₃ из триметиламмония ТМА и воды H₂O на силиконовую подложку при 200°С. Скорость потока газообразного аргона через линию 101 для газа-носителя или продувочного газа была равна 30 кубическим сантиметрам в минуту. Длительность импульса ТМА была равна 0,1 с, далее следовала продувка в течение 6 с. Затем открывался импульсный клапан 414 для газообразного кислорода и газообразный кислород со скоростью потока, равной 50 кубическим сантиметрам в минуту, поступал через импульсный клапан 414 к удаленному генератору 110 плазмы. Радиочастотную мощность повышали от 0 Вт до 2500 Вт для включения генерации плазмы и удерживали на уровне 2500 Вт в течение 6 с. После этого радиочастотную мощность снижали от 2500 Вт до 0 Вт для отключения генерации плазмы. Затем закрывали клапан для газообразного кислорода и продували систему инертным газом в течение 10 с. Цикл осаждения повторяли до тех пор, пока не нарастала тонкая пленка Аl₂О₃ толщиной 36 нм. В результате полуширина доверительного интервала неоднородности толщины тонкой пленки, равная 1 сигме, составила всего 1,3% по результатам измерения эллипсометром в 49 точках.

В иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения описываемый 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 машинно-читаемой управляющей программы. На Фиг. 8 приведено схематичное изображение блок-схемы системы 800 управления реактором осаждения. В базовых настройках системы с помощью программного обеспечения запрограммированы технологические параметры, а инструкции выполняются через терминал 806 человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) и загружаются через шину 804 Ethernet блок 802 управления. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения блок 802 управления содержит блок программируемого логического контроллера (ПЛК) общего назначения. Блок 802 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 802 управления направляет электрическую мощность к пневматическим контроллерам клапанов реактора осаждения, имеет двухстороннюю связь с регуляторами массового расхода и управляет работой плазменного источника, генерацией плазмы и подъемником, а также обеспечивает другое управление работой реактора осаждения. Блок 802 управления может измерять и передавать показания датчиков из реактора осаждения на терминал 806 ЧМИ. Пунктирная линия 816 показывает интерфейсную линию между элементами реактора осаждения и блоком 802 управления.

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.

Реферат

Изобретение относится к реакторам осаждения с плазменным источником. Установка для плазменного атомно-слоевого осаждения содержит газовую линию от источника химически неактивного газа к расширительному устройству для подачи радикалов, открывающемуся в реакционную камеру, удаленный плазменный источник, систему управления потоком газа из источника химически неактивного газа через удаленный плазменный источник к расширительному устройству для подачи радикалов в течение всего периода плазменного атомно-слоевого осаждения, реактор плазменного атомно-слоевого осаждения, выполненный с возможностью осаждения материала в реакционной камере на по меньшей мере одну подложку посредством последовательных самонасыщающихся поверхностных реакций. Обеспечивается возможность атомно-слоевого осаждения на термочувствительные подложки при очень низких температурах. 6 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 пр.

Формула