一种薄膜沉积系统检测装置及方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种薄膜沉积系统检测装置及方法。


背景技术：

2.近年来，半导体技术飞速发展，随着集成电路工艺水平的提高，采用新型高介电的栅介质材料作为栅介质得到广泛的研究。原子层沉积技术(ald)凭借其独特的表面化学生长原理，不仅能够保证优异的共形性，而且薄膜厚度可精确达到原子层尺度的稳定控制，已经成为功能薄膜制备中的一项关键技术。但是其生长缓慢且在沉积过程中缺乏实时的原位检测手段，无法在不终止生长的前提下得到薄膜沉积的情况，制约了ald的进一步发展。
3.反射式高能电子衍射(rheed)是一种常用的原位监测薄膜生长过程的方法，其工作原理是以高能电子掠射晶体表面，通过荧光屏接收高能电子，并利用表面原子反射的信息来获取薄膜的生长信息。但是，在运用到ald系统中时，存在因原子大量沉积在荧光屏上导致检测受阻的问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的薄膜沉积系统检测装置及方法。
5.一方面，本技术通过本技术的一实施例提供如下技术方案：
6.一种薄膜沉积系统检测装置，用于原子层沉积系统，所述装置包括：集成在所述原子层沉积系统上的发射模块和接收模块；其中，
7.所述发射模块用于向所述原子层沉积系统的沉积腔室中发射电子束；
8.所述接收模块包括集成在所述原子层沉积系统上的真空接收腔室、位于所述真空接收腔室内的荧光屏以及设置在所述真空接收腔室上的第一阀门；所述第一阀门用于开闭所述真空接收腔室，以使所述荧光屏在所述第一阀门开启时，可接收经所述沉积腔室中沉积的薄膜衍射的电子束，以及在所述第一阀门关闭时，使所述荧光屏密封在所述真空接收腔室内。
9.可选的，所述接收模块还包括：
10.镜头组件，用于采集所述荧光屏上的图像；
11.计算机，用于接收所述镜头组件采集的图像。
12.可选的，所述荧光屏可拆卸的安装在所述真空接收腔室内部。
13.可选的，所述第一阀门为气动插板阀，所述气动电控插板阀通过所述原子层沉积系统的气动控制源进行控制。
14.可选的，所述真空接收腔室连接有第一真空泵，所述第一真空泵用于对所述真空接收腔室进行抽真空。
15.可选的，所述发射模块包括：
16.电子枪，用于向所述原子层沉积系统的沉积腔室中发射电子束；
17.真空系统，用于使所述电子枪工作在独立的真空环境中。
18.可选的，所述真空系统包括第二真空泵、第三真空泵和第二阀门，所述电子枪的发射端通过第二阀门与所述沉积腔室连接，所述第二阀门的两侧分别通过第一连接件和第二连接件与所述第二真空泵和所述第三真空泵连接，形成二级真空差分系统，是所述电子枪可工作在独立的真空环境中。
19.另一方面，本技术通过本技术的另一实施例提供一种薄膜沉积系统检测方法，应用于上述装置；所述方法包括：
20.在所述原子层沉积系统中进行薄膜沉积时，通过所述发射模块向所述薄膜表面发射电子束；
21.开启所述第一阀门开启，使所述荧光屏接收所述薄膜表面衍射的电子束，以获得检测数据；
22.当不需要采集检测数据时，关闭所述第一阀门，使所述荧光屏密封在所述真空接收腔室内。
23.可选的，所述原子层沉积系统中的样品台可旋转升降；所述方法还包括：
24.通过调整所述样品台，以调整所述薄膜表面对电子束的衍射角度。
25.基于同样的发明构思，本技术通过本技术的另一实施例提供一种原子层沉积系统，所述系统包括上述的薄膜沉积系统检测装置。
26.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
27.在原子层沉积系统上集成一套检测装置，该装置包括：集成在所述原子层沉积系统上的发射模块和接收模块；其中，所述发射模块用于向所述原子层沉积系统的沉积腔室中发射电子束；所述接收模块包括集成在所述原子层沉积系统上的真空接收腔室、位于所述真空接收腔室内的荧光屏以及设置在所述真空接收腔室上的第一阀门；所述第一阀门用于开闭所述真空接收腔室，以使所述荧光屏在所述第一阀门开启时，可接收经所述沉积腔室中沉积的薄膜衍射的电子束，以及在所述第一阀门关闭时，使所述荧光屏密封在所述真空接收腔室内。由于接收模块中的荧光屏被设置在封闭的真空接收腔室内，只有需要收集电子束时，才通过真空接收腔室抽真空后打开第一阀门来接收电子束，其余时间都通过关闭第一阀门，使所述荧光屏密封在所述真空接收腔室内，避免荧光屏长时间在沉积腔室中被薄膜沉积而导致检测受阻，因此，可提高装置的检测性能，减少荧光屏的更换频率。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
29.图1是本发明一种实施例的薄膜沉积系统检测装置的结构示意图；
30.图2是本发明一种真空接收腔室用于可拆卸安装荧光屏的结构示意图；
31.图3是本发明一种实施例的薄膜沉积系统检测方法的流程图；
32.图中：1、控制电源，2、电子枪，3、第一连接件，4、第二连接件，5、第二真空泵，6、第三真空泵，7、第二阀门，8、荧光屏，9、第一阀门，10、镜头组件，11、第一真空泵，12、计算机，
13、薄膜；14、样品台；15、第四真空泵。
具体实施方式
33.本技术实施例通过提供一种薄膜沉积系统检测装置，解决因原子大量沉积在荧光屏上导致检测受阻的问题。
34.本技术实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
35.一种薄膜沉积系统检测装置，在原子层沉积系统上集成一套检测装置，该装置包括：集成在所述原子层沉积系统上的发射模块和接收模块；其中，所述发射模块用于向所述原子层沉积系统的沉积腔室中发射电子束；所述接收模块包括集成在所述原子层沉积系统上的真空接收腔室、位于所述真空接收腔室内的荧光屏以及设置在所述真空接收腔室上的第一阀门；所述第一阀门用于开闭所述真空接收腔室，以使所述荧光屏在所述第一阀门开启时，可接收经所述沉积腔室中沉积的薄膜衍射的电子束，以及在所述第一阀门关闭时，使所述荧光屏密封在所述真空接收腔室内。
36.由于接收模块中的荧光屏被设置在封闭的真空接收腔室内，只有需要收集电子束时，才通过真空接收腔室抽真空后打开第一阀门来接收电子束，其余时间都通过关闭第一阀门，使所述荧光屏密封在所述真空接收腔室内，避免荧光屏长时间在沉积腔室中被薄膜沉积而导致检测受阻，因此，可提高装置的检测性能，减少荧光屏的更换频率。
37.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
38.首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
39.另外，文本中出现的“内”和“外”是常规意义的内和外，是为了便于描述清楚，并不是任何限定。
40.实施例一
41.参见图1所示，本实施例提供一种薄膜沉积系统检测装置，用于原子层沉积系统，所述装置包括：集成在所述原子层沉积(ald)系统上的发射模块和接收模块；其中，
42.所述发射模块用于向所述原子层沉积系统的沉积腔室中发射电子束；
43.所述接收模块包括集成在所述原子层沉积系统上的真空接收腔室、位于所述真空接收腔室内的荧光屏8以及设置在所述真空接收腔室上的第一阀门9；所述第一阀门9用于开闭所述真空接收腔室，以使所述荧光屏8在所述第一阀门9开启时，可接收经所述沉积腔室中沉积的薄膜13衍射的电子束，以及在所述第一阀门9关闭时，使所述荧光屏8密封在所述真空接收腔室内。
44.需要说明的是，反射式高能电子衍射(rheed)是一种常用的原位监测薄膜生长过程的方法，其工作原理是以高能电子掠射晶体表面，利用表面原子反射的信息来获取薄膜的生长过程和生长模式，给出薄膜结晶质量、表面平整度等信息。可以与许多薄膜制备系统兼容，能在线监测薄膜生长的过程，很灵敏地反映表面的变化情况；同时亦可以保证分析过程中对被检测样品的形貌破坏极小，甚至可以忽略。因此，采用高能电子衍射技术能在不破坏样品的前提下实时原位获得原子层沉积中薄膜的生长信息。但是，为了收集衍射的电子
束，荧光屏必须设置在原子层沉积系统的沉积腔室内，原子必定会沉积在荧光屏上，使荧光屏不能再显示衍射花样，检测受阻，必须跟换荧光屏才能重新进行检测。
45.分析对薄膜监测的特性发现，在实际操作过程中，并不需要持续的发射和接收电子束来进行检测，而只是定时的或不定时的开启检测装置，采集检测数据，即可实现监测。因此，参见图1，本实施例的接收模块是一种可开关的真空系统，通过将荧光屏8设置在可开关的真空接收腔室内，实现对荧光屏8的保护，可延长荧光屏8的更换时长。
46.具体的，参见图1，真空接收腔室可拆卸的穿通密封连接在原子层沉积系统中，一端在原子层沉积系统的沉积腔室中，第一阀门9则设置在位于沉积腔室内的一端端部，而荧光屏8则设置在真空接收腔室内靠近第一阀门9的位置，便于在第一阀门9打开时，荧光屏8即可接收薄膜13衍射的电子束。
47.示例性的，第一阀门9可以是气动插板阀或电动插板阀，由于原子层沉积系统的阀门通常都是用气动控制，因此，气动电控插板阀可通过所述原子层沉积系统的气动控制源进行控制，通过对气源的控制，则可控制第一阀门9的开闭。电动插板阀则可通过电路进行控制。
48.作为一种可选的实施方式，所述接收模块还包括：
49.镜头组件10，用于采集所述荧光屏8上的图像；
50.计算机12，用于接收所述镜头组件10采集的图像。
51.参见图1，镜头组件10可以设置在真空接收腔室内，以便采集所述荧光屏8上的图像。示例性的，镜头组件10可以是相机，例如ccd相机，ccd相机具有调焦和调明暗的功能，可以将荧光屏8上的图像清晰地传送到计算机12中。计算机12给出相对应的振荡曲线；通过衍射强度振荡曲线能够监测薄膜层的厚度和生长速度。
52.作为一种可选的实施方式，所述荧光屏8可拆卸的安装在所述真空接收腔室内部。虽然真空接收腔室在关闭时可以对荧光屏8进行全面的保护，但在打开第一阀门9，荧光屏8接收衍射的电子束时，荧光屏8还是会短暂的被薄膜污染，因此，虽然延长了荧光屏8的更换时长，但必定还是要涉及更换。本实施例中，将荧光屏8可拆卸的安装在所述真空接收腔室内部，可便于更换。示例性的，参见图2，图2为真空接收腔室底部的安装荧光屏8的结构示意图，通过一个与荧光屏8侧门匹配的凹槽来固定荧光屏8，只要将荧光屏8垂直放在凹槽内即可。而更换荧光屏8时，直接取下，在将新的荧光屏8放在凹槽内即可，方便快捷。
53.作为一种可选的实施方式，所述真空接收腔室连接有第一真空泵11，所述第一真空泵11用于对所述真空接收腔室进行抽真空。在具体实施过程中，在打开第一阀门9时，如果两侧存在压差，则在打开时，压力冲击会伤害阀门和其它设备，甚至难以打开阀门。因此，第一真空泵11可以在打开第一阀门9前对真空接收腔室进行抽真空，以平衡第一阀门9两侧压力。
54.在介绍完接收模块后，下面对发射模块进行详细描述。
55.参见图1，发射模块包括：
56.电子枪2，用于向所述原子层沉积系统的沉积腔室中发射电子束；
57.真空系统，用于使所述电子枪2工作在独立的真空环境中。
58.具体的，在本实施例中，电子枪2发射高能电子束，其电压在0-30kv、电流在0-1.5a内连续可调，具体通过控制电源1来实现调整。
59.参见图1，真空系统包括第二真空泵5、第三真空泵6和第二阀门7，所述电子枪2的发射端通过第二阀门7与所述沉积腔室连接，所述第二阀门7的两侧分别通过第一连接件3和第二连接件4与所述第二真空泵5和所述第三真空泵6连接，形成二级真空差分系统，使所述电子枪2可工作在独立的真空环境中。具体的，电子枪位置为高真空，如果真空泵抽速太大，可能会影响沉积腔室的气压，两个部位的压差可能不会有3～4个数量级；ald生长薄膜过程中沉积腔室的气压会变化，电子枪的气压也会发生变化，如果加上二级差分的话，可通过第三真空泵6起到缓冲作用，使沉积腔室中的气压变化时，不会直接影响到灯丝。
60.在具体实施过程中，沉积腔室中的真空度可能并不满足电子枪2的高真空工作环境，第二真空泵5可对电子枪2的工作环境进行抽真空，保证电子枪2工作在高真空(＜5
×
10-6
torr)中，以保护灯丝。而第二阀门7可以在第二真空泵5为工作时，保护电子枪2的灯丝。且使其可以通过差分真空应用在一些低气压沉积系统中。
61.在本实施例中，第二阀门7与第一阀门9的实施方式相同，这里不再赘述。
62.此外，在本实施例中，由于电子束打至样品会激发x射线，产生x射线辐射，因此，所有视窗(尤其是荧光屏8观察部位)都使用合适的金属帽或铅玻璃进行保护。
63.ald系统的设备在机械泵的基础上加装第四真空泵15，以达到rheed要求的高真空；同时其样品台14可以做上下左右及旋转运动，以调整样品台14上的角度，产生更好效果的衍射图像。
64.实施例二
65.基于与实施例一相同的方面构思，本实施例提供一种薄膜沉积系统检测方法，将实施例一的装置集成在原子层沉积系统上，并利用所述装置对所述原子层沉积系统中进行的薄膜沉积进行检测；
66.参见图3，所述方法包括：
67.s200、在所述原子层沉积系统中进行薄膜沉积时，通过所述发射模块向所述薄膜表面发射电子束；
68.s400、开启所述第一阀门9开启，使所述荧光屏8接收所述薄膜表面衍射的电子束；当不需要采集检测数据时，关闭所述第一阀门9，使所述荧光屏8密封在所述真空接收腔室内。
69.可减少荧光屏8上的薄膜沉积，延长荧光屏8的更换时长。
70.为了在沉积前调整样品台14角度，使沉积检测时产生更好效果的衍射图像，作为一种可选的实施方式，所述原子层沉积系统中的样品台14可旋转升降；
71.则所述方法还包括：
72.通过调整所述样品台14以调整所述薄膜表面对电子束的衍射角度。。
73.需要说明的是，本实施例中未清楚的实施方式请参见实施例一，这里不再赘述。
74.实施例三
75.基于与实施例一相同的方面构思，本实施例提供一种原子层沉积系统，所述系统包括实施例一中的薄膜沉积系统检测装置。
76.下面以一个完整的实施例来展示利用加装了实施例一的检测装置的原子层沉积系统进行薄膜沉积和检测的过程。
77.第一步，将衬底放入沉积腔室的样品台14中。
78.因为衬底的清洁度对薄膜的质量来说至关重要，所以衬底需要进行严格的清洗：在spm溶液(h2so4∶h2o2＝4∶1)中，温度120-150℃下清洗5分钟；在sc-1(1号液)溶液(nh4oh∶h2o2∶h2o＝1∶1∶5)中，温度80-90℃下清洗10分钟；在sc-2(2号液)溶液(hcl∶h2o2∶h2o＝1∶1∶6)中，温度80-90℃下清洗10分钟；用dhf溶液(hf∶h2o＝1∶100)清洗1分钟；然后在去离子水中冲洗，最后用n2吹干。
79.第二步，打开ald和rheed上所有真空泵。
80.待ald的沉积腔室和rheed电子枪2的真空满足＜5
×
10-6
tort后，打开第二阀门7。
81.第三步，打开rheed电子枪2。
82.通过可运动的样品台14调整样品角度，得到沉积前衍射花样图像。
83.第四步，进行ald薄膜沉积。
84.以氧化铝薄膜为例，将原子层沉积设备的工艺压力调整为0.1torr，基底温度调整为200℃，用惰性气体n2作为载气，用三甲基铝(tma)和去离子水作为前驱体源，前驱体源的脉冲时间为0.02s，惰性气体吹扫时间为40s。
85.第五步，设备整体运行，实时获取数据。
86.为了保护荧光屏8，沉积过程中可以采用间断式观测方式；即随时可以打开荧光屏8前端第一阀门9，获取衍射图像和振荡曲线。薄膜的生长模式可以分为三种：层状生长、岛状生长和层 岛状生长模式，根据衍射花样可以判断生长模式；根据高能电子衍射图像还可以鉴别薄膜为多晶薄膜还是单晶薄膜；另外，rheed强度的变化能反映薄膜生长的模式，并且在二维层状生长模式下，可由强度振荡周期来精确控制薄膜生长的速率。观测完立即关闭第一阀门9。
87.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
88.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。