衬底处理装置中的等离子体的制作方法

1.本发明总体上涉及衬底处理方法和装置。更具体地，但不是排他性地，本发明涉及等离子体增强的原子层沉积(ald)反应器。


背景技术：

2.本章节说明了有用的背景信息，但不承认这里描述的任何技术代表现有技术。然而，例如通过考虑授权专利us 9,095,869 b2，可以更好地理解所描述的反应器结构。
3.在化学沉积方法中，诸如原子层沉积(ald)，等离子体可以被用于为表面反应提供所需的额外能量。然而，等离子体源的使用可能会导致针对沉积反应器的某些要求或具体问题。一个这样的问题是，等离子体中的反应性物质寿命有限。


技术实现要素：

4.本发明的某些实施例的目的是应对等离子体的有限寿命，或者至少针对现有技术提供备选方案。
5.根据本发明的第一示例方面，提供了一种衬底处理装置，包括：
6.反应室；
7.等离子体进给线，用于针对沉积靶将等离子体物质引入所述反应室中，其中
8.所述等离子体进给线包括入口部件，所述入口部件被配置为加速气体速度。
9.在某些实施例中，该装置包括等离子体源。在某些实施例中，等离子体源位于入口部件的上游。在某些实施例中，等离子体源包括等离子体源管(跨等离子体源行进的管)。在某些实施例中，在等离子体源管内生成等离子体物质。在某些实施例中，入口部件和等离子体源管是同心部件。
10.在某些实施例中，该装置包括在等离子体源和沉积靶之间的等离子体进给线，以针对沉积靶将等离子体物质引入反应室。
11.在某些实施例中，沉积靶位于反应室内。在某些实施例中，沉积靶是衬底。在某些实施例中，沉积靶是一批衬底。在某些实施例中，衬底是晶片。在某些实施例中，该批衬底中的衬底是竖直定向的。
12.在某些实施例中，入口部件位于等离子体源和反应室之间。在某些实施例中，等离子体源是远程等离子体源。在某些实施例中，等离子体源位于反应室的外部。
13.在某些实施例中，等离子体物质包括气态等离子体。在某些实施例中，等离子体物质包括自由基。在某些实施例中，等离子体物质包括离子。
14.在某些实施例中，入口部件位于等离子体进给线内的中心位置。在某些实施例中，入口部件具有比等离子体进给线中的其他部件/剩余部件窄的内直径。在某些实施例中，等离子体进给线在入口部件内具有其最窄的内直径。在某些实施例中，入口部件提供等离子体进给线的最窄通道宽度。
15.在某些实施例中，入口部件是入口衬垫的形式，带有用于入口衬垫的保持器。在某
些实施例中，入口衬垫是管状物品。在某些实施例中，入口衬垫对可见光是透明的。在某些实施例中，入口衬垫是化学惰性的。在某些实施例中，入口衬垫(内管)是电绝缘的。在某些实施例中，入口部件包括内管，该内管由外管或外部部件包围。在某些实施例中，内管和外管是同心部件。在某些实施例中，内管和外管具有环形横截面。在某些实施例中，内管和外管彼此紧密配合。在某些实施例中，外部部件或外管形成用于内管的保持器。在某些实施例中，外部或外管是导电的。在某些实施例中，向外部部件或外管施加适当的电位，诸如系统接地。在某些实施例中，入口部件附接在管道部分之间。
16.在某些实施例中，入口部件是可移除部件。在某些实施例中，内管是可移除部件。在某些实施例中，入口部件为等离子体给入管路提供突然收缩或狭窄，以增加气体速度。在某些实施例中，入口部件为等离子体进给线提供逐渐变窄的流动路径。在某些实施例中，入口部件之后是朝向反应室扩展的扩展空间。在某些实施例中，从等离子体源到反应室的流动路径，在入口部件和扩展空间之间的接口处经历逐步扩展(或加宽)、或与该接口连接。在某些实施例中，入口部件是非致动部件，例如，不是阀门。在某些实施例中，入口部件是被动部件(即，非主动部件)。在某些实施例中，紧接在入口部件之后(或其下游)的等离子体进给线(扩展空间)的横截面积大于紧接在入口部件之前(或其上游)的等离子体进给线(等离子体源管)的横截面积。
17.在某些实施例中，反应室由真空室包围。
18.在某些实施例中，等离子体反应物气体由rf(射频)辐射激发。在某些实施例中，等离子体反应物气体由微波辐射激发。在某些实施例中，等离子体反应物气体在不注入的情况下被送入到等离子体源管中。在某些实施例中，将等离子体反应物气体可选地与载体和/或惰性气体一起送入等离子源管，而不是将气体注入等离子源管中。因此，等离子体反应物气体可选地与载体和/或惰性气体一起沿着(规则)管道(即，没有特殊的注入布置)被引导到等离子体源管中。在某些实施例中，管道包括至少一个阀(或等离子体反应物脉冲阀)。
19.在某些实施例中，等离子体进给线包括竖直等离子体源管，该竖直等离子体源管包括等离子体形成部。在某些实施例中，等离子体进给线沿着竖直路径穿过等离子体形成部和收缩部。
20.在某些实施例中，该装置包括会聚喷嘴布置或会聚-发散喷嘴布置以加快气体速度。
21.在某些实施例中，该装置被配置为在反应室中的衬底表面上执行顺序自饱和表面反应。在某些实施例中，该装置被配置为施加等离子体辅助原子层沉积。
22.根据本发明的第二示例方面，提供了一种方法，包括：
23.在衬底处理装置中，针对沉积靶将等离子体物质经由等离子体进给线引入反应室中；以及
24.通过入口部件加速所述等离子体进给线内的气体速度。
25.在某些实施例中，提供了喷射喷嘴入口衬垫。在某些实施例中，喷射喷嘴入口衬垫是管状物品。在某些实施例中，该部件的内直径基本上小于气体引入的其他部件的内直径。已经观察到，由于其横截面小于等离子体源管和反应室，在该部件内部气体速度增加。该增加可以基于例如阻塞流动效应。还观察到，气体速度不仅在入口衬垫内部增加，而且在入口衬垫下游相对较远的地方，甚至接近沉积靶处，气体速度也会增加。所得到的喷射流使从等
离子体源到沉积靶的输送时间最小化。在某些实施例中，喷射流与周围气体接触，因此与固体材料的接触表面积最小。这进一步改善了活性物质(或等离子体物质)向沉积靶的输送，因为活性物质的平均寿命变长。
26.在某些实施例中，入口部件包括管状部件，该管状部件的内直径小于进给线(或内直径小于等离子源管)。在某些实施例中，入口部件包括化学惰性的管状部件。在某些实施例中，入口部件包括电绝缘的管状部件。在某些实施例中，入口部件包括容纳内管的外部部件或外管。
27.在某些实施例中，该方法包括：
28.由真空室包围所述反应室。
29.在某些实施例中，该方法包括：
30.在所述反应室中的衬底表面上执行顺序自饱和表面反应。
31.前面已经说明了不同的非约束示例方面和实施例。上述实施例仅用于解释可以在本发明的实现中使用的选定方面或步骤。可以仅参考某些示例方面来呈现一些实施例。应当理解，相应的实施例也适用于其他示例方面。可以形成实施例的任何适当组合。
附图说明
32.现在将参照附图，仅通过示例的方式，描述本发明，其中：
33.图1示出了根据某些实施例的装置；
34.图2示出了根据另外的实施例的装置；
35.图3示出了处于加载位置中的图2的装置；
36.图4示出了根据某些实施例的入口部件；以及
37.图5示出了根据某些实施例的装置中的气体速度的仿真结果；
38.图6示出了根据某些示例实施例的具有会聚喷嘴布置的装置的示意图；以及
39.图7示出了根据某些示例实施例的具有会聚-发散喷嘴布置的装置的示意图。
具体实施方式
40.在下面的描述中，使用原子层沉积(ald)技术作为示例。
41.ald生长机制的基本知识对于本领域技术人员而言是已知的。ald是一种特殊的化学沉积方法，基于在至少一个衬底上顺序引入至少两个反应性前驱体物质。基本的ald沉积周期由四个顺序步骤组成：脉冲a、清洗a、脉冲b和清洗b。脉冲a由第一前驱体蒸汽组成，而脉冲b由另一前驱体蒸汽组成。在清洗a和清洗b期间，非活性气体和真空泵通常用于从反应空间中清洗气态反应副产物和残留反应物分子。沉积序列包括至少一个沉积循环。重复沉积循环，直到沉积序列产生了具有所需厚度的薄膜或涂层。沉积循环也可以更简单，也可以更复杂。例如，循环可以包括由清洗步骤分隔的三个或更多个反应物蒸汽脉冲，或者可以省略某些清洗步骤。或者，对于这里讨论的等离子体辅助ald(例如，peald(等离子体增强的原子层沉积))，可以通过为表面反应提供所需的附加能量来辅助沉积步骤中的一个或多个步骤，该附加能量通过等离子体给入提供，或者可以用等离子体能量替代反应性前驱体之一，该等离子体能量导致单前驱体ald工艺。因此，取决于每个特定情况，脉冲和清洗序列可以不同。沉积循环形成由逻辑单元或微处理器控制的定时沉积序列。由ald生长的薄膜致密，
无针孔，且厚度均匀。
42.至于衬底处理步骤，该至少一个衬底通常暴露于反应容器(或室)中的在时间上分离的前驱体脉冲，以通过顺序的自饱和表面反应在衬底表面上沉积材料。在本技术的上下文中，术语ald包括所有适用的基于ald的技术和任何等同或密切相关的技术，例如以下ald子类型：mld(分子层沉积)、等离子体辅助ald(例如，peald(等离子体增强的原子层沉积)和光子增强的原子层沉积(也称为闪光增强的ald或光ald)。
43.然而，本发明不限于ald技术，而是其可以在多种衬底处理装置中采用，例如在化学气相沉积(cvd)反应器中，或者在蚀刻反应器中，诸如在原子层蚀刻(ale)反应器中。
44.图1示出了根据某些实施例的装置100。装置100是衬底处理装置，其可以是例如，等离子体辅助ald反应器。该装置包括反应室130和进给线(或进给布置)115，用于针对位于反应室130中的沉积靶160引入等离子体，例如气态等离子体。沉积靶160可以是衬底(或晶片)或一批衬底。
45.装置100还包括通向真空泵150的排气管145。反应室130可以是底部为圆形的圆柱体的一般形式，或者其可以采用任何其他衬底形状。在某些实施例中，排气管145位于反应室130的圆形底部。真空泵150为反应室130提供真空。在某些实施例中，该装置包括外室，即反应室130周围的真空室140。可以将非活性屏蔽气体送入真空室140和反应室130之间的中间空间。中间空间内的压力通过泵送保持在比反应室130内的现行压力更高的水平上。可以使用相同的真空泵150或另一泵来布置从中间空间流出的(非活性气体)流。
46.进入反应室130的等离子体给入115自等离子体源或远程等离子体源布置。该给入从反应室130的顶侧发生。等离子体物质从等离子体源管125向下行进。在某些实施例中，等离子体源管125形成进给线115的一部分。进给线115包括被配置为加速气体速度的入口部件110。在某些实施例中，入口部件110位于等离子体源管125的下游。在某些实施例中，入口部件110是管状部件，该管状部件具有比在入口部件110前面的等离子体源管125窄的内直径。在某些实施例中，等离子体源管125形成等离子体源的一部分。在某些实施例中，在等离子体源管125和入口部110之间可以存在另一管道部分。
47.当等离子体物质进入入口部件110时，其速度增加。到沉积靶160的传送时间相应减少。
48.入口部件110可以由容纳内管112的外部部件或外管111形成。例如，外管111可以由金属制成。示例材料是铝或钢。它可以是导电部件。内管112可以是化学惰性的。在某些实施例中，内管112由石英制成。在某些实施例中，内管112由蓝宝石制成。内管112可以是电绝缘的。外管111可以在其底部部件中包括向内突出的形状，以供内管112设置在其上。此外，外管111可以在其顶部部件中包含向外突出的形状，用于通过固定部件113或类似部件将入口部件110固定在管道部分之间。内管112可以是外管111的入口衬垫。内管112可以形成喷射喷嘴入口衬垫。
49.在某些实施例中，入口部件110在入口部件110的顶部部件中具有输入开口，用于将等离子体物质接收到内管112内部。内管112为等离子体物质向下流动提供直的圆柱通道，直到入口部件110的底部部件中的输出开口，以增加的速度将等离子体物质从内管112的内部输出到反应室130的内部。在某些实施例中，如图1所示，在将等离子体物质输出到反应室130内部时，等离子体物质经历流动路径的逐步扩大。因此，在某些实施例中，扩大后的
流动路径受到反应室130的圆柱壁的侧向限制。
50.图2示出了根据某些实施例的装置200。装置200及其操作总体对应于装置100的操作。因此，参考前面的描述。然而，在图2所示的实施例中，呈现了与衬底加载和卸载相关的另外的特征。
51.可变形给入部件221位于入口部件110和沉积靶160之间。可变形给入部件221具有用于衬底处理(例如，通过等离子体辅助ald)的闭合配置和用于衬底加载的打开配置。在闭合配置中，给入部件221可以是伸展形状，而在打开配置中可以是收缩形状。闭合配置在图2中示出，而打开配置在图3中示出。
52.可变形给入部件221包括一组嵌套子部件或环状构件，它们可移动以彼此配合。在图2和图3所示的实施例中，子部件的数量是2。子部件201和202形成伸缩结构。在图2和图3所示的示例实施例中，上方的子部件201附接到真空室140的壁。该附接可以在真空室140的顶壁中或在另一个适当的点中，这取决于实施例。在其他实施例中，上方的子部件可以附接到入口部件110的出口。以此方式可以提供从入口部件110到反应室130内部的逐渐加宽的流动路径，而不是步进式放大。在某些实施例中，诸如图2和图3所示，下方的子部件202或是如图2所示关闭下方子部件202与反应室130(或反应室壁)之间的接口，或是如图3所示提供加载间隙，用于将衬底加载到反应室130中。
53.如图3所示，升降机190的可伸缩轴附接到可变形给入部件221或与其连接。升降机190操作该可变形给入部件221。衬底260(或一批衬底)由加载器206(端执行器、加载机器人或类似物)通过加载间隙经由加载端口205被加载到反应室130中，该加载间隙是通过将给入部件221竖直变形为其打开配置而形成的。
54.等离子体物质作为竖直流，从等离子体源通过等离子体源管125，并以增加的速度通过入口部件110行进到入口部件110的输出开口或出口，并由此沿着逐渐加宽的流动路径行进到沉积靶160。
55.在某些实施例中，在入口部件110周围，在向下方向上提供保护性惰性气体流动235(见图2)。
56.图4示出了根据某些实施例的入口部件110。入口部件110包括外管111，外管111容纳内管或入口衬垫112。入口部件110可选地包括开口114用于从侧面方向上观察等离子体，开口114径向延伸穿过至少一侧的整个外管111(但不穿过内管112)。在某些实施例中，压力传感器118位于开口114内。
57.图5示出了根据某些实施例的装置中的气体速度的仿真结果。该装置是前述图1至图3中所示的类型，特别是图2至图3中所示的类型。因此，该装置包括等离子体源管125，接着是内直径比管125的内直径窄的入口部件(具有图中所示的内管112)。入口部件之后是朝向反应室130中的沉积靶160扩展的扩展体积(部件121或类似物)。出于仿真的目的，等离子体源管125的内直径为22mm，并且内管112的内直径为15mm。可以观察到，气体速度不仅在部件112内部增加，而且在部件112下游相对较长的距离处，甚至接近沉积靶160处，气体速度也增加。
58.图6示出了根据某些其他实施例的装置的示意图。在这些实施例中，入口部件110(参见前面的图1至图4)由会聚喷嘴布置605实现。在图6所示的实施例中，等离子体反应物(或所形成的等离子体物质)进入喷嘴部件112’(如箭头601所示)。喷嘴部件112’可以在其
他方面类似于前面描述的内管或入口衬垫112，但是，喷嘴部件112’提供了会聚通道，而不是具有不变的几何形状和直径的流动通道。作为示例，喷嘴部件112’可以包含倒置的截锥112’，截锥112’在其中形成会聚流动通道。气体速度在由喷嘴部件112’提供的会聚通道内加速。在喷嘴部件112’的反应室端，流动通道包括流动通道(流动路径)的逐步加宽。此时，如箭头602所示，等离子体物质朝向沉积靶160(在反应室130中)以增加的速度释放。经由另一路线(即，不通过会聚喷嘴布置605的路线)布置将(多个)非等离子体前驱体送入反应室130中。在某些实施例中，(多个)非等离子体前驱体的给入从反应室130的一侧或多侧面布置(会聚喷嘴布置605的下游)，而等离子体物质到反应室的流动方向是从反应室的顶部开始。
59.图7示出了根据某些其他实施例的装置的示意图。在这些实施例中，该装置包括会聚-发散喷嘴布置705，代替会聚喷嘴布置605。在图7所示的实施例中，等离子体反应物(或所形成的等离子体物质)进入喷嘴部件112”(如箭头701所示)。喷嘴部件112”在其他方面可以类似于喷嘴部件112’，但是，与部件112’仅提供会聚通道不同，喷嘴部件112”提供会聚通道，其后是发散(扩展，在体积方面)通道。在某些实施例中，会聚和发散通道部件包括它们之间的接口，该接口提供流动通道(流动路径)的逐步加宽。逐步加宽是为了防止等离子体通过与(多个)流动通道侧壁的碰撞而再结合。作为示例，喷嘴部件112’可以包含倒置的截锥，该倒置的截锥形成会聚流动通道，并且其后是另一截锥221’，在其中形成发散(扩展)流动通道。气体速度在由喷嘴部件112’提供的会聚通道内加速。如箭头702所示，在会聚和发散通道之间的接口处，等离子体物质朝向沉积靶160(位于反应室130内)以增加的速度释放。经由另一路线(即，不通过会聚-发散喷嘴布置705的路线)布置将(多个)非等离子体前驱体给入反应室130中。在某些实施例中，(多个)非等离子体前驱体的给入从反应室130的一侧或多侧布置(会聚-发散喷嘴布置705的下游)，而等离子体物质到反应室的流动方向是来自反应室的顶部。利用会聚-发散喷嘴布置705，即使是超音速气体喷射也是可能的。
60.在图6和图7所示的实施例中呈现的会聚喷嘴特征和会聚-发散喷嘴特征适用于所有其他所呈现的实施例。类似地，其他实施例的特征也适用于图6和图7所示的实施例。
61.在不限制专利权利要求的范围和解释的情况下，下面列出本文公开的一个或多个示例实施例的某些技术效果。技术效果是提供了改进的向沉积靶的反应物质输送。另一技术效果是在金属部件和反应性等离子体物质之间形成化学耐受的阻挡层。
62.通过本发明的特定实现和实施例的非限制性示例的方式，前述描述提供了发明人当前设想的用于执行本发明的最佳模式的全面且信息丰富的描述。然而，本领域技术人员清楚的是，本发明不限于上面呈现的实施例的细节，而是可以在不偏离本发明特性的情况下，在其他实施例中使用等同手段实现。
63.此外，本发明的上述实施例的一些特征可以在不相应使用其他特征的情况下发挥优势。因此，前述描述应被视为仅说明本发明的原理，而不限于此。因此，本发明的范围仅由所附专利权利要求限制。