改进的等离子体增强ALD系统技术方案

本文公开了改进的等离子体增强原子层沉积(PEALD)系统和相关的操作方法。真空反应室包括真空系统，所述真空系统从反应室分离包含未反应的第一前体的第一流出物，从反应室分离出第二流出物，其包含第二前体和所述第二前体与涂布表面反应的任何反应副产物。提供包含捕集器材料表面的捕集器以在第一前体与捕集器材料表面反应时从第一流出物移除第一前体。在第二前体包含等离子体产生的材料时，第二前体不通过捕集器。替代第二前体源将适合的第二前体注入到捕集器中以完成捕集器表面上的材料沉积层，由此使捕集器材料表面准备与第一前体在下一个材料沉积周期时反应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术背景专利
本专利技术涉及气体沉积系统，其被构造成实施可用于将薄膜材料层沉积到固体衬底的暴露表面上的等离子体增强原子层沉积(PEALD)气体沉积周期。特别是，该PEALD系统包括反应室、用于在非等离子体前体沉积周期过程中在反应室中建立第一真空压力的主真空泵、和用于在等离子体前体沉积周期过程中在反应室中建立第二较低真空压力的第二真空泵。相关技术常规ALD和前体捕集常规原子层沉积(ALD)系统作为可用于将薄膜材料层沉积到一个或多个衬底的暴露表面上的气体或蒸气沉积系统而操作。更具体地，原子层沉积(ALD)是通过使沉积衬底相继暴露于多个不同的化学和/或活性环境而进行的薄膜沉积技术。典型方法将藉以将与衬底表面上预先存在的化学部分化学吸附的蒸气相的含金属-原子的前体的引入而进行。在除去过量的前体和反应产物的吹扫(purge)周期之后，第二前体被引入到反应器中，其对第一反应物的化学吸附的部分具有反应性。第二吹扫周期除去过量的前体和反应产物。对于成功的ALD方法，第二前体周期使衬底表面再次准备用于另一次暴露于第一前体。表面相继暴露于：前体1、吹扫、前体2、吹扫、重复，使得共形膜(conformal film)受亚原子层厚度控制地沉积。在操作中，衬底置于基本上密封的反应室内部，所述反应室一般排空到低沉积压力，例如0.1至10毫托，并加热到反应温度，例如75至750℃之间。第一前体或反应物被引入到反应空间中以与衬
底的暴露表面或涂布表面反应。惰性载气可以在递送第一前体的过程中与第一前体混合。在期望的暴露时间之后，然后从反应室除去或吹扫掉第一前体。吹扫周期一般包括从反应室通过与真空泵流体连通的出口端口抽气。之后，第二前体或反应物被引入到反应空间中以与衬底涂布表面的暴露表面反应期望的暴露时间。惰性载气可以在递送第二前体的过程中与第二前体混合。然后从反应室通过如上所述的出口端口除去或吹扫掉第二前体。通常，上述两个前体涂布周期将单一材料厚度层施加到暴露表面上，层厚度为0.5至约通常，重复这两个前体涂布周期以一个叠一个地施加多个单一材料厚度层以获得期望的材料厚度。常规ALD系统包括设置在出口端口和真空泵之间的捕集器(trap)。该捕集器从流出物除去未反应的前体以避免损坏真空泵。特别是，在没有捕集器的情况下，用于将材料层施加到容纳在反应室内部的衬底的暴露表面上的相同的两个前体涂布周期可以合并以将相同的薄膜材料层形成于排气导管和真空泵的内表面上，最后导致不期望的表面污染和最终的真空泵故障。虽然已知从气体或蒸气沉积系统的流出物除去未反应的前体和反应副产物的各种各样的捕集器机理，但ALD系统中常规使用的一个特别有用的捕集机理是将捕集器室内部的大表面区域的加热金属板提供给前体以在它们通过捕集器室中时与之反应。一种这样的捕集器在题为VAPOR DEPOSITION SYSTEMS AND METHODS、2012年6月19日授权于Monsma等人的美国专利第8,202,575B2号中公开。在该公开中，Monsma等人描述了串联的ADL反应室、捕集器和真空泵，其中来自反应室的流出物在经真空泵抽出之前通过捕集器。捕集器特别构造成提供小的气流阻力和高的真空气传导率(conductance)，同时允许在捕集器内部提供的金属表面上发生和在反应室内部涂布的衬底的暴露表面上发生的相同的沉积过程。此外，Monsma等人表明期望提供具有与沉积材料相似的热膨胀系数的捕集器材料，以防止捕集器材料表面上形成的涂布层破裂(cracking)或剥落(flacking)和
被带到真空泵中。然而，Monsma等人提出的捕集器系统所具有的一个问题是，为了捕集器材料与流出物中的前体反应，两种前体都必须可以参与与捕集器材料表面的反应，并且如果两种前体不在流出物中，则捕集器内部的ALD反应未能形成材料层，捕集器的操作发生故障，且未反应的前体材料传递到真空泵。常规PEALD和前体捕集常规等离子体增强原子层沉积(PEALD)系统作为可用于将薄膜材料层沉积到一个或多个衬底的暴露表面上的气体或蒸气沉积系统而操作。在操作中，将衬底置于基本上密封的反应室中，所述反应室一般排空到低沉积压力，例如0.1至10毫托，并加热到反应温度，例如75至750℃之间。将第一前体或反应物(例如分子化学物质(如蒸气相含金属-原子的分子))作为蒸气引入到反应空间中以与衬底涂布表面的暴露表面反应。惰性载气可以在递送第一前体的过程中与第一前体混合。在期望的暴露时间之后，然后从反应室除去或吹扫掉第一前体。吹扫周期一般包括从反应室通过与真空泵流体连通的出口端口抽气。之后，包含通过等离子体源或其他自由基产生技术解离分子气体进料而产生的自由基通量的第二前体或反应物被引入到反应空间中以与衬底涂布表面的暴露表面反应。在PEALD系统中，第二前体包含通过使气体前体激发到等离子体状态或通过其他自由基产生技术产生的自由基。特别是，分子气体如氧气、氮气、氢气和其他分子气体或气体混合物通过等离子体发生器进行激发，并且自由基的通量被递送到反应室中以与衬底的暴露表面反应。自由基包含具有一个或多个自由电子的一个或多个原子或原子团，因此自由基是非常反应性的，但由于预期它们快速重组为相对惰性的分子物质，它们的寿命倾向于较短。和常规ALD系统一样，惰性载气可以在其递送过程中与等离子体前体混合。然后从反应室通过如上所述的出口端口除去或吹扫掉第二前体。通常，上述两个前体等离子体涂布周期将单一材料厚度
层施加到设置在反应室内部的衬底的暴露表面上，单层材料厚度为0.5至约通常，重复这两个前体周期以一个叠一个地施加多个单一材料厚度层以获得期望的材料厚度。常规PEALD系统的实例在题为PLASMA ATOMIC LAYER DEPOSITION SYSTEM AND METHOD、2010年7月22日公布的Becker等人的US20100183825A1中公开。在该公开中，Becker等人描述了等离子体反应室，其包括用于将非等离子体前体引入到反应室中的第一前体端口和将等离子体激发的前体材料引入到反应室中的第二前体端口或顶部孔。Becker等人在图10中公开了真空系统，其包括操作以通过图6中示出的捕集器组件将流出物从反应室除去的涡轮真空泵。该公开将该捕集器组件描述为受热以与从气体沉积室离开的气体流出物中的前体和/或等离子体气体反应。设置在捕集器内部的暴露的捕集器材料表面与来自流出物的任何剩余未反应的前体蒸气和/或未反应的等离子体自由基之间的反应从流出物除去了未反应的前体，并且将与沉积在反应室内部的衬底上的相同的材料沉积在暴露的捕集器材料表面上。自由基衰变然而，Becker等人提出的PEALD系统所具有的一个问题涉及等离子体激发的前体自由基的高反应性以及快速衰变到非激发态，并且这些因素以两种方式影响系统操作。在第一个相关问题中，等离子体前体的自由基可以衰变到非激发态或者在与被涂布的衬底的暴露表面反应之前与反应室内部的其他表面反应。结果，预期在反应室内部发生的期望的自限式ALD反应可能无法继续直至结束，因为暴露表面处缺乏等离子体自由基，使得衬底的暴露表面没有被完全涂布。在第二个相关问题中，等离子体前体的自由基可以衰变到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子层沉积方法，其包括：‑在反应室中支撑一个或多个衬底以进行沉积运行，其中所述沉积运行包括进行多个材料沉积涂布周期；‑对于每个沉积涂布周期：‑将第一前体递送到所述反应室中以与所述一个或多个衬底的暴露表面反应；‑从所述反应室移除第一流出物，其中所述第一流出物包含未反应的第一前体；‑使所述第一流出物通过ALD捕集器，其中所述ALD捕集器包含适合于与所述未反应的第一前体反应的捕集器材料表面；‑使替代第二前体通过所述ALD捕集器，其中所述替代第二前体适合于与所述捕集器材料表面以使所述捕集器材料表面能够与来自下一个涂布周期的第一流出物的未反应的第一前体反应并将其移除的方式进行反应，并且其中所述替代第二前体不从所述反应室抽出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.26 US 61/909,1211.一种原子层沉积方法，其包括：-在反应室中支撑一个或多个衬底以进行沉积运行，其中所述沉积运行包括进行多个材料沉积涂布周期；-对于每个沉积涂布周期：-将第一前体递送到所述反应室中以与所述一个或多个衬底的暴露表面反应；-从所述反应室移除第一流出物，其中所述第一流出物包含未反应的第一前体；-使所述第一流出物通过ALD捕集器，其中所述ALD捕集器包含适合于与所述未反应的第一前体反应的捕集器材料表面；-使替代第二前体通过所述ALD捕集器，其中所述替代第二前体适合于与所述捕集器材料表面以使所述捕集器材料表面能够与来自下一个涂布周期的第一流出物的未反应的第一前体反应并将其移除的方式进行反应，并且其中所述替代第二前体不从所述反应室抽出。2.权利要求1所述的方法，其中所述第一前体与所述一个或多个衬底的暴露表面之间的反应在反应温度下发生，所述方法还包括将所述捕集器材料表面维持在所述反应温度下的步骤。3.权利要求2所述的方法，其中从所述反应室移除所述第一流出物的步骤包括操作主真空泵以通过包括所述ALD捕集器的第一真空导管抽出所述第一流出物。4.权利要求3所述的方法，其还包括：-对于每个沉积涂布周期，在从所述反应室移除所述第一流出物之后：-将包含自由基的第二前体递送到所述反应室中以与所述一个或多个衬底的暴露表面反应；-从所述反应室移除第二流出物；-其中所述第二流出物不通过所述ALD捕集器。5.权利要求4所述的方法，其中从所述反应室移除第二流出物的步骤包括操作所述主真空泵以通过第二真空导管抽出所述第二流出物。6.权利要求5所述的方法，其中使所述替代第二前体通过所述ALD捕集器以及将所述包含自由基的第二前体递送到所述反应室中的步骤同时进行。7.权利要求6所述的方法，其中使所述替代第二前体通过所述ALD捕集器的步骤发生在从所述第一流出物移除所述未反应的第一前体之后和将所述第一前体递送到所述反应室中以启动下一个涂布沉积周期之前。8.权利要求4所述的方法，其还包括在从所述反应室移除所述第二流出物之前，关闭沿着在所述ALD捕集器和所述反应室之间的所述第一真空导管设置的第一真空阀，打开真空闸阀以提供通过涡轮分子真空泵移除所述第二流出物的通路，所述涡轮分子真空泵与在所述涡轮分子真空泵和所述主真空泵之间延伸的第二真空导管流体连通，并且打开沿着所述第二真空导管设置的第二真空阀。9.权利要求4所述的方法，其还包括在从所述反应室移除所述第一流出物之前，关闭真空闸阀以阻止通过涡轮分子真空泵移除所述第一流出物的通路，所述涡轮分子真空泵与在所述涡轮分子真空泵和所述主真空泵之间延伸的第二真空导管流体连通，并且关闭沿着在所述反应室和所述主真空泵之间的所述第二真空导管设置的第二真空阀。10.一种原子层沉积周期，其包括以下步骤：-使在反应室中支撑的一个或多个衬底的暴露表面暴露于第一非等离子体前体；-操作主真空泵以从所述反应室抽出第一流出物，其中所述第一流出物包含保留在所述反应室中的基本上全部的未反应的第一前体；-其中所述第一流出物通过在所述反应室和所述主真空泵之间延伸的第一真空导管抽出；-其中包含与未反应的第一前体具有反应性的捕集器材料表面的ALD捕集器沿着所述第一真空导管设置，以从所述第一流出物移除基本上全部的所述未反应的第一前体；-使所述暴露表面暴露于包含自由基的第二等离子体激发前体；-操作涡轮分子真空泵以从所述反应室抽出第二流出物，其中所述第二流出物从所述反应室吹扫基本上全部的所述第二前体；-其中所述第二流出物通过所述涡轮分子真空泵且通过在所述涡轮分子真空泵和所述主真空泵之间延伸的第二真空导管抽出，其中所述第二流出物不经所述ALD捕集器抽出；和-将替代第二前体递送到所述ALD捕集器中以与所述捕集器材料表面反应；-其中所述第二前体适合于与所述捕集器材料表面以使所述捕集器材料表面能够与来自所述第一流出物的未反应的第一前体反应并将其移除的方式反应。11.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·索瓦，R·凯恩，M·瑟沈，
申请(专利权)人：雅达公司，
类型：发明
国别省市：美国;US