一种原子层沉积设备的气路系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种原子层沉积设备的气路系统及其控制方法，通过增加氢气尾气处理装置或添加氢气替换管路两种方式，在不需要水反应的循环步骤，改变氢气的流向或进行氢气替代，使水汽发生器不能生成水，从而可有效避免因两种前驱物在真空管路或真空泵相遇而发生CVD反应，因此可延长真空泵维护周期、提高高纯水的利用率，节约成本，同时也有利于设备颗粒数量的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种原子层沉积设备的气路系统及其控制方法
本专利技术涉及半导体设备
，更具体地，涉及一种原子层沉积设备的气路系统及其控制方法。
技术介绍
随着集成电路逐渐向28nm、18nm、12nm，甚至7nm、5nm等更高技术代发展，电子元器件的工艺制程不断地缩小，进而对集成电路制备中各工序技术提出了更高的要求，首当其冲的便是薄膜沉积技术。而传统的化学气相沉积(CVD，ChemicalVaporDeposition)、物理气相沉积(PVD，PhysicalVaporDeposition)技术在薄膜厚度精准控制、台阶覆盖率等方面的劣势将逐渐显现，越来越不能满足技术代的发展要求。原子层沉积(原子层沉积，AtomicLayerDeposition)技术在薄膜沉积方面具有精准厚度控制、优良的台阶覆盖率、化学成分均匀，杂质少等众多优点，有效地弥补了CVD和PVD技术的缺点，被认为是最具潜力的薄膜沉积技术之一。原子层沉积技术主要分为两个半反应：1)在一定的沉积温度下，向腔室通入第一种反应前驱物，待第一种反应前驱物分子饱和吸附在衬底表面后，通入吹扫气体将第一种反应前驱物及其副产物吹扫干净；2)向腔室通入第二种反应前驱物，待第二种反应前驱物分子饱和吸附在衬底表面后，通入吹扫气体将第二种反应前驱物及其副产物吹扫干净。两个半反应完成后，即在衬底表面沉积了一个分子层。通过控制原子层沉积循环的次数，可以精准地控制沉积薄膜的厚度，且沉积薄膜具有优良的保形性。在原子层沉积技术中，常常用水作为沉积氧化物型薄膜的反应源(例：氧化铝、氧化铪、氧化锆等)，为了获得高纯度的水汽，往往通过水汽发生器(WVG，WaterVaporGenerator)催化氢气和氧气反应生成高纯水，避免了杂质混入，适用于高质量薄膜要求的场合。在薄膜沉积过程中，为了实现两种前驱物的快速切换，WVG内部需要保持持续的气体流通，因此，WVG中会持续生成水。而在原子层沉积工艺中，通过WVG生成的水在不通入腔室时，就需直接通往真空泵。请参阅图1，图1是现有的一种原子层沉积设备部分气路系统示意图。如图1所示，现有的原子层沉积(原子层沉积)设备设有反应腔室1，在反应腔室内的上方设有喷淋头(Showerhead)2，用于喷射反应前驱物及其载气、吹扫气体等，在反应腔室内喷淋头的下方设有基座(Stageheater)3，基座用于放置待沉积薄膜衬底4；真空泵5用于将反应腔室内的废水和废气排出和回收；水汽发生器(WVG，WaterVaporGenerator)6用于催化氢气和氧气反应，生成高纯水。现仅以原子层沉积技术中的其中一个半反应进行说明，该半反应为：将水汽通入腔室，饱和吸附在衬底表面后，通入吹扫气体去除残留水汽及反应副产物。在薄膜沉积过程中，具体的水汽通入腔室过程如下：经过质量流量控制器12的一定流量的氧气8，流经氧气管路24和气动阀17后，进入WVG6；与此同时，通过质量流量控制器13的一定流量的氢气10，流经氢气管路25和气动阀18后，进入WVG6，与氧气8反应生成水；通过质量流量控制器14，通入一定流量的携载气体9(一般为氮气、氩气等惰性气体)，经载气管路26，进入WVG6，携带生成的水，流经气动阀19后，到达腔室上方；同时，流经质量流量控制器15的一定流量的稀释气体7(一般与携载气体相同)，经稀释管路27和气动阀20后，在反应腔室1上方与WVG6生成的水及其携载气体9相遇，得到稀释后，进入反应腔室1；腔室中未参与反应的部分水汽经真空管路29，进入真空泵5；此时，通过质量流量控制器16的补偿气体11(一般与携载气体相同)，经补偿管路28与气动阀21后，直接连接真空管路29，进入真空泵5。之后，具体的吹扫水汽及其副产物过程如下：在水汽通入腔室及上述各管路流向的基础上，关闭气动阀19，打开气动阀22，将WVG6生成的水及其携载气体9直接通入真空管路29，进入真空泵5；与此同时，为了保持腔室流经气体总流量的恒定，减小腔室压力的波动，将气动阀21关闭，打开气动阀23，补偿气体11流经腔室上方与稀释气体7混合后，通入反应腔室1，对残留的水汽及其副产物进行吹扫。在上述原子层沉积过程中，WVG生成的水主要有两种流向途径：1)流经反应腔室1，吸附在衬底表面；2)流经真空管路29，进入真空泵5。当另一种反应前驱物流经腔室与吹扫过程中，均有部分该反应前驱物直接流经真空管路29，进入真空泵5。此时，当吹扫气体将另一种反应前驱物及其副产物驱除出腔室时，就会在真空泵与水相遇发生CVD反应，从而产生大量的粉末。这不仅不利于设备颗粒数量的控制，还很容易导致真空泵卡死，由此缩短真空泵的维护周期，增加了工业化成本。此外，WVG仅能生成一定体积的水，使WVG持续工作，也将降低高纯水的利用率。因此，需要提出一种原子层沉积工艺中新型进气方式的实现方法，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种原子层沉积设备的气路系统及其控制方法，通过增加氢气尾气处理装置或添加氢气替换管路两种方式，在不需要水反应的循环步骤，改变氢气的流向或进行氢气替代，使水汽发生器(WVG)不能生成水，从而可有效避免因两种前驱物在真空管路或真空泵相遇而发生CVD反应。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供了一种原子层沉积设备气路系统，包括：稀释管路，连接至原子层沉积设备的反应腔室入口，用于向反应腔室内通入稀释气体；真空管路，连接至反应腔室出口，用于通过真空泵将反应腔室内的废水和废气排出；供水管路，供水管路包括，氧气管路和氢气管路、载气管路和水汽管路，氧气管路和氢气管路分别连接至水汽发生器，用于向水汽发生器内通入氧气和氢气，并通过水汽发生器生成水汽；载气管路，连接至水汽发生器，用于向水汽发生器内通入携载气体，以携带水汽；水汽管路，一端连接水汽发生器，另一端连接稀释管路，用于将携载气体携带的水汽通过稀释管路汇入反应腔室；及氢气尾气处理管路，一端连接氢气管路，另一端连接氢气尾气处理装置，用于将氢气管路中的氢气尾气通入氢气尾气处理装置；还包括氧气尾气处理管路，一端连接水汽发生器，另一端连接真空管路，用于将由水汽发生器流出的携载气体和氧气尾气通过真空管路汇入真空泵；优选地，还包括补偿管路，补偿管路包括第一补偿支路和第二补偿支路，第一补偿支路连接至真空管路，用于将补偿气体通过真空管路汇入真空泵，第二补偿支路连接至稀释管路，用于将补偿气体通过稀释管路汇入反应腔室。优选地，稀释管路设有第一质量流量控制器和第一气动阀，氧气管路设有第二质量流量控制器和第二气动阀，氢气管路设有第三质量流量控制器和第三气动阀，氢气尾气处理管路连接在第三质量流量控制器和第三气动阀之间，其设有第四气动阀，载气管路设有第四质量流量控制器，水汽管路设有第五气动阀。优选地，氧气尾气处理管路设有第六气动阀，补偿管路设有第五质量流量控制器，第一补偿支路设有第七气动阀，第二补偿支路设有第八气动阀。本专利技术还提供了一种上述的原子层沉积设备气路系统的控制方法，包括：水汽通入反应腔室的步骤，其包括：关闭氢气尾气处理管路，通过氧气管路向水汽发生器通入一定流量的氧气，并通过氢气管路向水汽发生器通入一定流量的氢气，使氢气与氧气反应生成水汽，通过载气管路向水汽发生器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原子层沉积设备的气路系统，其特征在于，包括：稀释管路，连接至原子层沉积设备的反应腔室入口，用于向反应腔室内通入稀释气体；真空管路，连接至所述反应腔室出口，用于通过真空泵将所述反应腔室内的废水和废气排出；供水管路，所述供水管路包括，氧气管路和氢气管路、载气管路和水汽管路，所述氧气管路和氢气管路分别连接至水汽发生器，用于向水汽发生器内通入氧气和氢气，并通过水汽发生器生成水汽；所述载气管路，连接至水汽发生器，用于向水汽发生器内通入携载气体，以携带水汽；所述水汽管路，一端连接水汽发生器，另一端连接稀释管路，用于将携载气体携带的水汽通过稀释管路汇入所述反应腔室；及氢气尾气处理管路，一端连接氢气管路，另一端连接氢气尾气处理装置，用于将氢气管路中的氢气尾气通入氢气尾气处理装置；还包括，氧气尾气处理管路，一端连接水汽发生器，另一端连接真空管路，用于将由水汽发生器流出的携载气体和氧气尾气通过真空管路汇入真空泵；补偿管路，包括第一补偿支路和第二补偿支路，所述第一补偿支路连接至真空管路，用于将补偿气体通过真空管路汇入真空泵，所述第二补偿支路连接至稀释管路，用于将补偿气体通过稀释管路汇入所述反应腔室。

【技术特征摘要】
1.一种原子层沉积设备的气路系统，其特征在于，包括：稀释管路，连接至原子层沉积设备的反应腔室入口，用于向反应腔室内通入稀释气体；真空管路，连接至所述反应腔室出口，用于通过真空泵将所述反应腔室内的废水和废气排出；供水管路，所述供水管路包括，氧气管路和氢气管路、载气管路和水汽管路，所述氧气管路和氢气管路分别连接至水汽发生器，用于向水汽发生器内通入氧气和氢气，并通过水汽发生器生成水汽；所述载气管路，连接至水汽发生器，用于向水汽发生器内通入携载气体，以携带水汽；所述水汽管路，一端连接水汽发生器，另一端连接稀释管路，用于将携载气体携带的水汽通过稀释管路汇入所述反应腔室；及氢气尾气处理管路，一端连接氢气管路，另一端连接氢气尾气处理装置，用于将氢气管路中的氢气尾气通入氢气尾气处理装置；还包括，氧气尾气处理管路，一端连接水汽发生器，另一端连接真空管路，用于将由水汽发生器流出的携载气体和氧气尾气通过真空管路汇入真空泵；补偿管路，包括第一补偿支路和第二补偿支路，所述第一补偿支路连接至真空管路，用于将补偿气体通过真空管路汇入真空泵，所述第二补偿支路连接至稀释管路，用于将补偿气体通过稀释管路汇入所述反应腔室。2.根据权利要求1所述的气路系统，其特征在于，所述稀释管路设有第一质量流量控制器和第一气动阀，所述氧气管路设有第二质量流量控制器和第二气动阀，所述氢气管路设有第三质量流量控制器和第三气动阀，所述氢气尾气处理管路连接在第三质量流量控制器和第三气动阀之间，其设有第四气动阀，所述载气管路设有第四质量流量控制器，所述水汽管路设有第五气动阀。3.根据权利要求1所述的气路系统，其特征在于，所述氧气尾气处理管路设有第六气动阀，所述补偿管路设有第五质量流量控制器，所述第一补偿支路设有第七气动阀，所述第二补偿支路设有第八气动阀。4.一种基于权利要求1所述的气路系统的控制方法，其特征在于，包括：水汽通入反应腔室的步骤，其包括：关闭氢气尾气处理管路，通过氧气管路向水汽发生器通入一定流量的氧气，并通过氢气管路向水汽发生器通入一定流量的氢气，使氢气与氧气反应生成水汽，通过载气管路向水汽发生器通入一定流量的携载气体，以继续通过水汽管路携带水汽，到达反应腔室上方汇入稀释管路；同时，通过稀释管路向反应腔室通入一定流量的稀释气体，在反应腔室上方与汇入的携载气体及其携带的水汽相遇，经稀释后，进入所述反应腔室；未参与反应的部分水汽通过真空管路进入真空泵；和吹扫水汽及其副产物的步骤，其包括：在上述过程完毕之后，打开氢气尾气处理管路，使氢气通入氢气尾气处理管路，并进入氢气尾气处理装置。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雷超，李春雷，秦海丰，纪红，
申请(专利权)人：北京北方华创微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11