TW201339354A

TW201339354A - 基板處理裝置及方法

Info

Publication number: TW201339354A
Application number: TW101140251A
Authority: TW
Inventors: Jarmo Maula
Original assignee: Beneq Oy
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-10-01
Also published as: WO2013064737A3; WO2013064737A2

Abstract

本發明係關於一種裝置及方法，可使一基板(5)之一表面歷經至少一第一先質(A)及一第二先質(B)之連貫表面反應。該裝置包括一反應空間(7)及一先質系統(6)，用於將該至少第一及第二先質(A，B)供應至該反應空間(2)。該先質系統(6)包括一先質容器(10，12)、將該先質(A，B)自該先質容器(10，12)供應至該反應空間(7)之一先質供應管線(16，18，30)、及設置至該先質供應管線(16，18，30)之一配劑閥(22，24，32)。該裝置尚包括一溫度感測器(8，9，11，13，15，17，19)，配置至該先質系統(6)，位在該配劑閥(22，24，32)上游之游離氣體空間(16，18，30，38)中。

Description

基板處理裝置及方法

本發明係關於一種處理基板之裝置，且特別地係一種如申請專利範圍獨立項第1項前言中定義之裝置。本發明尚關於一種處理基板之方法，更明確地係一種如申請專利範圍獨立項第8項前言中定義之方法。

本發明係關於一種處理，其中藉由使一基板表面歷經二個或更多汽相或氣相先質之連貫表面反應來處理該基板。一先質處理一般係指，以一塗層來塗佈一基板表面、或以一掺雜劑來掺雜一表面層。可使一基板表面歷經二個或更多汽相或氣相先質之連貫表面反應來處理一基板表面的某一種一般熟知方法係原子層沉積(ALD)。在處理期間，二個或更多先質係由先質系統連貫供應至基板表面。

在用於該處理之某一處理循環期間供應的先質劑量一般較小。倘依設計順序供應先質且供應一設計最小量之先質，則該塗佈或掺雜處理可適當地運作。因此，追蹤或偵測先質供應以監測與控制基板處理係非常重要。偵測先質供應用之先前技藝方法及系統係以壓力量測為基礎。習知中已使用先前技藝偵測系統，在基板處理所在之一反應室前與後，追蹤流道中之壓力變化。

利用壓力量測裝置、即流體壓力計之先前技藝偵測系統的問題在於，其無法自先質容器提供精確資訊、及資訊。更，流體壓力計必須與先質處於相同溫度，以避免該流體壓力計凝結。這將因原子層沉積所使用之高處理與先質溫度，而使關於流體壓力計之結構非常複雜、或甚至不可能達成。另外，高度反應之先質可使流體壓力計之作動退化、或甚至妨礙其作動。流體壓力計亦可提供非常小之信號，而使偵測或追蹤困難。

本發明之目的係提供一種裝置及方法，以克服或至少緩和先前技藝之缺點。可藉一種依據申請專利範圍第1項特徵部之裝置來達成本發明之目的。可藉一種依據申請專利範圍第8項特徵部之方法進一步達成本發明之目的。

申請專利範圍依附項係揭露本發明之較佳具體實施例。

本發明據以為基礎之構想係藉一種裝置內側之一溫度感測器實施的溫度量測，來監測汽相材料之供應，其中該裝置係藉由使一基板之表面歷經至少一第一先質及一第二先質之連貫表面反應來處理該基板，該裝置包括一先質系統，用於供應該至少第一及第二先質。依據本發明，該溫度感測器可配置成，偵測至少其中一該等汽相先質之供應。

倘先質收容於一先質容器中，則該先質容器之游離氣體空間在該先質容器關閉時，將具有某一特定先質蒸汽壓力。基於上述先質蒸汽壓力，該游離氣體空間中之所有表面皆將曝露至該汽相先質。是以，該先質將與該先質容器之游離氣體空間中表面相附著或接觸。當該先質容器、或與其相連接之一導管開啟時，該先質容器內側之游離氣體空間中的蒸汽壓力，將隨該氣態先質流出該先質容器而下降。該下降之蒸汽壓力將造成先質自該先質容器游離氣體空間之表面脫離或汽化。該先質自一表面脫離或汽化將造成該表面上之溫度隨著該汽化自該表面取出熱能而下降。在某些具體實施例中，當一液體或固體先質材料蒸發且經歷一相變時，其將自環境吸收能量。該吸收之能量將藉由降低環境溫度而提供一溫度變動。在藉由使一基板之表面歷經至少一第一先質及一第二先質之連貫表面反應來處理該基板的方法中，於配劑閥開啟時之一配劑狀態期間，至少一先質將蒸發。因此，一溫度感測器可偵測一先質蒸發期間或配劑期間之溫度變動。當一先質材料之分子自一表面脫離時，將出現一對應之溫度下降。

因此，本發明提供一種裝置，其包括一反應空間，基板係在其中作處理，及一先質系統，用於供應該至少第一及第二先質至該反應空間。該先質系統包括一先質容器，用於一先質，一先質供應導管，將該先質自該先質容器供應至該反應空間，及一配劑閥，設於該先質容器與該反應空間之間，藉該配劑閥開啟與關閉來將一劑量之先質供應至該反應空間。依據本發明，該裝置尚包括一溫度感測器，配置至該先質系統，位在該配劑閥上游之游離氣體空間中，用於偵測一個或更多氣態先質朝該反應空間之供應。本發明亦提供一種藉由使一基板歷經至少一第一氣態先質及一第二氣態先質之連貫表面反應以在一反應空間中處理該基板的方法，該方法包括，藉由開啟與關閉設於一先質容器與該反應空間之間的一配劑閥，以將一劑量之先質自該先質容器經由一先質供應導管供應至該反應空間。依據本發明，該方法尚包括，藉設於該配劑閥上游之游離氣體空間中的一溫度感測器達成之溫度量測來偵測一先質之供應。

本發明具有優點，即其可提供一簡單且準確之方式，以當一基板在一裝置中藉歷經複數個先質之連貫表面反應來進行處理時，監測先質及其他汽相材料之配劑。本發明尚提供一種可靠之量測解決方案，其對反應先質不敏感。

2‧‧‧反應室(反應空間)

4‧‧‧容室

5‧‧‧基板

6‧‧‧先質系統

7‧‧‧反應空間

9‧‧‧溫度感測器

10‧‧‧先質容器

11‧‧‧溫度感測器

12‧‧‧先質容器

14‧‧‧沖洗氣體容器

15‧‧‧溫度感測器

16‧‧‧先質導管(先質供應管線)(游離氣體空間)

17‧‧‧溫度感測器

18‧‧‧先質導管(先質供應管線)(游離氣體空間)

19‧‧‧溫度感測器

20‧‧‧沖洗氣體導管

22‧‧‧配劑閥

24‧‧‧配劑閥

26‧‧‧配劑閥

28‧‧‧分支點

30‧‧‧先質供應管線(游離氣體空間)

32‧‧‧配劑閥(供應閥)

34‧‧‧抽排導管

36‧‧‧抽排閥

38‧‧‧游離氣體空間

40‧‧‧信號線

42‧‧‧電腦系統(控制系統)

A‧‧‧第一先質

B‧‧‧第二先質

C‧‧‧沖洗氣體

以下係參考隨附圖式，結合較佳具體實施例來更詳細地說明本發明，其中第1圖係依據本發明一具體實施例之一原子層沉積裝置概略視圖；第2圖係顯示本發明一具體實施例之一原子層沉積裝置的一先質系統先質容器概略視圖；及第3圖係顯示本發明一具體實施例之一原子層沉積裝置的另一先質系統先質容器概略視圖。

第1圖係顯示一原子層沉積(ALD)裝置之某一解說用具體實施例。原子層沉積係一般熟知之技術，可藉使表面歷經至少二先質之連貫表面反應來塗佈與沉積基板。該等先質係在氣態下供應至一反應室。在執行某一先質之表面反應後，將排空該反應室，且接著將沖洗氣體供應至該反應室。在該沖洗氣體脈衝後，將再次排空該反應室且接著將另一先質材料供應至該反應室。在某些應用中，可將沖洗氣體之排放及/或供應略除。通常ALD係結合二分離之先質材料作動，然其亦可結合超過二分離之先質材料作動。一旦所有先質皆供應至該反應室，即完成一完整ALD循環。該等先質材料在先質容器中可呈氣態、液態或固態，且在該等先質供應至該反應室期間汽化。

第1圖之ALD裝置包括一容室4、及容室4內側之一反應室2。反應室2內側定義一反應空間7。請注意到，在其他具體實施例中，可略除容室4，且反應室2亦可作用如一容室。容室4中之壓力可具有任何需求之值。儘管ALD處理通常在沉積期間使用真空，然真空之使用並非ALD所必要者。然而，真空經常提供最有效率之沉積環境，且因此容室4可為一真空室。在又一變型中，ALD裝置可包括一噴嘴頭(未顯示)，用於在一基板表面上供應先質，而未設有任何分離之反應室。在這種情況下，可在該表面或該基板與該噴嘴頭之間形成反應室。如第1圖中所顯示者，一基板5係置於反應室2內側之反應空間7中。在本具體實施例中，一次僅處理某一基板5，然在一變型具體實施例中，同一時間可在反應室2中處理多個基板。基板5可置於一基板托架(未顯示)上，以裝載入反應室2中、在反應室2內側處理、及自反應室2卸載。該ALD裝置尚包括一先質系統6，用於將先質供應至反應室2、及自反應室2排出先質。先質系統6包括複數個先質容器10、 12，用於先質A、B，複數個先質供應導管16、18，分別自先質容器10、12供應先質A、B至反應空間7，及複數個配劑閥22、24，設於先質容器10、12與反應空間7之間，藉配劑閥22、24開啟與關閉分別將一劑量先質A、B供應至反應空間7。

第1圖之具體實施例包括一第一先質容器10，其具有第一先質A，一第二先質容器12，其具有第二先質B，及一沖洗氣體容器14，其具有沖洗氣體C。先質A、B及該沖洗氣體係經由一供應導管30供應至反應室2。供應導管30設有一供應閥32，用於開啟與關閉供應導管30、及/或控制先質A、B與沖洗氣體C之供應。在其他具體實施例中，可略除該供應閥。第一先質容器10係以一第一先質導管16連接至供應導管30。第一先質導管16設有一第一配劑閥22，用於執行自第一先質容器10供應第一先質A。第二先質容器12係以一第二先質導管18連接至供應導管30。第二先質導管18設有一第二配劑閥24，用於執行自第二先質容器12供應第二先質B。沖洗氣體容器14係以一沖洗氣體導管20連接至供應導管30。沖洗氣體導管20設有一沖洗氣體配劑閥26，用於執行自沖洗氣體容器14供應沖洗氣體C。如第1圖中所顯示者，第一先質導管16、第二先質導管18、與沖洗氣體導管20皆在一分支點28處連接至供應導管30。這意謂著，在本具體實施例中，供應導管30係所有先質A、B與沖洗氣體C共用。另一選擇為，第一與第二先質導管16、18、與沖洗氣體導管20可分離，且直接延伸至反應室2。亦可能為二個或更多先質導管16、18與沖洗氣體導管20具有一共用供應導管30。在如第1圖中所示之共用供應導管情況下，供應閥32亦可形成、或其可作用如一配劑閥。配劑閥22、24、26亦可設置至、或連接先質容器10、12或沖洗氣體容器14，而非先質導管16、18與沖洗氣體導管20。亦，另一選擇為，該等配劑閥可設置至、或連接反應室2，特別當該等分離之先質導管直接延伸至反應室2時尤然。

某些ALD系統係使用連續氮氣(N₂)流來流通過該沉積系統，且藉氣體質量流控制器來取代沖洗氣體配劑閥26。

先質系統6亦包括一抽排導管34，先質A、B及沖洗氣體C可藉此自反應室2排放。抽排導管34可藉使用一抽氣泵或相似物(未顯示)而具有吸力。抽排導管34亦可設有一抽排閥36，用於開啟與關閉抽排導管34、及/或控制自反應室2排放。

在先質容器10、12中，先質A、B正常下係呈液體或固體，但其亦可呈氣態。在先質A、B之非配劑狀態期間，配劑閥22、24係關閉，且在一配劑狀態期間，配劑閥22、24係短暫開啟，以將一次配劑脈衝之先質A、B供應至反應室2。同樣地，在一沖洗狀態期間，沖洗氣體配劑閥26係開啟，以將沖洗氣體C供應至反應室2，且在非沖洗狀態期間，沖洗氣體配劑閥26係關閉。每次開啟一配劑閥22、24、26，以分離地將先質A、B與沖洗氣體C供應至反應室2。是以，配劑閥22、24係、或可配置成，藉開啟與關閉配劑閥22、24，來供應一需求劑量之先質A、B至基板5。

先質A、B在先質容器10、12中係保持於特定條件下。因此，先質容器10、12內側具有一特定壓力與溫度。當配劑閥22、24開啟時，該容器中之先質蒸汽或氣體將通過配劑閥22、24而流至反應室2。液體或固體先質A、B將在供應劑量期間及/或之間汽化或昇華。在一氣態先質A、B或沖洗氣體C情況下，並未發生汽化，然先質A、B或沖洗氣體C將通過配劑閥22、24、26而流至反應室2。先質A、B可在先質容器10、12中加熱，以保持於一需求溫度下。可藉一輻射加熱器、傳導加熱器、或對流加熱器(未顯示)來執行該加熱。第1圖係顯示本發明之某一具體實施例，其中該ALD裝置設有複數個溫度感測器9、11、及19。溫度感測器9、11、19分別定位至先質系統6之先質導管16、18與供應導管30，且位於配劑閥16、18與供應閥32之上游。溫度感測器9、11、19係配置成，可偵測至少一汽相先質A、B供應至反應室2。溫度感測器9、11、19可為譬如一電阻式溫度偵測器、一電阻式熱檢測器(RTD)、一熱敏電阻、一半導感測器、一熱電偶、一熱電元件、一紅外線溫度計、或一庫倫阻斷(Coulomb Blackade)式溫度計等任何已知型態之溫度感測器。亦可使用直接或間接偵測氣體/蒸汽分子溫度之昂貴系統。另一選擇為，溫度感測器9、11、19可包括配置至供應導管30或先質導管16、18之任何型式熱電元件。該熱電元件之質量較佳地可較小，使其亦可偵測非常小之溫度變化。在這種型式之配置中，可將溫度感測器9、11、19配置成，監測設置至供應導管30之熱電元件溫度變化。

如第1圖中所顯示者，第一先質容器10係以設有第一配劑閥22之第一先質導管16連接至供應導管30。第二先質容器12係以設有第二配劑閥22之第二先質導管18連接至供應導管30。在一非配劑狀態下，配劑閥22、24係關閉，且當一劑量先質A或B供應至反應室2時，各別之配劑閥22、24將短暫開啟。在配劑閥22、24之一非配劑狀態下，配劑閥22、24可防止先質A、B流至反應室2。當使用氣體、液體、或固體先質A、B時，先質容器10、12之游離氣體空間中將具有某一特定之先質A、B蒸汽壓力。該游離氣體空間意謂著，在一液體或固體先質情況下，容器10、12中上達配劑閥22、24、未由先質A、B佔據之空間。當使用氣態先質時，該游離氣體空間意謂著，上達配劑閥22、24之整個容器10、12空間。是以，該游離氣體空間包括先質容器10、12中、未由先質A、B佔據之空間，及該先質導管內側上達配劑閥22、24或在某些情況下上達供應閥30之空間。依據上述者，溫度感測器9、11、19可配置於，與先質容器10、12內部作流體式連接、或與先質容器10、12中先質A、B作流體式連接之一游離氣體空間中。該等溫度感測器係配置至該先質系統，且在該配劑閥上游之游離氣體空間中。緣是，先質材料係自該先質容器經由該先質導管供應至該反應空間，且該配劑閥係設於該先質容器與該反應空間之間。因此，將溫度感測器配置至配劑閥上游之游離氣體空間意謂著，該溫度感測器係置於，當該配劑閥關閉時，與該先質或該先質容器內內體作流體式連接之游離氣體空間。換言之，該溫度感測器係配置於該先質容器中、或該先質容器與該配劑閥之間的游離氣體空間內。

是以，該游離氣體空間之所有表面皆曝露在汽相先質A、B下。在先質A、B之配劑狀態下，各配劑閥22、24皆開啟，造成先質A、B自該游離氣體空間之內體、且亦自該游離氣體空間之表面脫離。先質A、B之脫離可因先質A、B蒸發、流動、或昇華而發生。先質A、B自游離氣體空間之表面脫離將消耗能量，且因此該表面之溫度將暫時下降。先質A、B自該表面脫離所消耗之能量，至少部份地以熱能方式自該表面材料直接取出。

在第1圖之具體實施例中，具有一第一溫度感測器9，設置至第一先質導管16所設第一配劑閥22上游之第一先質容器10游離氣體空間。一第二溫度感測器11係設置至，第二先質導管18所設第二配劑閥24上游之第二先質容器12游離氣體空間。溫度感測器9、11可位於先質容器10、12內側之游離氣體空間、或配劑閥22、24上游之先質導管16、18中。在一非配劑狀態下，溫度感測器9、11亦曝露至先質蒸汽，且該先質蒸汽亦附著至或接觸溫度感測器9、11之表面，使溫度感測器9、11之溫度可在足夠長之曝露期間，到達該先質蒸汽之溫度。當配劑閥22、24開啟時，先質容器10、12、及配劑閥22、24上游游離氣體空間內側之壓力將降低，且先質A、B將自先質容器10、12流出至反應室2，使先質A、B將脫離溫度感測器9、11之表面。該先質A、B脫離溫度感測器9、11表面，將使溫度感測器9、11之溫度降低。在某些具體實施例中，先質A、B係自溫度感測器9、11之表面蒸發。該蒸發將造成，溫度感測器9、11之溫度，隨蒸發提取能量而下降。緣是，溫度感測器9、11可監測與偵測先質A、B之脫離或蒸發、及因此先質A、B在配劑閥22、24開啟之配劑狀態期間朝該反應室之供應。第2圖係顯示另一選擇具體實施例，其中一浮動式溫度感測器15係配置於包含有液體先質A之先質容器10內側、且明確地係配置至先質容器10內側之一游離氣體空間38。如第2圖中所顯示者，至少部份之浮動式溫度感測器15保持在先質容器10游離氣體空間38中之液體先質A表面液位上方。可達成此結果，使該浮動式溫度感測器之一熱電元件保持在液體先質A之表面上方。先質容器10係連接至，具有一配劑閥22之先質導管16。在一非配劑狀態下，浮動式溫度感測器15至少部份地曝露至游離氣體空間38中之先質蒸汽。當配劑閥22開啟時，先質容器10及游離氣體空間38內側之壓力將下降，且液體先質A將蒸發。

液體先質A表面液位上方之浮動式溫度感測器15表面上亦出現蒸發，且因此浮動式蒸發溫度感測器15之溫度將隨蒸發取出能量而下降。緣是，浮動式溫度感測器15可監測與偵測先質A之蒸發、及因此先質A在配劑閥22開啟之配劑狀態期間朝反應室2之供應。更，浮動式溫度感測器15可配置成，監測先質容器10中之液體先質A表面液位、或著先質容器10之位置或斜度。是以，溫度感測器15可配置於先質容器10、12內側，作為一液位感測器，用於偵測先質容器10、12中之一液體先質A、B表面液位，或先質容器10、12之位置。浮動式溫度感測器15可透過一信號線40連接至譬如一電腦系統等一控制系統42，以控制該ALD裝置之作動、及控制先質A朝反應室2之供應。浮動式溫度感測器15可為一電阻式溫度偵測器、一電阻式熱檢測器(RTD)、一熱敏電阻、一半導感測器、一熱電偶、一熱電元件、一紅外線溫度計、或一庫倫阻斷(Coulomb Blackade)式溫度計。

第3圖係顯示本發明之又一具體實施例，其中數個溫度感測器17係配置至先質容器10。溫度感測器17係自先質容器10底部至先質容器10上方部相繼地定位，使得當液體先質A表面液位下降時，溫度感測器17將自液體先質A顯露出。溫度感測器17可連附至先質容器10之內側壁。這種型式之配置可包括一個或更多溫度感測器17，其在先質容器10中作用如液位感測器。當使用該ALD裝置時，一部份先質A將在每次配劑期間蒸發，且供應至該反應室以處理一基板。是以，先質容器10中之先質A總量將減少，且先質A之表面液位將下降。當溫度感測器17顯露於液體先質A表面液位上方時，其係位於該先質容器之游離氣體空間38中，且可偵測先質A在配劑狀態期間之蒸發，如以上所述者。所有蒸發溫度感測器17皆可經由信號線而連接至譬如電腦系統42等控制系統42。第3圖之配置可用於監測與偵測配劑狀態期間之先質A蒸發、及因此朝反應室2之先質A供應。更，溫度感測器17可配置成，監測先質容器10中之液體先質A表面液位、或著先質容器10之位置或斜度。這可藉由監測該等溫度感測器17中，哪一個可偵測到一配劑期間，因先質A蒸發所造成之溫度變化來達成。未偵測到先質A蒸發之溫度感測器17係位於液體先質A表面液位下方。溫度感測器17可為一電阻式溫度偵測器、一電阻式熱檢測器(RTD)、一熱敏電阻、一半導感測器、一熱電偶、一熱電元件、一紅外線溫度計、或一庫倫阻斷(Coulomb Blackade)式溫度計。

依據上述者，本發明提供一種ALD裝置，其中一個或更多溫度感測器係用於監測或偵測，先質A、B及/或沖洗氣體於一處理中朝一反應室之供應，該處理係用於使一基板5之表面歷經至少一第一氣態先質A及一第二氣態先質B之連貫表面反應。更，本發明可提供一種ALD裝置，其中一個或更多溫度感測器可用於監測，一液體先質A、B於一處理中，在一先質容器10、12中之表面液位，該處理係用於使一基板5之表面歷經至少一第一先質A及一第二先質B之連貫表面反應。一般而言，本發明提供一種裝置及方法，可藉溫度量測來監測或偵測朝反應室或反應空間之先質供應。

在本發明中，複數個溫度感測器可配置於該先質容器中、或該配劑閥上游之游離氣體空間中，以透過蒸發所造成之溫度變化，來偵測配劑狀態期間之蒸發。是以，該等溫度感測器在該配劑閥關閉之一非配劑狀態下，恆位在可與液體或固體先質作流體式連接之位置。請注意到，該ALD裝置可包括一個或更多上述溫度感測器，且該等溫度感測器之量測結果又可用於控制或調整先質供應與蒸發、或其他作動特徵。

本發明提供一種藉配置於游離氣體空間16、18、30、38中之溫度感測器9、11、15、17、19測量溫度以偵測一先質A、B供應的方法，該游離氣體空間係與先質容器10、12內部作流體式連接、或與先質容器10、12中之先質A、B作流體式連接。該方法可藉由在供應先質A、B期間，以溫度感測器9、11、15、17、19測量溫度，來偵測游離氣體空間16、18、30、38中之液體或固體先質A、B汽化。該方法係以藉測量溫度來偵測先質供應為基礎，其包括在供應先質A、B期間偵測溫度感測器9、11、15、17、19之一熱電元件的溫度變化，或當該配劑閥開啟時以溫度感測器9、11、15、17、19測量游離氣體空間16、18、30、38中之先質A、B蒸發所造成的溫度變化。

本發明更提供一種溫度感測器8、9、11、13、15、17、19之使用，其在供應先質A、B期間，以先質A、B與配劑閥22、24、32間之游離氣體空間16、18、30、38中的溫度感測器9、11、15、17、19測量溫度變化，來偵測一處理中，藉開啟與關閉先質供應管線16、18、30上所設之配劑閥22、24、32而自先質容器10、12經由先質供應管線16、18、30朝反應室7之氣態先質A、B供應，該處理係用於使一基板5之表面歷經至少一第一先質A及一第二先質B之連貫表面反應者。本發明亦提供一種溫度感測器17之使用，用於偵測一個或更多液體先質A、B於一處理中，在先質容器10、12中之表面液位，該處理係用於使一基板5之表面歷經至少一第一先質A及一第二先質B之連貫表面反應者。

熟於此技藝者可明白，隨著科技進步，可依各種不同方式實現本發明之基本構想。本發明及其具體實施例因此並非以上述範例為限，然其可在申請專利範圍之範疇內變化。